（环境工程专业论文）污泥水解产酸及基质利用试验研究.pdf

中文摘要 摘要 目前，常规城市污水处理厂对c o d 、b o d 和s s 等污染物质的去除已经具有 良好效果，但仍然存在脱氮除磷效果不稳定、大量剩余污泥难以处理处置、忽略 了城市污水中磷资源的回收利用等问题。因此，对融合了脱氮除磷和磷回收功能， 且剩余污泥产生量少的污水处理工艺技术的探索研究意义重大，它不仅可以缓解 污水厂剩余污泥对环境的压力，而且可以实现磷资源的回收，同时提高污水处理 脱氮除磷效果。 本论文结合前期研究成果，在e r p & s b r 工艺基础上，增加污泥水解酸化反 应器，将s b r 反应器的部分污泥引入其中，使污泥在厌氧状态下水解酸化产生的 低分子碳源物质用于e r p & s b r 工艺的好氧污泥外循环系统，进行强化厌氧释磷， 由此开发了旁路污泥减量& 好氧污泥外循环的脱氮除磷工艺( s i d e s t r e a ms l u d g e r e d u c t i o n & e x t e r n a lr e c y c l ep r o c e s so fa e r o b i cs l u d g ei ns b rs y s t e m ，简称 s s r & e r p s b r ) 。论文针对污泥水解产酸特征、基质释放及利用以及 s s r & e r p s b r 工艺除磷脱氮效果进行了初步研究，试验结果表明： 在序批模式下污泥静态发酵实验中( 3 0 - j ：l ) ，投加接种污泥不能明显提 高污泥发酵系统剩余污泥的减量效果，但可以改善污泥的产酸特性；当污泥投配 比大于5 0 时，发酵过程中将出现2 个v f a s 浓度峰，且第二次峰浓度更大；较为 理想的序批式污泥发酵投配比是6 0 8 0 、发酵时间为5 d 或2 5 d ，前者v f a s 表 观转化率最大( 约2 4 ) ，后者发酵液中v f a s 浓度最高( 约6 0 0 m g l ) ；发酵过程 中，n h 3 - n 总体呈上升趋势，磷浓度发酵5 d 时达到最大值。发酵液p h 值逐渐升 高，最终呈碱性( p h 值 8 ) 。 定期投加连续运行的污泥动态发酵实验中( 3 0 - a ：l ) ，剩余污泥投加量对 发酵系统污泥浓度的影响较大，每天投加过多或过少的新鲜污泥都不利用污泥浓 度的稳定，较理想的新鲜污泥投加量为4 o 5 5 e d d ，此时的污泥投加负荷率( 慨) 为0 0 4 8 0 0 5 3g 剩余污泥( g r o s s d ) 之间，在此条件下系统稳定后v f a s 浓度和v f a s 所占c o d 的相对比值也较其他投加工况要高，并且此时v f a s 的表观转化率也相 对更高。 s s r & e r p s b r 工艺能够获得较高的污染物质去除效率和较好的脱氮除磷 效果。当进水c o d = i51 - - 3 5l m g l 、t n = 31 2 - - 5 3 7 m g l 、n h 3 n _ 2 0 8 - 4 8 1 m g l 、 t p = 6 1 1 1 9 m g l ，类似低浓度城市污水水质条件下，该系统处理出水 c o d z _ 2 7 m g l 、t n 1 4 3 m g m 、n h 3 一4 3 m g l 、t p 1 0m g l 时，生 物除磷的能力将由于废水的不完全反硝化而逐渐消失。p i t m a n 等人的研究证明， 如果回流污泥中硝酸盐的浓度 1 0m g l 时，磷的释放就受到抑制从而导致生物除磷的失败。 f u r u m a i 等人【1 7 】认为，当s b r 系统处于稳定的有机负荷和高效硝化状态下时，为 了保持厌氧阶段的高效生物释磷，需要系统中存在的硝酸盐氮能够在混合阶段就 发生反硝化而去除。围绕这一问题，产生了诸如u c t 工艺及其改进工艺如m u c t 、 j h b 工艺等，这些新工艺在一定程度上降低了硝酸盐对厌氧释磷的抑制作用，但 同时又引发了新的问题，如造成回流污泥中只有小部分经历了完整的释磷、吸磷 全过程，实际除磷效果被打折扣；增加了新的构筑物和回流方式，由此带来基建 投资、运行费用的增加。 微生物混合培养问题 要同时实现对污水的脱氮和除磷，在整个工艺系统中就需要多种不同功能微 生物的参与作用，它们对营养物质和生长条件的要求都有很大的不同，最为突出 的是硝化细菌。硝化细菌基本上属于自养型专性好氧细菌，其突出的特点是生长 速率慢、世代期长，不需要有机碳源。这就与其它微生物的生长发生很大矛盾。 由于目前的生物脱氮除磷工艺，一般均采用单一污泥悬浮生长系统，而不同功能 的微生物均要参与到系统的高效脱氮除磷处理流程中，因此要保证所有的微生物 都达到最佳生长条件是不可能的【l8 1 ，这就使得系统很难达到高效运行。 有人尝试【1 9 】在活性污泥工艺的相应处理单元中投放填料，由于硝化菌可栖息 于填料表面富集生长而不参与污泥回流，这样能够在一定程度上分离不同功能细 菌，使其各自处于最佳环境条件下生长，有利于脱氮和除磷效果同时达到最佳， 同时还能维持常规处理工艺简捷性，基本不会增加运行难度和费用。刘俊新的研 究结果表1 垌1 1 9 , 2 0 】，采用生物膜与活性污泥结合工艺处理城市污水，氨氮去除率达 9 9 以上，t n 、t p 和c o d 的去除率分别达到8 5 、9 5 和9 5 。但是该工艺也 必须解决好以下几个问题：投放填料后必须给悬浮性活性污泥以优先的和充分 的增殖机会，防止生物膜越来越多而m l s s 越来越少的情况发生；要保证足够 的搅拌强度，防止因填料截留作用致使污泥在填料表面间大量结团；填料投放 量必须适中，投放量太少难以发挥作用，太多则难免出现对污泥的截留。此外， 重庆大学硕士学位论文 填料的类型和布置方式都应作慎重考虑。 上述问题的存在，导致实际应用中脱氮效果和除磷效果很难同时达到最佳， 国内目前多数具有脱氮除磷功能的污水处理厂往往因此而运行效果不稳定且能耗 高。 1 1 2 解决脱氮除磷矛盾的可能途径 理论方法的创新一反硝化除磷 随着脱氮除磷研究的发展，发现某些在缺氧条件下具有反硝化功能的兼性微 生物同时也具有超量吸收磷元素的能力，这种缺氧条件下同时进行的反硝化和除 磷现象被称为“反硝化除磷”。为区别于传统的好氧聚磷菌，把这类具有反硝化除磷 能力的茵群称为反硝化除磷菌( d p b ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ) ， d p b 具有同p a o s 极为相似的除磷原理，只是p a o s 在氧化细胞内储存的p h a 时 电子受体为0 2 而d p b 的电子受体为硝酸盐，反硝化除磷原理见图1 1 。利用这一 原理，反硝化除磷工艺将反硝化和除磷这两个过程合二为一，达到同步除磷脱氮 目的，这使得摄磷和反硝化( 脱氮) 这两个不同的生物过程借助同一个细菌同时 完成，p h a 既是反硝化除磷菌的碳源又是能量储存物质，一碳两用，达到节省碳 源的目的。 c n 2 厌氧阶段 好氧缺氧 h a c ：乙酸( c o d ) g l y c o g e n ：糖原p o l y - p ：多聚磷酸盐 a t p ：三磷酸腺苷 p h b ：聚p 羟基丁酸n a d h 2 ：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( 辅酶) 图1 1 反硝化除磷机理图 f i g1 1m e c h a n i s mo fd e n i l r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l 目前研究较多的一些反硝化除磷工艺主要有a 2 n 双泥工艺、d e p h a n o x 工 艺和b c f s 工艺： 4 蟹 1 概述 a 2 n 双泥工艺( a n a e r o b i c a n o x i c - n i t r i f i c a t i o n ) 中【2 1 2 3 j ，污水经过厌氧段释磷 之后在沉淀池中泥水分离，富含氨氮、磷的上清液进入硝化池，在硝化池中将氨 氮氧化成硝态氮，并降解部分c o d 和吸收少量的磷。沉淀池中的污泥则跨越固定 膜反应池进入缺氧段，完成反硝化和摄磷。最后二沉池泥水分离，上清液排放， 污泥回流至厌氧池，剩余污泥排放。a 2 n 工艺流程如图1 2 所示。该工艺与传统单 级污泥系统相比，专性好氧的p a o s 不能存在，并将硝化细菌和d p b 完全分离开 来，最终利用d p b 的反硝化聚磷能力进行脱氮除磷。限制该工艺的一个瓶颈问题 是中间沉淀池回流到缺氧池中的污泥携带有较多的氨氮很难去除，当流量分配比 ( 中沉池到缺氧池的污泥流量和到硝化池的上清液流量之比) 较大时系统脱氮效 果就会降低，因为分配在厌氧污泥流中的氨氮几乎未经处理就进入了二沉池；此 外由于增加了一个沉淀池和专门的硝化池，a 2 n 工艺的建设和运行成本也会相应 增力口【2 4 2 5 1 。 图1 2 a 2 n 工艺流程图 f i g1 2f l o ws k e t c hm a po f a 2 np r o c e s s i 娥j 型缳 图1 3d e p h a n o x7 - 艺流程图 f i g1 3f l o ws k e t c hm a po f d e p h a n o xp r o c e s s 重庆大学硕士学位论文 d e p h a n o x 工艺【2 6 ，2 7 】和a 2 n 工艺在构型上是类似的( 如图1 3 所示) ，只是 d e p h a n o x 工艺设有一个停留时间很短的二氧池对活性污泥混合液曝气以增加 其沉淀效果，减少二沉池二次厌氧释磷和缺氧翻泥的问题；二氧池还可以通过好 氧吸磷增加除磷效果。 图1 4 b c f s 工艺流程图 f i g1 4f l o ws k e t c hm a po fb c f sp r o c e s s b c f s ( b i o l o g i s c h e c h e m i s c h e f o s f a a t - s t i k s t o f v e r w i j d e r i n g ) i 艺是由荷兰d e l r 技术大学在u c t 工艺基础上改进开发的一种除磷脱氮新工艺，工艺流程见图1 4 。 该工艺在最大程度上创造了富集d p b 的条件，它由5 个单独的反应单元和3 条不 同功能的循环线组成。其优点在于：a 在原有u c t 工艺的厌氧池和缺氧池之间加 上接触池，缺氧池和好氧池之间加上混合池。接触池是厌氧区和缺氧区的缓冲地 带，可起到选择器的作用：虽然所需的容积很小，但可较好地抑制丝状菌的繁殖， 保持较低的污泥指数( s ) 。混合池内可形成低氧环境，以获得同时硝化与反硝 化，从而保证出水中较低的总氮浓度。b b c f s 工艺增设在线分离、离线沉淀化学 除磷单元。b c f s 工艺通过增加磷分离工艺，避开了生物除磷的不利条件( 因满足 硝化而使泥龄过长；进水中m ( c o d ) m ( p ) 的比值过低) 。c b c f s 工艺将厌氧 池末端的富磷上清液( 大概占进水量的1 0 ) 抽出，以离线方式在沉淀单元内投 加铁盐或铝盐以去除磷酸盐 2 8 j ，这种生物除磷辅以化学除磷的方式充分利用了 p a o s d p b 对磷酸盐的高亲和性，同时提高了碳源的利用效率，实验表明，b c f s 工艺去除l m g p 只需要2 m g c o d ，而传统生物除磷需要2 2 m g c o d 。b c f s 工艺具 有优良的脱氮除磷效果，一般出水中总磷s o 2 m g l ，出水总氮 3 0 0m g l ，t n 为4 0 3 m g l ，邛为3 8 2 m g l 时，对t n 、 t p 及c o d 的去除率分别可达7 0 、8 6 和8 8 ；当c o d 0 ) 。但是氢浓度的降低可以把这些反应导向产 物方向。通常在厌氧颗粒污泥中存在着微生态系统。在此系统中，产酸菌靠近利 用氢的细菌生长，因此氢可以很容易被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。 污泥厌氧发酵产酸并不是简单的将污泥厌氧消化进行产酸和产甲烷两相分 离，因为对于污泥厌氧消化来说目的是为了获得更多的甲烷，而产甲烷茵具有种 类少、生长繁殖慢、利用底物有限、对环境条件敏感特征，对厌氧环境较为苛刻， 因此产甲烷阶段成为了整个厌氧过程的限速步骤，要使其成为优势菌群必须严格 控制各种环境因素，而水解酸化细菌相对来说对环境条件的要求更为宽松，根据 细胞生长衰亡理论和厌氧消化理论，剩余污泥水解产酸实际上要经历如下步骤： 细胞死亡_ 细胞溶解_ 基质水解_ 发酵产酸，其中基质水解阶段是组成剩余污泥 细胞的大分子物质( 如碳水化合物、蛋白质、脂肪等) 在由厌氧微生物( 主要是 水解发酵细菌) 分泌的水解酶作用下，分解成小分子的水溶性有机物质( 如葡萄 糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等) ，随后发酵细菌将基质水解产物吸收进入细胞内进 行发酵产酸，单独的污泥发酵产酸过程中水解步骤将是限速步骤。针对不同目的 的污泥厌氧过程，由于最终产物的不同，相应的功能细菌不同，因此运行条件也 将不同，对于污泥水解产酸，已有的研究发现改变各种控制因素如：基质浓度、 水力停留时间、p h 值、温度、搅拌方式和速率，都会对水解酸化过程的速率、效 率以及水解酸化最终产物的种类和浓度产生影响。 污泥水解产酸的影响因素研究 污泥产酸很大程度上受到环境因素( 如温度、p h 、反应器构造) 、运行参数( 如 水力停留时间、固体停留时间等) 、污泥性质的影响。此外，污泥的种类、污泥粒 径( 可由搅拌方式和速度调节) 、产酸采用的工艺类型等也在一定程度上影响污泥 酸化产物的形成p 川。 1 ) p h 值 p h 是影响酶活性的主要因素之一，因此适应于每一种酶生长的p h 有一定的 范围。如5 2 0 0 0 m 鲋tv f a s 8 0 0 m 鲫，污泥具有良好的水解酸化性能。剩余污泥来自实验室培养的具有脱氮除磷性 质的活性污混。两种污泥的的主要性质见表2 3 。 表23 接种污泥和剩余污泥的初始特征m g l “ t a b l e 2 3c h a r a c t e r i s t i c s o f s e c db l u d g ea n db * g c e s sa c t i v a t e ds l u d g e ，m g r l 项目接种污泥( 均值) 剩余污泥( 均值) 。h74 3 69 5 t c o d1 7 7 6 0 1 6 1 舯 c o d _ n h r n l _ - p 0 4 3 - f n _ t s v s 2 1 3 5 1 钾 3 0 83 1 1 5 1 3 9 2 0 1 4 5 端 8 1 i6 1 2 5 4 5 1 0 5 5 5 2 2 2 连续运行动态实验 为了考察连续投加剩余污泥的发酵系统中稳定状态下污泥减量、发酵产酸以 及基质释放规律，设置如下实验：实验装置仍然如图2i 所示，分射设置l 4 、2 。、 3 4 、4 。反应器，容积均为i o l ，保持水浴在温度3 0 = t = 1 c 范围内，实验开始时接种 驯化好的厌氧发酵污泥，反应器每天连续搅拌2 2 h ，沉淀2 h 后分别排出上清液的 体积约为o 5 、0 8 、1 1 和l4 l 然后投加等量的新鲜剩余污泥开始进行下一周期