（环境工程专业论文）碱和超声波促进污泥厌氧水解酸化好氧减量研究.pdf

摘要 利用超声波对剩余污泥进行破解，可以促使污泥胞内外物质溶出进入液相， 既能促进后续污泥的厌氧水解酸化，还有可能形成新的污泥减量工艺。目前国内 外破解污泥大多采用声能密度为0 0 9 6w m l 至2w m l 的超声波，声能密度较 高能耗也较大，在实际工程中难以推广。本文采用2 5k h z 、o 0 5w m l 的较低声 能密度的超声波破解加碱后的剩余污泥，研究破解对后续厌氧酸化的促进作用， 并探索将酸化后的污泥回流至曝气池进行隐性生长实现污泥减量的可能性。 实验结果表明，污泥经加碱超声波破解后，污泥s c o d 溶出率随着加碱量和 超声波作用时间的增加而增加。厌氧酸化过程中，对照组总v f a s 产量一直处于 较低水平，而经预处理后的污泥最大产酸量集中出现在厌氧酸化的第4 8 8 8h ， 说明加碱后超声波破解对污泥厌氧水解酸化有较好的促进作用。 剩余污泥酸化后重新回流入曝气池进行隐性生长，可以实现污泥的减量。污 泥酸化好氧减量工艺在3 0d 的运行中，除了取样分析，基本没有外排剩余污泥， 而对照组在此期间共排放干污泥8 6 1g 。酸化污泥重新回流入曝气池后使测试组 进水c o d 平均值比对照组增加1 4 7 ，氨氮增加3 2 ，t p 增加2 9 4 ，系统出 水t p 值成倍增加，需考虑污泥酸化液除磷的问题。酸化污泥回流后使测试组曝 气池混合液污泥浓度平均值增加7 2 5m l ，v s s s s 值比对照组低。长时间的运 行后，污泥减量系统内的污泥微生物活性有所下降，建议每隔一定时间对其进行 少量排泥，以保证微生物活性。 关键词：碱；超声波；剩余污泥；厌氧水解酸化；污泥减量 a b s t r a c t u l t r a s o n i cc a nb ea p p l i e dt od i s i n t e g r a t et h ew a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) ，s ot h a t t h es u b s t a n c e si n s i d ea n do u t s i d et h ec e l l sr e l e a s ei n t ot h e l i q u i dp h a s e a f t e r d i s i n t e g r a t i o n ，t h er a t eo fs u b s e q u e n ta n a e r o b i ch y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o nw a s i m p r o v e da n dan e we x c e s ss l u d g er e d u c t i o np r o c e s sm a yb ef o u n d a tp r e s e n t ， u l t r a s o n i cd e n s i t i e sr a n g i n gf r o m0 0 9 6w m lt o2w m lw a st h em o s tc o m m o n l y a p p l i e dm e t h o du s e df o rs l u d g ed i s i n t e g r a t e h o w e v e r , h i g h e ru l t r a s o n i cd e n s i t y r e s u l t e di nh i g h e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，w h i c hm a d ei t sh a r df o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l y i n g i nt h i sp a p e r ，u l t r a s o n i cw i t hr e l a t i v e l yl o w e rd e n s i t y ( 2 5k h z ，0 0 5w m l ) w a se m p l o y e dt o d i s i n t e g r a t et h es l u d g et h a ta l k a l iw a sa d d e di nb e f o r e t h e p r o m o t i n ge f f e c t so fd i s i n t e g r a t et os l u d g eh y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o nw i t ht h e p o s s i b i l i t yo fr e c y c l i n gt h ea c i d i f i e ds l u d g et ot h ea e r a t i o nb a n kt or e a l i z es l u d g e r e d u c t i o nb a s e do nt h el y s i sg r o w t hw e r es t u d i e d i th a sb e e nf o u n dt h a tt h es o l u b l ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( s c o d ) l e a c h i n gr a t e i n c r e a s ew i t ht h ea l k a l ia m o u n ta n du l t r a s o n i c d i s i n t e g r a t i o nt i m e d u r i n gt h e p r o c e d u r eo fa n a e r o b i ch y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o n ，t h ec o n t r o lt o t a lv o l a t i l ef a t t y a c i d s ( v f a s ) p r o d u c t i o nh a sb e e na tal o wl e v e l ，w h i l ew i t hp r o p e rp r e t r e a t m e n tt h e v f a sc o n c e n t r a t i o nc a m et ot h eh i g h e s tm o s t l ya f t e r4 8t o8 8h o u r s ，d e m o n s t r a t e d t h a tu l t r a s o n i cd i s i n t e g r a t ea f t e ra d d i n ga l k a l ih a v ew e l lp r o m o t i n ge f f e c to ns l u d g e a c i d i f i c a t i o n e x c e s ss l u d g er e d u c t i o np r o c e s sb a s e do nt h el y s i sg r o w t hc a nb er e a l i z e db y r e c y c l i n gt h ea c i d i f i e ds l u d g eb a c kt ot h ea e r a t i o nt a n k a c i d i f i c a t i o n a e r o b i cs l u d g e r e d u c t i o n p r o c e s so p e r a t e ds t a b l y3 0dw i t h o u ta n ys l u d g ed i s c h a r g i n ge x c e p t s a m p li n ga n a l y s i sh o w e v e r ；t h ec o n t r o ld i s c h a r g e s8 6 1gd r ys l u d g ed u r i n gt h i s p e r i o d t h er e c y c l i n go fa c i d i f i e ds l u d g ei n c r e a s et h ea v e r a g ec o d 、a m m o n i a n i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) b y14 7 、3 2 a n d2 9 4 ，r e s p e c t i v e l y ：a n d ，a d u p l i c a t e dt o t a lp h o s p h o r u sv a u l ei ne f f l u e n tw a so b s e r v e d ，p h o s p h o r u sr e m o v a lf o r m a c i d i f i e ds l u d g es h o u l db ec o n s i d e r e d r e c y c l i n go fa c i d i f i e ds l u d g ei n c r e a s et h e s l u d g ec o n c e n t r a t i o ni nt h ea e r a t i o nt a n kb y7 2 5m e r e a f t e ral o n gt i m eo p e r a t i o n ， t h em i c r o o r g a n i s m sa c t i v i t yi nt h es l u d g er e d u c t i o ns y s t e md e c l i n e d i t ss u g g e s t e d t h a ts o m e s l u d g e i sd i s c h a r g e df o rac e r t a i nt i m et o k e e p t h ea c t i v i t yo f m i c r o o r g a n i s m s k e yw o r d s ：a l k a l i ；u l t r a s o n i c ；w a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ；a n a e r o b i c ；h y d r o l y s i s a c i d i f i c a t i o n ；s l u d g er e d u c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：昌必焰签字日期：j o ? 年占月3 - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞基堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：昌欠购 导师签名： 签字日期：? 皿夕年月日 彩忍 0 槲期：7 年月广日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 剩余污泥的产生及其特性 1 1 1 污泥来源 在人们的生活与生产中，主要产生几大类型的污泥：污水污泥、给水污泥、 水体( 主要是城市湖泊与河流) 清淤淤泥、给排水管网淤泥。在上述几类污泥中， 产量最大、污染程度最高、危害最大、最难处理的当属污水污泥。给水污泥通常 较为清洁，绝大多数情况下对环境没有危害，简单处理后可以直接排放处理或利 用。水体淤泥与给排水管网淤泥根据其污染程度可以分别参照污水污泥或给水污 泥处理。因此，污泥处理处置技术的关键是污水污泥，其中所涉及的技术、方法、 原则可以相应地用于其他类型的污泥。 近年来，随着我国国民经济的迅速发展和城市化进程的加快，城市污水处理 率逐年提高，城市污水处理厂的污泥产量也急剧增加，污水处理过程中产生的污 泥也随之成为人们关注的焦点问题。现在通行的污水处理技术是通过微生物的代 谢作用及物理化学方法，将污水中的污染物大量转移到剩余污泥中，其实质是污 染物的相转移，即可溶性的污染物变成不可溶的固体。在水质得到净化的同时， 污水中的污染物作为污泥被分离出来。可以说，污泥就是被浓缩的污染物质。 根据污泥从污水中分离的过程，可将其分为一次污泥与生物污泥。一次污泥 是初次沉淀池截留的污泥，包括用化学药剂沉淀的污泥。生物污泥又称生物固体， 是在生物处理过程中，由污水中悬浮状、胶体状或溶解状的有机物组成的某种活 性物质，其中的大部分固体是由细菌块( 或菌群) 组成的。根据生物处理方式的不 同，又可进一步分为生物滤池污泥，即采用生物滤池处理时产生的污泥；活性污 泥，即采用活性污泥法处理时产生的污泥。在活性污泥法处理过程中，一部分污 泥作为接触体而循环，称为回流污泥；剩余的需要送去处理的称为剩余污泥。因 此，污水处理厂的污泥主要是初沉池污泥与剩余活性污泥的混合污泥l l 】。 据统计，一座城市二级污水处理厂产生的污泥量约占其污水处理总量的 0 3 - , 0 5 ( 以含水率9 7 计) ，而如若进行深度处理，污泥量还可能增加0 5 - 1 0 倍1 2 】。2 0 0 7 年，全国废水排放总量为5 5 6 7 亿吨，其中工业废水2 4 6 5 亿吨、生 活污水3 1 0 2 亿吨，城镇污水处理率为6 0 i j j ，按污水处理量的0 5 计，全年污 第一章绪论 泥产量为1 6 7 亿吨。表1 1 和图1 1 列出了我国近年来废水年排放量和据此计算 的污泥产副4 7 1 ( 按污水处理量的o 5 计) 。 表1 1城市废水年排放量与污泥产量 6 0 0 5 0 0 罾4 0 0 8 面3 0 0 楼 琢k - 2 0 0 * 瑙1 0 0 o 1 8 0 0 0 1 5 0 0 0 1 2 0 0 0 r 9 0 0 0 咖 l 6 0 0 0 甚 精 赆 3 0 0 0 o 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 年份 图1 1我国城市废水排放量和污泥产量年际变化情况 可以看出，随着近年来我国城市化步伐的加快，城市废水的年排放量和处理 率都在逐步上升，伴随而来的是污泥产生量的急剧增加。今后，随着经济的进一 步发展，污水处理技术的不断提高，污水的处理率及处理深度都会提高，相应的 污泥产量也会进一步增长。而据统计报道，剩余污泥的处理费用一般占污水处理 厂总运行费用的2 5 - 4 0 ，有时甚至高达6 0 i 引，这样大量污泥的产生将会对 城市污水处理厂的长期运行构成沉重的负担。因此，如何经济有效地处理剩余污 泥、减少污泥产量、使污泥快速稳定，以保证污水处理厂的正常运行和处理效果、 保护环境、变害为利、变废为宝是我们当前面临的一个重要问题。 第一章绪论 1 1 2 污泥的理化性质 污泥性质对污泥处理过程有明显的影响，表征污泥物理性质的常用指标是含 水( 固) 率、比阻、可压缩性、水力特性等。污泥减量化技术的选择通常基于其物 理性质。化学性质决定了污泥资源化利用的方向，一般包括p h 值、有机物、营 养成分含量、热值、有毒有害物质含量等。不同类别的城市污泥由于组成不同， 其理化性质有较大的差异。同时，因为污泥可能的处理方法不同，污泥性质分析 的重点相应有所不同【l 9 】。 1 1 2 1 污泥含水率 污泥中所含水分的重量与污泥总重量之比的百分数称为污泥含水率，它表 示了污泥中所含水分的多寡，是污泥最重要的物理性质，决定了污泥的体积。一 般认为，污泥中所含水分大致可以分为空隙水( 又称自由水) 、毛细水、吸附水和 结合水，其中污泥颗粒间的空隙水约占污泥总含水量的7 0 ，污泥颗粒间的毛细 管水约占2 0 ，颗粒的吸附水及颗粒内部结合水一起约占l0 。污泥的含水率 一般都很高，比重接近于l 。 1 1 2 2 污泥可压缩性 污泥的可压缩性反映了污泥机械脱水的难易程度。通常用比阻或毛细吸水时 间( c s t ) 来表示。c s t 的含义是污泥在吸水滤纸上渗透距离为lc l l l 时所需时间， 单位用s 表示，其值越小，表示污泥的脱水性能越好。 1 1 2 3 污泥有机物含量 有机物含量是污泥最重要的化学性质，同时决定了污泥的热值与可消化性， 通常有机物含量越高，污泥热值也高，可消化性越好。污泥中有机物含量通常用 挥发性固体( v s s ) 表示。另两项相关的重要指标是挥发性有机酸( v f a s ) 和矿物油。 表1 2 污泥有机物不同组分含量( 占污泥干重) 统计结果表明，城市污泥的组成与污水的来源、处理工艺、城市居民的生活 水平和饮食结构等有关。随着经济的发展，污泥中有机物含量呈上升趋势。张雪 第一章绪论 英等0 0 1 对无锡芦村污水处理厂污泥的分析结果见表1 - 2 ，其中水溶性有机物包括 很多小分子碳水化合物和氨基酸等，它们极易被微生物分解利用。 1 1 2 4 污泥重金属含量 污泥中重金属离子的含量，取决于待处理的废水中工业废水所占比例及工业 性质。一般来讲，废水中重金属离子约有5 0 以上转移到污泥中，主要有h g 、 c d 、c r 、p b 、a s 、z n 、c u 和n i 等，因而污泥中这些重金属离子的含量一般较 高。表l ，3 列举了我国城市污水处理厂污泥中重金属的范围，并与农用污泥中 污染物控制标准( g b4 2 8 仁8 4 ) 中的规定做了比较1 。 表1 3我国城市污水处理厂污泥中重金属的含量 综合来讲，我国城市污水处理厂的污泥具有以下几个特点1 1 2 1 。 ( 1 ) 有机物含量低。我国城市居民住宅卫生设施不完善，公共厕所污水未能 全部排入污水管网，加之工业废水所占比例较大，城市环境卫生较发达国家差， 大量无机粉尘进入城市下水道，造成污泥中的b o d 5 c o d 值不高，有机物含量 一般只在5 0 左右。而发达国家城市污水污泥的有机物成分含量为7 0 0 0 - - 8 0 。 ( 2 ) 碳水化合物含量高。我国城市居民的饮食结构以粮食、植物油、蔬菜和 豆制品为主，人均消费的肉类和奶制品很少，有机物组分中的碳水化合物比例很 大，而脂肪含量很低。如天津纪庄子污水处理厂二次沉淀池剩余污泥所含的有机 物中，碳水化合物占4 0 - 5 0 ，蛋白质占4 0 一5 0 ，脂肪仅占1 0 左右，这 和发达国家相差很大。由于分解单位质量有机物的气体生成量顺序为脂肪 碳水 化合物 蛋白质，甲烷生成量的顺序为脂肪 蛋白质 碳水化合物，故我国污泥的 产气量和甲烷产量较低。 4 第一章绪论 ( 3 ) 碳氮比较为适宜。一般认为碳氮比在( 1 0 ：1 卜( 2 0 ：1 ) 的范围内，消化效果好， 我国城市污水污泥虽属高碳水化合物类型，但工业废水含量较大，污泥中的氮含 量比较高，利于污泥消化。 ( 4 ) p h 值和酸碱度基本正常。p h 和酸碱度是厌氧消化的重要影响因素。产 甲烷菌适宜的p h 值为6 6 - , - 7 8 ，当p h 值小于5 时，对产甲烷菌有毒害作用。我 国城市污水污泥p h 值多在6 7 的范围内，总碱度为2 0m g l ，基本属正常范围。 ( 5 ) 重金属超标。污泥中的重金属不仅对作物、土壤，而且对污泥消化都产 生较大影响。重金属离子对产甲烷菌起抑制作用，会与酶结合产生变性物质，使 酶失去活性，从而影响机体的正常生长发育。污泥中的各种重金属含量顺序为 c d c u z n p b h g 。我国城市污水中工业废水所占比例较大，污泥中重金属含量 较高，造成c d 、c u 、z n 等元素常常超标，影响污泥的利用。 1 2 污泥源头消减 目前，活性污泥法广泛应用于生活污水和工业有机废水处理，但是它一直存 在一个最大的弊端，就是会产生大量的剩余污泥。剩余污泥作为废水生物处理过 程的主要副产物，只有将其妥善处理及资源化利用或在废水处理过程中减少其产 量，才能有效避免其所造成的二次环境污染，进而从根本上解决废水污染环境的 问题。 污泥处理的目的是为了实现污泥的减量化、资源化和无害化。在选择污泥处 理方法时，一般按照以下的优先级进行：尽量避免产生污泥，使污泥产量最小 化；污泥循环，使污泥排放量最小化；资源化利用；无害化处置。所谓污 泥减量化，是指通过利用物理、化学、生化的手段，使得整个废水处理系统向外 排放的生物固体量达到最少。污泥减量技术越来越受到广泛重视，同时深入开展 污泥减量化技术的研究也是实现污泥无害化、资源化的重要技术支撑手段引。 1 2 1 污泥减量化的理论基础 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，活性污泥的净增殖量是这两项活动的差值l l l 】，即 厶x = a s , 一b x 式中：从一活性污泥的净增殖量( 剩余污泥量) ( 堙细； 第一章绪论 & 一在活性污泥微生物作用下，污水中被降解、去除的有机污染物 ( b o d ) 量( k g d ) ； 祭一曝气池内混合液中含有的微生物量( 堙) ； 卜微生物合成代谢产生的降解有机污染物的污泥转换率，即污泥产 率； 扛微生物内源代谢反应的自身氧化率。 从式( 1 1 ) 中可以看出，假设b o d 的去除量s ，不变，那么要减少剩余污泥产 量，就需要降低污泥产率a 或者增大b 和x ，传统的减少产泥量的方法也正是依 靠延长停留时间，提高自身氧化率b 值实现的。基于上述污泥减量化技术基础， 目前从源头上剩余污泥减量化的研究主要集中在以下两个方面：废水处理的同时 减少剩余污泥的产生量；在剩余污泥回流的过程中实现污泥减量。以上两方面研 究形成的污泥减量技术主要包括解偶联代谢、维持代谢和内源呼吸、生物强化、 生物捕食及溶胞一隐性生长等【l3 1 。 1 2 1 1 解偶联代谢 降低细菌细胞的合成量，可以通过从能量上对细菌的合成进行抑制，使细菌 氧化底物所获得的能量不用于合成细胞本身，即不能合成a t p 或造成a t p 的大 量消耗。通常，微生物的分解代谢和合成代谢是由a t p 和a d p 之间的转化而联 系在一起的，即底物分解所产生的能量将部分用于微生物体合成。但在某些特殊 情况下，底物氧化所产生的能量并没有用于a t p 合成，而是通过其他途径释放， 这使得微生物的分解代谢与合成代谢不再耦合在一起。此时，微生物仍能正常分 解底物，但其自身合成速度将减慢，污泥表观产率将降低 8 1 4 - 1 5 】。 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，如2 ，4 - - 硝基苯酚( d n p ) 、对硝基苯酚( p n p ) 五氯酚( p c p ) 和3 ，37 ，4 ，5 四氯水杨酰苯胺( t c s ) 。天然解偶联剂主要是棕色脂肪和其他组织中 的解偶联蛋白【1 1 。目前，主要通过以下方式实现解偶联污泥减量i l3 】： ( 1 ) 加入一定量的解偶联剂。解偶联剂不抑制呼吸链传递氢或电子的过程， 但能使氧化产生的能量不用于a d p 的磷酸化。正常情况下细菌氧化外源有机底 物时，细胞膜两侧会产生h + 浓度梯度，驱动发生氧化磷酸化作用合成a t p 。解 偶联剂通常为氢离子载体，加入解偶联剂可增大线粒体内膜对h + 的通透性，从 而使一的跨膜梯度消除，造成氧化过程释放的能量不能用于a t p 的合成反应， 并以热的形式散发，起到解偶联氧化磷酸化作用，从而减少污泥产量。 ( 2 ) 改变污泥所处的环境，可以对细菌的生长造成影响，从而减少污泥产量。 好氧菌从外源底物的氧化中获得a t p ，但它们突然进入没有底物供应的厌氧环 境时，不能产生能量，导致细菌在好氧环境获得的a t p 不能立即用于新细胞的 6 第一章绪论 合成，而是在厌氧环境下作为维持生命活动的能量被消耗。好氧厌氧的交替循 环可促进分解代谢活性，使细菌分解代谢和合成代谢分离，从而达到污泥减量的 效果。 ( 3 ) 不适宜的温度能够影响细菌的新陈代谢，从而降低微生物的表观产率。 温度升高后，细菌分解有机底物的能力会提高，而合成代谢方面却没有随之提高， 因此分解底物获得的能量没有完全用于细菌自身的合成，产生能量的解偶联，使 污泥减量。 1 2 1 2 维持代谢和内源呼吸 根据细胞的代谢和增殖机制，底物的消耗主要用于生物体增长及生物能量的 产生。维持代谢为维持细菌基本生命活动提供能量，其消耗的底物不用于产生新 的生物量。因此，维持代谢的活性越高，污泥产量越少。另一方面，微生物可以 通过内源呼吸获得所需的维持能，进而导致生物表观产率的降低。在内源呼吸条 件下，外源底物被完全演化为c 0 2 和h 2 0 ，因此内源呼吸也通常称为生物量的 自身消化。 在活性污泥理论中，污泥龄( p ) 是指单位生物量在处理系统中的平均停留时 间。l a w r e n c e 纠1 1 】提出污泥表观产率( 匕缸，r a g r a g ) 与污泥龄( 护，力有如下的关 系： j _ _ = 二l _ + 生盟 一一一t - - _ - _ _ y 曲s戤。y m a x ( 1 - 2 ) 式中：广污泥最大产率( m g m g ) ： 杨一内源呼吸率( 矿。) 。 从式( 1 2 ) 可以看出，污泥表观产率与污泥龄及内源呼吸率关系非常密切，且 呈一定的反比关系。故提高污泥的停留时间和内源呼吸率有利于降低污泥表观产 率。因此，在废水的生物处理过程中，可通过调整污泥龄来控制污泥产量。 1 2 1 3 生物强化 生物强化是指在废水的生物处理系统中，通过投加具有特定功能的微生物， 达到提高废水处理效果的手段和方法。经筛选、顺化或基因改良的微生物菌株能 保持并强化天然存在菌株的活性，投入活性污泥中可以优化和控制微生物种群的 平衡，同时增加系统中细菌的浓度和代谢活性，减少污泥的产生量。 第一章绪论 l 214 生物捕食 废水的生物处理过程相当于一个人工生态系统。除了细菌外，活性污泥中还 有原生动物和后生动物等微型动物共存。原生动物( 如纤毛虫) 和后生动物( 如轮虫、 线虫、寡毛蠕虫) 位于食物链的最高端，捕食细菌。当能量从低营养级传递到高 营养级时，系统中食物链越长，能量损失越多，合成的新生物量越少，污泥产生 量就越少。因此，通过延长食物链或强化食物链中的微型动物的捕食作用，就可 以达到污泥减量的目的。 微型动物和细菌之间的关系，除了捕食者和被捕食者的关系外，还有互利的 关系。微型动物对增强细菌的活性及细菌自身氧化、代谢能力有一定作用，这些 都有利于减少污泥量。 1 2 1 5 溶胞一隐性生长 溶胞作用释放出细胞内所含的物质，会增加底物的有机负荷。当含有细胞溶 解产物的底物被细菌利用于呼吸作用并转化为c 0 2 和h 2 0 时，污泥的产生量就 会减少。由于难以区分细菌的生长是依靠外源底物或是细菌自身细胞溶解产物， 故称之隐性生长【1 6 1 。隐性生长过程包括溶胞和生长两个阶段，其中溶胞阶段是污 泥自身降解的限速步骤。利用溶胞作用，使污泥细胞能够迅速解体并形成底物再 次被其他细菌利用，从而可以减少污泥总量。 1 2 2 污泥减量化工艺 基于上述的减量化理论基础，目前国内外已有多项污泥减量工艺得到了应用， 现将国内外污泥减量工艺的研究及应用分别从物理、化学、生物及组合工艺的角 度进行叙述。 1 2 2 1 物理工艺 ( 1 ) 热酸碱处理 热处理法是指用蒸汽将污泥加热大约3 0m i n 后达到1 3 0 l8 0 ，并使之热水 解的过程，这个过程会造成污泥部分溶解以及污泥中的生物细胞破裂。水解后的 污泥更适于消化处理，而部分裂解的细胞则会转化成溶解性有机物。s t u c k e y 等 1 1 3 发现对于剩余污泥的热转化，最适宜的温度是17 5 ；而高于这个温度却会带 来负面影响【1 7 1 。与未经热处理的污泥相比，热处理后的污泥在消化反应后表现出 更好的脱水性，从而会达到更好的污泥减量效果。k e p p 等【1 刀报道了在挪威的一 个大规模废水处理厂( 1 9 9 5 年底建成) 首次采用流通蒸汽直接加热的方法对污泥 第章绪论 进行解体，连续3 年的运行结果表明污泥减量可高达5 0 ，且稳定性较好；同时， 处理过的污泥由于稳定性比较好，可以用在农业和上地开垦。 高温热处理法也可以与酸碱处理法联合使用，用来对剩余污泥进行减量或是 进行预处理。在对不同的细胞裂解技术( 热处理，热处理与酸碱法处理法相结合) 进行研究和对比后发现，最有效的方法是通过投加n a o h 的碱处理方法与热处理 方法相结合，它可以导致细胞有效裂解从而产生可生物降解的水溶性产物【l 扣1 9 j 。 2 0 0 1 年，r o c k e r 等l 】0 j 研究和比较了热处理、酸、碱对细胞溶解的影响，发现当 污泥在6 0 和p h = 1 0 时处理2 0m i n ，细胞溶解和生物降解最稳定，污泥产率只 有常规工艺的3 8 - - 4 3 。2 0 0 3 年，n e y e n s 等t 2 0 l 采用热碱的方法对污泥进行水 解，发现污泥在1 0 0 和p h = 1 0 的条件下处理6 0m i n 时可减量6 0 ，但同时磷 和金属离子被释放于上清液中。 ( 2 ) 超声波处理 超声波是指频率从2 0k h z 到1 0m h z 这个波段范围内的声波【2 。当一定强度 超声波作用于某个液体体系时，液体中会产生大量的空化泡，这些气泡会随着声 波变化而改变大小并瞬间破灭，产生空化现象。由于气泡的瞬间破灭，会形成瞬 间热点，产生高温( 5 0 0 0k ) ，高压( 5 0 x 1 0 4k p a ) ，还会产生很高的剪切力( 射流， 时速达4 0 0k m ) 。这些特性使超声波这种能量形式有别于机械搅拌等其他形式， 它可以在常温下完成一些需要极端条件的化学反应。在不添加化学变性剂、酶以 及其他微粒的情况下，连续的高频超声波作用能够溶解细菌孢子，破坏菌胶团结 构，使其中的水溶解出来。由于超声空化引起的微射流作用，即机械剪切力的作 用，使污泥絮体破碎并进一步导致细胞分解，促使了胞内物质的释放，而超声波 效应往往在声波停止数小时后依然有效。 1 9 9 1 年，h a 盯i s o n l 2 2 j 报道超声波降解是一种破碎细胞壁的有效方法，并且认 为分子量超过4 0 0 0 的高分子物质可以被由超声空化引起的强大的水力剪切力所 分解。t i e h m 掣2 3 】研究了频率范围为4 l 3 2 1 7k h z 的超声波对污泥破解的影响， 发现在4 1k h z 时污泥的破解度较高，细胞质溶出率较大；同时他们还预测污泥 最高破解率将发生在2 0k h z 。在此基础上，z h a n g 掣2 牝5 】分别以人工配水和城市 市政污水为研究对象，考查超声波隐性生长的可行性。超声频率固定为2 5k h z ， 人工配水条件下，最佳的污泥减量条件是声能密度为1 2 0k w h k g d s ，超声作用 时间1 5m i n ，与对照组相比污泥减量9 1 1 ，而且污泥沉降性不受影响，但出水 中磷含量偏高；而以城市市政污水为研究对象时，发现最佳的污泥水解条件为声 能密度2 0k w h k g d s ，作用时间仍是1 5r a i n ，污泥减量3 2 6 4 ，但系统中重金 属的逐渐积累会影响减量程度。 9 第一章绪论 1 2 2 2 化学工艺 ( 1 ) 臭氧氧化 臭氧是一种强化学氧化剂，它通常被用于水的消毒处理。臭氧氧化污泥减量 法的工艺原理是，一部分活性污泥将被臭氧氧化成二氧化碳和水，而余下的部分 被溶解成易被生物降解有机物。1 9 9 4 年日本的y a s u i 掣2 6 提出臭氧化活性污泥 联合工艺，即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 泥引人臭氧处理器中，污泥经过臭氧处理后再返回到曝气池中，达到污泥和废水 双重处理的功效。臭氧氧化可以提高剩余污泥的可生物降解性，从而使被臭氧氧 化的污泥在后续的生物处理工艺中更加易于降解。实验发现，通过增加污泥回流 比和增加臭氧投放量都会减小活性污泥产率。在回流比达到0 3 和臭氧投放量达 0 0 59 0 3 g s s 的时候，系统可达到零剩余污泥排放。 ( 2 ) 氯化及高级氧化 为降低臭氧的运行费用，有人采用氯气代替臭氧进行污泥减量化研究，其原 理与臭氧氧化活性污泥工艺一样。研究发现虽然氯气能使污泥减量6 5 ，但污泥 的沉降性能很差，而且也会大大增加出水中的溶解性化学需氧- 量( s c o d ) 2 7 j 。此 法还可能会产生潜在的有害物质，如三卤甲烷类三致物质。 ( 3 ) 投加解偶联剂 大量研究表明解偶联剂具有显著的污泥减量化功能【1 5 2 8 瑚】。l o w 等【2 8 1 对对硝 基苯酚( p i n p ) 进行小试研究，发现在3 0 时，连续投加p - n pl0 0m l ，污泥可 减量6 2 7 7 ；当温度条件为2 0 时【8 1 ，连续投加p - n p1 0 0m l ，m l s s 为0 7 l g ，l ，污泥产量可减少4 9 ，但同时c o d 去除率下降2 5 。s t r a n d 等1 3 l j 的研究结 果表明在：2 l 、连续加人2 ，4 ，5 三氯苯酚( t c p ) 2 2 5m g l 、h r t 为3 5h 、 s r t 为5 d 时，污泥可减少5 0 。 c h e n 等l l5 】对3 ，3 ，4 ，5 四氯水杨酸苯胺( t c s ) 的研究表明：当t c s 的投加浓度 为o 8 1 0m g l 时，控制h r t 为8h ，s r i 为7d ，污泥可减量4 0 ，而且对出 水效果没有明显的影响。y a n g 等【3 0 j 通过对m 氯酚( m c p ) 的研究发现，2 5 时 投加m c p2 0m e , l ，污泥可减少8 6 9 ，但同时c o d 去除效率下降1 3 5 。叶芬 霞等采用3 ，3 ，4 ，5 四氯水杨酸苯胺( t c s ) 作为代谢解偶联剂添加到活性污泥 工艺中，连续曝气分批培养实验的结果表明【3 2 】，t c s 在浓度高于10m l 时是一 种有效的化学解偶联剂，能显著地降低污泥产率。当t c s 浓度为6 0m g l 时， 污泥产率可降低约5 0 ，且底物的去除能力、出水氨氮和总氮浓度及污泥沉降性 能均未受影响，污泥的比摄氧速率( s o u r ) 值和脱氢酶活性相应增加。后来，叶 芬霞采用合建式曝气沉淀池模拟装置，将t c s 加到完全混合活性污泥工艺中1 3 引。 连续培养的实验结果表明，当t c s 在每克固体悬浮物中含量为0 5m g 时，t c s 1 0 第一章绪论 是种有效的化学解偶联剂，可降低剩余污泥产量约3 0 ，且活性污泥工艺的 c o d 去除效率和污泥的沉降性能未见有明显影响，但出水氨氮及总氮浓度升高， 污泥的s o u r 值相应增加，对污泥的种群结构也有一定的影响。 ( 4 ) 高溶解氧 一般认为，溶解氧的供给对提高设施负荷率作用不大，但可以在一定程度上 减少污泥产量。比较纯氧和空气曝气活性污泥系统，发现在相同的污泥停留时间， 纯氧系统中的污泥产率仅为空气系统的6 0 【1 3 】。至今，高浓度溶解氧降低污泥 产率的机理还不完全清楚。 除了降低活性污泥产量外，高溶解氧曝气的另一个好处就是控制污泥膨胀。 污泥膨胀是活性污泥工艺最严重的问题之一，高浓度溶解氧能有效地抑制丝状菌 的生长，促进系统稳定运行【3 4 1 。另外，纯氧曝气产生的污泥沉降性和浓缩性好， 后续污泥处理容易。但是，纯氧曝气动力消耗很大，限制了它的应用。 1 2 2 3 生物工艺 ( 1 ) 生物膜法 一些研究报道表明，与活性污泥法相比，生物膜工艺具有较低的污泥产率 1 3 5 - 3 6 。王宝贞等开发的浸没式生物膜废水处理技术，采用固定式载体填料增加了 原生动物和后生动物在曝气池中的数量，减少了剩余污泥的产量，小试研究确定 其剩余污泥产量仅为常规活性污泥法的1 1 0 1 5 。引用该技术的番禺祁福新村废 水处理厂( 处理量为8 0 0 0m 3 d ) ，自1 9 9 8 年5 月份投产以来没有剩余污泥的产生， 实现了污泥的零排放1 3 。 2 0 0 1 年，卫藤俊司开发出一种推流式固定床反应器，利用多孔微生物载体和 间歇曝气装置，在反应器中延长微生物的停留时间，且在废水流动方向上形成好 氧- 厌氧反复耦合的过程，可使剩余污泥全部分解。经过一年对食品废水( 进水 b o d = 2 2 0 0m g l ，s s = 8 0 0m g l ) 处理的研究，结果表明出水b o d 2 0m g l ，s s 2 0 m g l ，无污泥外排，可实现污泥零排放，但系统对n ，p 的去除效果不显著【3 8 1 。 ( 2 ) 膜生物反应器 膜生物反应器( m b r ) 可以将生物污泥全部截留在反应器内，不仅延长了污泥 龄，而且加强了微型动物的捕食作用，使得污泥自身氧化降解，达到了污泥减量 的目的。m b r 经常被运行在很长的污泥停留时间( s r t ) 条件下，这是因为通过利 用膜取代澄清池对出水进行泥水分离，可以使s r t 完全独立于水力停留时间 ( h r t ) 。通过膜生物反应器对污泥的完全截留，反应器中污泥浓度会达到很高水 平。污泥浓度越高，污泥负荷率则越小。在这种条件下，微生物则把更多的底物 用于维持生命的基本需要，因此只有很少的底物被用于微生物生长。在污泥负荷 第章绪论 率足够低的时候，很少或几乎没有剩余污泥在膜生物反应器内产生。在底物限制 的情况下，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3g l 增加到6g l 时，污泥产量下降了1 2 。类似研究发现，污泥浓度从 1 7 l 增加到1 0 3 l 时，污泥产量下降了4 4 l j j 。 ( 3 ) 好氧沉淀厌氧( o s a ) 3 2 艺 好氧沉淀厌氧( o s a ) 活性污泥工艺是对传统活性污泥技术的一种改造，它 是在传统的活性污泥系统的回流管路中增加一个厌氧反应器。在厌氧反应器里， 活性污泥周期性的处于缺氧状态，并且底物浓度极低引。1 9 6 4 年，有学者首先 提出好氧沉淀厌氧( o s a ) t 艺，并将厌氧生物反应器加入到高效活性污泥处理 工艺流程中，这样能够比传统的活性污泥处理工艺减少近5 0 的污泥量。从那时 起，这种基于周期性好氧和厌氧的交替性处理方法就广泛应用于活性污泥工艺的 污泥减量中1 j 。 19 9 2 年，c h u d o b a 等【13 】研究发现，与传统活性污泥法相比，在o s a 处理工 艺中剩余污泥产量可减少2 0 - 6 5 。19 9 5 年，张全等0 4 0 】采用了o s a 工艺，使剩 余污泥产量由8 0 减少到了1 5 - 2 0 ，系统基本上可做到无污泥排放。1 9 9 6 年， 朱振超等【4 1 】采用好氧沉淀一兼氧活性污泥工艺使上海锦纶厂废水处理站的剩余 污泥达到零排放。s b a y 等【”】的研究数据表明，在缺氧池中只要o r p 被控制在较 低水平( 1 0 0m v ) ，剩余污泥的产量则会明显减少。在o r p 水平从1 0 0m v 减小 到2 5 0m v 后，污泥减量效率会从2 3 提高到5 8 。就化学需氧量的去除效率和 污泥沉降性能来说，o s a 系统明显优于对照的传统活性污泥系统。 o s a 系统中，污泥减量现象可以用能量解偶联理论来解释。这个理论认为， 污泥在厌氧池中停留时，其中含有的a t p 将会被耗尽，所以在污泥返回到曝气 池后，底物消耗所产生的能量主要用于a t p 的合成而非微生物的自身合成。这 将导致能量在同化和异化过程中解偶联，从而减少污泥的产量。然而，在对大量 的o s a 系统中污泥减量的机理进行研究后，并没有发现来自能量解偶联、缓慢 生长优势细菌和溶解性微生物产物( s m p s ) 方- 面的影响1 4 2 。 ( 4 ) 投加生物 在活性污泥处理工艺中，后生动物以及原生动物的出现对保持清澈的出水起 到重要作用，因为它们会捕食分散生长的细菌。这种通过微生物捕食而获得的污 泥减量方法已经受到了广泛的重视【4 4 1 。通常来说，食物链每增加一环，维持能 量就消耗9 0 ，只有约1 0 的能量可以传递给下一级生物。因此，在污水处理 系统中，尽可能多地延长食物链，在污水细菌后增加细菌捕食者一环，就有可 能将最终的污泥排放量减少到原有的10 。 第一章绪论 在活性污泥工艺中，捕食体系主要由原生动物和后生动物组成，其中原生动 物是活性污泥中最常见的细菌捕食者。和后生动物相比，原生动物最大的优势就 是数量大，生长速度快。而后生动物，特别是寡毛虫，可以促进低生物生长量。 2 0 0 1 年，r s t s s k 等1 4 5 j 在荷兰某大规模的废水处理厂加人寡毛蠕虫，经过一年 半的中试实验研究，结果表明，与传统活性污泥法相比，其能量消耗( 氧气消耗) 降低，污泥减量可达2 5 5 0 。2 0 0 2 年，杨健等1 4 6 j 采用蚯蚓生态滤池来对污泥进 行生物代谢的强化。该技术的中试研究在上海曲阳城市废水厂进行，出水各项指 标可达到国家一级排放标准，所有生物污泥被滤池中的生态系统吸收并达到稳定， 基本实现了污泥的零排放。2 0 0 3 年，w e i 掣47 j 将寡毛蠕虫加人活性污泥系统中， 研究结果表明，