（环境工程专业论文）酸碱调节促进初沉污泥厌氧发酵产酸的研究.pdf

摘要 摘要 我国城市污水厂污泥量大，总量约占处理水量的o 3 0 , - - 0 5 左右( 以含水率 9 7 计) ，而且我国许多城市污水普遍存在碳源偏低的现象，针对以上两个特点 本课题研究了初沉污泥厌氧发酵产酸的影响因素以及利用初沉污泥厌氧发酵所 产酸作为补充碳源改善污水脱氮除磷系统的效果，从而为解决污泥和污水碳源 不足等问题提供新的思路。 论文首先对比分析了不同的搅拌方式对初沉污泥厌氧发酵的影响，结果表 明机械搅拌比磁力搅拌和摇床混合更加容易实现颗粒间的充分高效接触；同时 发现机械搅拌速度对s c o d 和v f a s 物质的生成有一定影响，本试验条件下以 6 0 7 0 r p m 作为较合适的搅拌速度。 其次研究了初沉污泥在恒温条件下不同的p h 条件下厌氧发酵的情况，结果 表明，将初沉污泥p h 值调到8 0 1 1 0 ，在1 7 d 的发酵时间内，溶出的s c o d 多 于p h 3 o 7 0 ，特别是p i l l 0 0 在发酵第5 d 产生的v f a s 就达到了最大值 3 4 1 l m g c o d l ，大于其它p h 条件的产酸量；在初沉污泥发酵所产的六种主要的 短链脂肪酸( 乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸) 中，对脱氮除 磷最利基质乙酸和丙酸产量最大，且乙酸量大于丙酸；其总和在6 0 8 0 左右， 其次就是异戊酸和异丁酸，而正戊酸和正丁酸产量最少；对于溶解性的碳水化 合物和蛋白质来说，碱性好于中性或酸性条件；而酸性条件下溶出的p 0 4 3 - _ p 和 氨氮浓度高于碱性。 最后研究了初沉污泥发酵所产酸作为补充污水碳源改善脱氮除磷系统的效 果，结果表明，与乙酸和丙酸作为补充碳源相比，虽然用初沉污泥发酵产酸作 为补充碳源不及直接补充乙酸和丙酸，但是从降低污水厂运行成本考虑，用发 酵液作为补充碳源比用乙酸和丙酸作为补充碳源的成本低，而且有助于解决污 水厂污泥处置问题，这一方法对于低碳相对高氮磷的污水更为适用。 关键词：初沉污泥，厌氧发酵，生物脱氮除磷，碳源 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ei sl o t so fs l u d g ef r o mo u r m 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 t h e y a c c o u n tf o r0 3 - 0 5 o f t h et r e a t m e n tw a s t e w a t e rq u a n t i t i e si nt h ec a s eo f s l u d g e c o n t a i n i n gw a t e rr a t i o no f9 7 a n da l s oi ti sc o m m o nt h a tl o wc a r b o ns o u r c eb u t h i g hn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r et h em a i nc h a r a c t e r so fw a s t e w a t e ri ns o u t hc h i n a a c c o r d i n gt h e s et w oc h a r a e t e r st h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h ee f f e c t i n gf a c t o r s ，s u c ha s e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sf o ra n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no f p r i m a r ys l u d g e ，t of i n do u tam e a s u r ef o rr e s o l v i n gt h es l u d g ep r o b l e ma n dl o w c a r b o ns o u r c eo ft h ew a s t e w a t e r f i r s t l y , t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tm i x i n gm e t h o d sa n ds t i rr a t e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tm e c h a n i c a lm i x i n gm e t h o dw a sm o r ea d v a n t a g e o u s t h a nm a g n e t i ca n ds h a k i n gm i x i n gm e t h o d sf o re f f e c t i v ec o n t a c to fs l u d g eg r a n u l e s a l s oi tw a sf o u n dt h a tt h eq u i c k e ro rs l o w e rs t i rr a t ef o rm e c h a n i c a lm i x i n gw a s a d v e r s et ot h ep r o d u c t i o no fs c o da n dv f a s t h e6 0 - - 7 0 r p mm e c h a n i c a ls i t rs p e e d w a ss e l e c t e di nt h et e s t s e c o n d l y , t h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nf r o mp r i m a r ys l u d g ew a sc o n d u c t e da t d i f f e r e n tp hv a l u e sr a n g i n gf r o m3 0t o11 0a tc o n s t a n tt e m p e r a t u r e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es c o dp r o d u c t i o na tp h8 0 - 11 0w a sh i g h e rt h a np h3 0 - 7 0 d u r i n gt h ew h o l ef e r m e n t a t i o nt i m eo f17d a y s e s p e c i a l l ya tp h10 0 t h ev f a s p r o d u c t i o nd u r i n g5 - d a yf e r m e n t a t i o nw a sc o m et oi t sl a r g e s tv a l u e ( 3 411m g c o d l ) a n dh i g h e rt h a nt h a ta to t h e rp u s a m o n gs i xk i n d so fi n d i v i d u a lv f a s ( a c e t a t e ， p r o p i o n a t e ，i s o b u t y r a t e ，n - b u t y r a t e ，i s o v a l e r i a t e a n dn - v a l e r i a t e ) ，a c e t a t ea n d p r o p i o n a t ew e r em a i np r e v a l e n tp r o d u c t sa n da c e t a t ep r o d u c t i o nw a sh i g h e rt h a n p r o p i o n a t e a n dt h ep e r c e n t a g eo ft h es u mo fa c e t a t ea n dp r o p i o n a t ep r o d u c t i o n a c c o u n t i n g f o rt h et o t a lv f a sw a s6 0 8 0 a t p i l l0 0 i s o v a l e r i a t ea n d i s o b u t y r a t ep r o d u c t i o nw e r es e c o n dm a i nc o m p o s i t i o no ft o t a lv f a s h o w e v e r n b u t y r a t ea n dn - v a l e r i a t ep r o d u c t i o nw a sl o w t h es o l u b l ep r o t e i na n dc a r b o h y d r a t e p r o d u c t i o nw e r eh i g h e ra ta l k a l i n ec o n d i t i o nt h a na c i d i ca n dc l o s e l yn e u t r a ls i t u a t i o n h o w e v e lt h er e l e a s e do r t h o p h o s p h a t ea n da m m o n i a - n i t r o g e nb ya c i da d j u s t e dw e r e a b s t r a c t 一一_ h i g h e rt h a nt h o s eb ya l k a l i n ea d j u s t e d f i n a l l y , t h ef e r m e n t a t i o nl i q u i dw a sa d d e di nt h eb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l s y s t e mt or e c r u i t i n gt h el o wc a r b o n s o u r c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ， c o m p a r e dw i t ha d d i n ga c e t a t ea n dp r o p i o n a t ef o rt h ec a r b o n s o u r c e n u t r i e n t r e m o v a l e df r o mt h eb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a ls y s t e mb ya d d i n gt h ef e r m e n t a t i o n j l q u l df o rt h ec a r b o ns o u c ew a sl o w e r b u tc o n s i d e r i n gt h eo p e r a t i o nc o s to ft h ep l a n t f e r m e n t a t i o nl i q u i da d d e di nt h eb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l s y s t e mf o rc a r b o ns o u r c e b e t t e rt h a na c e t a t ea n dp r o p i o n a t e a l s ot h i sm e a s u r ec a ns o l v et h es l u d g ep r o b l e m t h ism e t h o di ss u i t a b l ef o rw a s t e w a t e rw i t h h i g hn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa n d1 0 w c a r b o ns o u r c e k e yw o r d s ：p r i m a r ys l u d g e ，a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ，b i o l o g i c a l n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l ，c a r b o ns o u r c e l i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：民叭殄 叫年；月为日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 叫年月 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于国家水体污染控制与治理科技重大专项一“排放标准活性污 泥法处理流程升级改造关键技术研究与示范 和国家高技术研究发展计划项目 ( 8 6 3 项目) 一“城市污水深度同步生物除磷脱氮新技术的研究刀 ( 2 0 0 7 a a 0 6 2 3 2 6 ) 。 1 1 2 课题研究背景 研究不同p h 值对初沉污泥厌氧发酵影响及其产物( v f a s ) 作为污水生物 脱氮除磷补充碳源对于提高污水处理厂脱氮除磷效果具有更重要意义。 ( 1 ) 随着人们对环境的重视，污水处理厂数目越来越多，污水处理厂的污 泥产量越来越大，如何安全、经济、合理地处置和利用污泥是当今各国十分关 注的课题。目前我国城市污水处理厂每年排放干污泥大约3 0 1 0 4 吨，而且还以 每年大约1 0 的速度增长。这些污泥不仅包括致病的微生物，还包含被污泥吸 附的有机物，如果不及时处理将会给环境带来二次污染。同时，污泥的含水率 较高，这给处理带来了很大的困难，而污水处理厂的全部建设费用中，用于处 理污泥的约占2 0 5 0 ，甚至7 0 1 2 1 。因此，如何合理处理和处置污水处理过 程中产生的初沉污泥是急待解决的问题。 污泥最终处置的方法包括土地利用、卫生填埋和焚烧等【3 】。污泥经脱水再进 行填埋是常用的污泥处置方式，经过消化后的污泥有机物含量减少，性能稳定， 总体积减少，脱水后作填埋处置是一种比较经济的处理方式【4 1 。但需要大量的填 埋场地并需要消耗较高的污泥运输费用，而且容易产生地下水污染和臭气散逸 等二次污染问题。污泥焚烧技术是基于污泥中含有一定的热值，通过对污泥进 行有效的脱水干燥后使污泥完全焚烧或不完全焚烧，产生的热量可用于发电。 第l 章绪论 但是，焚烧设备和运行费用昂贵，且易造成大气污染p j 。在大多数发达国家和发 展中国家，土地利用也是初沉污泥处置的主要途径之一，因为污泥中含有丰富 的有机物和氮、磷、钾等营养元素以及钙、镁、铜、铁等微量元素，能够起到 改变土壤结构、增加土壤肥力、促进植物生长的作用。它具有能耗低、可回收 利用初沉污泥中营养物质等优点。但是，初沉污泥中含有大量的病原体、寄生 虫、重金属元素以及一些难降解的有毒有害物质，初沉污泥的土地利用会带来 土壤和水体的二次污染问题。鉴于上述这些方法存在的问题，有必要进一步拓 展污泥处理与利用的新方法【6 j 。 随着可持续发展战略政策以及节能降耗等政策的出台，学者纷纷认为城市 污水厂污泥的资源化利用是最现实可行的处置方法。初沉污泥既是污水处理厂 产生的废弃物质和环境污染物，又是很好的有机资源，其中有机物的含量在5 5 - 7 0 之间，生物易降解有机组分在4 0 以上【l 】。这些生物易降解有机物主要是蛋 白质、多糖等，它们是微生物丰富的营养源，可以在一定的条件下经微生物的 作用转化为有机酸。显然，如果将初沉污泥中的有机物部分转化为有机酸，不 仅减少了它对环境的污染，又可以生产出具有广泛用途的有机酸，这样就实现 了初沉污泥的减量化、稳定化、资源化及减少环境污染的目的。 ( 2 ) 由于许多城市污水的碳源比较低，造成处理水质氮磷不达标，如果能 将初沉池产生的有机酸作为污水处理中的碳源，提高污水处理的出水水质以及 减少污泥所带来的污染有十分重要的意义。 随着世界经济的发展同时引发了许许多多的环境污染问题，其中水体富营 养化是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。根据2 0 0 6 年国家环境保护总 局公布的数据( 国家环境保护总局2 0 0 6 年中国环境状况公报) ，全国七大水系地 表水监测断面中，i m i i 类水质占4 1 ，i v v 类占3 2 ，劣v 类水质为2 7 ，除 珠江、长江干流水质较好外，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污染 严重。湖泊水质监测结果更不乐观，在2 0 0 5 年监测的2 8 个国控重点湖( 库) 中， 满足i i 类水质的湖( 库) 只有2 个，仅占7 ；i i i 类水质的湖( 库) 6 个，占2 l ： 水质的湖( 库) 3 个，占1 1 ；v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质湖( 库) 竟达1 2 个，占4 3 ，其中太湖、滇池和巢湖水质均为劣v 类，主要污染指标为 总氮和总磷，它们是导致蓝藻爆发的根本原因。我国水污染造成经济损失惊人， 2 0 0 4 年仅全国因环境污染造成的经济损失为5 1 1 8 亿元，占当年g d p 的3 0 5 ， 其中，水污染的环境成本为2 8 6 2 8 亿元，占总成本的5 5 9 t 7 1 。 2 第1 章绪论 水体富营养化的危害很大，影响深远，它不仅在经济上造成损失，而且危 害人类健康。富营养化水体在很多方面，都被认为是劣质水体。它对水体功能 和水质的影响和危害表现在使味道变得腥臭难闻、降低水体的透明度、消耗水 体的溶解氧、向水体释放有毒物质、影响供水水质并增加制水成本等1 8 9 l 。 我国的环境保护已经处于非常危急的关键阶段，必须采取有力措施遏制环 境污染蔓延，以满足社会经济发展对环境的需求，而水体氮、磷富营养化问题 的研究和治理已经成为中国水污染治理的核心任务之一。 污水处理厂为了获得较高的生物脱氮除磷效果常常需要补充碳源，尤其是 对于南方低碳源污水，而投加碳源的方法有直接投加和问接投加，其中的直接 投加指的是直接加入化学合成的短链脂肪酸( s c f a ) 或其它易降解有机物，然 而这种方法既消耗人类有限的有机资源，又增加污水处理厂的成本。近年来有 文献报划1 0 川，通过加入污泥发酵产生的短链脂肪酸，不但能显著提高污水生物 处理效果，而且生物除磷率比加入相同c o d 乙酸的要好( 这可能是因为污泥发 酵产生的酸不只是乙酸，而且还产生了一些对聚糖菌不利但对聚磷菌有利的其 它短链脂肪酸，例如丙酸，因此，为了节约人类有限的有机资源并降低污水处 理厂的运行费用，以及资源化利用污泥中有机物并降低其对环境的污染，研究 污水厂污泥发酵生产短链脂肪酸具有重要的现实意义。 有机酸( 特别是短链脂肪酸，包括乙酸、丙酸等) 是在污泥厌氧消化过程 中产生的十分重要的中间产物，它们不但可用于农药、油漆、涂料等化工原料 的制备1 1 2 】，在污水生物脱氮除磷过程中也是微生物必需的重要有机碳源1 1 3 1 。研 究表明，在强化生物除磷系统中，每去除l m g 的磷就需要6 9 m g 的短链脂肪酸 【l4 1 。然而，在多数情况下，废水中的短链脂肪酸都不能够满足较低的出水磷浓 度【l5 1 ，尤其是南方城市污水中的有机物浓度更是不足，使得生物脱氮除磷系统 排放磷浓度增加，引发了水体的富营养化。为了使出水中的磷浓度达到污水排 放标准，就需要在生物处理系统，提高易于生物利用的有机碳源浓度。 针对水体富营养化问题，我国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 ) 1 1 6 1 对城市二级污水处理厂出水中氮、磷含量做了严格限定，其 中一级a 标准n h 4 + - n 5 ( 8 ) m g l 、t n 1 5 m g l 、t p o 5 m g l ，b 标准n h 4 + - n 8 ( 1 5 ) m g l 、t n 一 2 0 m g l 、t p l m g l 。该标准在污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 基础上首次增加了对t n 的控制要求。由此可见，无论是现有污 水处理厂还是新建污水厂都面临着污水深度脱氮除磷的水质达标问题。特别在 第l 章绪论 我国南方地区的许多城市污水厂，大都面临低碳高氮磷的矛盾，实现氮、磷指 标的达标排放相当困难，因此，研究低成本条件下提高现有污水厂的脱氮除磷 效果，尤其是将初沉污泥资源化产酸( a s ) ，具有重大的理论意义和现实意义。 1 2 课题研究的理论基础 随着水体环境污染问题的日渐突出以及水质指标体系的要求不断严格化发 展，污水的脱氮除磷问题成为水污染控制过程中最为广泛关注的热点课题之一。 而其中有很多污水碳源偏低，生物处理达不到预期的效果，所以寻找经济可靠 的碳源成为研究人员的又一热点课题。本研究利用调节p h 值来控制初沉污泥发 酵以及所产酸( a s ) 作为低碳源污水脱氮除磷的补充碳源，以探索污泥处理 利用与提高污水生物脱氮除磷效果相结合的一种新方法。 1 2 1 污泥厌氧发酵理论基础 1 2 1 1 污泥厌氧发酵的原理 污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程，凡是有水和有机物存在的地方，只 要供氧条件不好或有机物含量多，都会发生厌氧消化现象，使有机物经厌氧分 解而产生c h 4 、c 0 2 、h 2 s 等气体。1 9 7 9 年，b r y a n t 等【2 ，1 7 1 8 1 人根据微生物的生 理种群的不同，提出了厌氧消化三阶段理论，是当前较为公认的理论模式。第 一阶段，是在水解和发酵细菌作用下，碳水化合物、蛋白质与脂肪水解和发酵 转化成单糖、氨基酸、脂肪、甘油及二氧化碳、氢等；第二阶段，是产氢产乙 酸菌的作用下，把第一阶段的产物进一步分解为氢、二氧化碳和乙酸；第三阶 段，是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲 烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷【2 】。 厌氧消化数学模型中将有机物胞外溶解分为分解和水解，其中第一步在很 大程度上是非生物过程，它把混合颗粒底物转化成惰性物质、颗粒性碳水化合 物、蛋白质和脂类；第二步是颗粒性碳水化合物、蛋白质和脂类经酶水解，分 别生成单糖、氨基酸和长链脂肪到1 9 j 。分解步骤主要用来描述具有多种反应特 性的混合颗粒物质如初沉污泥或剩余污泥的降解，而水解则用于描述定义明确、 相对较纯的底物( 如纤维素、淀粉和蛋白质) 1 1 9 1 。研究表明，自然界的许多物质( 如 4 第1 章绪论 蛋白质、糖类、脂肪等) 能在好氧、缺氧或厌氧条件下进行水解，其中厌氧水 解最为常用。纯粹的生物水解过程通常较缓慢，被认为是含高分子有机物或悬 浮物废液厌氧降解的限速阶段。影响水解速度与水解程度的主要因素有温度、 p h 值、有机质颗粒的大小、有机质在反应器内的保留时间和有机质的组成等。 采用机械作用( 如高速剪切和超声波等) 、热水解作用( 如加热污泥到l5 0 2 0 0 和高压6 0 0 2 5 0 0 k p a ) 、化学和热化学水解作用( 如热碱处理) 等可以使污泥 得到充分裂解，减小污泥粒径，增加胞外水解酶接触到基质的机会，从而使污 泥的水解速率和效率得到提高 2 0 3 。 发酵是有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程。在此过 程中，水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的以 挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌到细胞外。因此，这一过程也称为酸化 阶段。酸化阶段的末端产物主要有挥发性脂肪酸( a ) 、醇类、乳酸、二氧化 碳、氢气、氨、硫化氢等，其组成取决于厌氧降解条件、底物种类和参与发酵 的微生物种群。同时，发酵细菌也利用部分物质合成新的细胞物质【2 1 1 。 发酵阶段的末端产物( v f a 、醇类、乳酸等) 在产乙酸阶段进一步转化为乙酸、 氢气、碳酸以及新的细胞物质。较高级的脂肪酸遵循氧化机理进行生物降解。 在其降解过程发酵阶段的末端产物在产乙酸阶段被产氢产乙酸菌转化为乙酸、 氢气和二氧化碳【2 1 。例如： 戊酸的转化：c h 3 c h 2 c h 2 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 c h 3 c h 2 c o o h + c h 3 c o o h + 2 h 2( 1 1 ) 丙酸的转化：c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 c h 3 c o o h + c 0 2 + 3 h 2( 1 2 ) 乙醇的转化：c h 3 c h 2 0 h + h 2 0 一c h 3 c o o h + 2 h 2( 1 3 ) 产甲烷阶段是产甲烷菌通过以下两个途径之一，将乙酸、氢气、碳酸、甲 酸和甲醇等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。其一是利用乙酸生成甲烷 其二是在二氧化碳存在时利用氢气生成甲烷【2 1 。 利用乙酸： c h 3 c o o h c 0 2 + c h 4( 1 4 ) 利用h 2 和c 0 2 ：4 h 2 + c 0 2 一c h 4 + 2h 2 0( 1 5 ) 上述三个阶段是瞬时连续发生的，它们之间既相互联系又相互影响。有机 物胞外溶解过程( 包括分解和水解) 为酸化阶段提供溶解性的可以被微生物细 胞直接吸收利用的发酵基质，酸化阶段的产物又是产甲烷菌的底物，在一定的 条件下可以将它们转化为甲烷气体。因此，只有每一阶段产生的中间产物可以 第1 章绪论 被微生物迅速利用时，厌氧发酵过程才能够顺利地进行下去。反之，当微生物 利用基质的速率低于基质产生的速率时就会发生中间产物的积累。 1 2 1 2 参与污泥厌氧发酵的微生物 参与污泥厌氧发酵的微生物有原生动物、真菌和细菌。原生动物有鞭毛虫、 纤毛虫和变形虫；真菌主要有毛霉、根霉、曲霉等。细菌是参与这个过程的主 要微生物，把包括分解或合成乙酸的细菌统称为发酵产酸细菌1 2 2 , 2 3 l 。这些细菌大 多数为专性厌氧菌，也有不少兼性厌氧菌。根据其生理代谢功能可主要分为以 下几类1 2 2 , 2 3 l ： ( 1 ) 碳水化合物分解菌：这类细菌的作用是水解碳水化合物成葡萄糖，以 具有内生抱子的杆状菌占优势。丙酮、丁醇梭状芽抱杆菌能分解碳水化合物产 生丙酮、丁醇、乙酸和氢等。这些梭状芽抱杆菌是厌氧的、产芽抱的细菌，因 此它们能在恶劣的环境条件下存活。 ( 2 ) 蛋白质分解菌：这类细菌的作用是水解蛋白质形成氨基酸，进一步分 解成有机酸、硫醇、氨和硫化氢。在一些消化池中，蛋白质分解菌主要是革兰 氏阳性菌，其中梭菌占优势。非蛋白质的含氮化合物，如嘿吟、嚓咤等物质也 能被其分解。 ( 3 ) 脂肪分解菌：这类细菌的功能是将脂肪分解成短链的脂肪酸，脂肪酸 进一步分解成甲烷和二氧化碳。 1 2 1 3 影响污泥厌氧发酵的因素 影响污泥厌氧发酵的因素很多，其中比较关键的因素有温度、p h 值、氧化 还原电位、固体停留时间( s r t ) 、c n 比、污泥粒径和污泥性质【2 4 l 。 ( 1 ) 温度 污泥厌氧发酵与所有的化学反应和生物化学反应一样，受到温度和温度波 动的影响【2 1 1 。温度是影响微生物生命活动过程的重要因素。各种微生物都能在 一定的温度范围内生长，根据微生物生长的温度范围，习惯上将微生物分为三 类【2 2 l ：嗜冷微生物( 生长温度5 - 2 0 。c ) ；嗜温微生物( 生长温度2 0 - - 4 2 c ) ；嗜 热微生物( 生长温度4 2 - 7 5 ) 。 水解酸化细菌对温度的适应性很强，在低温、中温、高温环境中，有的甚 至在更高温度( 1 0 0 c 以上) 的情况下都能生存【2 2 1 。温度对水解酸化细菌的影响 主要通过对酶活性的影响而影响微生物生长速率与基质的代谢速率，因而与有 6 第l 章绪论 机物的降解速率和污泥量的变化有关。此外，温度还影响有机物在生化反应中 的流向( 特别是当污泥经水解酸化反应生成气体( h 2 、c 0 2 和c h 4 ) 的时候) 、 污泥的成分与性状等。当污泥经过水解酸化从而产生有利于增强营养物质的去 除的物质时，国内外针对于温度影响因素的研究，主要集中在如何提高污泥的 生物可降解性物质的产量和有机物生化降解速率如何变化等两个方面【2 5 1 。 多数研究表明，热预处理可以提高厌氧水解酸化过程中有机物质的溶解量。 这些研究包括在较高温度范围( 5 5 1 0 0 ) 2 6 j 、高温度范围( 1 0 0 1 7 5 。c ) 2 7 , 2 8 , 2 9 以及超高温度范围( 1 7 5 2 2 5 ) 内的热预处理水解 3 0 3 。 f e r r e i r o 和s o t o l 3 h 在考察温度对初沉污泥水解发酵的影响时，得出初沉污泥 在1 0 、2 0 及3 5 下的一级水解速率常数分别为0 0 3 8 d 、0 0 9 5d 1 和0 1 6 9 d 。 m o s e r - e n g e l e r 掣3 2 l 采用6 0 的初沉污泥和4 0 的剩余污泥进行产酸研究， 并且将产生的有机酸用于营养物质的去除。研究中对复杂底物的l ( i l 进行了测定， 得到在2 0 和1 0 时，k h 值分别为0 1 5 2d d 和0 0 4 7d 1 ，2 0 ( 2 的l ( 1 i 值大约为l o 的2 3 倍，即温度升高有利于污泥厌氧发酵产酸过程。 s k a l s k y 和d a i g e e r t 3 3 】利用污泥进行进行发酵产酸的研究发现，当系统污泥龄 控制在2 天时，a s 在1 4 下的生成速率比它在2 l 下的生成速率降低了 4 2 。 b a r l i n d h a u g 和o d e g a a r d 口4 。采用7 0 的化学污泥( 含f e c l 3 ) 和3 0 的生物 污泥进行热预处理水解，加热温度达到1 6 0 2 0 0 ，获取的溶解性化学需氧量 ( s 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 ) 用于后置反硝化脱氮处理。研究表 明，当温度从1 6 0 提高到2 0 0 时，挥发性悬浮固体( v o l a t i l es u s p e n d e d s o l i d s ， v s s ) 的减少量从3 8 提高到5 0 ；s c o d 产量也随着温度的提高而线性增加， 从1 8 增加到3 2 ( s c o d t c o d ，t c o d - 5 5 ，0 0 0 m g l ，t c o d 为总化学需氧 量( t o t a lc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，t c o d ) ) ；当热水解产物用于后置反硝化过 程的碳源补充时，发现有6 7 的加入碳源用于反硝化，其反硝化的速率高于使 用甲醇或乙酸作为外加碳源的反应。 b a n e q e e 等旧纠研究了当温度从2 2 变化到3 5 c 时对初沉污泥和工业废水混 合物( 1 ：1 ) 水解酸化产物的影响。结果表明，h r t 为3 0 小时，温度从2 2 上 升到3 0 * ( 2 时，v f a s 和s c o d 的净产量( 单位r a g l ) 有所增加，其中v f a s 产 量提高了1 5 ，但是当温度升到3 5 ，其产量却有所下降，说明3 0 为这种混 7 第l 章绪论 合废物的最优水解酸化温度。 当污泥发酵产酸( 主要为初沉污泥) 在中温运行时，e a s t m a n 和f e r g u s o n 副 研究得出颗粒有机物质水解为溶解性物质是厌氧消化产酸阶段的限速步骤。 m a h m o u d 等n 7 3 采用完全连续搅拌反应器( c o m p l e t e l ys t i r r e dt a n kr e a c t o r s ， c s t 心) ，研究了初沉污泥中复杂有机化合物的水解酸化等过程，得到以下结果： ( 1 )温度为3 5 ，s r t 1 0 天；温度为2 5 ，s r t 1 5 天；温度为1 5 ， s i u 为6 0 天时，水解是整个生化过程的限速步骤； ( 2 ) 污泥的可生物降解性大约为6 0 ( v s s t s s ，t s s 为t o t a ls u s p e n d e d s o l i d ) ，受温度影响较小； ( 3 ) 脂肪和长链脂肪酸( l o n gc h a i nf a t t ya c i d s ，l c f a ) 只进行有限的 部分水解，脂肪的水解酸化影响甲烷化的程度。l c f a 的酸化是脂肪酸化的限速 步骤。碳水化合物的水解是整个酸化过程的限速步骤。初沉污泥中只有有限的 蛋白质物质进行水解； ( 4 )如果初沉污泥中主要复杂有机化合物的水解是限速步骤，可以用一 级动力学方程进行描述； 所有复杂化合物的水解速率常数l ( i i 值受温度影响很大，可以用a r r h e n i u s 公 式进行描述，本试验的阿氏活化能e 。约为5 0k j m o l 。 ( 2 ) p h 值 污泥厌氧发酵过程中微生物及酶的活性都受环境的p h 值影响，它们都有适 宜的环境要求，如果超出这个范围微生物和酶就会失去活性，所以就是要将p h 值控制在相应的范围使其达到预期的目标。 b a n e r j e e 等阻引在初沉污泥中加入土豆加工废水进行发酵产酸的研究中，发 现p h 值低于6 时，成功地避免了污泥的甲烷发酵过程，特别是在p h 值为4 5 左右时，得到了较高的 a s 产量，其值大约为1 1 8 1 m g l 。 e l e f l s i n i o t i s 和o l d h a m l 3 9 i 的研究结果表明，p h 值在4 3 7 0 范围时，对初沉 污泥发酵产酸影响不大，而p h 值大于7 0 时则抑制v f a s 的产生；最佳的值为 5 5 6 5 ，p h 值向酸性方向或碱性方向移动时，水解速率都将减小。 g o m e c 等1 将温度控制为3 5 ，研究和对比了p h 值对初沉污泥和活性污 泥厌氧水解发酵的影响。两个连续搅拌的厌氧反应器中放入初沉污泥，其中一 个反应器中的p h 值控制为6 5 ，称为p h 值控制反应器，另一个不调节p h 值的 称为p h 值对照反应器；剩余污泥的处理同上。研究结果显示：p h 值对照反应 8 第1 章绪论 器中的初沉污泥的t s s 和v s s 去除了2 5 和3 2 ，p h 值控制反应器中的则为 2 6 和4 3 ；p h 值对照反应器中的活性污泥的t s s 和v s s 去除了4 4 和5 5 ， p n 值控制反应器中的则为5 7 和7 2 。但是与t s s 和v s s 的去除率不同的是： 初沉污泥在p h 值控制反应器中水解发酵生s c o d 和v f a s ( 主要是乙酸和丙酸) 在5 天之后减少了，而甲烷增多了，说明甲烷发酵占了主导作用；然而，在p h 值对照反应器中，5 天之后水解产酸仍在继续。活性污泥在p h 值控制反应器中 得到了最大产酸速率，而p h 值对照反应器中的p h 值在运行最后小于4 ，这样 低的p h 值抑制和影响了活性污泥中的绝大多数水解产酸菌的活性。从而得到控 制p h 值为弱酸性，如6 5 左右可以使活性污泥得到最大程度的水解发酵产酸。 y u a nh y 2 4 】等研究表明，碱性p h ( 9 o 1 1 0 ) 值条件下，发酵液中溶解性 c o d 浓度大幅度升高，这说明碱性p h 值条件可以有效地促进剩余污泥的水解； 同时在厌氧发酵的前8 天内，p h = 9 0 和1 0 0 的剩余污泥中的v f a s 浓度明显高 于剩余污泥在酸性p h ( 4 0 6 0 ) 或中性p h ( 7 肛8 0 ) 条件下产生的v f a s 的浓 度。 ( 3 ) 氧化还原电位( o l 冲) 污泥发酵体系中所有能形成氧化还原电对的化学物质的存在状态决定着体 系中的o r 值，厌氧状态的主要标志是污泥发酵液具有低的o r p 值，其值为负 值【2 4 】。 不同的厌氧发酵系统要求的o r p 值不同，而同一系统中，不同细菌要求的 o r p 值也不尽相同。研究资料表明，水解产酸细菌对o r p 的要求不甚严格，甚 至可以在+ l o 肛1 0 0 m v 的兼性条件下生长繁殖，而甲烷细菌最适宜的o r p 值为 3 5 0 m v 或更低【4 1 | 。可见，如果污泥厌氧发酵的试验目的是为了获取更多的可生 化降解的物质，则并不要求o r p 值低于3 5 0 m v 以下，所以也并不需要使装置 保持严格的封闭状态，杜绝空气的渗入，而且操作中带入少量的溶解氧 ( d i s s o l v e do x y g e n ，d o ) 影响也不大。 c h i u 掣4 2 i 在采用碱液和超声对剩余污泥进行预处理的系统中，测得o r p 值 在5 0 一5 0 0 m v 之间变化，而且随着s c o d 浓度的增加而有所降低，当s c o d 的 浓度变化逐渐稳定时，o r p 值在逐渐升高后也趋于稳定。因此，他们认为o r p 值的变化可以用来判断s c o d 的变化趋势，其他研究者也得到了同样的结论 4 3 , 4 4 , 4 5 l 。c h a n g 掣4 5 1 在采用n a o h 对剩余污泥进行预处理的发酵系统中，发现 o r p 值不仅与s c o d 值有很好的线性关系，而且与系统中的p h 值也呈直线变 第l 章绪论 化，p h 值低，o r p 值高；p h 值高，o r p 值低。 ( 4 ) 固体停留时间( s i 玎) 污泥龄是指污泥在反应器中的停留时间，消化效果的好坏与污泥龄有直接 的关系。有机物降解程度也是污泥龄的函数。由于甲烷菌的增殖较慢，对环境 条件的变化十分敏感，要获得足够多的甲烷菌以及稳定的消化效果就需要保持 较长的污泥龄。因此，可以通过控制系统的污泥龄而使得厌氧消化过程处在水 解发酵阶段或产甲烷阶段【2 1 。 e l e f s i n i o t i s 和o l d h a m 删的研究表明，初沉污泥在s r t = 1 0 2 0 天时的有机酸 产量比其在s r t = 5 天时产量有明显的提高，而且产酸速率几乎提高了一倍。除 此之外，有机酸的组成及其含量也受到s r t 的影响，当s r t 由5 天增加到2 0 天时，乙酸和丙酸的含量随着s r t 的增加而逐渐减少；丁酸的含量则逐渐增加， 目在s r t = 1 0 天时达到最大；但是无论s r t 如何变化，初沉污泥厌氧发酵产生 的有机酸的主要组份仍为乙酸和丙酸，二者占总有机酸v f a s 产量的8 0 左右。 e l e f s i n i o t i s i 4 7 1 的研究同样发现v f a s 的组分分布受到s r t 的影响，特别是当s r t 为1 0 天时，异丁酸，正戊酸，3 甲基丁酸和2 甲基丁酸的百分含量显著增加， 几乎是s i 玎= 5 和2 0 天的二倍。 m a h m o u d 等【3 7 】考察了受不同s r t 控制的完全混合反应器中，初沉污泥水解 和酸化的程度。研究表明，当温度为2 5 ，s r t 分别控制为1 0 、1 5 、2 0 、3 0 天 时，水解的有机物占进水中总有机物的比例分别为2 3 8 5 、4 0 7 0 、4 1 4 0 和 4 2 1 0 ：酸化的有机物所占的比例为2 2 4 2 、3 9 0 3 、4 0 9 7 和4 1 6 2 。由此可 以看出，较长的s r t 有利于污泥的水解酸化，然而，进一步增加s r t 并不能使 得污泥水解酸化的程度大幅度的提高，相反过长的s r t 则有利于产甲烷过程的 实现。 s k a l s k y 掣4 8 l 采用某污水厂初沉污泥进行发酵产酸用于提高增强生物除磷的 效率，分析研究了s r t 对污泥产酸的影响。实验中采用了五个4 l 的反应器，s r t 分别为2 ，3 ，4 ，5 和6 ，初沉污泥的总固体量( t s ) 平均为2 6 ，t s 的8 0 为污泥总挥发性固体量( v s ) 。结果表明，在s r t 较高的时候得到较高的污泥 产酸量；s r t 为5 天时，得到最大的产酸量为o 2 6 m g v f a m g v s ；s r t 为2 天 时，得到最小的产酸量为0 2 m g v f a m g v