（环境工程专业论文）剩余污泥嗜热酶溶解预处理的效果研究及其资源化.pdf

剩余污泥嗜热酶溶解预处理的效果研究及其资源化 摘要 随着城市废水处理量的增加，下水道接管率的提高和活性污泥( a s ) 系统的扩 建，产生大量的剩余污泥，新生剩余污泥的减量化及资源化的研究成为国际新趋 势。与目前国内外主要使用的超声波、臭氧氧化、氯氧化、热水解、热碱处理等 污泥减量技术相比，基于微生物隐性生长的生物嗜热酶溶解( s - t e ) 技术更经济 高效、安全、易于运行和控制，而且投资、运行成本和效果都比较理想，结合后续 工艺不仅可以实现污泥的“零排放”，还可实现氮磷回收和产气资源化【3 l ，应用前景 良好。 本研究从土壤中筛选分离出l 株嗜热菌a t 0 7 1 ，并对其形态特征和生理生化 性质进行了初步鉴定。试验结果表明，a t 0 7 1 菌株能分泌胞外蛋白酶和淀粉酶， 生长适宜温度在4 5 7 0 之间，生长适宜p h 为5 5 8 5 ，最适生长温度为6 5 ，经鉴 定为b a c i l l u st h e r m o p h i l i cb a c t e r i aa t 0 7 1 ( f j 2 3 1 1 0 8 ) ，具有较好的污泥溶解效果， 适合作为s t e 污泥溶解的接种菌。 将嗜热菌a t 0 7 1 培养液接种到不同浓度( t s s 约为7 5 、1 4 5 、2 0 5g l 。1 ) 的剩 余污泥中，于6 5 进行嗜热菌溶解试验，并与未接种试验进行对比，并对v s s 的 溶解进行了动力学分析。研究结果表明，s t e 污泥溶解存在2 种反应( 酶催化反 应和热水解反应) 和2 个过程。嗜热菌胞外酶( 主要是蛋白酶和淀粉酶) 首先解 聚污泥胶团，然后溶解细菌细胞壁，水解胞内有机物质接种嗜热菌a t 0 7 1 促 进了污泥中悬浮固体的溶解。6 0 h 时接种试验v s s 的溶解率分别为6 1 4 1 、 5 3 7 9 、4 1 8 6 ，比不接种试验同期分别提高了2 7 5 7 、2 5 2 4 、1 6 2 6 f s s 溶解率在接种和未接种条件下相差微小，t s s 溶解减量取决于v s s 和f s s 的组成 比例。试验条件下v s s 溶解过程在初始阶段( t = 3 d ) 符合一级反应动力学模型， 接种后溶解速率常数局显著提高，从0 1 2d 、0 0 8d 、0 0 9d 。1 分别增加到0 2 7 d 一、0 2 4d 一、0 1 3d 。 本研究探讨了在6 5 、微曝气条件下s - t e 预处理对剩余污泥溶解和污泥中 各种营养成分变化的影响。将b a c i l l u st h e r m o p h i l i cb a c t e r i aa t 0 7 1 培养液接种到 两种不同浓度( t s s 分别为1 4 、2 1g l 。1 ) 的剩余污泥中，并与未接种试验进行对比 结果表明，接种嗜热菌a t 0 7 1 比不接种促进了污泥中悬浮固体的溶解；微曝气 接种条件下溶解性c o d ( s c o d ) 和挥发性脂肪酸( v f a ) 得到最大累积，最大累积量 s c o d 分别为8 2 2 2m g l 、1 1 2 6 5 m g l ；v f a 分别为4 2 8 5m g l 、5 5 7 8 m g l ，这有 利于厌氧消化产气；污泥溶解产生的蛋白质被蛋白酶快速水解，蛋白质浓度先升 高后降低；总糖浓度总体呈现先升高后降低；p h 先升高后略微降低。 i i 硕士学位论文 本研究还探讨了应用s - t e 技术预处理剩余污泥，接种产氢菌( e n t e r o c o c c u s s p l g l ) 和未接种产氢菌两种状况下，污泥厌氧发酵产氢效果，并与相应温度( 6 5 ) 热预处理污泥的发酵产氢效果进行对比。结果表明，经s t e 预处理的污泥在未 接种外在产氢茵时，产氢效果良好，最大产氢率( h 2 v s ) 高达1 6 3m l h 2 g ，高出 6 5 热预处理污泥接种产氢菌( e n t e r o c o c c u ss p l g l ) 1 5 6 ，高出6 5 热预处理污 泥未接种产氢菌2 6 4 ，发酵气体中只含有h 2 和c 0 2 ，不含c h 4 ，氢延迟时间短 ( 3 4 h ) ，产氢率达最大值后能较稳定地维持1 0 h 以上；s t e 预处理污泥接种产氢 菌后，产氢效果不佳，最大产氢率仅为1 0 7m l g 。 关键词：剩余污泥；嗜热酶溶解( s t e ) ；嗜热菌；胞外酶；厌氧发酵；生物制氢 1 1 1 剩余污泥嗜热酶溶解预处理的效果研究及】资源化 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fa m o u n to fm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n ds e w e r l a i dr a t e sa n d e x p a n s i o no fa c t i v es l u d g e ( a s ) s y s t e m ，i tb r i n g sa b o u tl a r g ea m o u n to fs l u d g ea n d g e n e r a t e s an e wi n t e r n a t i o n a l t e n d e n c y o f s l u d g e m i n i m i z a t i o na n dr e s o u r c e u t i l i z a t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e rs l u d g es o l u b i l i z a t i o nt e c h n o l o g ys u c ha s o z o n e o x i d a t i o n ，c h l o r i n eo x i d a t i o n ，t h e r m a lh y d r o l y s i s ，a c i d ，a l k a l i ，m e c h a n i c a l ，u l t r a s o n i c a n de n z y m a t i cd i r e c t l yp r e t r e a t m e n t ，s o l u b i l i z a t i o nb yt h e r m o p h i l i ce n z y m e ( s t e ) b a s e do nm i c r o b i a lc r y p t i cg r o w t hi sm o r ec o s t - e f f e c t i v ea n ds a f e ra sw e l la sl o w e r e n e r g yc o s ta n de a s i e ro p e r a t i o n c o m b i n e dw i t ht h ef o l l o w i n gp r o c e s s ，s - t en o to n l y c a nr e a l i z e s l u d g e ”z e r od i s c h a r g e ”，b u ts i m u l t a n e o u s l yr e a l i z eh i g h e f f e c t i v e w a s t e w a t e rb i o d e g r a d a t i o no re n h a n c e m e n to f b i o g a sp r o d u c t i o n at h e r m o p h i l i cb a c t e r i aw a ss c r e e n e da n di s o l a t e d ，a n dt h em o r p h o l o g i c ， h y s i o l o g i ca n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r ei d e n t i f i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t a t 0 7 1 ，w h i c hw a sc a t e g o r i z e da sb a c i l l u st h e r m o p h i l i cb a c t e r i aa t 0 7 - 1 ，a n dc o u l d s e c r e t ee x t r a c e l l u l a re n z y m es u c ha s p r o t e a s ea n da m y l a s e t h ec o n d i g ng r o w i n g t e m p e r a t u r e so fa t 0 7 - 1w a sb e t w e e n4 5 。ca n d7 0 。c ，a n di tc o u l db eu s e da st h e i n o c u l a t i o ni ns - t ep r o c e s s s l u d g es o l u b i l i z a t i o nw i t ha n dw i t h o u ti n o c u l a t i o no ft h e r m o p h i l i cb a c t e r i u m a t 0 7 - 1a n dk i n e t i ca n a l y s i so fv s sd e g r a d a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e da t6 5 u n d e r d i f f e r e n tt o t a ls u s p e n d e ds o l i d ( t s s ) c o n c e n t r a t i o n s ( 7 5 9 l 。1 ， 1 4 5 9 - l 一，2 0 5 9 l 。1 ) t h er e s u l ts h o w e dt h a tt w or e a c t i o nm e c h a n i s m so fe n z y m e c a t a l y z e da n d t h e r m a l - h y d r o l y z e d w e r ei n v o l v e di nt h es t e p r o c e s s ，w h i c hb e g a n w i t h d e p o l y m e r i z a t i o no fs l u d g ef l o c sb ye x t r a c e l l u l a re n z y m e ( i n c l u d i n gp r o t e a s e sa n d a m y l a s e s ) ，f o l l o w e db y c e l l - w a l l sa n d o r g a n i c m a t t e r s d i s i n t e g r a t i o n a n d h y d r o l y z a t i o n t h es o l u b i l i z a t i o np r o c e s sw i t ha t 0 7 - 1a d d i t i o nw a se n h a n c e d t h e v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d ( v s s ) s o l u b i l i z a t i o nr a t er e a c h e d6 1 4 1 ，5 3 7 9 ，4 1 8 6 a t 6 0h o u r sa f t e rt h ei n o c u l a t i o na td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s ，2 7 5 7 ，2 5 2 4 ，16 2 6 h i g h e rt h a nt h ec o n t r o l ( t h ep r o c e s sw i t h o u tt h ei n o c u l a t i o n ) r e s p e c t i v e l y t h ef i x e d s u s p e n d e ds o l i d ( f s s ) s o l u b i l i z a t i o nr a t ew i t hi n o c u l a t i o nw a sv e r yc l o s et ot h a t w i t h o u ti n o c u l a t i o n ，a n dt ssm i n i m i z a t i o nw a sl a r g e l yd e t e r m i n e db yt h ec o m p o n e n t r a t i oo fv s sa n df s s t h ev s sd i s s o l v i n gp r o c e s s ( a tt h ef i r s t3d a y s ) a c c o r d e dw i t h f i r s t - o r d e rr e a c t i o n d y n a m i c m o d e l ， a n dt h e d i s s o l v i n g r a t ec o n s t a n t k a ( t = 3 d ) i n c r e a s e dg r e a t l yf r o m0 12d 。1 ，0 0 8d 。1 ，0 0 9d 。1t o0 2 7d 1 ，0 2 4d 1 ，0 13d 。1 i v 硕i 二学位论文 w i t ha t 0 7 1i n o c u l a t i o nr e s p e c t i v e l y 。 t h ee f f e c to fs - t ep r e t r e a t m e n to ne x c e s ss l u d g es o l u b i l i z a t i o na n dc h a n g e so f n u t r i e n t si nw a s t es l u d g eu n d e r6 5 a n dm i c r o a e r a t i o nw a si n v e s t i g a t e d s l u d g e s o l u b i l i z a t i o nw i t ha n dw i t h o u ti n o c u l a t i o no ft h e r m o p h i l i cb a c t e r i u ma t 0 7 1w a s i n v e s t i g a t e du n d e rd i f f e r e n tt s sc o n c e n t r a t i o n s ( 14 ，21g l r e s p e c t i v e l y ) t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h es o l u b i l i z a t i o np r o c e s sw i t ht h e r m o p h i l i cb a c t e r i u ma t 0 7 1a d d i t i o n w a se n h a n c e dc o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o l ( t h ep r o c e s sw i t h o u tt h ei n o c u l a t i o n ) t h e r e s u l ta l s or e v e a l e dt h a tu n d e rm i c r o a e r a t i o na n di n o c u l a t i o no p e r a t i o n ，t h em a x i m a l a c c u m u l a t i o no fs 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 ) w e r e8 2 2 2m g la n d 112 6 5 m g lr e s p e c t i v e l y ；t h em a x i m a la c c u m u l a t i o no fv o l a t i l ef a t t ya c i d ( v f a ) w e r e 4 2 8 5m g l 、5 5 7 8 m g lr e s p e c t i v e l y ，w h i c hw o u l db eb e n e f i c i a lt ot h ef o l l o w e d a n a e r o b i cd i g e s t i o na n db i o g a sg e n e r a t i o n b a t c ht e s t sw e r ec a r r i e do u tt oa n a l y z et h ee f f e c t so fa n a e r o b i cf e r m e n t a t i v e h y d r o g e np r o d u c t i o nu s i n ge x c e s ss l u d g ep r e t r e a t e db ys - t ew i t ha n dw i t h o u t i n o c u l a t i o no fh y d r o g e n - p r o d u c i n gb a c t e r i a ，e n t e r o c o c c u ss p l g1 t h ep e r f o r m a n c e o fb i o h y d r o g e np r o d u c t i o no ft h es - t ep r e t r e a t e d s l u d g ea n dt h e6 5 t h e r m a l l y p r e t r e a t e ds l u d g ew a sa l s oc o m p a r e di nb a t c hf e r m e n t a t i o nt e s t s t h er e s u l t ss h o w e d t h a ts l u d g ep r e t r e a t e db ys - t ew i t h o u ti n o c u l a t i o nc o u l dm a k eg o o db i o - h y d r o g e n p r o d u c t i o n t h em a x i m a lh y d r o g e ny i e l d ( h 2 v s ) w a s16 3 m lh 2 g ，2 6 4 h i g h e rt h a n s l u d g ep r e t r e a t e db y6 5 h e a tw i t hi n o c u l a t i o na n d15 6 t h a n6 5 h e a tw i t h o u t i n o c u l a t i o n h y d r o g e na n dc a r b o nd i o x i d ew e r eo n l yp r o d u c e da n dm e t h a n ew a sn o t o b s e r v e dd u r i n gt h ep r o c e s s t h el a yt i m ef o rh y d r o g e np r o d u c t i o nw a so n l y3 - 4 h o u r s ，a n da f t e rr e a c h i n gi t sm a x i m u n ，t h eb i o h y d r o g e nw a sa b l et om a i n t a i ns t a b l e f o ra b o v e10h o u r sw i t hl i t t l e c o n s u m i n g t h eb i o h y d r o g e ny i e l do ft h es - t e p r e t r e a t e ds l u d g ei n o c u l a t e de n t e r o c o c c u ss p l g1w a sv e r yl o w , o n l y10 7m l g k e yw o r d s ：e x c e s ss l u d g e ；s o l u b i l i z a t i o nb yt h e r m o p h i l i ce n z y m e ( s - t e ) ； t h e r m o p h i l i cb a c t e r i a ； e x t r a c e l l u l a r e n z y m 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 - h y d r o g e np r o d u c t i o n v 硕士学位论文 插图索引 图1 1 剩余污泥减量化技术分类一9 图1 2 污泥有机质的分解1 9 图1 3s t e 减量系统流程图2 0 图2 1 嗜热菌a t 0 7 1 扫描电镜图片3 1 图3 1s t e 污泥溶解反应器3 4 图3 2s - t e 污泥溶解反应器单元示意图3 5 图3 3 各种条件下v s s 浓度变化3 9 图3 4 各种条件下v s s 溶解率变化3 9 图3 5 各种条件下t s s 浓度变化一4 2 图3 6 各种条件下t s s 溶解率变化4 3 图3 7 各种条件下v s s t s s 变化4 3 图3 8 各种条件下f s s 浓度变化4 4 图3 9 各种条件下f s s 溶解率变化一4 4 图3 10l n ( c v s s c v s s ，o ) f 回归曲线4 6 图4 1 两种条件下v s s 溶解率变化一5 0 图4 2 两种条件下t s s 溶解率变化5 0 图4 3 两种条件下s c o d 变化5 2 图4 4 两种条件下v f a 变化5 2 图4 5 两种条件下蛋白质变化5 5 图4 6 两种条件下氨氮变化5 6 图4 7 两种条件下总糖变化5 7 图4 8 两种条件下p h 变化一5 9 图5 1s t e 和6 5 热预处理污泥发酵产氢率变化6 5 剩余污泥嗜热酶溶解预处理的效果研究及j 乓资源化 附表索引 表1 1 细胞在生命循环各阶段对基质的利用情况1 7 表1 2 污泥中有机物质的组成l8 表2 1 嗜热菌筛选主要试验仪器2 7 表2 2 分离的嗜热菌a t 0 7 1 的特性3 3 表3 1 调质后各种条件下的初始污泥浓度( 平均值) g l 3 6 表3 2v s s 浓度和接种情况对溶解速率常数凰的影响4 6 表4 1 调质后各种条件下的初始污泥浓度( 平均值) g l 4 9 表5 1 原污泥性质6 2 表5 2 污泥预处理后各项指标6 4 表5 3 发酵气体中各成分含量6 5 表5 4 反应末端挥发性酸( v f a ) 及乙醇含量6 7 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年 月 日 年月日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 随着污水处理设施的普及、处理量的增加、处理标准的提高和处理功能的拓 展，污泥的产生量和处理费用会大幅度地增加。目前我国城市污水年排放量已经 达到4 1 4 亿m 3 ，二级处理率达到1 5 ，污泥产生量大约为1 5 0 0 万t a 左右( 按含 水率9 7 计算) ，而根据我国污水处理的建设规划，到2 0 1 0 年污泥年产量将增加 到现在的5 倍【l 】，目前污泥处理方面的投资可占整个污水处理厂投资的2 5 6 5 ， 费用的急剧增加将提高了污泥合理处理的难度【2 】。污泥处理的通常做法是经过浓 缩、稳定和脱水等预处理后再用土地利用、卫生填埋和焚烧等常规方法处置。不 经处理直接任意堆放或简单填埋，不仅易对周边环境造成严重的二次污染，还会 浪费污泥中的有用能源。但传统的好氧消化法消化时间长，且动力消耗大，剩余污 泥的可降解性差又成为制约厌氧消化的瓶颈问题。但环境标准的日益严格使常规 处置方法变得非常困难，而且没能充分利用污泥的潜在价值，发挥其经济效益。 污泥是一种可利用的资源，含有丰富的重金属和有机质，近年来国内外在污泥的 资源化处理技术方面做了大量研究。通过物理、化学和生物的方法改变污泥的物 化和生化特性，以达到减量化和资源化的目的。 1 1 2 课题研究的目的和意义 无论从环境保护来说，还是从开发新能源来说，对污泥进行溶解减量或者改 善厌氧消化性能，都是一个具有广阔发展前景和重要意义的研究方向。目前，在 资源化发展方向上，大都在研究如何通过各种预处理方法包括物理化学和生物方 法来强化和改善污泥的厌氧消化性能，提高产气量( 主要为产甲烷) ，一些研究者 已开始利用剩余污泥进行厌氧发酵产氢的研究。 虽然关于剩余污泥预处理方法众多，但是基于低能耗、低污染、低成本、更 安全的生物技术越来越受到重视。s - t e 好氧减量工艺虽然在国外进行了一定时间 的工业化试用，但是在资源化开发方面仍还有很多基本上处于探索阶段，而且国 内目前相关的基础研究甚少。因此，本文着重于考察了嗜热菌对污泥固体溶解规 律、溶解过程中有机物质的转化以及用嗜热菌预处理过得污泥进行产氢等问题， 以期对该技术的实际运用和资源化发展提供借鉴和参考。 剩余污泥嗜热酶溶解预处理的效果研究及j 资源化 1 2 我国污泥概况 1 2 1 我国污泥产量发展状况 随着我国国民经济的发展和城市的现代化建设、城市环境和生态平衡的要求， 城市污水处理厂的兴建与运行管理已经成为现代化城市建设不可分割的重要部 分。与过去仅仅作为污水处理的一个单元不同，污泥处置现己发展成为在污水处 理厂设计、运行中不得不优先考虑的重要环节。据统计，目前我国污水年排放量 已经达到5 2 5 亿吨【1 1 ，二级处理率达到1 5 ，污泥产生量大约为1 9 0 0 万t a 左右 ( 按含水率9 7 计算) ，如进行深度处理，污泥量还可能会增加o 5 1 0 倍。而 根据我国污水处理的建设规划，到2 0 1 0 年污泥年产量将增加到现在的5 倍【2 1 。今 后几年我国的污水处理厂污泥产量将会有大幅度的上升，主要有以下几方面的原 因： 1 污水量的增加 随着我国城市化进程的加快、人口的急剧增加，污水排放 量日益增加，相应的污水处理厂亦随之增加。据统计，截至2 0 0 5 年，全国污水处 理厂的数量已由1 9 9 5 年的1 4 1 座增至7 9 2 座。随着污水处理能力的迅速增加，污 泥产量将会成倍地增长。 2 污水处理率提高2 0 0 5 年我国城市污水集中处理率为3 9 3 6 ，根据国家 环境保护十一五规划，到2 0 1 0 年所有城市都要建立污水处理设施，城市污水处理 率不低于7 0 。 3 处理标准提高，处理功能拓展随着我国排放标准日趋严格及污水处理功 能的拓展，污泥产量随之增加。尤其是现在日益引起重视的无机营养物质n 、p 的去除，德国脱氮除磷污水处理厂的运行经验表明，若污泥中磷的含量为5 。 污泥量比传统活性污泥法要增加1 3 。一般为保证出水磷含量达标，通常辅以化 学除磷，这样污泥量至少增加3 0 以上【3 j 。 污水污泥成分复杂，它是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。污泥中除含有大量的水分外，还含有难降解的有机物、重金 属和盐类，以及病原微生物和寄生虫卵等。如处理不当就进入环境，会对周围环 境造成严重的二次污染。因此，如何将产量大、成分复杂的污泥，经过科学处理 后，使其减量化，已成为我国乃至全世界环境界广泛关注的课题之一。 硕- 二学位论文 1 2 2 我国污泥处理及处置 1 2 2 1 我国污泥处理处置现状 在我国，污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 ，有时甚至高 达6 0 l 引，投资占污水处理厂总投资的3 0 4 0 。目前我国污泥处理处置技术还 处于起步阶段，成熟技术不多，于是造成了长期以来，我国存在着重废水处理， 轻污泥处理的倾向。在我国已建成的污水处理厂中，9 0 以上没有污泥处理的配 套设施；污水处理厂中污泥未经任何处理直接农用的约占6 0 以上，及时在设有 消化池的污水处理厂，消化后的污泥也只是稍加脱水就直接农用或填埋，并未作 任何无害化处理。许多城市仍采取沟底露天堆放的方法处理污泥，带来严重的环 境污染，使得城市的污水虽然得到了治理，但富集了污染物的污泥却无人治理， 污水处理工作由此变得毫无意义。也有一些地方，由于污泥处理装置投资运行费 用高，污水处理厂在建设中将污泥处理部分放在二期工程实施，但由于资金、人 员及技术等多方面的原因，一期工程完成并运行许多年后，二期工程还得不到落 实。在这些情况下，污泥不得不直接排放，造成了二次污染。尽管国家在投资有 限的情况下花费了大量人力、物力和财力处理了污水，但由于污泥得不到充分有 效的控制，造成了新的环境污染。所以，对污泥的处理工作必须受到充分的重视。 1 2 2 2 污泥处理技术 污泥处理是污泥各种处置技术实施的前提，合理的处理技术可以确保污泥最 终处置的经济有效，因此在处置之前必须进行处理，常规污泥处理方法包括：浓缩、 消化、脱水、前处理、干燥和焚烧等。 ( 1 ) 污泥浓缩 污泥浓缩是使污泥的含水率、污泥的体积得到一定程度的降低从而降低污泥 的后续处理设施的基本费用和运行费用。从二沉池出来的污泥含水率为 9 7 一9 9 ，必须经过浓缩处理，以去除污泥中的空隙水，达到减容的目的，经过 浓缩以后，可使污泥含水率降低到9 4 一9 5 ，污泥的体积可以缩小到原来的1 4 左右，经浓缩后的污泥仍是能够流动的。污泥的浓缩主要是去除污泥中的游离水。 浓缩包括重力式、气浮式、离心式。重力浓缩是国内外广泛采用的一种操作简单 而经济的污泥浓缩方法，由于我国经济状态和资金短缺，而且污泥中有机物含量 低，所以国内大部分污水厂都采用重力浓缩法。 ( 2 ) 污泥脱水 污泥经过浓缩处理后，其含水率为9 5 左右，仍为流动液体，易腐败发臭， 不利于运输和处理，所以需要进一步脱水至含水率为7 0 8 0 左右，污泥脱水后， 其容积大大减少，减少了外运的费用和填埋厂的沥滤液量，污泥的可利用物质的 剩余污泥嗜热酶溶解预处理的效果研究及j e 资源化 含量增加( 如农用的肥分、焚烧的热值等) ，且利于污泥的后续处置和利用。污泥 的脱水技术分为自然干燥和机械脱水。 污泥的自然干燥是一种比较古老、简便经济、应用广泛的污泥脱水方法，有污泥 干化床和污泥塘两种类型。它们都是利用蒸发和脱水而将污泥干化的，适用十气 候比较干燥，占地不紧张以及环境卫生条件允许的地区。机械脱水一般有转筒离 心机、板框压滤机、带式压滤机和真空过滤机。真空过滤机是早期使用的连续机 械脱水技术，由于其附属设备较多，厂房建筑高大，设备和基建投资高，工序复 杂，运行费用高，已逐步被淘汰。仅用浓缩和机械脱水并不能减少污染，也不能 满足卫生需要，因此不能满足污泥处置的要求，进行污泥深度处理是污泥处理发 展的必然选择。 ( 3 ) 污泥调制 城市污水处理厂污泥中的固体物质主要是腐殖质，它是带有亲水性带负电的 胶体微粒，其颗粒大小极不均匀而且很细小，其结构复杂，与水亲和力很强，比 阻值大，脱水性能较差，特别是活性污泥为此，在污泥进行机械脱水前，通常 需要调理剂进行调理，以改变污泥颗粒表面的物化性质和组分，破坏污泥的胶体 结构，减小与水的亲和力，从而改善脱水性能常用的调理方法有化学调理法、淘 洗加药法、冷冻法和热调理法。常用的调理剂分为无机和有机调理剂两大类。无 机调理剂主要是一些铁盐、铝盐和石灰等。有机调理剂可分为表面活性剂、天然 高分子物质和有机合成高分子物质。从近几年国内外发展趋势看，有机调理剂如 高聚合度的聚丙烯酞胺系列应用较多。 ( 4 ) 污泥干化 污泥含水率是决定污泥处置方法的关键因素，降低污泥的含水率是解决污泥 处理的关键问题。国内外的应用实践表明，经传统的浓缩和脱水处理后，污泥的 含水率不可能达到6 0 以下，经济的机械脱水后污泥含水率约为7 5 要达到污 泥的深度脱水，常用的方法是引入化工操作中常用的热干燥技术。 从国内的情况看，目前的干化方法有很多，大致可以分为二大类：一类使用燃 烧烟气进行直接干化；另一类使用蒸汽或热油等热媒体进行间接干化。用烟气进 行直接干化时，由于温度较高，在干化的同时还进行许多有机物分解，造成恶臭。 间接干化法的污泥加热温度一般低于1 2 0 ，污泥中的有机物不易分解，能够大 大改善生产环境。国外干化方法也很多，较成熟的方法主要有：苏尔寿艾雪维斯 法、s e v a r 法、多级减压蒸馏法以及奖叶干燥法。 ( 5 ) 污泥消化 污泥消化包括厌氧消化和好氧消化。厌氧消化是在没有游离氧的条件下，利 用兼性及专性厌氧细菌降解有机污染物，分解的主要产物为甲烷、二氧化碳和水， 经消化后，多数可降解的有机物被分解、稳定。消化后的污泥比较稳定，易于脱 硕士学位论文 水，固体物数量减少，不会腐化。厌氧消化是污泥稳定的常用方法。厌氧是在无 氧条件下，利用厌氧细菌的作用，使有机物经液化、气化而分解为稳定的物质， 病菌、寄生虫卵被杀灭，固体达到减量化和无害化的方法。 1 2 3我国污泥处理处置存在的问题 我国污泥的产生量快速增长，但与此同时，污水处理厂污泥的处理处置普遍 存在着以下的问题： 1 污泥处理率低，处理技术、设备落后。 我国很多城市未把污泥的处理作为污水厂的必要组成部分，许多污水处理厂 根本没有建污泥处理系统，造成我国城市污水污泥处理率很低。同时，当前我国 有些污水处理厂所采用的污泥处理技术已经是发达国家所摒弃的技术，且有些污 泥处理技术根本不合乎我国的污水污泥特性，对所采用的技术缺乏必要的调查研 究；污泥处理设备也比较落后。从发达国家直接进口设备也会相应的提高处理费 用，限制我国污泥处理技术的提高和发展。同时 2 随着国民经济发展，污泥处理难度增加。 由于大量工业废水超标排放、农业排水及雨水径流等面源污染的问题使得污 泥成分日益复杂，污泥存在大量人工合成难生物降解的有机物、重金属、病原微 生物等，使污泥处理难度增加。这些污泥如不妥善处理，势必会对环境造成二次 污染，形成新公害。 3 污泥处理处置基建投资大，运行费用高。 污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 ，有时甚至高达6 0 ， 投资占污水处理厂总投资的3 0 4 0 。目前我国污泥的处理大多采用厌氧消化， 其前期一次性投资大，而且还有工艺负荷低、安全性要求高、运行管理难度大、 运行经验缺乏等问题。使得部分运行管理水平较低的污水处理厂索性将消化池闲 置，造成很大浪费。 4 大量小型污水处理厂站的污泥问题有待解决。 随城市化建设步伐的加快，大量新建住宅小区、经济技术开发区远离市区， 污水近期难以排入市政管道集中处理，因此不得不分散、就近修建大量小型污水 处理厂站，其污泥绝大部分未能妥善处置，势必对当地环境造成影响。这些小型 污水处理厂站污泥问题亟待解决。 污泥处理处置的各种问题使人们更加关注于能减少污泥产量的生物处理工 艺。因此，污泥减量化的研究受到各国学者的重视，这也符合绿色生产方案中关 于废物处理的原则，即按照减量化、资源化、无害化顺序考虑。污泥减量化研究 成为国内外污泥处理处置方法的新研究方向。 剩余污泥嗜热酶溶解预处理的效果研究及其资源化 1 2 4 污泥产气的资源化进展 地球上的化石燃料已日趋枯竭，且其燃烧生成的c 0 2 和s 0 2 等又分别会导致 温室和酸雨，从而带来严重的环境污染问题。因此，二次能源的开发己成为能源 开发的热点。寻找一种可再生的清洁二次能源是当务之急【孓1 1 】。从温室效应的环 保问题、石油能源枯竭的挑战和人类可持续发展的需要出发，高效率能源使用及 新能源开发，己是我们面临的迫切问题。 厌氧消化是一种用来减少污泥体积和重量、以甲烷形式回收其中生物质能的 传统方法，并被广泛地应用。厌氧消化过程可用1 9 7 9 年b r y a n t 1 2 0 6 】提出的三阶 段理论来说明： 第一阶段：水解、发酵阶段，复杂的有机物被微生物的胞外酶分解为小分子化 合物后，进入发酵细菌( 即酸化菌) 的细胞内，并在其中转化为更加简单的化合物， 同时，微生物利用部分物质合成新的细胞物质； 第二阶段；产氢产乙酸阶段，由一类专门的细菌( 产氢产乙酸细菌) 将上阶段 得到的丙酸、丁酸等v f a 和乙醇等转化为乙酸、h 2 和c 0 2 ； 第三阶段：产甲烷阶段，由产甲烷的细菌利用乙酸、h 2 和c 0 2 产生甲烷( c h 4 ) 和新的细胞物质。 另外，在产氢产乙酸阶段中有由氢气和二氧化碳形成乙酸的过程。当水中含 有硫酸盐时还会有硫酸盐还原过程。因此，在实际消化池运行中，同时伴随着各 种各样的新陈代谢过程，尚不能够将单一的过程在不同的反应器中进行。按照污 泥厌氧消化池内的工作温度，污泥厌氧消化范围可分为常温( 不加热) 、中温和高 温污泥消化，常用的是中温消化。 在污泥厌氧消化过程中氢气是一种中间产物，但极不稳定，会因为迅速被甲 烷菌、硫化菌等嗜氢菌所利用而消耗【1 7 , 1 8 , 1 9 】。然而，氢是一种清洁能源，具有广 阔的应用前景。氢气不仅可以燃烧，而且燃烧时产生的热量很高。氢燃料电池的 进展给人类带来了希望，表明氢是提供人类在环保、能源、发展问题上的多赢答 案之一1 2 0 1 。生物制氢是利用微生物在常温常压下进行酶催化反应制取氢气， 其底物主是碳水化合物、蛋白质等可再生资源( 另外，各种有机废物中，这类物 质的含量也很高) 成本较低。而且生物制氢技术反应条件的温和、能耗较低、能妥 善解决能源与环境的矛盾、促进经济与环境的协调发展【2 。如果通过适当的控制 使污泥厌氧消化过程中能够有一个相对稳定的产氢阶段，则可在处理污泥的同时 获取更多的能源。 硕士学位论文 1 3 污泥的性质 污水厂污泥的来源和形成过程十分复杂，不同来源的污泥，其物理、化学和 微生物学特性存在差异。 1 3 1污泥的物理性质 城市污水处理厂污泥主要来自初沉池污泥和剩余活性污泥，其含水率一般都 很大，高达9 5 9 9 ，相对密度接近于l 。初沉池污泥正常情况下为棕褐色，发 生腐败后变为灰黑色，含固率约为2 4 ，固体物质以有机物为主，约占 5 5 7 0 ，容易腐化发臭；剩余活性污泥为絮状黄褐色，含固率约为o 5 0 8 ， 固体物质基本是生物残体。因含多种有机化合物，污泥常散发臭味。液体污泥的 物理性质与水极为相近，通常是牛顿流体，即在层流状态下，压力的减少与速度 和黏度成比例。此外，因污泥中含有有机物质，因此污泥还具有燃料价值。在一 定含水率下，具有自持燃烧( 不需要添加辅助燃料) 及将干污泥用作能源的可能。 1 3 2污泥的化学性质 污泥的化学构成可以从以下几个方面分析：