（市政工程专业论文）不同工况对A2O系统污泥减量作用的研究.pdf

北京建筑工程学院硕上学位论文 摘要 随着人口和污水处理量的增加以及污水生物处理技术的应用与普及，污泥排放量也急 剧增加，这些剩余污泥对环境的极大危害以及高昂的处理处置费用是目前很多污水处理厂急 需解决的问题之一。对剩余污泥的处理，主要目的之一就是污泥减量化，污泥通过水解溶胞 作用可以有效的地促进细菌溶胞分解。污泥水解释放的物质包含溶解性和非溶解性物质，非 溶解性物质在水解细菌的作用下也会被进一步水解为溶解性物质，从而提高了污泥的可生化 性。分解后的污泥作为内源底物再次返回生物处理系统以促进微生物的隐性生长而达到污泥 减量的目的。 论文试验研究部分主要由静态和动态试验两部分组成。静态小试试验首先分别探讨污泥 浓度、水解时间和氧化还原电位( o r e , ) - - 个因素对剩余污泥溶胞作用的影响；然后又设计三 因素三水平的正交试验，以优化剩余污泥水解酸化试验条件，为后续动态系统试验研究提供 最佳的条件参数。动态试验包括人工配水和实际污水两个阶段，结合a 2 o 系统，将剩余污 泥水解酸化再分别回流到系统的厌氧池、缺氧池和好氧池，分别探讨了溶胞作用对系统污泥 减量效果及出水水质的影响。 静态正交试验结果表明，根据试验所选的因素水平，以溶胞释放溶解性有机物s c o d 为分析指标时，水解酸化剩余污泥最佳实验条件是：污泥浓度为9 0 0 0 m g l 左右、o r p 为 1 0 0 - 一- 3 0 0 m v 、水解时间为9 h 左右。并根据极差分析结果表明，污泥浓度对水解酸化剩余污 泥溶胞释放溶解性有机物影响最显著，其次是o r p ，再次是水解时间。 根据静态试验水解酸化剩余污泥的优化条件，动态试验分别考察了不同进水情况下水解 酸化剩余污泥分别回流到a 2 o 系统的不同位置时，系统的污泥减量效率及处理效果。其中 人工配水时水解污泥分别回流到厌氧池、缺氧池及好氧池，系统减量效率分别为4 3 4 1 、 4 2 0 2 和3 9 4 6 ；采用实际污水时，水解酸化剩余污泥分别回流到系统的厌氧池及缺氧池， 系统减量效率分别为4 6 3 7 、4 2 4 6 。两阶段动态试验出水c o d 、n h 4 + - n 均达到了城镇 污水处理厂污染物排放标准g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 一级a 出水标准，出水t n 、n o f - n 达到一级b 标准，出水t p 达到二级标准。 此外，迸水采用实际污水时，试验研究了利用超声波强制溶胞作用5 0 剩余污泥并回 流到a 2 o 系统中的缺氧池。结果表明，污泥减量效率为3 6 6 4 ，出水c o d 和n h 4 + - n 达到了城镇污水处理厂污染物排放标准g b l 8 9 1 8 。2 0 0 2 一级a 标准，出水t n 和n 0 3 - n 达到了一级b 标准，出水1 1 p 满足二级标准。 关键词：水解酸化；a 2 o 工艺；污泥减量；隐性生长；超声波；剩余污泥；出水水质。 i i i 北京建筑t 程学院顾士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fp o p u l a t i o na n ds e w a g et r e a t m e n ta n dt h ep o p u l a r i z a t i o no fb i o l o g i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，s l u d g ep r o d u c t i o ni n c r e a s e sr a p i d l y t h es u r p l u ss l u d g ei sh a r m f u lt ot h e e n v i r o n m e n ta n di tn e e d sh i g hc o s tf o rd i s p o s a l ，t h e n ，i tb e c a m eo n ei m p o r t a n ti s s u ef o rt h e s e w a g et r e a t m e n tp l a n t t h e r e f o r e ，s l u d g er e d u c t i o nb e c o m e su r g e n ta n di m p o r t a n t h y d r o l y s i s w a sc o n f l r m e dt ob ee f f e c t i v et op r o m o t es l u d g ed i s i n t e g r a t i o na n dl e a dt oc e l ll y s i s i n t r a c e l l u l a r m a t e r i a l s ，w h i c hw e r er e l e a s e df r o mb r o k e nc e l l ，c o n t a i ns o l u b l ea n dn o n s o l u b l es u b s t a n c e s t h e n o n s o l u b l es u b s t a n c e sw e r eh y d r o l y z e di ns u c c e s s i o na n dt h es l u d g eb i o d e g r a d a b i l i t ) ，w a sf u r t h e r i m p r o v e d t h e n ，t h et r e a t e ds l u d g er e t u r nt ot h es e w a g et r e a t m e n ts y s t e m ，i nw h i c ht h ed i s s o l v e d o r g a n i cm a t t e r , s c o dw a su t i l i z e db ym i c r o - o r g a n i s m s i ta c c o r d i n g l yc a u s ec r y p t i cg r o w t ha n d s l u d g er e d u c t i o n t h i ss t u d yi n c l u d i n gt w op a r t so fe x p e r i m e n t s ，t h eo n ei sl a b s e a ls t a t i ce x p e r i m e n t ，t h eo t h e r i sd y n a m i cl a b - s e a le x p e r i m e n t t h ei m p a c tr o l eo fs l u d g el y s i sw a sc h e c k e db yt h el a b s e a ls t a t i c e x p e r i m e n t st h r o u g hs i n g l e - f a c t o ra n a l y s i s ，s u c ha ss l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，h y d r o l y s i st i m ea n d o x i d a t i o n - r e d u c t i o np o t e n t i a l ( o r p ) t h r e ef a c t o r sa n dt h r e el e v e l so ft h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t w a sd e s i g n e dt oo p t i m i z es l u d g eh y d r o l y s i s a c i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n s s y n t h e t i cw a s t e w a t e ra n d m u n i c i p a lw a s t e w a t e rw e r eu s e di nd y n a m i cl a b - s e a le x p e r i m e n t s ，t h eh y d r o l y t i cs l u d g er e t u r n e d t ot h e 0s y s t e m t h ey i e l dr a t ea n dt h ee f f l u e n tq u a l i t yw e l eo b s e r b e da n da n a l y z e d t h er e s u l t so fl a b s c a l es t a t i ce x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a t ，a c c o r d i n gt ot h ef a c t o r sa n dl e v e l s c h o s e nf o rt h ee x p e r i m e n ta n dt h er e l e a s eo fd i s s o l v e do r g a n i cm a t t e rs c o dl y s i sa st h ea n a l y s i s i n d i c a t o r s ，t h eh y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o no p t i m a le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa sf o l l o w s ，t h es l u d g e c o n c e n t r a t i o no f9 0 0 0 m g l ，o r po f l o o m v 一3 0 0 m v , h y d r o l y s i st i m eo f9h i tc o n c l u d e st h a t s l u d g ec o n c e n t r a t i o ni st h em o s ts i g n i f i c a n t ，f o l l o w e db yo r p , a n dh y d r o l y s i st i m e a c c o r d i n g 、 ，i t hl a b s c a l es t a t i ce x p e r i m e n t so ft h eo p t i m a lh y d r o l y s i sc o n d i t i o n sf o rs l u d g e a c i d i f i c a t i o n ，w h e ns y n t h e t i cw a s t e w a t e rw a sa d o p t e da si n f l u e n t ，t h es l u d g er e d u c t i o nr a t ew a s r e s p e c t i v e l y4 3 41 ，4 2 0 2 a n d3 9 4 6 ，w h e nt h et r e a t e ds l u d g ew a sr e t u r n e dt oa n a e r o b i c ， a n o x i ca n da e r o b i cr e a c t o r a n dm u n i c i p a lw a s t e w a t e rw a sa d o p t e da si n f l u e n t ，t h es l u d g e r e d u c t i o nr a t ew a sr e s p e c t i v e l y4 6 3 7 a n d4 2 4 6 ，w h e nt h et r e a t e ds l u d g ew a sr e t u r n e dt o a n a e r o b i co ra n o x i cr e a c t o r m e a n w h i l e ，t h ee f f l u e n tc o d ，n i - h + - h i ，s t i l ls a t i s f i e dt h ed e m a n do f t h ed i s c h a r g es t a n d a r d so fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( g b18 918 - 2 0 0 2 s t a i ra ) t h ee f f l u e n tt n ，n 0 3 。- h i ，s t i l lw e r ei nl i n ew i t hg b18 918 - 2 0 0 2s t a i rb ，a n dt h ee f f l u e n t t pr e a c ht h ed i s c h a r g es t a n d a r do f s e c o n d a r yl e v e l 北京建筑工程学院硕上学位论文 m o r e o v e r , d u r i n gt h ed y n a m i cl a b - s c a l ee x p e r i m e n t s ，a d o p tt h ea r t i f i c i a lw a t e r 勰i n f l u e n t , t h es l u d g er e d u c t i o nr a t ew a s3 6 6 4 w h e nt h ed i s i n t e g r a t e de x c e s ss l u d g eb yu l t r a s o u n dw i t h io - m i n u t et r e a t m e n tw a sr e t u r n e dt oa n o x i cr e a c t o rt ot h es y s t e m m e a n w h i l e ，t h ee f f l u e n tc o d ， n h 4 + - n ，s t i uw e r ei nl i n eg b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2s t a i ra ，t h ee f f l u e n tt n ，n o f - n ，s t a i rb ，a n dt h e e f f l u e n tt p , r e a c ht h ed i s c h a r g es t a n d a r do fs e c o n d a r yl e v e l k e y w o r d s ：h y d r o l y s i s - a c i d i f i c a t i o n ；u l t r a s o u n d ；a n a e r o b i c a n o x i c a e r o b i cs y s t e m ；s l u g d e r e d u c t i o n ；c r y p t i cg r o w t h ；r e s i d u a ls l u d g e ；e f f l u e n tq u a l i t y v 北京建筑工程学院硕上学位论文 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：否秒 日期：2 0 1 0 年3 月 授权书 本人同意将所著硕士学位论文 不同z ；乳司力咖衣鲵 亨；毒黟二硪告邛闲移嗣嘭 著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权业 衷建筑王程堂院亟究生处行使上述授权的范围包括：立匕宝建筑 王程堂院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作 权问题引起的责任。 j 宝建筑王程堂院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊 重本人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期5 年 论文作者：冬夏刀 ( 签章) 为年乡月妇 作者联系方式： 地址：萝写蝻海叫节 邮编： ，7 多涉7 电话：，乡似梦f 刃石d ，；1 2 。多石f 够多 传真： 手机：f 多衍拈f 7 7 锄电子信箱：岁7 岁，秒钐c 北京建筑t 程学院硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着我国逐年增加对城市污水处理工程的投入，污水处理厂和污水处理率也在逐年增加。当城市 污水处理状况逐步得到改善的同时，污水处理过程中产生的污泥量也在逐年攀升。剩余污泥成分十分 复杂，由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体，含有水分、难降解有机 物、重金属、盐类以及少量病原微生物和寄生虫等，如不加处理或处置不当，不仅占用大量的耕地， 带来环境污染，而且还造成资源浪费。因此，如何将产生量人，成分复杂的城市污水污泥进行处理与 处置，使其减量化、稳定化、无害化、资源化，已经成为全球广泛关注的课题之一。 1 1 1 城市污水厂污泥排放状况 城市污水厂污泥的产生量受污水水质、污水处理量、处理t 艺、处理水平、污泥脱水程度等因素 影响。随着我国城镇污水处理厂的扩建以及污水处理量的增多，随之带米的污泥产生量也在不断的增 加。根据我国污水处理量，余杰【1 1 等人计算了我国城市污泥产量，具体结果见表1 1 。 表1 - 1 我国城市污水处理厂污泥产量情况 年份污水年排放总量污水处理量污水处理率污泥产量1 0 4 t a ( 1 0 s m 3 a )( 1 0 8 m 3 a ) ( ) 含水率为8 0 干污泥 1 9 9 12 9 9 74 4 51 4 8 64 4 58 9 1 9 9 23 0 1 85 2 21 7 2 95 2 21 0 4 4 1 9 9 33 1 1 36 2 32 0 0 26 2 31 2 4 6 1 9 9 43 0 3 05 1 81 7 1 05 1 81 0 3 6 1 9 9 53 5 0 36 9 o1 6 6 96 9 01 3 8 1 9 9 63 5 2 88 3 32 3 6 28 3 31 6 6 6 1 9 9 73 5 1 49 0 82 5 8 49 0 81 8 1 6 1 9 9 83 5 6 31 0 5 32 9 5 61 0 5 32 1 0 6 1 9 9 9 3 5 5 71 1 3 63 1 9 31 1 3 6 2 2 7 2 2 0 0 03 3 1 81 1 3 63 1 9 31 1 3 62 2 7 2 2 0 0 l 3 2 8 6l l l 9 73 6 4 31 1 9 72 3 9 4 2 0 0 23 3 7 61 3 4 94 9 9 71 3 4 92 6 9 8 2 0 0 33 4 9 21 4 8 04 2 3 91 4 8 02 9 6 北京建筑工程学院硕= b 学位论文 2 0 0 43 5 6 01 6 3 04 5 7 81 6 3 03 2 6 2 0 0 56 1 0 22 9 5 34 8 4 02 9 5 35 9 0 6 2 0 0 63 9 9 02 2 3 55 6 0 02 2 3 54 4 7 2 0 0 74 3 3 12 5 5 55 9 0 02 5 5 5 5 l l 目前我国大部分污水处理厂采用的都是生物处理法，生物处理以高效低耗的突出优点被广泛应用 于污水处理，而活性污泥法是应用最为广泛的生物处理t 艺之一。所谓活性污泥法是以活性污泥为主 体的污水生物处理技术。活性污泥法处理城市污水的技术已经相当成熟，有将近9 0 年的历史。目前已 经开发了多种活性污泥法工艺，比如氧化沟又称循环曝气池、a 2 o 、s b r 法、a b 法等工艺。 厂r 有机相化学组成1 喜襄嘉箬篡，等纂篙貉萎：霁囊霎：篥二霎：篙罗薹苫主警。腐殖质等 f 固相l 微生物组主f 警至璺靠? 毒指示性生物含量 污llr 毒害住物质：a 昆s 虫c 卵d 、c r 、j h g 、p b 、c u 、z n 豢 6 0 ) 时，而挥发性脂肪酸v f a 含量不足，也不能很好的实现生物除磷效果，同理，若易生 物降解c o d 不足，也很难实现高效的反硝化作用。如果c n 比、c p l b 较低的，而能够开发出适量“潜 在”的易降解有机物和挥发性脂肪酸，则仍能够实现较好的脱氮除磷效果。所谓“潜在”，是指污水 和污泥中人多数有机物c o d 组分不是以r b c o d 或v f a 的形式存在，但经过适当处理( 如水解、发酵) 后，是可以进行转化的l l 引。 1 2 污泥减量技术研究现状与发展 1 2 1 剩余污泥特性 剩余活性污泥絮体是由大量的分散微生物细菌通过胞外聚合物( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e s ，e p s ) 、阳离子( 如c a 2 + ，m 9 2 + ) 和其他细颗粒架桥而组成i 】引。e p s 是活性污泥絮体中继水分和 细胞后的第三大组成部分【1 4 1 ，其来源有二1 1 4 。7 】，一是由细菌细胞新陈代谢分泌的高分子聚合物，聚集 在细胞外部形成凝胶状的基质，二是来自于污废水中的化合物，即污泥所处的基质环境，因此，e p s 在活性污泥絮体中普遍存在。这种聚合物聚集在细胞外部形成保护层以抵制外界环境的压力，同时也 起到储备碳源和能源的作用。多数研究1 1 3 , 1 8 - 2 2 表明，e p s 的7 0 8 0 的组分为蛋白质和多糖，剩余的 2 0 3 0 来自于腐殖成分，糖醛酸，核酸和脂类等。e p s 被认为是决定絮凝体物理化学性质和生物性 质的关键物质担引。微生物被胞外聚合物包裹或同定在污泥絮体中，为污泥微生物细胞提供了一个适应 的环境，使其生长代谢。胞外聚合物对污泥絮体的沉降性能、絮凝性能以及脱水性能均有重要影响 1 2 4 - 2 6 。污泥中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素以及多种微量元素和有机物、腐殖质。同时也含有多 种病原菌、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物。由于污水来源，污水处理工艺及季节的不同， 污泥的组成差异较大。 剩余污泥是一种活体物质，其绝大部分组成是有机质，一般在6 0 以上，富含氮、磷、钾等营养 元素。这些物质的含量随季节的不同而不同，通常是夏季低而冬季较剐2 7 】。污泥中有机物含量比较高， 4 北京建筑工程学院硕上学位论文 可以被微生物降解。比如，细菌在内源呼吸的自身氧化以及剩余污泥的好氧、厌氧消化都是这一有机 质的生物降解过程。从某种角度来讲，剩余污泥是个丰富的营养源，因此在某种条件下可以作为底物 被微生物降解，剩余污泥的好氧消化、厌氧消化就是污泥的生物降解、稳定化过程 2 8 - 3 1j 1 2 2 剩余污泥减量化原理 污泥减量化是在上世纪9 0 年代提出的新概念，是基于污泥资源化进一步提出的要求。污水生物 处理依赖于系统内微生物对污染物的降解，微生物在降解污染物质的同时取得生长所需的原料并产生 能量，能量通常被用于细胞维持和推动细胞生长。细胞维持是指维持细胞正常的生理状态，因而用于 细胞维持的能量需要被优先满足，生物污泥的形成过程即是细胞生长的过程。因此要想从根本上达到 污泥减量的目的，应尽可能地使生物降解过程中所产生的能量被用于细胞维持而不是细胞生长。通过 利用物理、化学、生物等方法降低剩余污泥产率和利片j 微生物自身内源呼吸作用进行氧化分解，使整 个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少。 减少生物处理过程的产泥量，可以延长曝气时间、增加污水在曝气池内的水力停留时间，以促 进微生物的自身氧化分解，但这需要增大池容积和曝气量，基建投资和运行费用相应地也增大目前 开发的剩余污泥减量化技术大多是以减少污水处理系统内微生物的净增殖量为核心。 在活性污泥微生物的代谢作用下，污水中的有机物得到降解、去除，与此同步产生的活性微生物 本身的增殖和随之而来的活性污泥的增长。活性污泥微生物的增殖是微生物合成反应和内源代谢两项 生理活动的综合作用结果，活性污泥的净增值量是这两项活动的差值，即 xx = a s r - b x ( 1 ) 式中，x 为活性污泥的净增殖量( 剩余污泥量) ，k g d ；s r 为活性污泥微生物作用下，污水中被降 解、去除的有机物( b o d ) 量，k g d ：x 为曝气池内混合液中含有的微生物量，k g ；a 为微生物降解 有机污染物的污泥产率；b 为微生物内源代谢反应的自身氧化率d 。 从式( 1 ) 中可以看出，假设b o d 的去除量s r 不变，那么要减少剩余污泥产量，就需要减低污 泥产率a 或者增大b 和x ，传统的减少污泥产量的方法也正是依靠延长停留时间，提高自身氧化率b 值实现的，随着污水、污泥处理技术的发展，目前的污泥减量技术已经不仅仅局限于提高自身氧化率 b 值，而是发展到依靠降低污泥转化率a 和提高生化反应池内混合液浓度x 等实现剩余污泥的减量化。 任何一种污泥减量技术都应该是在减少污泥产量的同时，不影响- j 二艺的效率和效能。污水生物 处理进一步的改进应满足如下要求：经济可行，便于操作管理，有远期效益。目前一些研究重点都是 针对活性污泥的增生污泥的减量，用于污泥减量的方法有【2 3 i ： ( 1 ) 在b o d 去除率不变的情况下，降低污泥产率a 。如采用化学或生物的方法促进微生物解偶 联代谢，造成能量泄露，从而使生物生长效率- 卜降。 ( 2 ) 隐性生长污泥减量技术。即通过物理或化学的方法，促进细菌细胞的死亡和溶解，细胞的 溶解将会释放出胞内物质进入到污水中，这样就会提供一种自产底物，这种自产底物在微生物代谢过 程中被重复利用，一部分的碳释放出来生成了呼吸产物c 0 2 ，这样就会从总体上减少污泥的产量【3 2 1 。 ( 3 ) 增加系统中的细菌捕食者的数量。这是模拟自然态系统中食物链原理进行的污泥减量技术。 5 北京建筑- 丁程学院硕：t 二学位论文 1 2 3 基于解偶联代谢的污泥减量技术 近些年来，研究人员发现某些物质或者使微生物处于特定的环境条件下时。微生物的分解代谢与 合成代谢会发生变化，即分解代谢与合成代谢之间会产生偶联，导致能量泄露，发生解偶联现象，进 而降低微生物细胞的和成量，降低污泥产率系数a ，因此可以有效地减少系统的污泥产量。一般情况 下，微生物的合成代谢通过呼吸( 速率控制) 与底物的分解代谢进行偶联，当生物合成速率成为主导 因素时，解偶联新陈代谢象限就会发生，这时微生物新陈代谢过程中产生的剩余能量没有全部被用来 生物体合成生，而是作为功和热散失到周围环境中去，这种现象称为解偶联生长【3 3 - 3 5 1 。此时，微生物 在氧化底物的同时，用于合成代谢的能量减少，自身合成速度减慢，表观产率系数降低，污泥产量减 少 3 6 - 3 8 1 底物 c 0 2 + h 2 0解代谢建a a d 丁p p + p i ；i 。舍成代谢售： 能量 图i 1 分解代谢和合成代谢关系图 s r i y t a m e r 提出以下5 种情况时微生物偶联生长可能发生f 3 9 】： 存在影响a t p 合成的物质，如投加解偶联剂； 高s o x o 条件； 。 在非稳态条件下生长，如o s a t _ 艺； 不适宜的温度； 有抑制性基质的存在。 其中前4 种是通过解除新陈代谢中的能量偶联达到的，第5 种是通过新陈代谢中物质偶联达到的。 ( i ) 投加解偶联荆 解偶联剂分为人工合成解偶联剂和天然解偶联剂两种。人工合成解偶联剂通常为脂溶性小分子物 质，天然解偶联剂主要是棕色脂肪和解偶联蛋白。有研究表明，解偶联剂的投加对污泥微生物的表观 产率系数会产生明显影响舡4 1 】。l o w 等报道在实验室规模的活性污泥系统中，力t l k p n p 解偶联剂后， 实现了4 9 的污泥减量效率，不过系统去除有机物的能力也下降了2 5 左右，并且这种解偶联剂对环 境存在着潜在的危害，不适合将此直接用在污水处理系统。c h 饥等试验发现，在序批式活性污泥种 群中，当加入0 8 m r dl 的t c s 后，污泥减量效率为7 8 ，并且对系统去除有机物的能力影响不大。另 外，叶芬霞等【4 2 l 报道t c s 的投加可实现4 9 的污泥减量效率。 ( 2 ) 高s o ) ( o 条件下的解偶联 在生物污水处理系统中，当系统的底物浓度与污泥浓度之比s 护( o 比较高时，这个时候微生物消 耗底物过程中用于合成的代谢所产生的能量a t p 要小于分解代谢所形成的能量。结果造成微生物消耗 底物形成的能量大部分以热和功的形式被散失到环境中，也就是说微生物在生长过程中并不是所有的 6 北京建筑工程学院硕士学位论文 底物都被用来生长，这样使得微生物的产率系数降低，污泥产量得以减少。 对能量的中间传递过程，有文献报道是通过a t p 合酶在高浓度a t p 条件下对a t p 的分解造成无效质 子循环 4 3 1 。也研究推测，因为微生物所需的维持能量增加导致合成代谢产生的能量散失。l i u 【4 “7 】 等人研究了在底物浓度大的条件下能量消散的动力学模型，即：证明在s o x o 增加时，微生物解偶联生 长部分增多。 ( 3 ) o s a 系统 好氧沉淀厌氧法( o s a ) 污泥减量技术即通过交替改变活性污泥所处环境的厌氧好氧状态，这 种交替的环境将会影响微生物的生长，是降低污泥产率的一种方法。这种仅仅在普通活性污泥工艺的 污泥同流段增加一级厌氧装置作为能量解偶联池的o s a t 艺，具有明显的减量效果，并且无需投加化 学药剂等优点得到广泛关注f 2 3 l 。 o s a 系统实现污泥减量的主要原理是，当食物即外源有机底物充足时，好氧微生物从有机底物 的氧化中获得能量并储存a t p ，当这些微生物突然进入没有食物供应的厌氧环境时，此时微生物就不 能产生能量，为了自身的维持而不得不利用自身的能量储存库即a t p 库作为能源，这时能量仅仅用来 维持正常生理状态而没有多余的能量进行生物合成，也即微生物必须在生物合成之前重建必需的能源 库，消耗底物进行分解代谢以满足微生物的能量需求，所以微生物将不能够进行生长。因此，好氧 厌氧的交替循环可促进分解代谢活性，使分解代谢和合成代谢相分离。 c h u d o b a 4 8 】等人通过试验比较o s a i 艺和传统活性污泥工艺的污泥产量，发现o s a 工艺较传统活 性污泥工艺的污泥产率降低了2 0 - 6 5 ，并且o s a i 艺中污泥具有更好的沉淀性。有人【4 9 】等试验在 传统活性污泥工艺的污泥回流管线中添置一个缺氧池，使回流污泥从二沉池流出后先进入一个污泥缺 氧池，停留一定时间后再流入好氧池中，从而形成好氧沉淀缺氧( o s a ) 工艺。并且通过调节回流 污泥在缺氧池中不同的停留时间分别为5 5 、7 6 、1 1 5 d , 时。结果发现，污泥产率分别比传统活性污 泥工艺的污泥产率下降3 3 2 4 、2 2 9 和1 3 8 。s a b y 等人研究o s a f 艺时发现解偶联池的o r 可以反 映解偶联反应进行的程度，解偶联池的o r p 越低解偶联效果越好，但没有对影响解偶联池o r p 的各个 运行冈素与污泥产率的定量关系进行研究。 ( 4 ) 其他解偶联技术 其他使微生物代谢发生解偶联的技术有：高温、高盐浓度和提高氧量等。当温度升高后，微生物 提高了分解有机物的能力，随着所分解有机物的增多，造成所获得的能量不能完全用于合成自身。可 以说明微生物发生了解偶联生长。有研究发现当温度在2 3 时污泥表观产率系数是0 3 5 ，而当温度 升高到4 0 8 时，污泥表观产率系数会降低到降为0 0 1 1 5 0 j 。较高盐浓度( n a c l 浓度1 0 3 0 l ) 会 限制微生物的呼吸速率。比如，当提高微生物细胞内外n a + 浓度差，这样微生物要维持正常的生理活 动就要使细胞必须提供额外能量用于维持体内n a + 浓度，因此需要消耗额外的能量用于合成的a t p ， 从而使污泥表观产率降低垆。 1 2 4 基于隐性生长的污泥减量化技术 通过强化细菌的隐性生长( c r y p t i c g r o w t h o r d e a t hr e g e n e r a t i o n ) 可以达到污泥减量的目的。所谓隐 性生长是指细菌利用衰亡细菌所形成的二次基质生长，整个过程包含了溶胞和生长，利用各种溶胞技 术，使细菌能够迅速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用，是在污泥减量过程中广为应用的手 段。微生物以自身作为底物进行生长的过程称为隐性增殖，这一术语最早是由h 锄e r 等人5 2 - 5 3 提出。 7 北京建筑工程学院硕士学位论文 细菌细胞的死亡可能以直接自溶的形式完成，也可能以先形成细胞自溶体再溶解的方式完成。然 而细胞死亡的最终结果都是形成了细胞自溶体。在污水生物处理内，自溶体将在常规异样微生物( o h o ) 的作用下水解为溶解性物质，并进而作为二级底物被吸收利用。常规异样微生物的这种以自溶体为底 物的生长过程被称为“隐性生长”很明显，水解过程是自溶体向溶解性底物转化的关键过程，也是 隐性生长的控制过程。 通常的溶胞作用包括各种化学、物理、生物及其相互联合的作用。这类工艺的典型代表是臭氧、 氯气、酸碱一热处理、超声处理以及上述工艺的联合处理等。通过溶胞强化细菌的自身氧化在工程应 用上容易实现，通常可在传统活性污泥法工艺流程中的污泥同流线上增加相关处理装置，如图卜2 所 示。 图l - 2 溶胞减营污泥工艺示意图 l 、臭氧 臭氧义名三原子氧，因其具有类似鱼腥的臭味而得名。其分子式为0 3 。臭氧是一种十分活泼的强 氧化剂，可与多种物质发生化学反应。通过对臭氧的研究发现，臭氧具有不稳定特性和很强的氧化能 力。随着对臭氧性质的不断研究，现在臭氧被广泛应用于工业用水、生活用水，而且用来污泥处理。 臭氧用来实现污泥减量有两个过程：一是臭氧氧化过程，二是降解有机污染物的过程。当用臭氧处理 污泥时，臭氧的强氧化性会杀死污泥中的微生物，进而微生物的细胞壁和细胞膜被破坏，使胞内物质 释放出来，臭氧还将会氧化污泥中的难降解的大分子物质分解成小分子物质，提高了污泥的可生化性， 并且很容易使其溶于水中。1 9 9 4 年日本y a s u i 等【3 6 】提出了在常规的活性污泥工艺中，增加一套臭氧处 理装置，把部分回流污泥引入臭氧处理器中，污泥经过臭氧处理后再返回到曝气池中，从而达到污泥 减量和污水双重处理的功效。 2 、氯气 氯也是一种强氧化剂，氯的运行成本很低，根据消毒的经验知，氯化运行成本只有臭氧化的1 0 。 氯气用于泥减量的原理与臭氧基本相同，也是利用它的氧化性对细胞进行氧化，促使微生物细胞发生 溶胞作用，提高污泥的可生物降解性。钟贤波等【5 4 通过3 5 d 的连续实验研究发现，当氯的投加量为 0 0 6 6 9 c 1 2 g m l s s ，接触时间为l 1 0 m i n 时，由于氯气的氧化，曝气池中的m l s s t s 的比例大概降 低了5 1 0 ，并且污泥絮体直径变小，由原来的1 5 岬降低到3 岬左右，最终实现了6 5 污泥减量 效率。不过在利用氯气进行污泥减量时，氯气会与污泥中的有机物质发生氯化反应，产生三氯甲烷又 称氯仿等氯代有机物，这种物质具有极强的毒性。 8 北京建筑t 程学院硕1 ：学位论文 3 、超声波 从2 0k h z 到1 0m h 波段范围的声波称超声波。在污泥中由于胞外聚合物的存在使污泥相互粘结 而形成结构稳定的菌胶团。菌胶团内部的含水量约占污泥总水量的2 5 ，很难被压滤、离心等机械作 用所破坏，使得污泥脱水作用很难。超声波处理后的污泥首先被束缚在絮体和细胞内的有机物释放， 它们可以在处理过程中被微生物直接利用而被降解；其次，超声波能使分子量在4 万以上的大分子分 解为小分子的有机物，由难降解的有机物变为易降解的有机物，从而有利于难降解有机物的去除，这 样污泥的可生物降解性得到提高，再进入污泥回流系统，这样污泥自身的氧化率得到提高，污泥产量 得到减少。 h a r r i s o n s s 在1 9 9 1 年发现一定的超声波作用可以破会污泥结构，改变污泥的絮体结构和污泥活 性，增强污泥的流变性和脱水性能。2 5 3 0 kh z 的超声波作用通过交替的压缩和扩张产生空穴作用，以 微气泡的形成、扩张和破裂达到压碎细胞壁、释放细胞内含物的目的【5 6 1 。曹秀芹掣5 6 选择常规活性污 泥系统，进水量为6 0l d ，将剩余污泥经过超声波处理回流至曝气池，研究了其污泥减量和对出水水 质影响。活性污泥系统中剩余污泥经超声波作用后，表观产率显著下降。与声能密度相比，表观产率 受超声时间的影响更为显著。超声波污泥减量的效果在超声处理时间前1 0m i n 较为显著，污泥减量约 2 0 5 0 。这说明超声处理应用于动态实验对污泥减量的效果很明显。李伶俐【5 7 垮利用s b r - c 艺，将 3 0 的剩余污泥超声回流至系统后，实现了2 3 4 4 的污泥减量效率，且不会影响t 艺的正常运行，出 水水质不会发生恶化。 4 、热一碱处理 高温i i i i 速细胞的溶解，加碱也能起到同样的效果，但是二者结合效果更好。r o c h e 等人【5 8 】研究 比较了热处理、碱对细胞溶解的影响。发现在p h = 1 0 ，温度为6 0 ( 2 时培育2 0 r a i n ，细胞溶解和生物降 解最稳定，能够实现3 8 , - 4 3 的污泥减量效率。不过这种方法也存在缺点，它需要通过投加氢氧化 钠调节p h ，通过电能调节温度。此外，这种工艺的操作比较复杂，反应设备比较容易被腐蚀。 5 、增加污泥龄 要实现污水生物处理过程中的污泥减量，则应尽可能得使系统内的微生物维持在低增长速率状 态。在实际污水处理系统过程中，低增长速率即意味着长泥龄，也即底物浓度与生物量之比( f m ) 。 这一现象早就受到人们的注意，并为剩余污泥产生这一难题提供了新途径。在底物限制的情况下，l o w 等进行的小试结果表明：污泥浓度的升高会导致污泥产量的减少，例如，污泥浓度从3 9 l 升高至6 9 l 时，污泥产量减少1 2 ；从1 7 9 l 升高至l o 3 9 l 时，污泥产量减少4 4 1 5 9 】，1 9 9 1 年，在膜生物反应器 ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 处理生活污水的小试中，c h a i z e 和h u y a r d 首次研究了m b i 谢污泥产率的影响。 在s r t 为5 0 嘲1 0 0 d 时，污泥产量大大减少，他们认为这是低f m 比值和较长污泥龄的结果。m b r 法中 试试验处理生活污水表明，当m l s s 高达4 0 5 0 9 l 和污泥完全截留( s i 汀一一) 时，几乎不产生污泥。 1 2 5 基于生物捕食的污泥减量化技术 在污水生物处理系统内，相对于细菌来说，原生动物和后生动都属于高营养水平微生物，因而能 量通过捕食作用从细菌转移到原生动物后生动物时，将会因低效的生物转化而形成能量损失。所以从 本质上说捕食作用引起了系统内额外的能量损耗，这就是捕食作用能够引起系统内生物体总量减少的 原因。 利用微型动物实现污泥减量化有以下三种方式【删：利用微型动物在食物链中的捕食作用：直接利 9 北京建筑工程学院硕士学位论文 用微型动物对污泥的摄食和消化，在减少污泥的的同时增加污泥的可溶性：利用微型动物来增强细菌 的活性，从而增强细菌的自身氧化或代谢能力。 这方面工艺的研究主要集中在两段式系统【6 1 躬】。该系统由第一阶段的分散性细菌培养反应器r l 和第二阶段的捕食反应器r 2 组成。r 1 主要生长分散性细菌，停留时间较短；r 2 主要生长捕食微生物 如原生动物、后生动物等，停留时间相对较长。在第一阶段反应器中水力停留时间是关键参数，h r t 必须足够长，避免分散细菌流失，又必须应有最短的时间，防止细菌节团和捕食微生物生长，一般认 为1 1 2 h ，但在实际操作中难以控制。 1 3 课题研究意义 剩余污泥的处理与处置己成为世界性的难题之一，污泥的减量化是解决该问题的最有效途径之 一。从上述多种污泥减量方法可知，一个重要方法就是将剩余污泥中的颗粒状物质( 包括微生物体在 内) 转化为溶解态，然后将此处理过的污泥重新回流到系统中，这些溶解态物质部分再被进一步转化 为分子量小的物质，可被污水处理系统中的微生物再次利用，这样剩余污泥就得到降低或者相当于间 接的“零排放”。基于这样的减量原理的方法已有很多，比如臭氧氧化、碱处理等技术，在一定条件 下它们都可以有效减少剩余污泥量，不过这些技术由于存在高费用的局限，在实际工程中很难得到广 泛的应用。本课题采用水解酸化溶胞技术对污泥减量化进行研究，从水解酸化控制条件、水解酸化作 用污泥量及处理过的污泥回流到污水处理系统中的位置对系统污泥减量情况的影响展开研究，并对系 统出水情况的影响进行讨论。 利用溶胞技术进行污泥减量是一种“绿色的生态技术”，运用恰当不但能实现有效的污泥减量效 果，而且这种方法具有运行管理方便，能耗较少，运行费片 较低、不会对环境造成二次污染等优点， 对剩余污泥v s s s s 比值大于0 7 的生物污泥在一定程度上可实现污泥零排放【6 5 l 。 1 4 课题研究目的、内容、方法及论文梗概 1