（环境工程专业论文）污泥缺氧好氧消化效果的研究.pdf

摘要 摘要 针对传统污泥好氧消化t 艺( c a d ) 存在的供氧动力费用高，需要 添加化学药剂( 如石灰) 调节p h 值从而进一步增加处理费用的问题， 在不增加基建费用的条件下，对原有的污泥好氧消化工艺的设施进行改 造，研究和探索稳定污泥的新工艺，这刑于国内中小型污水处理厂污泥 处理的节能降耗f 分有意义。 本文对污泥好氧消化工艺进行改进，引入缺氧段，形成污泥缺氧 好氧消化( a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n ，a a d ) 工艺。先进行静态试验， 分别考察曝气方式、污泥初始浓度和温度对a a d 工艺消化效果的影响， 初步确定最佳的工艺条件。试验结果表明，在最佳下艺条件下( 3 0 ， m l s s 为1 2 8 9 9 l 左右，交替进行缺氧、好氧各12 小时，污泥停留时间 为2 0 天) ，m l v s s 的去除率达到4 0 5 ，符合城镇污水处理厂污染物 排放标准( g b l8 9 18 - 2 0 0 2 ) 。与c a d 工艺相比，a a d 工艺能节省2 8 6 | e 勺供氧能耗。此外，在最佳工艺条件下，a a dt 艺能去除18 5 的 t n 而c a d 的t n 去除率仅为5 2 。 在静态试验得出最佳工艺条件基础卜- ，在室温( 2 6 4 2 8 1 ) 下进 行动态试验，进一步考察a a d 工艺的可行性和运行稳定性。结果表明， a a d 工艺能去除4 0 1 的m l v s s ，15 9 的t n ，混合液p h 保持平稳， 维持在6 + 0 左右，而且系统具有一定的抗冲击负荷能力。 论文还对污泥缺氧好氧消化工艺的原理进行了闸述和讨论，认为通 过间歇曝气交替产生好氧和缺氧期，在缺氯期发生反硝化，反硝化过程 中产生的碱度来补充硝化过程中的消耗，提供稳定的p 1 1 值并同时降解有 机物。这种方法能够达到与好氧消化类似的效果，但污泥消化过程的动 力消耗降低，且能去除部分的t n 。 关键词：污泥稳定；污泥消化；好氧消化；缺氰消化 广东t q k 大学上学l f 【i i + 学位论文 a b s t r a c t r i h e c o n v e n t jo n a la e r o b icd ig e s t i o n( c a d ) p r o c e s sis c o n s i d e r e dt ob es u it a b l ef o rd i s p o s a 【o ft h es l u d g ef l r o ms m a l l s c a ew a s ，e w a t e rp l a n t s 。t h eh j g h e rp o w e rc o a s u m p t j o nf o ra e r a t i o n i n dt h ec o s to fc h e m ic a lr e a g e n tf o ra l k a l in i tvm a i n t o n a n c ew iih c a dp r o m p tas e a r c hf o ra na i t e r n a t i v eb i o i o g ic a la p p r o a c hto s t a b i l iz in graws l u d g e a n o x i c a e r o b icd i g e s t i0r l ( a a d ) b yp r e y i d in gp e r i o d so t c y c lica e r a t i o n a p p e a r st ob eo n es u c hp r o m is i n ga l te r n a t iv e t h e p u r p o s eoft h isp a p e rjst or e s e a r c ht h ef e a s i b i l i t ya n ds t a b i l i ty o f - 1 i m ) j 、h ev c h o l ee x p er m e n tisc a r t ie do u tint w op ar t s ：s t a t ic e x p e r i m e n t a n dd y n a m i ce x p e r i m e n t s t a li c e x p e r i m e n tw h ic his f o c u s e do nt h ef e a s ib i l i t yo fa a i ) w a sf i r s tc e r r je dol 1 tt 0 t h ee f f e cl so f a e r o b i cm ar l d e r s l u d g ein i t i a lc o n c e n tr a t i o t e m p e r a t m r e oni n i x e d l i q u o r v o l a t i l e s u s p e n d e d s 0 1 id ( m u d y a n d s s ) r e m ( ) v a l i no r d e rtod e t e r m i d et h eo p t i m u mo p e r a lin gp a r a m e t e r s r h ee p t i m u mr e s u l to f4 0 5 r e d u clio n si nm l v s sc o u ldb oa c h i e v e d a t2 0ds r t ，1 2h o u r sa ec o i l i ca n d1 2h o u r sa n o x i cc y c le s ，3 0 te m p e r a t u r e a n d12 8 9 9 i i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fm ix e d1 iq u o r s u s p e n d e ds o ljd ( m l s s ) t h ep e r c e n tr e d u c t ie 1 3o f t o t a ln jlr o g e n ( t n ) i nt h ea i a dck l nb ea c h i e v e dl o1 8 5 b u tw a s5 2 i nt h e c a d a a dc o u 【ds a v e2 8 6 e n e r g yc o s tc o m p a r e dw i t hc a d s h o w e d g r e a tp o t e l i ti a li nl o wc o s to p e r a t i o n t r lt h ed y n a m ice x p e r i m e n t ，e m p h a s e sw a sp u to nl h es t a b i l i t y o fa a dalr o o mt e m p e r a t uf e ( 2 6 4 2 8 1 ) u n d e ro p ti m u m o p e r a t io np a r a m e t e r s r e s u l ts h o w e dth a t4 0 i o f i l v s sa n d 15 9 o ft n c o u ldb er e m o v e d p horl h es l u d g em ix e dl i q u o r m a in t a i n e da t6 0 s t c a d i l yt h r o u g hp r o c e s s i i t h em e c h a n is m0 fa a dw a sa 1s od iscuss e di nt h isp a p e r 1 tis t h o u g h tt h a tb ya d o p t i n ga ni n t e r m i t t e l 3 ta e r a t i 0 1 3p e r io d p h0r t h es 1u d g em i x e dl i q u o rw a si n c r e a s e dd u et 0d e n i t r i f ic a t i o na n d d e c r e a s e df r o mr l i t r i f ic a t jo h ，w h ic hh e lp e dp hm a in la ina tas t e a d y l e v e la n df o r m e das u i t a b loe n v i r o n m e n tf o rs 1 u d g ed i g e s t i o n a a d m a d es i m i l a re f f e c to nm l v s sr e m o v a la sc a d ，w h i l et h ef o r m e rcan pf o vid ea 1k a linilyr e c o v e r y ，e n e r g ys a v in g ，a n dn i t r o g e nr e m o v a l k e yw or d s ：s 1 u d g es t a b i l iz a t io n ：s l u d g ed i g e s t i o r l a e r o b icd i g e s t i o i 3 ：a n o x i cd i g e s t i o i l 独刨性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究以及所取得的成果。尽我所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表的或 撰写过的研究成果，不包含本人或其它用途使用过的成果。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明，并表 示谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下所 取得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：碡喜韵 指导教师签字： 扣l 啤乏 i 2 0 0 7 年4 月2 3 日 第章绪论 第一章绪论 城市污水处理厂污泥是在废水处理过程中分离出来的。一座二级污 水处理厂污泥量占污水量的0 3 0 5 ( 体积) 。如果进行深度处理污泥量 会增加0 5 l 倍。目前随着污水处理量的逐年增加与废水排放标准制定 的日益严格，排放的污泥量也大大增加，同时废水中的有毒有害物往往 积累在浓缩污泥中，所以无论从量到质，污泥都是影响环境、造成危害 最为严重的污染物之一。剩余活性污泥处理，已成为城市污水处理厂目 前最急需解决的问题，寻求一种处理成本低、运行效果好、操作简单、 易于管理的剩余污泥稳定化、减量化技术具有深远的意义。 在污泥最终处置以前一般需要对污泥进行稳定化处理。污泥需要达 到的稳定程度主要取决于污泥最终处置的方式，而且与一个国家有关的 环境法规密切相关。污泥稳定化处理可以认为是污泥处理的基本单元操 作过程。另外采用何种稳定工艺也深刻地影响到整个污水处理工艺的选 择、运行方式以及投资和运行费用。因此污泥稳定化操作过程是一个十 分重要的工艺环节，必须引起重视。 1 1 城市污泥的定义及组分 城市污泥是城市污水处理厂活性污泥法处理污水的副产物。它是一 种由有机物质残片、细菌菌体、无机颗粒、有机无机胶体等组成的极其 复杂的非均质体，一般是一沉污泥和剩余活性污泥( 指通过二沉池产出的 需要外排的污泥) 的混合污泥。污泥进一步经过好氧消化或厌氧消化处理 后的污泥称为好氧或厌氧消化污泥。生污泥或消化污泥经过絮凝脱水后 称为脱水污泥，一般脱水污泥含水率约8 0 。一些中小型污水处理厂为节 约污泥处理开支，往往未对污泥进行消化和脱水处理便排出系统，这种污 泥常称为未消化污泥，含水率为9 7 左右。 尽管污泥的成分及性质主要由污水处理厂的运行情况、所用工艺决 定，但是污泥大体由四个组分组成：颗粒态、生物絮凝态、胶体以及水 溶态。污泥大部分由生物絮凝体组成，占污泥总量的6 9 ；其次为颗粒 广东i i 二业大学丁学硕士学位论文 态组分( 占2 3 ) 。两者构成了污泥9 2 的组分，特别是生物絮凝态被称为 污泥的活性库”1 。 1 2 污泥稳定方法 城市污泥含水率较高( 9 5 9 9 ) ，体积非常庞大，性质很不稳定，极 易腐化，不利于运输和处置，故需及时对其进行稳定化处理。 1 2 1 污泥稳定的目的和意义 污泥稳定的最初目的和意义是为了避免和防止污泥在农用或其他最 终处置过程中产生和散发臭味物质。般当污泥中有机物含量下降到某 种程度时，污泥在堆置过程中散发臭味的可能性即大为下降。因此污泥 稳定可以理解为进一步去除污泥中的有机物质或将污泥中的不稳定有机 物质转化为较稳定物质，使污泥即使在较长时间的堆置后其成分也不再 发生明显的变化，不再对环境产生不良的影响。其实质是在一定条件下 通过物化反应或生化反应使污泥中的有机物发生分解或降解为矿化程度 较高的无机化合物的过程。 污泥稳定处理除了满足上述主要目的外尚可达到下列效果：( 1 ) 减 少病原菌的数量； ( 2 ) 减少污泥量；( 3 ) 改善污泥的脱水性能； ( 4 ) 厌氧消化过程中可产生沼气。 1 2 2 污泥稳定方法 污泥稳定方法主要可分为化学稳定方法、物理稳定方法( 如高温热力 稳定) 以及生物稳定方法( 如厌氧消化、好氧消化) 等。 1 2 2 1 化学稳定方法化学稳定方法包括氯氧化法和石灰稳定法。氯 氧化法就是利用高剂量的氯气将污泥化学氧化，通常将氯气直接加入贮 存在密封反应器内的污泥中，并对污泥进行短时间脱水。石灰稳定法是 将足够量的石灰加到处理的污泥中将污泥的p h 值提高到1 2 或更高。高p h 值所产生的环境不利于微生物的生存因而污泥不会腐化、产生气味和危 害健康。 2 第- 章绪论 1 2 2 2 物理稳定方法物理稳定方法主要是热处理法。在热处理的连续 过程中，污泥在压力容器内加热至2 6 0 1 2 ，压力达到2 7 5 m p a ，经短暂的 时间进行实质性的稳定过程和调理过程，使污泥处于不加化学药剂而能 使固体脱水的状态。当污泥经受高温和高压时，热的作用使污泥释出结 合水，最终形成固体凝结物，此外还使蛋白质水解使细胞破坏并放出可 溶性有机化合物和氨氮m 。热处理法的过程包括p o r f e u s 法和低温湿氧化 法。通过湿氧化过程，污泥中大部分有机物可被分解掉，特别是污泥挥 发组分大量减少同时，污泥颗粒内和颗粒间结合水被脱除，这就达到污 泥稳定和减容的目的。若温度合适还能将污泥中的剧毒有机物如苯并( a ) 花等分解掉w 。 1 2 2 3 生物稳定法生物稳定法是最为常用的污泥稳定方法，主要分为 厌氧消化和好氧消化两大类。根据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 ) 中关于污泥控制标准中的规定，厌氧消化法和好 氧消化法的有机物降解率须大于4 0 m 。 1 厌氧消化法世界各国在污泥处理的领域仍以污泥厌氧消化工艺 为主。它是目前国际上最为常用的污泥生物处理方法，同时也是大型污 水处理厂最为经济的污泥处理方法。该法具有良好的有机物降解率( 4 0 6 0 ) ；可以能量回收；生物固体适合农用；病原体活性低。但厌氧 消化工艺在应用中也存在着不少缺点，如水力停留时闯长、反应效率不 高、结构复杂、不便于操作管理、厌氧微生物对环境因素要求较苛刻、 维护管理问题较多等。 污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程。1 9 7 9 年b r y a n t 等人根据微 生物的生物种群提出厌氧消化三阶段理论，也是当前较为公认的理论模 式。三阶段消化的第一阶段，有机物在水解与发酵细菌的作用下使碳水 化合物、蛋白质与脂肪经水解和发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘 油、二氧化碳和氢等。 第二阶段，在产氢产乙酸菌的作用下把第一阶段的产物转化成氢、 二氧化碳和乙酸。乙醇的转化化学反应式如下： 变三些查兰三茎至圭茎堡笙奎 c h 。c h 2 0 h + h ：0 - c h 。c o o h + 2 h ： ( 1 1 ) 第三阶段，通过两组生理特性上不同的产甲烷菌的作用，将氧和二 氧化碳转化为甲烷，或对乙酸脱羧产生甲烷。产甲烷阶段产生的能量绝 大部分都用于维持细菌生存，只有很少能量用于合成新细菌，故细胞的 增殖很少。在厌氧消化的过程中，由乙酸形成的c h 。约占总量的2 3 ，由 c 0 ：还原形成的c m 约占总量的1 3 ，如式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 所示。 4 h ：+ c o ：专c h 4 + 2 1 2 0 2 c h 。c o o h 2 c h 4 + 2 c 0 2 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 由上可知，产氢产乙酸细菌在厌氧消化中具有极为重要的作用。它 在水解与发酵细菌及产甲烷细菌之间的共生关系中起到了联系作用，通 过不断地提供出大量的h ：作为产甲烷细菌的能源以及还原c o z 生成c h t 的 电字供体w 。 2 好氧消化法污泥好氧消化是近二十多年来在延时曝气活性污 泥法的基础上发展起来的。它处理效率高，需要的处理设施体积小，投 资较少，上清液中的b o d 浓度较低( 1 0 m g l 以下) ，处理后的产物无臭、类 似腐殖质、肥效较高，运行安全、管理方便。但由于需要输入动力，所 以运行费用较高。 污泥好氧消化实质上是活性污泥法的继续，其工作原理是污泥中的 微生物有机体的内源代谢过程。通过曝气充入氧气，活性污泥中的微生 物有机体自身氧化分解，转化为二氧化碳、水和氨气等，使污泥得到稳 定m 。如果以c ；h ，n 0 。表示细胞分子式，则好氧处理过程中发生的氧化作用 可以表示为： c ；h ，n o ：+ 5 0 2 + h + 争5 c o 。+ n h 。+ + 2 h ：0( 1 4 ) 污泥好氧处理对中小型污水处理厂比较适用。美国、r 本、加拿大 等发达国家都有不少中、小型污水处理厂采用好氧消化处理污泥，仅加 拿大某省就有2 0 个小型污水处理厂运用此法；丹麦大约有4 0 的污泥使用 好氧法进行稳定化处理。因此污泥好氧消化工艺有着巨大的发展潜力。 4 第覃绪论 污泥好氧处理实现方式有传统好氧消化工艺( c o n v e n t i o n a l a e r o b i cd i g e s t i o n ，c a d ) 、自热高温好氧消化工艺( a u t o h e a t e d t h e r m o p h i l i ca e r o b i cd i g e s t i o n ，a t a d ) 和两段高温好氧中温厌氧消 化( a e r t a n m ) 工艺等。 c a d i 艺主要通过曝气使微生物在进入内源呼吸期后进行自身氧化， 从而使污泥减量。传统好氧消化池的构造及设备与传统活性污泥法相似， 但污泥停留时间很长，其常用的工艺流程主要有连续进泥( 适用于规模较 大污水处理厂) 和间歇进泥( 适用于规模较小污水处理厂，可省去浓缩池， 降低了运行费用) 两种，如图1 - i ”所示。 a 连续进泥工艺流程 ( a f l o wd i a g r a mf o rc a do fc o n t i n u o u sf l o w ) b 间歇进泥工艺流程 ( b f l o wd i a g r a mf o r c a do fi n t e r m i t t e n tf l o w ) 图卜1 传统好氧消化工艺流程图 ( f i g 1 1 f l o wd i a g r a mf o rc a d ) a t a d i 艺主要是利用高温环境下生长的嗜熟微生物的代谢作用( 细 胞的死亡、水解、生物合成等) ，达到降解有机物、灭活病源菌的作用。 在a t a d 系统中达到并维持高温条件需要采取以下主要措施：进泥首先要 经过浓缩，使得混合液悬浮颗粒物( m l s s ) 浓度为( 4 6 ) 1 0 4 m g l 或 m l v s s 浓度为2 5 1 0 4 m g l l ；反应器要采用封闭式( 加盖) ，其外壁需采取 隔热措施以减少热损失；需采用高效氧转移设备以减少蒸发热损失，有 时甚至采用纯氧曝气“。通过采取上述措施可使反应器温度达到4 5 5 广东下业大学下学硕+ 学位论文 6 5 c ，甚至在冬季外界温度为一1 0 、进泥温度为o c 的情况下，不需要 外加热源仍可使其保持高温。 典型的a t a d 系统一般采用间歇( 分批) 操作，至少两个反应器串联运 行：第一段温度通常为4 5 左右，一般不超过5 5 ；第二段温度通常为 5 0 - - 6 0 c ，一般不超过7 0 1 2 。a t a d t 艺流程如图卜2 “们所示。 图。一。工艺流程图 、l 出泥 ( f i g 1 2 f l o wd i a g r a mf o ra t d ) a e r - t a n m i 艺是2 0 世纪8 0 年代以后，人们开发的一种两段消化工艺， 将自热高温好氧消化工艺与中温厌氧消化工艺相结合，即以一个一段的 高负荷a t a d 系统对污泥进行预处理后再进入中温厌氧反应器。工艺流程 如图i - 3 ，所示。 鲨圊固岖巫) 固骂 、l 出泥 图卜3 两段污泥消化工艺流程图 ( f i g 1 3 f l o wd i a g r a mf o ra e r - t a n l l ) 污泥好氧消化工艺各有优缺点，在应用时应综合考虑并根据实际情 况进行选择。由于c a d i 艺具有工艺成熟、机械设备简单、操作运行简单、 基建费用低等优点，故被较多中小型污水处理厂采用。但c a d 耗氧量很大， 需长时间连续曝气，所以运行费用较高。另外，c a d 工艺会发生硝化反应 消耗碱度，使得p h 值下降n “。这就促使人们对传统好氧消化工艺进行改 造，提出了缺氧好氧消化工艺( a a d ) 。本课题因此应运而生，通过试验， 研究a a d 工艺的影响因素和最佳运行条件。 6 第r 章绪论 1 3 本学位论文选题的背景 目前，世界各国在污泥处理的领域仍以污泥厌氧消化工艺为主，但 厌氧消化工艺在应用中也存在着不少缺点，如水力停留时间长、反应效 率不高、结构复杂、不便于操作管理、厌氧微生物对环境因素要求较苛 刻、维护管理问题较多等。而污泥好氧消化法则具有投资少、处理效率 高、运行管理方便、基建费用低、最终产物无臭以及上清液b o d 。浓度低 等优点，因而特别适合中小型污水处理厂的污泥处理。 然而，传统的污泥好氧消化工艺的污泥停留时问较长，有利于硝化 菌的生长，硝化反应要消耗氧气，从而提高了供氧的动力费用；而又由 于硝化反应消耗碱度，往往会导致系统p h 值下降的现象。当p h 值较低 时，微生物的新陈代谢受到抑制，有机物的去除率降低“。”1 。为防止p h 下降对处理效果造成不良影响，大部分的好氧消化工艺中都要添加化学 药剂，如石灰等来调节p h 值，这样必将进一步增加处理费用。因此，研 究和探索污泥稳定成本较低的新工艺，对于国内中小型污水处理厂污泥 处理的节能降耗是十分有意义的。 污泥在缺氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐作为电子受体来降解微生 物体，并产生碱度。如果在传统的污泥好氧消化工艺中引入缺氧段，形 成缺氧好氧消化工艺( a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n ，a a d ) ，通过间歇 曝气交替产生好氧和缺氧期，在缺氧期发生反硝化，反硝化过程中产生 的碱度来补充硝化过程中的消耗，提供稳定的p h 值的同时降解有机物。 若这种方法能够达到与好氧消化类似的效果，则将大大降低污泥消化的 动力能耗。根据这一思路，本课题拟通过试验研究，对c a d 工艺进行改 进，深入研究a a d 工艺的消化效果和运行的稳定性。课题研究具有较大 的理论意义和实际应用价值，而且具有显著的经济效益、环境效益和社 会效益。 7 厂东t 业大学i t = 学硕士学位论文 - 目j - 目_ _ _ _ ；_ 目j 目- 目- j 自| _ i _ - ；| _ _ - ；_ i ；_ _ e l _ e t _ ；e j ；_ ；- 目目_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ - _ 一i i i - 1 4 污泥缺氧好氧消化工艺概述 1 4 1 工作原理 污泥好氧消化的工作原理是使微生物处于内源呼吸阶段，以其自身 生物体作为代谢底物获得能量和进行再合成。由于代谢过程存在能量和 物质的损耗，使得细胞物质被分解的量远大于合成的量。污泥稳定就是 通过强化这一过程达到目的的。该反应可近似表示为： c ；h ，n 0 2 + 5 0 2 + h + 5 c 0 2 + n h 4 + + 2 h ：0 ( 1 5 ) 在污泥好氧消化的过程中，从氮转化的角度看，存在氨化作用、硝 化作用以及反硝化作用。 氨化作用指污泥中的微生物在好氧条件下自身氧化分解，机体中的 氮元素以氨氮的形式释放，污泥体系内的碱度增加，见式( 1 5 ) 。 生物硝化是在好氧条件下，通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将 氨氮氧化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程。如果反应完全，氨氧化成硝酸盐 分两阶段完成：开始，在亚硝酸菌的作用下使氨氧化成亚硝酸盐，亚硝 酸菌属于强好氧性自养细菌，利用氨作为其唯一能源，式( 1 6 ) 为这个 反应关系式。第二阶段，在硝酸菌的作用下，使亚硝酸盐转化为硝酸盐， 硝酸菌是以亚硝酸作为唯一能源的特种自养细菌，见式( 1 7 ) 。整个硝 化反应可以用总方程式( 1 8 ) 来表示1 。 2 n h 4 + + 3 0 r 2 n 0 2 一+ 2 h 2 0 + 4 h + 2 n 0 2 一+ 0 2 2 n 0 3 一 n h 4 + + 2 0 2 n 0 3 一+ 2 h + + h z 0 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 由以上反应式可知，在硝化过程中，每1 9n h 4 + - n 被完全氧化会消耗 7 1 4 9 碱度( 以c a c 0 ，计) ，从而引起混合液p h 下降“。 反硝化就是在缺氧条件下，反硝化菌将n o 。一和n o z 一还原为n = 的过 程。大多数的反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，能利用各种各样的有 机基质作为反硝化过程中的电子供体，如易于生物降解的溶解性有机物 和细胞物质等。由于污泥消化过程中微生物的内源代谢产物能作为电子 8 第膏绪论 供体，故在降解有机物的同时可大幅度降低氧的消耗，同时补偿硝化反 应消耗的碱度。其污泥稳定过程如式( 1 9 ) 、式( 1 1 0 ) 所示： n o 。一+ 2 h ( 氢供给体一有机物) 专n o 。一+ h ：o( 1 9 ) 2 n 0 2 一+ 6 h ( 氢供给体一有机物) 专n ：+ 2 0 h 一十2 h 。0( 1 1 0 ) 反硝化过程会产生一定量的碱度使p h 上升，每反硝化l gn o 。_ - n 将 产生3 5 7 9 碱度( 以c a c o 。计) n “。 在传统的好氧消化初期几天内，氨化作用使n h 4 * - n 增加，同时引起 溶液p h 上升。随后由于硝化作用，污泥混合液碱度被消耗，p h 降低， 当其碱度减少到5 0m g l ( 以c a c o 。计) 以下时，溶液的p h 甚至会下降 至5 以下“。由此可见，溶液中氮形态的转化与溶液的p h 有一定的联系。 m a t s u d a 等人“”测得消化过程中上清液的n h 。+ _ n 变化规律为：先升高， 再降低，最后又有回升的趋势，与混合液p h 的变化规律一致。沈耀良t 的研究也得出同样的结论。 p h 过低，会改变微生物细胞的渗透性，反应物的氧化还原电位以及 生物酶催化反应的能力，影响微生物的物质运输过程和新陈代谢作用 而a a d 工艺则是在c a d 工艺上，通过问歇曝气交替产生缺氧期和好氧期， 在缺氧期发生反硝化，反硝化过程中产生的碱度来补充硝化过程中的消 耗，从而提供稳定的p h 值。缺氧段的引入强化了微生物的反硝化作用， 对减少能耗和维持碱度有着重要的意义，同时降低了污泥上清液中的总 氮( t n ) 。 1 4 2 污泥缺氧好氧消化工艺国内外研究进展 国外对a a d 工艺的研究较多。h a s h i m o t o n ”报道了连续流a a d 工艺 的v s s 去除率为3 2 4 8 ，与c a d 工艺的3 3 去除率相近，但t n 的去除 率前者可达到1 3 2 7 ，而后者仅为2 。j e n k i n s 等人n ”发现，在交 替缺氧、好氧的条件下，污泥中3 2 的氮转化成氮气，系统的p h 值保持 在7 i 左右。p e d d i e 等人”对一个a a d 消化系统进行了两年的观察。 该系统在1 4 1 7 1 2 自然条件下，y s s 的去除率达到2 6 。a 1 一g h u s a i n 等 人u 采用a a d 工艺对初沉池污泥和剩余污泥混合消化，获得的最佳参数 9 广东- 业大学工学硕士学位论文 为：污泥停留时间为l o d ，温度为3 0 c ，缺氧和好氧时间各占1 2 h ，其 v s s 的去除率为4 3 7 ，t n 去除率达到3 3 7 ，且整个过程的p h 值保持 近中性。另外，对a a d 工艺的控制参数的研究也有相关报道，用系统的 p h 值作为控制参数比用o r p 更好“2 ”。 目前，国内对a a d 工艺的研究只有零星的报道。周春生等人“研究 了断续曝气处理剩余污泥的可行性。结果表明，在3 0 c 条件下，剩余污 泥断续曝气连续消化1 7 天，t v s 大约去除3 8 。沈耀良“”考察了曝气方 式对好氧消化效果的影响。结果显示，不同曝气方式下t v s 的去除率变 化规律相似。在温度为3 0 c ，初始污泥浓度为1 0 6 5 9 l 时，经过8 天 的消化，断续曝气和连续曝气的t v s 去除率分别为4 5 和5 3 1 。国内对 于a a d 工艺的最佳运行参数的试验研究尚未见报道，其最优设计参数及 运行条件的合理确定等问题，需要进一步深入研究。 i o 第二章试验研究 2 1 研究内容 第二章试验研究 通过试验研究，确定a a d 工艺的最佳运行参数，使有机物( m l v s s ) 降解率达到4 0 或以上，并最大限度地节约供氧能耗，降低中小型污水 处理厂的污泥稳定成本；在此基础上，考察该工艺对污泥上清液的t n 的去除作用。研究内容如下： ( 1 ) 污泥缺氧好氧消化混合液p h 的变化规律； ( 2 ) 曝气方式对a a d 工艺消化效果的影响： ( 3 ) 温度对a a d 工艺消化效果的影响： ( 4 ) 初始污泥浓度对a a d 工艺消化效果的影响； ( 5 ) a a d 工艺对污泥上清液t n 的去除作用； ( 6 ) a a d 工艺运行的稳定性。 2 2 研究方法 2 2 1 试验材料和仪器设备 试验所使用的污泥来自广州沥窖污水处理厂的回流污泥，污泥性质 见试验研究部分。污泥经静态浓缩后，根据实验要求用上清液调配浓度。 本试验所使用的仪器设备如表2 - 1 所示。 表2 - 1 主要仪器设备 ( t a b l e2 - 1 t h em a i ni n s t r u m e n t s ) 广东工业大学_ t 学硕士学位论文 2 2 2 分析项目和分析方法 试验过程中有关项目的分析方法按国家环保局编写的水和废水监 测分析方法( 第四版) “”进行。 本试验的分析项目和分析方法如表2 2 所示。试验所使用的化学试 剂见表2 3 。 表2 - 2 分析项目和分析方法 ( t a b l e2 - 2 a n a l y t i c a lu e t h o d su s e d ) 分析项目 分析方法 p h 值 酸度计法 溶氧仪法 m l s s悬浮州体的测定 m l v s s悬浮有机物的测定 t n碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 表2 - 3 试验所用化学试剂 ( t a b l e2 - 3 c h e n i c a lr e a g e n tu s e d ) 1 2 第二章试验研究 2 2 3 试验方法 分别在不同的运行条件下，进行实验室静态试验研究，验证a a d 工艺的可行性，初步确定该工艺的最佳运行条件，并考察该工艺对污泥 上清液t n 的去除作用；然后进行动态试验研究，进一步考察该工艺的 消化效果和运行的稳定性。 2 2 3 1 静态试验静态试验指分别在各个污泥反应器中一次性加入试 验用的污泥，考察曝气方式、污泥初始浓度、温度对污泥缺氧好氧消化 效果的影响。 静态试验分为三组，先考察曝气方式对污泥缺氧好氧消化效果的影 响，验证a a d 工艺的可行性，并与c a d 工艺的消化效果作对比，探讨其 经济性；得出最佳曝气方式方案后，在此条件下考察污泥初始浓度对 a a d 工艺消化效果的影响，寻找最佳的反应污泥初始浓度；在以上的试 验基础上，进一步探讨温度对a a dt 艺消化效果的影响，从而得出最佳 的工艺运行条件。 由于a a d 工艺具有维持污泥混合液的p h 在一个稳定水平和去除t n 的作用，故在最佳工艺运行条件下，考察a a dq - 艺对t n 的去除能力， 并分别在污泥消化的初期、中期和后期，研究污泥混合液p h 的微观变化， 阐明a a d 工艺维持污泥混合液碱度的机理。 试验采用3 o l 的烧杯作为消化反应器，污泥投加量为2 5 l 。每组 试验根据试验条件设立3 5 个反应器。每个反应器均由2 个多孔烧结曝 气头通过气泵供氧，空气总供给量控制在1 5 0 l h ( 2 5 l m i n ) 左右。试 验采用多头恒温磁力加热搅拌器进行搅拌和控制反应温度。反应器上覆 盖薄膜，防止污泥外溅和减慢水分蒸发速度。试验过程中每两天取一次 反应污泥样品测定性质参数，包括p h 、m l s s ，m l v s s 等，并定期用蒸馏 水补充蒸发的水分。 2 2 3 2 动态试验所谓动态试验就是试验装置以间歇进泥，间歇排泥 的方式运行，验证a a dt 艺在实践中的可行性。根据静态试验结果得出 的最佳工艺运行条件，在常温下，考察a a d 工艺的动态消化效果、污泥 广东_ 丁业大学工学硕七学位论文 混合液p h 的稳定性、抗冲击负荷能力及其对t n 的去除作用。 试验采用2 0 0 l 的平底胶桶作为反应器，投加1 5 0 l 污泥进行消化。 反应污泥每天进泥、排泥一次。进泥、排泥量根据静态试验的污泥停留 时间而定。反应器由6 个多孔烧结曝气头供氧并同时提供搅拌作用，总 供气量控制在5 0 0 l h 左右。反应器上覆盖薄膜，防止污泥外溅和减慢水 分蒸发速度。 2 2 4 分析项目的测定和计算方法 2 2 4 1m l s s 与m l v s s 的测定和计算方法 1 滤纸的准备用扁嘴无齿镊子央取定量滤纸( 孔径为0 4 5 i im ) 于事先恒重的称量瓶里，移入烘箱中于1 0 3 1 0 5 c 烘干，0 5 h 后取出置 于干燥器内冷却至室温，称重。反复烘干、冷却、称量，直至获得恒重 或称重损失小于前次称重的4 ，重量记为i l l 。( g ) 。把滤纸放置在漏斗上， 用蒸馏水润湿。 2 测定取样品2 0 m l 用干燥后的滤纸过滤后，取出载有悬浮物的滤 纸放在原恒重的称量瓶里，移入烘箱中于1 0 3 1 0 5 c 下烘干1 5 h 后移 入干燥器，使冷却到室温，称其重量。反复烘干、冷却、称量，直至获 得恒重或称重损失小于前次称重的4 ，重量记为m 。( g ) ； 将干净的坩埚放入烘箱中干燥l h ，取出放在干燥器中冷却至室温， 称重，重量为i l l ：( g ) ； 将干燥后的悬浮物和滤纸放在坩埚中，移入马弗炉内，加热到6 0 0 灼烧6 0 m i n ( 从温度达到6 0 0 1 2 开始计时) ，在干燥器中冷却并称重， 重量为m ，( g ) 。 3 计算悬浮物m l s s 含量c ( m g l ) 按式( 2 1 ) 计算： c ：( 嘲- m o ) x 1 0 6 2 0 挥发性悬浮物m l v s s 含量d ( m g l ) 按式( 2 2 ) 计算： 1 4 ( 2 1 ) 第二章试验研究 d ： ( m l + - t o o ) - x 1 0 6( 2 2 ) 2 0 m l v s s 去除率r 按式计算： r ：( d - d o ) x 1 0 0 。a( 2 3 ) d 0 式中：r 一一m l v s s 去除率( ) 5 d 。一一污泥消化第n 天后m l v s s 浓度( m g l ) o d 。一一污泥初始m l v s s 浓度( m g l ) 。 2 2 4 2t n 的测定和计算方法 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。 1 标准曲线的绘制 ( 1 ) 取7 支消解管，分别加入硝酸盐氮标准使用液0 0 0 、0 1 0 、 0 5 0 、1 0 0 、2 5 0 、5 0 0 、1 0 o o m l ，加无氨水稀释至1 0 o o m l 。分别加 入5 m l 碱性过硫酸钾溶液，旋紧密封盖，依次将消解管插入已达1 4 0 的消解装置恒温体孔中，消解2 0 m i n 。 ( 2 ) 消解完毕，管内液体冷却至室温时，分别加1 + 9 盐酸l m l ，用 无氨水定容至2 5 m l 。 ( 3 ) 在紫外分光光度计上，以无氨水作参比，用l o m m 石英比色皿， 分别在2 2 0 n m 及2 7 5 n m 波长处测定吸光度后，分别按下式求出除零浓度 外其他校准系列的校正吸光度a s 和零浓度的校正吸光度a b 及其差值 a r 。 a s = a s 2 2 0 一2 a s2 7 5 a b = a b 2 2 0 一2 a b 2 7 5 a t = a s a b ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：a s 。一一标准溶液在2 2 0 n m 波长的吸光度： a s ：，a 一一标准溶液在2 7 5 n m 波长的吸光度： a b 。一一零浓度( 空白) 标准溶液在2 2 0 n m 波长的吸光度； 广东t 业大学_ 学硕士学位论文 a b ：，。一一零浓度( 空白) 标准溶液在2 7 5 n m 波长的吸光度。 按a r 值与相应的t n 含量( “g ) 绘制校准曲线，如图2 - 1 所示。 oo 1o 2o 3o 4o 5o 6 o 70 8o 91 吸光度a 图2 - 1t n 标准曲线 2 样品的测定取i m l 污泥过滤液，加无氨水稀释至1 0 o o m l 。按 以上步骤进行测定。根据式( 2 7 ) 计算出校正吸光度a ，然后按a 的值 查标准曲线并计算总氮( 以n 0 。一n 计) 含量。 3 计算总氮含量以c ( m g l ) 表示，按下式计算。 ( 2 7 ) c ：竺 v ( 2 8 ) 式中：m 一一从标准曲线上查出的含氮量( ug ) ； v 一一测定用试样体积( r a l ) 。 1 6 l o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 第二章静态试验结果与讨论 第三章静态试验结果与讨论 3 1 曝气方式对a a d 工艺消化效果的影响 3 1 1 试验条件参数 从所查阅的文献”可知，a a d 工艺的交替缺、好氧时间没有一个 一致的说法，其选择的随意性较大。不同的曝气方式对污泥消化系统内 微生物菌群的生长存在一定的影响，故必须通过试验研究，考察曝气方 式对a a d 工艺消化效果的影响。 本试验根据以往文献的研究，确定4 个曝气方式方案( 如表3 - 1 所 示) ，分别考察不同的曝气方式对a a d 工艺消化效果的影响，并与c a d 工艺作比较，考察a a d 工艺的可行性。试验在3 0 ，污泥初始浓度为 1 2 7 3 1 2 9 4g l 的条件下运行。试验连续运行2 0 天。反应污泥的性 质如表3 2 所示。 表3 - 1 污泥缺氧好氧消化的曝气方式 表3 - 2 初始污泥的性质指标 ( t a b l e3 - 2 c h a r a c t e r so fi n i t i a ls l u d g e ) 1 7 妄奎三兰奎兰三兰堡圭兰竺鎏兰 3 1 2 试验结果与分析 3 1 2 1n l v s s 浓度的变化和去除效果在不同的曝气方式下，m l v s s 浓度的变化如图3 - i 所示，m l v s s 去除率的变化见表3 3 所示。 9 5 9 0 8 5 8 0 t5 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 02 4681 01 21 41 61 82 0 反应时自j ( d ) l + 略气方式i 一唯气方式2 i + 嗽气方式3 曝气方式4 l 二! ! 坐j 图3 - 1 各种曝气方式下污泥m l v s s 浓度的变化 ( f i g 3 - 1 v a r i a t i o no fm l v s sc o n c e n t r a t i o n u n d e rd i f f e r e n ta e r o b i cm a n n e r s ) 表3 - 3i l v s s 的去除率 (