（环境工程专业论文）污泥消化优势嗜热菌筛选及其作用效果研究.pdf

摘要 随着生活污水量的增加和水处理要求的不断提高，城市剩余污泥大量产生。 剩余污泥中含有大量的有毒有害物质，若不安全处理处置，则会对土壤水环境 等造成严重的二次污染，危害人类健康。针对剩余污泥处理与处置的难题，虽然 已经有多种污泥处理方法，但相比于超声波法、臭氧氧化法、机械破碎法、碱处 理法等物理化学方法，生物方法受到越来越多的关注。嗜热菌好氧消化污泥技术 是一种操作简单、经济性好、便于管理、具有良好应用前景的技术。本文主要开 展了优势嗜热菌的筛选、实验室反应器条件下嗜热菌好氧消化污泥技术的工艺参 数优选等工作。主要研究成果如下： l 、筛选分离获得1 1 株嗜热菌，根据其胞外蛋白酶活力、淀粉酶活力和单菌 降解污泥的效果，优选出消化效果较优的6 株嗜热菌。将这6 株菌进行全排列组 合实验，统计分析结果显示由f 2 、f 4 和f 7 三株菌共同作用的消化效果显著优 于其它组合。经鉴定，f 2 、f 4 和f 7 分别为地衣芽孢杆菌( d r f c 螂砌砒哟白册括) ， 产碱杆菌( 彳脚刀甜如阳凰) 和假单胞菌( 舰砌朋d ，姗) 。 2 、将该优势菌株组合接种至自制反应器，探讨了反应温度和溶解氧浓度对 嗜热菌好氧消化污泥效果的影响。研究发现，在6 5 条件下，t s s ( 总悬浮物， t o t 甜s u s p e n d e ds o l i d s ) 和v s s ( 挥发性悬浮物，v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s ) 的去 除率分别达到3 2 4 6 和4 4 7 2 ，优于其它试验温度；s c o d ( 溶解性化学需氧量， s 0 1 u b l ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 和氨氮也都得到了大量的累积，最大值明显高 于其它反应条件下的累积量。溶解氧浓度为2m g l 时，t s s 和v s s 去除率分别 达到3 2 3 6 和4 2 8 9 ，高于l m g l 和4m g l 时的去除率，且s c o d 增速快、 涨幅大，氨氮的累积量较高。 3 、利用自制反应器，在6 5 、2m g l 工艺条件下比较了接种优势嗜热菌和 未接种嗜热菌对高温污泥好氧消化的影响。试验结果表明，接种有嗜热菌的嗜热 好氧消化中t s s 和v s s 的去除率分别达到3 3 2 2 和4 4 6 6 ，比未添加嗜热菌 的对照试验分别提高了1 4 5 3 和2 4 7 3 ；且前期的v s s 去除率符合一级动力学 反应规律，接种嗜热菌后v s s 溶解速率常数从o 0 7 0 9d - 1 增长至o 1 8 3 4d 1 。嗜热 i 好氧消化反应前期s c o d 快速累积，达到峰值后逐渐降低，同时体系中的蛋白 质和氨氮含量也随之产生先增后减的变化趋势。嗜热好氧反应过程中，p h 值经 过小幅上升后维持在7 5 左右，有利于污泥的好氧消化同时，研究发现嗜热菌 好氧消化污泥的过程中，其胞外酶( 主要是蛋白酶和淀粉酶) 在污泥解聚和细胞 溶解以及在后期的大分子有机质水解方面起到了很大的贡献，加速了污泥的降 解。研究为嗜热菌好氧消化污泥技术的中试及扩大化应用提供了一定的理论基础 和实践经验。 关键词：污泥消化；嗜热菌；胞外酶；温度；溶解氧 a b s t r a c t i 之a p i d i i l c r e 舔ei i l q u a l i t y 锄dq 啪t i t ) ，o fm u n i c i p a lw a s t e w a t e r 仃l ：a 饷e m r e c e n t l yr e s u l t c dm al a 玛e 锄o u n to fe x c e s ss l u d g e s i n c et h es l u d g ec o m 曲1 s v 鲥e t i e so ft o x i ca n dh 栅向ls u b s t 锄c e sa 1 1 dw o u l dc a u s es e r i o u ss e c o n d a 搿p o l l u t i o n t 0t h ee n v i r 0 姗e n ti fi ti sn o tp m p e 订yd i s p o s e d c o m p a r e dt 0t h e 、) l ，i d e l yu s e d p h y s i c a la 1 1 dc h 锄i c a lm e t h o d ss u c h 硒u l t r a s o l l i c ，o z o n a t i o n ，m e c h 锄i c a ld e s 仃l l c t i o i l ， a l k a l it r e a t m e m ，b i o l o 舀c a lm e t h o dh a sb e e np a i dm u c hm o r ea ：t t e n t i o n t h e 咖o p h i l e s 舱r o b i cd i g e s t i o ni sap r o m i s i n gt e c q u e ，e a s yi i lo p e r a t i o n 锄de c o n o m i c a li i l m a i n t e m i c e t h i sr e s e a r c hf o c u s e do ns c r e e i l i n gs p e c i f i cp r e d o m i n a n tt h 咖o p h i l e s a n do p t i m 娩i n gt h ep a r a m e t e r so ft h e r m o p h i l e sa e r o b i cd i g e s t i o nr e a c t o ri na 1a _ bs c a l e t h er e s u l t so ft h er e s e a r c ha r ea sf o n o w s ： 1 s i xp r e d o m i 彻n ts n 茹n sw e r es e l 。c t e d 缸姗e l e v e ns t r a i 璐o fs c r e e n e da n d i s 0 1 a t e dt h e 册o p h i l e sb a s e do nt h e i rp r o t e a s ea c t i v i 劬锄y l a s ea c t i v i 锣a l l ds l u d g e d i g e s t i o nb ys i n g l es n 葡n t h e s es i ) 【殉面i l sw e r e 诅k e ni n t oa l lt h ep e m l u t a t i o na n d c o m b i n a t i o nt 0c h e c ko u tt 1 1 e i rc a p a b i l 时o ns l u d g ed i g e s t i o n s t a t i s t i c a ja n a l y s i s s h o w e dt l l a t 1 ec o m b i n a t i o nc o m p o s e do ff 2 ，f 4a i l df 7h a dag r e a t e rp o s i t i v ee 彘c t o ns l u d g ed i g e s t i o nt h a i lo t h e rc o m b i m t i o n s f 2 ，f 4 锄df 7w i r ei d e n t i f i e d 硒 b 口c 胁淞f f 加忍e 挎扣搠话，a z ( 口垤p ”p s 力p c 口凰锄d 丹p l f 如聊d 嬲sr e s p e “v e l y 2 i tw a so b s e r v e dt 硫t h eb i o l o g i c a ls o l u b i l i z a t i o no fs l u d g ec o n d u c t e db y t h e m o p l l i l e sw 弱s i 鲥f i c a m l y 柚u e n c e db y r e a c t i o nt e m p e r a ：t u r ea n dd i s s o l v e d o x y g e n w i t hr e a c t i o nt e m p e 魁t u r eo f6 5 ，t h es 0 1 u b i l i 2 a t i o n 豫：t eo ft s s 锄dv s s r e a c h e du pt 03 2 4 6 a n d4 4 7 2 r e s p e c t i v e l y ，l l i g h e rm a nt h o s ea t5 5 ，6 0 a n d 7 0 1 1 1a d d i t i o n ，t h ec o n t e mo fs c o da i l da m m o n i an i 仃o g e nw 嬲a c c 啪u l a t e d g r e a t l y ，锄d t h e i rm a x i m 啪v a l u c sw e r em u c hl l i g h e rt h a i lt h o s eu n d e ro t l l e r t e m p e m t u r e s o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nm e d i s s o l v e do x y g e nc o n t e n tr e a c h e d2 m g l i i lt h er e a c t o r ，t l l es o l u b i l i z a t i o nr a t eo ft s s 明dv s sa c l l i e v e d3 3 2 2 a 1 1 d4 4 6 6 陀s p e c t i v e l y ，l l i g h e rt h a nt h er a t a r o 岫d1m g l 锄d4m g 几m o 他o v e r ，t h ec o n t e n t t l i o fs c o dk das h a 叩锄dl a r g e 访c r e a s e ，锄d 锄m o m an i t r o g e na l s oh e l dab i g a c c 啪u l a t i o n 、) l ，i t ht h ed i s s o l v e do x y g e nc o m e mo f2m g l 3 c o m p 撕s o no f r o b i cs l u d g ed i g e s t i o np r o c e s s 埘t h 锄d 诚m o u tp r e d o m i n 枷 c o m b i n a t i o ns h o 、e dt h a tm es o l u b i l i z a t i o nr a t eo ft s s 锄dv s smt l l e m o p h i l i c r o b i cd i g e s t i o ni n o c u l a t e d 嘶t ht 1 1 e m o p h i l e sw e r e3 3 2 2 觚d4 4 6 6 ，w m c hw e r e l4 5 3 a 1 1 d2 4 7 3 r e s p e c t i v e l yh i g h e rt h a nt h a ti nc o n v e m i o n a la e r o b i cd i g e s t i o n t h ev s ss o l u b i l i 商0 nr a t ei i le 耐ys t a g ew 嬲f o u n dt o 丘tf o rt h ef i r s t - o r d e rr e a c t i o n d y n 锄i cm o d e l ，明dt l l ed i s s o l v i n gr a t ec o n s t 暑m t 硫r e a s e d 舶m0 0 7 0 9 d 1t 0 o 18 3 4 d 1 舭rt h e 订i l 叩h i l e si n o c u l a t e d t h es c o dc o n t e mr e a c h e dq u i c l 【l yu pt 0t h c p e a ：kv a l u e 觚dt h e nf o l l o 、v e db ya 黟a d u a lr e d u c t i o n m ea i ：i w l l i l et h ec o m e n t so f p r o t e i na l l da m m o n i an i t r o g e n a l s os h o w e das i m i l a rp a t t 啪a ss c o d t h ep hv a l u e i nt h er e a c t o ri n o c “a t e d 、v i t ht h e m o p h i l e sg r e wu p 锄dr e m a i n e da t7 5f o rt h e d u r a t i o 玛、v h i c h 、v a l s b e n e f i c i a lf o ra e r o b i c d i g e s t i o n nw 舔a l s of o u n dt h a t e x 们c e l l u l a re 吻肿e ，e s p e c i a l l yp r o t e a s ea n d 锄y i a s e ，p l a y e d 锄i l i l p o r t a n tr o l ei n s l u d g ed e c o m p o s i t i o nb yt l l ew a yo fa c c e l e r a t i n go 玛a i l i cm a 拍e rh y d r 0 1 y z i n g t h e p 猢e t e r so b t a i n e di nt h er e s e a r c hc o u l db eh e l p f u lf o rt h ep i l o te x p e r i m e mo f r o b i cd i g e s t i o no fs l u d g em e d i a t e d b yt h e 咖叩h i l e s k e y w o r d s ：s l u d g ed i g e s t i o n ；t h e n l l o p h i l e s ；e x t 凇1 1 u l a re 1 1 z y m e ；t e m p e r a t u r e ； d i s s o l v e do x y e n 致谢 于论文定稿之际，思绪万千，感慨良多。 首先感谢思师陈英旭教授，您学识渊博，治学严谨，高屋建瓴，为我的学习 与成长创造了积极向上的良好氛围。长期置身其中，耳濡目染，使我在做人、做 事、做学问方面获得独到的启示和见解，学会新的思考方式，树立积极的价值观 和人生观。您的“细节决定成败! ”也时时在耳边警醒着我，鞭策我在失败中不 言放弃，在成功中追求完美，亦是我宝贵的人生财富。感谢您给予我诸多的学习 锻炼机会，可惜学生忝列门墙，有负众望，终不能达成您的殷切期望，但您的谆 谆教导始终让我受益良多，多有所得。 在此要特别感谢王云龙师兄在学业和科研方面的指导和启发，您务实的态度 坚定了我科研的信心，您无私的关心和帮助让我获得很大的动力，有助于我深入 认识和了解课题，完成研究和论文。感谢梁志伟师兄、杨尚源师兄和杜平师兄， 对我课题的选择和开展，始终提供技术、经验和精神上的支持。同时感谢吴伟祥、 施积炎、梁新强、沈超峰楼莉萍等诸位老师的指导和关心。 感谢环保所的兄弟姐妹们在生活和学习上的互助。感谢钱轶超师兄和聂泽宇 师兄在学业和人生上的真切指导和关心；感谢杨佳、程广焕、戴露莹、李鑫、刘 国防、余华东、鲁亢、刘奇的帮助和支持；感谢苏苗苗、叶玉适、边金云、余昱 葳、王莹莹、李伟、段德超、许涛的理解和关心。 感谢父母对我的无尽的爱和包容，你们的言传身教是我2 4 年来最大的财富， 你们的奉献和关心鼓励我取得了今天的成绩，我的任何成功都离不开你们的帮助 和牺牲，你们的健康和幸福是我最大的心愿! 感谢好友周羽琪和表弟张凯成在各 方面提供的鼓励和支持，祝你们身体健康，一切顺利! 华家池的静谧和紫金港的活力为我的硕士生活添上了异彩纷呈的一笔，环保 所紧张有序的科研和工作也为我今后在职场中的成熟泰然提供了历练。在今后的 人生道路中，我会时刻铭记自己求是人的身份，积极应对挑战，以实际行动来证 明这两年半的收获! 杨悦 二零一二年一月紫金港 绪论 1 绪论 1 1 我国污泥现状 随着城市化进程和居民生活消费水平的提高，生活用水量逐年攀升。同 时，国家对污水处理标准也相应提高，污泥的产生量和处理费用大幅增加。 “十一五”期间，我国的污水处理产业发展迅猛，污水处理能力和处理效率 增长迅速，但同时也导致了污泥产量的快速增加。据统计，截止到2 0 1 0 年年底， 全国城镇污水处理量达到3 4 3 亿立方米，脱水污泥产量接近2 2 0 0 万吨。调研结 果表明，我国污水处理厂产生的8 0 污泥没有妥善处理，污泥的随意堆放和处置 所带来的二次污染问题已经引起了社会各界的广泛关注。 2 0 1 0 年初，住建部副部长仇保兴表示，“十五”期间我国主要进行污水处理 厂建设，“十一五”期间的重点是完成配套管网的建设，“十二五”则将重点放在 污泥处置等方面，应“千方百计地将污泥处置搞上去”。2 0 l o 年1 1 月，环保部 发布关于加强城镇污水处理厂污泥污染防治工作的通知；2 0 1 1 年3 月，发改 委和住建部联合发布( 关于进一步加强污泥处理处置工作组织实施示范项目的通 知，敦促地方各部门高度重视污泥处理处置工作，全面推进相关工作进程。污 泥问题已经得到了国家的足够重视，成为当下的环保热点。 1 1 1 污泥组成及特点 废水处理过程中截留的相当数量的悬浮物质称为污泥固体，与水的混合物 称为污泥。污泥产量通常占污水量的0 3 加5 ( 体积) 或者约为污水处理量的 l 2 ( 质量) ；如果是深度处理，污泥量会增加o 5 1 倍【1 】。 污泥是污水处理的副产物，是一种有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体 等组成的极其复杂的非均质体【2 1 。污泥的组成是多样的，其组成和性质与污水来 源密切相关，同时受污水处理工艺的影响也很大。污水处理厂产生的污泥，依据 不同工艺阶段可分为原污泥、初沉污泥、二沉污泥、活性污泥、消化污泥、回流 污泥、剩余污泥等。不同污泥的外观特征如表1 1 所示【3 1 。 浙江大学硕士学位论文 表l - l 几种不同污泥的外观特征 i a b l e1 一lf e a t l l r e so fd i 仃e r e n tk i n d so fs i u d g e 污泥种类污泥特征 原污泥 消化污泥 腐殖质污泥 消化的混合污泥 ( 初沉污泥+ 活性污泥) 剩余活性污泥 好氧消化污泥 气味恶劣，灰色至棕色，能机械脱水 有霉味，黑色，产生气味，干化场脱水良好 绒毛状，棕色 气味少，绒毛状，黄色至棕色，难脱水，生物活性很强 气味少，绒毛状，黄色至棕色，难脱水，生物活性很强 黄色至棕色，有时难脱水，有生物活性 污泥中含有大量有机物，易腐烂产生恶臭，颗粒细、密度小、含水率高、脱 水性差，属于胶状结构的亲水性物质【3 】。并且含有各种细菌、病毒、寄生虫卵和 c u 、c r 、p b 、h g 、a s 等重金属和二嗯英等难以降解的有毒有害及致癌物质，不 仅会对土壤、水环境和大气环境造成严重污染，更会危及到人类的健康【4 。5 】。同 时，污泥中也包含有潜在利用价值的有机质、氮、磷、钾和各种微量元素。其主 要组成见图1 1 1 6 1 。 图1 1 污泥的主要组成 f i g u 他1 lm a j o rc o m p o s i t i o no fs l u d 龄 2 绪论 因此，如何将产量大、性质复杂的污泥进行科学处理已逐渐上升为我国甚至 是全球关注的环保问题之一。 1 1 2 常用污泥处理处置方法及特点 污泥处理处置就是要对污泥进行深度的无害化处理，尽量解决其污染环境和 危害人体的问题，并尽可能的将污泥回收利用，合理资源化【7 】根据污泥特性， 通常希望能达到以下目的【7 8 1 ： 减少污泥体积：在水处理工艺中采用新工艺或对原工艺进行改造以减少 污泥含水率，减少最终的处理量和处置费用； 污泥性质稳定化：去除污泥中易腐化变质的组分，使最终处置后的污泥 不再继续发生降解，避免产生二次污染； 污泥无害化：去除污泥中对人体和环境有害的的重金属、病毒、细菌、 寄生虫等； 污泥资源化利用：在处理过程中达到综合利用、变废为宝、保护环境的 目的，如利用其中有益的n 、p 等成分能改善作物生长。 从国内外正在运营的污水处理厂来看，经常采用的污泥处理工艺包括污泥浓 缩、污泥脱水和污泥稳定。我国部分污水厂采用的污泥处理工艺统计见表1 2 【1 1 1 ： 表1 - 2 城镇污水处理厂污泥处理方法统计 t h b i el - 2s t a t i s t i c so fs l u d g et i a t m e n t j si nt o w nw a s t e w a t e rt i 屯a 佃e n tp l a n t s 1 1 2 1 常用污泥处理方法 l 、污泥浓缩 污泥浓缩是降低污泥含水率、减少污泥体积的有效方法。该法主要缩减污泥 中的间隙水，浓缩后的污泥近乎糊状，但仍能保持其流动性。城市污水处理厂产 生的污泥，含水率可高达9 9 ，当其含水率从9 9 降到9 6 后，污泥的体积可 以缩小到原体积的1 4 。 污泥浓缩包括重力浓缩、离心浓缩和气浮浓缩。在选择浓缩方法时，不仅要 考虑各种方法本身的特点，还要考虑到污泥的来源、性质和最终处置方法等。 气 浙江大学硕士学位论文 重力浓缩适用于活性污泥、活性污泥与初沉污泥的混合体和消化污泥，不适 用于处理脱磷除氮产生的剩余污泥。一般大中型污水厂采用连续性重力浓缩，而 小型污水厂则采用间歇性重力浓缩。离心浓缩占地小、不产生恶臭，造价低但运 行维护费用高，一般很少用于污泥浓缩，但对难以浓缩的剩余活性污泥可以考虑 使用。 2 、污泥脱水 污泥脱水是将原污泥、浓缩或消化后的污泥脱去水分，转化为半固态或固态 泥块。经过脱水步骤，污泥含水率可降低到5 5 堪0 ，如果还要进一步去除污 泥中的水分，就要进行污泥干化。污泥干化通过渗滤或蒸发作用去除污泥中大部 分含水量。 污泥的脱水技术包括自然干化和机械脱水。自然干化是一种古老、经济的污 泥脱水方法，主要是利用蒸发过程，适用于气候干燥、用地宽松的地区，但效率 很低。 机械脱水是污泥脱水的主要方法，一般采用真空过滤机、板框压滤机、带式 压滤机、压式压滤机和转筒离心机等。真空过滤机已经逐步被淘汰，而近年来转 筒离心机和带式压滤机由于其方便高效的特点发而展迅速，在很多国家得到普遍 应用。 3 、污泥稳定 经过脱水的污泥逐渐从液态转化为固态，为避免污泥进入环境时，自身含有 的有机质发生腐败污染环境，通常在脱水之前进行降解，称为污泥稳定。 污泥稳定的常用方法是厌氧消化，小型污水处理厂也采用好氧消化法、氯化 氧化法、石灰稳定法和热处理法等手段使污泥性质得到稳定。 一般认为，当污泥中的挥发性固体含量降低4 0 左右就可认为已达到污泥的 稳定。 1 1 2 2 常用污泥处置方法 污泥经过初步处理后会进行最终处置。目前，国内外污泥处置的主要方法如 图1 2 【7 1 所示，主要包括卫生填埋，堆肥、焚烧等 1 2 1 4 绪论 图l 2 污泥处置方法 f i g u r e1 - 2d i s p o s i t i o no fs i u d g e 1 、污泥卫生填埋 污泥卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代，在传统填埋的基础上结合了环境保护和 可持续发展的理念，还要结合科学选址和必要的场地防护【1 3 】。污泥填埋操作简 单，投资费用少，容量大，适应性强【1 4 1 ，目前已经发展成了一项比较成熟的污 泥处置方法。希腊、德国、意大利等国也主要采用填埋的方法处理污泥【1 5 】。 但是，污泥卫生填埋也存在很大的不足污泥中的有毒有害物质很有可能会 随着雨水或本身的高含水率而渗入地下，污染土壤和地下水。同时污泥填埋需要 侵占大片土地，随着城市化进程给科学选址带来困难。另外，填埋场中还会产生 一定的废气，不仅会污染环境还存在安全隐患【1 6 1 。 2 、污泥堆肥 污泥农用堆肥是指在污泥中加入一定比例的秸秆、稻草、木屑等膨松剂和调 理剂，利用污泥含有的微生物进行发酵并转化为类腐殖类的过程【1 3 】。由于污泥 中含有丰富的有机物和n 、p 、k 等植物生长的必需营养元素，因此污泥农用一 直受到广泛关注。该处置方法投资少，能耗低，运行成本适中。 但是由于污泥中含有微量金属元素、病原体和寄生虫卵等，极易对地表水造 成污染，并对作物造成一定毒害。中科院南京土壤研究所在其试验的土地上连续 施用污泥1 0 年后，发现土壤中的镉、锌、铜含量很高，种植的水稻和蔬菜受到 严重的污染【1 7 1 。欧洲部分国家已经立法禁止使用污泥肥料的农产品进入超级市 场1 8 l 。同时，城市污泥含水率高，有机质性质不稳定，容易形成厌氧环境，散 浙江大学硕士学位论文 发恶臭，滋生蚊虫，给附近居民的身心和环境健康带来威胁【1 9 1 3 、污泥焚烧 污泥焚烧是指将污泥置于焚烧炉中，在过量空气的条件下，进行完全焚烧， 能使有机物全部碳化，杀死病原菌，将污泥体积减少到最小。污泥焚烧处理适应 性强，也是最彻底的污泥处理方法。焚烧后大大减少了污泥的体积和重量( 焚烧 后体积可减少9 0 以上) ，因而最终需要处理的物质最少，有的焚烧灰还可制成 有用的建材【2 0 1 。污泥焚烧处理速度快，可减少存储，能量亦可回收供热或发电。 虽然焚烧法与其他方法比具有突出的优势，但缺点也日益突出。除了设施投 资大，处理费用高的问题，污泥焚烧应该控制的主要是大气污染，焚烧产生的废 气中合有二嗯英、未燃烧或燃烧不充分的废弃物和灰分等悬浮颗粒，燃烧不完全 还会产生c o 、h 2 、醛、酮和稠环碳氢化合物，以及氮氧化合物、硫化氢等【2 1 1 ， 极易造成烟气二次污染。 1 1 3 存在的主要问题 我国城镇污水处理厂污泥处理起步较晚。与国外技术先进国家相比，我国的 污泥处理处置技术存在差距。一方面是由于经济实力所限，另一方面是缺乏污泥 处理的相关经验，在设计、运行、管理维护等方面亟待提高。 在我国，大多数较早建成的污水处理厂没有完备的污泥处理系统，新建的污 水处理厂虽然有较为完善的污泥处理工艺，但真正投入运行且运转情况良好的案 例不多。 长期以来，国内外对污水处理给予了足够多的关注，其处理工艺和手段日趋 成熟，处理排放标准也相应的逐渐提高，但由于诸多原因却忽视了对污泥进行科 学处理的重要性。同时，随着污水处理工艺的提高和用水量的增加，污泥产量日 益庞大，在本来就是“重污水、轻污泥”的态度之下更加无法科学有效地处置污 泥。而且就目前技术而言，尚没有一种能够广泛推广又不会对环境产生污染和危 害的有效地污泥处置方法。 污泥处理处置还存在着资金上的难题。各种处理处置方法所需费用巨大，约 占污水厂全部投资的2 0 4 0 ，有的甚至高达6 0 7 0 【2 2 。2 4 1 我国的污水处理 厂，一般的污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 0 5 0 ，其投资占污 水处理厂总投资的3 0 o o 【2 5 1 。 绪论 污泥处置技术的局限性势必要求改进污水处理工艺或后期污泥处理方法，能 从源头上减少污泥产量，实现污泥减量化，更直接主动地解决污泥问题。 1 2 污泥减量化方法 污泥减量化是2 0 世纪9 0 年代提出的概念，是通过物理、化学、生物等手段， 主要依靠降低微生物产率以及利用微生物自身的内源呼吸进行氧化分解，减少生 物固体量2 6 1 。污泥减量的实质是污泥中微生物量的减少口7 】，微生物细胞的溶胞 过程是限速步骤。 有研究表明微生物细胞体占剩余污泥的7 0 左右 2 引。这些微生物细胞会分 泌一些高分子聚合物裹附在微生物周围，即为胞外多聚物( e x t m c e l l u l a r p o l y m e c s u b s t a n c e ；e p s ) ，由多聚糖、蛋白质、核酸、脂肪和其它聚合物组成【2 9 1 。e p s 具 有高亲水性，能将微生物固定在其类似凝胶的三维结构中。e p s 的总量( 包括其 框架内的水) 占活性污泥总量的8 0 之多，其中多聚糖和蛋白质占e p s 总量的 6 0 【3 0 1 。 因此，打破e p s 的裹附，破坏污泥胶团结构使其发生解聚，同时能够溶解 裹附在胶团中的微生物细胞体是关键【3 2 1 。如果能解聚污泥、破坏细胞，那么大 量的胞内物质如蛋白质、脂肪、碳水化合物等就能从固相被释放进入液相。这些 大分子物质会被相应的降解菌降解或吸收，转化为小分子的有机酸、氨、c o ： 等物质，从而使不溶于水的大分子物质转变为能溶于水的小分子物质和无机物 质，完成污泥的解聚、溶解和水解一系列过程【3 3 1 。 1 2 1 化学法 化学法是利用化学物质对污泥进行化学氧化，从而破碎细胞，一般多采用臭 氧氧化【3 4 1 、氯氧化d 5 1 和超临界氧化3 6 1 等方法。一般来说，随着氧化剂添加量的 增加，污泥减量的效果也更加显著，但随之也带来了成本问题。 1 2 1 1 臭氧氧化 臭氧是一种特别活泼的氧化剂，它与污泥中成分能发生直接或间接的反应。 在反应中，臭氧能够破坏微生物的细胞壁而使胞内有机物质流出，而释放出的蛋 白质又能继续与臭氧发生氧化反应而被分解，反应速率快【3 4 1 。经过臭氧处理的 污泥，在沉降性能方面也能得到一定改善。 但臭氧氧化也存在其弊端。经过处理的污泥易产生大量絮状体，这些小颗粒 浙江大学硕士学位论文 难以沉降，会悬浮在液体中，增加上清液的浊度，增大污泥的过滤难度。同时， 经过臭氧处理后，氮、磷的去除效果不佳 1 2 1 2 氯氧化 氯氧化和臭氧氧化原理相似，即利用氯气的氧化性破坏细胞，使胞内物质流 出，达到溶胞效果。且两者工艺也较为类似 和臭氧处理相比较，氯氧化的运行成本只占到前者的1 1 0 ，当由于氯的氧化 性弱，投加量大约是臭氧的7 1 3 倍【3 5 1 。同时，氯氧化过程中氯气会和污泥中有 机物结合生成三氯甲烷( t h m s ) 等有危害性的副产物，也导致这种方法没有得 到广泛的使用。 1 2 2 物理法 物理法经常采用热处理【3 7 1 、超声破解3 8 1 、机械破碎3 明等手段，还有与化学 法联用如热碱法【矧。 1 2 2 1 热处理 不同的环境温度对微生物新陈代谢作用不同。随着温度的升高，微生物分解 有机物的能力提高，但同化作用却没有明显加强，从而使生成的生物量减少，减 少了微生物数量3 7 1 同时，高温下的热效应会破坏细胞。不同温度下破坏细胞不同的部位： 4 5 6 5 时，细胞膜破裂，r i 斟a 被破坏；5 0 7 0 时d n a 被破坏；6 5 9 0 时细 胞壁被破坏；7 0 9 5 时蛋白质变性。细胞破碎后胞内基质( 如蛋白质、脂肪和 碳水化合物等) 流出，可作为体系内微生物的生长养分。大分子物质不断水解， 生成的小分子有机物也有利于后期的污泥消化h 1 1 。 1 2 2 2 超声破解 超声波法是利用超声波在液相中的空化作用解聚污泥胶体，破碎污泥菌胶团 和微生物细胞体，使其中的有机物释放出来变为可溶态，从而替代或部分替代污 泥水解【3 明。超声波法对污泥的破解效果主要受声波频率、声波密度、声波作用 时间、污泥性质等的影响【4 2 1 。 国外已经把超声波法应用于实际污泥处理工艺中，但还是存在利用效率低和 能耗大的问题。超声破解只是单纯从物理角度破碎污泥，对于细胞破碎后流出基 质的水解没有任何的促进作用，这使得其通常与其它污泥处理工艺联合使用【4 3 1 。 绪论 1 2 3 生物法 生物法主要是利用各种溶胞菌和溶胞酶的酶促反应达到微生物溶胞的效果， 可以投加能分泌胞外酶的细菌，也可以直接投加溶菌酶等酶制剂或抗菌素对细菌 进行溶胞m 】。溶菌酶不仅能够溶解细胞，还可以将难以进行生物降解的大分子 有机物水解为小分子物质。生物溶胞技术消化剩余污泥因其经济、方便无污染 的特点，已引起广泛的关注。例如嗜热酶溶解工艺【4 5 】( s o l u b i l i z 撕0 nb y t 1 1 e m o p h i l i ce 哪e ，s t e ) 就是利用嗜热酶将传统活性污泥工艺与嗜热好氧消 化污泥的过程相结合，达到溶解细胞体、减少污泥量的效果。 嗜热污泥减量技术是通过优势嗜热微生物分泌的活性胞外酶实现对污泥的 短时高效降解，作为污泥减量的生物方法，与物化方法相比操作方便、经济性较 好且易于管理，在实际研究中逐渐表现出良好的应用潜力。1 9 9 8 年开始，日本 下水道事业集团等就开始联合研究和工程应用嗜热菌好氧污泥减量工艺，实践证 明此工艺经济、高效、安全可靠】。s a l 商等人【4 7 1 根据小试推测该工艺的总运行 费用相当于污泥脱水减少到4 0 5 0 。山下哲生等m 1 对日本西部地区一污水处理 厂实施嗜热菌好氧消化污泥工艺四个月，运行情况表明，相对于脱水外运，污泥 减量8 2 ，总费用平均减少6 0 。在欧洲和北美，已有相当数量的中型和小型 污水处理厂采用嗜热菌好氧法消化污泥。 1 3 嗜热菌污泥减量技术 1 3 1 嗜热菌 嗜热菌，又称高温细菌、嗜热微生物，是一类生活在高温环境下的微生物， 这类微生物在病毒、蓝绿藻、古细菌、真细菌、放线菌和真菌中常有发现4 8 1 。 这些微生物广泛分布在污泥、温泉、火山口、地热区、工厂高温废水排放区及常 年受阳光照射的土壤中。 根据其对温度的不同要求，可将嗜热菌划分为三类，如表1 4 所示【4 9 1 ：在 5 5 7 5 生长良好，在3 7 以下能生长的是兼性嗜热菌；在5 5 7 5 生长良好， 在3 7 以下不能生长的是专性嗜热菌；在7 5 以上能够生长良好的是嗜超热菌。 9 浙江大学硕士学位论文 表1 4 嗜热菌生长温度及分类 1 a b l el - 4g 玎口w t ht e m p e r a t u r ea n dc i a s s i f i c a t i o no f t h e r m o p h i i e s 嗜热菌 嗜热菌类型中度嗜热菌( 5 5 7 5 ) 嗜超热菌 专性嗜热菌兼性嗜热菌 生长温度 7 5 以上生长良好 3 7 以下不能生长 3 7 以下能生长 1 9 7 3 年，a n d r e 、s 和k 锄b h u 【5 0 1 率先采用嗜热菌好氧消化法处理污水厂剩余 污泥，从而拉开了对嗜热菌降解污泥的理论和试验研究。与传统的厌氧法消化污 泥相比较，嗜热菌好氧消化法反应快、稳定性高 5 1 1 ，也因其污泥停留时间短、 病原体破坏量大、固体去除率高而被认为是一种更具有发展潜力的污泥处理方法 【5 2 嗣】。嗜热菌消化污泥既可以作为传统污泥厌氧消化工艺的预处理步骤【5 川又可 以单独用来降解污泥【5 5 】。 至今的研究发现污泥消化优势嗜热菌以芽孢杆菌属为主，主要包括枯草芽孢 杆菌( b a c i l l t l ss u b f i l i s 、嗜热髓聩芽孢杆菌tb n c l l u ss t e 口r o t h e r m 叩h i t u s 、l 姗、 短小芽孢杆菌( 西撕6 卯f 刀姗) 【5 2 】，苏云金芽孢杆菌( b 叩f 刀淞历p r 聊d c 7 d 口c 口p ) 、地 衣芽孢杆菌( 肋c 讲淞z f 幽p 力咖，- 聃f ) 【5 2 1 ，凝结芽胞杆菌( b 钟讲螂卿儿犰s ) 、土 芽孢杆菌( g p d 6 刎刀埘s p ) 【5 9 】等。 嗜热菌在适宜条件下分泌具有生物溶胞作用的活性胞外酶能实现污泥的短 时高效溶解，这些酶能破坏污泥胶团结构并溶解污泥中的微生物细胞，使污泥中 的t c o d 转变为s c o d 。细胞中有机质的释放提高了污泥的生物可降解性，促 进微生物的隐性生长，进而促进污泥分解和污水中有机物含量的降低 矧。嗜热 菌及其胞外酶降解污泥过程见图1 _ 4 ： 1 0 绪论 图1 - 4 嗜热菌及其胞外酶降解污泥过程 f i g u 阳1 _ 4s l u d g ed i g 懿t i o np r o c 船sb yt h e r m o p h i i 鹤a n dt h e i r 坯o e n z y m e 随着现代分子生物学技术在环境微生物学中的应用，嗜热微生物消化污泥的 研究取得了新的进展。y 觚s a n 舒i a i l 等采用传统培养方法和现代分子生物学技术 聚合酶链式扩增结合变性梯度凝胶电泳( p c r d g g e ) 技术对嗜热菌降解污泥 过程中的微生物多样性的研究表明，污泥消化过程中的优势嗜热菌为枯草芽孢杆 菌( 配肌淞占曲巧凰) 冈和嗜热脂肪芽孢杆菌( j 召伽f 玎淞s 纪舢历p r m 啦玎姗) 1 5 7 1 ，这 两种菌具有良好的分泌胞外蛋白酶的能力，能有效降解污泥中的微生物细胞【5 6 】。 d a v i dh a y e s 等人利用p c r d g g e 技术、荧光原位杂交技术( f i s h ) 和克隆技 术研究了污泥自热高温消化反应器中嗜热微生物多样性，结果表明优势菌为嗜热 栖热菌( 孤硎姗腩p 朋印办跏) ，这与用传统的微生物培养方法所发现的优势菌 株为土芽胞杆菌( g 口d 6 卯讲淞s p ) 存在较大差异，这被认为可能是因为土芽胞杆 菌在系统中以内生孢子的形式存在，研究中所用的d n a 提取方法很难打破内生 孢子壁，f i s h 探针也无法穿透内生孢子壁导致探针无法检测到该菌属造成的【5 9 】。 h 懿e q q w 0 删从热好氧污泥消化反应器中筛选出一株嗜热脂肪芽孢杆菌( b 钟f 刀淞 蹴舢历p 删印觚s p t 2 1 ) ，能分泌胞外蛋白酶和脂肪酶在批式反应中，接种 s p t 2 1 能去除污泥中2 5 3 0 的v s s ，而未接种污泥的v s s 几乎没有变化。在 连续反应中接种s p t 2 1 ，好氧条件下污泥的v s s 去除率能达到4 0 左右；将经 过此预处理的污泥继续进行厌氧消化，产气量是未进行预处理的污泥的1 5 倍。 1 1 浙江大学硕士学位论文 在连续反应中接种s p t 2 1 ，好氧条件下污泥的v s s 去除率能达到4 0 左右，将 经过此预处理的污泥继续进行厌氧消化，产气量是未进行预处理的污泥的1 5 倍。 宋玉栋等【删分离得到一株嗜热产芽孢杆菌s y 2 1 4 ，根据菌株形态及1 6 sr d n a 测 序结果表明，s y 2 1 4 菌株为土芽胞杆菌( g p d 6 a c f 跏s p ) ，可分泌胞外溶菌酶， 具有溶胞能力，溶胞试验表明，6h 的细胞溶解率可达到7 0 以上。l ix u c s o n g 等【5 8 1 从剩余活性污泥中筛选获得一株嗜热污泥降解菌，1 6 sr r n a 基因分析表明， 该菌株为短小芽孢杆菌( b 例f 6 叩f 跏s p k h 3 ) ，能分泌释放出分子量约4 0 k d a 的蛋白酶，将其接种至好氧消化反应器，污泥降解效率提高1 1 8 6 。史彦伟【6 2 1 研究了不同曝气条件和不同温度条件下嗜热菌对剩余污泥的溶解作用以及各种 化学组分变化的影响。实验证明了嗜热茵消化污泥存在两种反应一一酶催化反应 和热解反应，且过程中包含两个部分：嗜热菌胞外酶( 主要为蛋白酶和淀粉酶) 首先解聚污泥胶团，进而溶解微生物细胞壁水解胞内有机物质。接种自行筛选的 嗜热菌b 叩讲淞j 胞舢砌p m d p 办玎姗s p a t 0 6 1 后，反应2d ，v s s 、t s s 溶解率别 提高了7 5 7 和6 8 7 。 1 3 2 嗜热菌污泥减量影响因素 微生物产酶受到生长环境中诸多不确定因素的影响，是一个时变、随机性和 多变量输入输出的动态过程，培养条件的差异与不稳定性会导致产酶行为的大幅 波动【6 3 1 。污泥性质、温度、溶解氧含量、水力停留时间和金属离子含量等都会 直接或间接影响嗜热菌的产酶量及酶活。 1 、污泥性质 污泥的基本单元是胶团( 6 3 1 ，组成胶团的基本特性如颗粒粒径及表面性质、 内部结构和水分分布等会直接影响到嗜热菌溶解污泥的的效率。 化学污泥和生物污泥因其在形态和性质上的差异会引起溶解差异m ：经中 和、混凝、隔油及气浮等方法得到的化学污泥的组成成分多为溶解性有机物、微 生物、无机盐类、絮凝剂等，其碳氮比高、污泥颗粒小而紧密、胞外多聚物较少， 更利于进行嗜热菌降解反应；而来自生物处理过程和由二沉池排出的生物污泥 中，好氧微生物生长过程中增生的胶团形成菌与其分泌的胞外多聚物、丝状菌、 真菌、原生动物及钙离子和镁离子可共聚生成粒径为数百微米的污泥胶团，碳氮 比低，不利于脱水和污泥溶解。 绪论 2 、温度 温度是影响嗜热菌生长、接种和污泥降解的关键因素。优势嗜热微生物可以 在最适宜的温度条件下通过水热反应促进细胞的溶解，提高污泥降解效率。 一般认为，温度在6 5 时，嗜热微生物降解污泥的效果最