（环境工程专业论文）超声波强化剩余污泥缺氧好氧消化的研究.pdf

摘要 摘要 利用超声波破解城市污水厂的剩余污泥，可以改变污泥特性，并使 污泥胞内外物质溶出进入水相，不但有利于溶出物作为微生物的底质实 现隐性生长，促进后续污泥消化速率，减少污泥固体量，而且会影响污 泥的脱水性能。本文利用低频( 2 8 k h z ) 槽式超声波清洗反应器，破解 广州市某城市污水厂的剩余污泥，研究超声波破解污泥沥出液的溶出机 制，并探索将剩余污泥破解后通过缺氧好氧消化工艺进行隐性生长对污 泥稳定化和减量化的促进作用。 试验结果表明，超声波对污泥起到显著的溶胞作用，污泥经超声破 解后，沥出液中s c o d 、t n 、t p 在短时间内等基本上呈线性增加趋势， 提高了污泥的可降解性能。从超声波促进污泥胞内外物质进入液相来看， 在相对较低的声能密度范围内，采用o 0 5 w m l 的声能密度较为理想，从 超声波在一定辐照时间内污泥状态及生物相来看，辐照2 0 m i n 不但可以起 到较好的溶胞作用，而且可以避免产生丝状菌膨胀，因此，采用0 0 5 w m l 的声能密度辐照2 0 m i n 将在经济性及破解效果方面取得较佳的平衡。 为了验证超声波的作用对污泥消化效果的影响，进行了三组污泥的 u s ( 超声波) 一a a d ( 缺氧好氧消化) 工艺2 0 天消化的对照试验，结果表 明，在相同的室内温度、相同的初始污泥条件、相同的缺氧好氧消化条 件下，每天对其中13 3 的污泥输入一次频率为2 8 k h z 、声能密度为 o 0 5 w m l 、辐照时间为2 0 m i n 的2 # 池子污泥的消化稳定化效果最好， 经过16 天的消化后，其v s s 去除率达到4 5 2 ，2 0 天的消化后去除率 达到5 0 3 5 ；而每天输入两次相当于2 # 池子一次能量输入的3 # 池子 次之，其l6 天后的v s s 去除率为3 8 6 9 ，2 0 天后的v s s 去除率为4 4 4 4 ；对比组1 # 池子最低，16 天消化的v s s 去除率为3 8 4 ，2 0 天消 化的v s s 去除率为4 0 5 3 。 为了进一步考察在低剂量超声波作用下u s a a d 工艺的消化效 果，通过在较佳的工艺条件下进行u s a a d 污泥消化工艺的扩大试验， 每三天辐照( 常温下，频率2 8 k h z ，声能密度0 0 5 w m l ，2 0 m i n ) 5 的 广东t 业大学t 学硕士学位论文 污泥量，经过16 天的消化，污泥中v s s 的平均去除率达到4 0 9 5 ，已 经能够满足城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l8 9 18 2 0 0 2 ) 中污 泥稳定化的要求。污泥经过2 0 天的消化之后，t s s 和v s s 的平均去除 率分别为3 0 4 和4 7 5 3 。通过对u s a a d 污泥消化系统一个消化 周期的考察，超声波的作用使得污泥中有机物迅速溶出，使得污泥的迅 速减量成为可能；而对污泥中有机物的去除减量作用主要发生在好氧段， 在好氧微生物的作用下，有机物不断被作为底物利用消化，使污泥中的 v s s 不断减少，从而实现了污泥的稳定化和减量化：而缺氧段则为污泥 提供了脱氮作用及稳定系统p h 值，保持系统稳定运行的作用，缺氧段 的反硝化作用，使污泥上清液中的t n 不至于不断累积。 关键词：超声波强化；污泥稳定；污泥消化；缺氧消化；好氧消化 i i a b s t r a c t a bs t r a c t u s eo fu l t r a s o u n dd i s i n t e g r a t i o nt h ew a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) o f u r b a ns e w a g ep l a n t ，c a nc h a n g et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e ，a n dt h e s u b s t a n c e si n s i d ea n do u t s i d eo ft h es l u d g ec e l l sd i s s o l u t i o ni n t ot h el i q u i d p h a s e ，i sc o n d u c t i v en o to n l yt h ed i s s o l u t i o no fm i c r o o r g a n i s m sa s o ft h e e n do ft h er e a l i z a t i o nofh i d d e ng r o w t h ，p r o m o t ef o l l o w - u ps l u d g ed i g e s t i o n r a t e ，r e d u c et h ea m o u n to fs o l i ds l u d g e ，b u tw i l la f f e c tt h ed e w a t e r a b i l i t yo f s l u d g e i nt h i sp a p e r ，t h el o w f r e q u e n c y ( 2 8k h z ) t r o u g hu l t r a s o n i cc l e a n i n g r e a c t o ri sa p p l i e dt od i s i n t e g r a t et h ew a sf r o mg u a n g z h o ul o i a ou r b a n s e w a g ep l a n t t h es o l u t i o nm e c h a n i s mo fr e l e a s e dl i q u i d f r o mu l t r a s o n i c w a sd i s i n t e g r a t i o ni ss t u d i e d ，a n dt h ep r o m o t i o na c t i o no fu l t r a s o n i c d i s i n t e g r a t i o nt os l u d g es t a b i l i z a t i o na n dr e d u c t i o ni nw a s a n o x i c a e r o b i c d i g e s t i o nt e c h n o l o g yo f h i d d e ng r o w t hi sr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eu l t r a s o u n dp l a y e ds i g n i g i c a n tr o l ei nt h e s l u d g ec e l ll y s i s ，t h es c o d ，t n ，t po fs u p e r n a t a n ta f t e ras h o r tp e r i o do f t i m eo fu l t r a s o n i cr a d i a t i o ni sb a s i c a l l yal i n e a rt r e n do fi n c r e a s e ，a n dt h e s l u d g eb i o d e g r a d a b l ep r o p e r t i e s i si m p r o v e d u l t r a s o n i cp r o m o t es l u d g e f r o mt h ec e l l u l a rm a t e r i a li n t ot h el i q u i di n s i d ea n do u t s i d e ，i nt h er e l a t i v e l y l o wd e n s i t yo ft h es o u n de n e r g y a0 0 5w m lo fs o u n de n e r g yd e n s i t yi s m o r ei d e a l s e e i n gf r o mt h es t a t eo fp a r t i c l e sa n db i o t ai nt h es l u d g ei na c e r t a i nt i m eo fu l t r a s o n i cr a d i a t i o n ，2 0m i n u t e so fi r r a d i a t i o nn o to n l yc a n p l a yab e t t e rr o l ei nt h ed i s s o l u t i o nc e l l ，b u ta v o i d af i l a m e n t o u se x p a n s i o n t h e r e f o r e ，a0 0 5w m lo fs o u n de n e r g yd e n s i t ya n d2 0m i n u t e sr a d i a t i o ni n t h ee c o n o m ya n dd i s i n t e g r a t i o nr e s u l t sa c h i e v e ds t r i k eab e t t e rb a l a n c e i no r d e rt ov e r i f yt h er o l eo fu l t r a s o u n do nt h ee f f e c t so fs l u d g e d i g e s t i o n ，t h et h r e ec o n t r o l l e dg r o u p so fs l u d g eu l t r a s o n i c - a n o x i c a e r o b i c d i g e s t i o n ( u s a a d ) p r o c e s sw a sd e s i g n e dt od i g e s t f o r2 0d a y s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t i nt h es a m er o o mt e m p e r a t u r e t h es a m ea st h e1 n i t i a l c o n d i t i o n so fs l u d g e ，t h es a m ea n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o nc o n d i t i o n s ，s l u d g e d i g e s t i o ns t a b i l i t yo fn o 2d i g e s t i v et a n k ( af r e q u e n c yo f2 8k h z ，o 0 5 w m lo fs o u n de n e r g yd e n s i t y 2 0m i n u t e so fi r r a d i a t i o nt i m ea n d1 3 3 o f t h es l u d g e ) w a st h eb e s t a f t e r16d a y so fd i g e s t i o n ，i t sv o l a t i l es u s p e n d s o l i d ( v s s ) r e m o v a lr a t er e a c h e d4 5 2p e r c e n t ，a f t e r2 0d a y so fd i g e s t i o n ， i i i t h ev s sr e m o v a lr a t er e a c h e d5 0 3 5p e r c e n t n o 3d i g e s t i v et a n kw a s f o l l o w e db yn o 2 i tw a se n t e r e dt w i c ed a i l ye q u i v a l e n te n e r g yo fn o 2 d i g e s t i v et a n k a f t e r16d a y so fd i g e s t i o nt h er e m o v a lr a t eo ft h ev s sw a s 3 8 6 9p e r c e n t a f t e r2 0d a y st h er e m o v a l r a t eo ft h ev s sw a s4 4 4 4p e r c e n t t h ec o m p a r i s o ng r o u pn o 1t a n kw a st h em i n i m u m a f t e r 16d a y so f d i g e s t i o nt h ev s sr e m o v a lr a t ew a s3 8 4 ，2 0d a y st h ev s sr e m o v a lr a t e w a s4 0 5 3p e r c e n t t of u r t h e rs t u d yt h ed i g e s t i v ee f f e c t so fl o w d o s eu l t r a s o u n du n d e r u s a a dd i g e s t i o np r o c e s s ，t h r o u g hb e t t e r t e c h n i c a lc o n d i t i o n su n d e r e x t e n s i o nt e s to ft h eu s - a a ds l u d g ed i g e s t i o np r o c e s s ，e v e r yt h r e ed a y s i r r a d i a t i o n ( a tr o o mt e m p e r a t u r e f r e q u e n c yo f 2 8k h z ，0 0 5w m l o fs o u n d e n e r g yd e n s i t y ，2 0 m i n u t e s ) 5 o ft h es l u d g e ，a f t e r 16d a y so fd i g e s t i o n ， t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fv s si nt h es l u d g er e a c h e d4 0 9 5p e r c e n t ，h a s b e e na b l et om e e tt h er e q u e s to nt h es l u d g es t a b i l i z a t i o no f “u r b a ns e w a g e t r e a t m e n tp l a n te m i s s i o n ss t a n d a r d s ( g b18 9 18 2 0 0 2 ) a f t e r2 0d a y so f s l u d g ed i g e s t i o n ，t h e a v e r a g er e m o v a l r a t eo ft s sa n dv s s ，w e r e r e s p e c t i v e l y3 0 4p e r c e n ta n d4 7 5 3 p e r c e n t i na ni n s p e c t i o no fac y c l e f 2 4 h o u r s ) d i g e s t i v ep e r i o d i nt h eu s - a a dp r o c e s s ，u l t r a s o n i cs l u d g e m a k e st h er o l eo fo r g a n i cm a t t e ri nt h er a p i dd i s s o l u t i o n ，w h i c hm a k e s s l u d g eq u i c k l yr e d u c t i o np o s s i b l e a n d t h er e m o v a la n dr e d u c t i o no f o r g a n i cc o m p o u n d si nt h es l u d g em a i n l yh a p p e n e di nt h ea e r o b i cp e r i o d t h r o u g ha e r o b i cm i c r o b e s ，o r g a n i cm a t t e rh a sc o n t i n u a l l yb e e nu s e d a sa s u b s t r a t et od i g e s t ，s ot h a tv s si nt h es l u d g ed e c l i n e ，t h u sa c h i e v i n gt h e s t a b i l i t va n dm i n i m i z a t i o no ft h es l u d g e a n da n o x i cd i g e s t i o no f t h es l u d g e i st op r o v i d et h es y s t e ms t a b l en i t r o g e na n dp hv a l u e ，a n d m a i n t a i nt h e s v s t e ms t a b l eo p e r a t i o n t h ed e n i t r i f i c a t i o ni nt h ea n o x i cp e r i o d ，m a k e st h e t ni nt h es u p e r n a t a n to ft h es l u d g es y s t e mi n a c c u m u l a t e k e yw o r d s ：u i t r a s o n i cw a v ei n t e n s i f i c a t i o n ；s l u d g es t a b i l i z a t i o n ；s l u d g e d i g e s t i o n ；a e r o b i cd i g e s t i o n ；a n o x i cd i g e s t i o n i v 独创性卢明 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已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：聿誓蓖蛹 6 3 指导教师签字： 扣洋 2 0 0 8 年5 月3 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 剩余污泥的产生及特性 1 1 1 剩余污泥的产生 水资源的再生利用将成为将来我国社会生活、生产能够正常、持续的 重要来源和保证。而水资源作为一种不可替代的可再生能源，其再生的主 要途径就是通过把受到污染的水集中起来，采取一定的工艺处理技术，把 水中的污染物质分离、去除，以达到消除污染、水体净化、水资源可再次 利用的目的。建设污水处理厂，将是消除水污染，使水资源的再生成为可 能的主要手段。 在城市生活污水处理中，应用最普遍、成熟的技术工艺是污水的生化 处理( 活性污泥法和生物膜法) 工艺，即通过大量的微生物的生命活动实 现对污染物的降解和去除，其实质是污水中呈胶体状态和溶解状态的可降 解有机污染物质被作为营养物质为微生物所摄取、代谢与利用，从而使污 水得到净化，净化后达标的上清液经消毒后排放或重复利用。同时，在处 理过程中，微生物因获得能量而合成新的细胞，使净化能力得以持续，因 此，在生物处理系统中，需要排出部分老化的污泥以维持恒定的活性生物 量，于是产生了剩余污泥。 可以认为，剩余污泥的产生，是污水中污染物从液相到固相或半固相 的转化，是污水处理的二次污染产物。在目前的工艺处理条件下，剩余污 泥的产生是必然的，但是从保护环境，消除污染物的角度来看，只有对污 泥也进行彻底的处理，才能真正消除污水带来的污染，否则，就只是实现 了污染物的转移。因此，对剩余污泥进行处理，也将是污水处理过后必然 要考虑的问题。 据2 0 0 1 年至2 0 0 6 年的调查统计，全国废水排放总量近几年来一直呈上 升趋势，但近年国家采取各种回用措施，废水的重复利用率有所提高，从 而使得废水排放总量的增长趋势有所减缓，其中生活污水的排放量基本上 以年5 8 的趋势增长。2 0 0 6 年，全国废水排放总量为5 3 6 8 亿吨，比上 年增加2 3 。其中，工业废水排放量2 4 0 2 亿吨，占废水排放总量的4 4 7 广东t 业大学t 学硕+ 学位论文 ，比上年减少1 1 ；城镇生活污水排放量2 9 6 6 亿吨，占废水排放总量 的5 5 3 ，比上年增加5 8 。目前，污水处理厂每年产生干污泥量5 4 0 万 吨，相当于1 8 亿立方含固率3 的浓缩污泥。以生活污水排放量每年增 长5 保守计算，到2 0 l0 年，我国的生活污水排放量将达到3 6 0 5 亿吨。根 据国家城市污水处理及污染防治技术政策，到2 0 10 年，全国设市城市和建 制镇的污水平均处理率不低于5 0 。 若2 0 1 0 年全国生活污水处理率达到5 0 ，以处理每万吨污水产生2 5 吨干污泥计算，则到2 0 1 0 年仅仅是生活污水处理厂所产生的干污泥就将达 至u 4 5 0 6 万吨，加上工业废水采用生化工艺处理部分产生的剩余污泥，预计 到2 0 1 0 年，我国干污泥产量至少将达到6 5 0 万吨年，相当于2 1 7 亿立方米 含水率9 7 的浓缩污泥，则一年产生的污泥堆放1 米高度需占用土地3 2 5 万亩。如果加上历史欠的旧账，实际的数量还要远远大于此估计。如此数 量庞大的污泥阵容，若找不到合适的去处，将对我国的土地环境、水体环 境、生态环境造成极为严重的影响。 由于污泥处理费用约占污水处理厂总运行和总投资费用的比例很 高，分别约为2 0 4 0 和3 0 4 0 ，有的甚至高达5 0 以上【2 1 。因此，一 直以来，在我国普遍存在重废水、污水处理，轻污泥处理的倾向，污泥 无害化处理率非常低，在全国现有污水处理工程中，有污泥稳定化、无 害化处理设施的还不到1 4 ，且由于费用昂贵，正常运营的更少。即使是 在北京和上海，污泥处理率也仅为2 0 2 5 。近年来，随着国家对城 镇污水处理率和处理深度的要求不断提高，污泥产量也将随之大增，污 泥的污染隐患将日益凸显。近年来，由于产生的污泥数量太大、含水率 高难以堆积而被垃圾填埋场拒收，加上历史欠债过多，无路可去的污泥 已经成为污水处理厂最头痛的问题，能否对污泥进行有效、经济的处理 处置已成为了制约行业发展的瓶颈问题。 1 1 2 剩余污泥的特性和组成 剩余污泥按照来源可以分为生活污水污泥、工业废水污泥和给水污 泥。污水处理厂剩余污泥是污水处理过程中产生的高含水率的固体废弃 物，主要为沉淀污泥和活性污泥的混合污泥，含有大量的有机物、氮、磷、 2 第章绪论 病原菌、寄生虫( 卵) 、铜、锌、铬、汞等重金属，盐类以及多氯联苯、 二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物。活性污泥中有机物含量高达 6 0 7 0 ，容易腐败及产生恶臭。可见，剩余污泥具有高含水率、体积庞 大，有机物含量高、易腐败、毒害性、流变性、不适宜填埋，处理投资运 行成本高等特点，这使得污泥对周围环境、人类和动物健康都可能造成重 大的危害，并给污泥的处理处置带来一定的难度。 剩余污泥主要由悬浮的活性污泥絮体构成，而絮体是由大量的分散微 生物细菌通过胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 、有机 纤维、菌胶团、丝状菌和二价阳离子和其他细颗粒架桥而组成。其中，e p s 被认为是决定污泥絮凝体物理化学性质和生物性质的关键物质【3 】。e p s 是 微生物在一定环境条件下，在其代谢过程中分泌的包围在微生物细胞壁外 的多聚化合物，是细菌和其它微生物产生的用于自我保护和相互粘附的天 然有机物，其分子量通常在l0 0 0 0 以上，包括荚膜、粘液层、及其他表面 物质，其有机部分主要由多聚糖、蛋白质和少量d n a 、脂肪和腐质酸组成， 其无机部分约占总量的10 2 0 【5 】。e p s 是活性污泥絮体中仅次于微生物 和水的主要组成之一，占活性污泥总有机物的比例在5 0 9 0 之间【6 】，絮体 中总的e p s 质量占活性污泥质量的8 0 左右【7 t s 】e p s 中的主要有机成分糖类 和蛋白质等具有高度亲水性，可以吸收吸附水分，使得污泥与水的亲和力 极强，通常污泥的含水率在9 6 9 9 ，脱水后污泥含水率约为7 8 - 8 0 。在 污泥干燥的研究过程中发现，污泥中所含水分可分为自由水、间隙水、表 面水和化学结合水。自由水是指不直接与污泥结合，也不受污泥颗粒影响 的那部分水，污泥中大部分水以自由水的形态存在。空隙水、表面水和化 学结合水统称为结合水，是与污泥絮体颗粒发生某种作用，附着在颗粒表 面或挟持在颗粒中的水分。污泥的脱水性能主要受结合水的影响，这部分 水往往难以为压滤、离心等机械作用所破坏，使得污泥比阻高，脱水性能 差，需要通过一定的处理技术来使其存在形态发生变化并释放出来，以加 强脱水性能。 e p s 含量的变化除了与细胞本身的新陈代谢密切相关之外，还与污泥 絮体环境中的营养物质水平有关1 9 。在污泥系统中，e p s 可以被处于饥饿 状态的它们自己的产生者和其他微生物生物降解。如果微生物处于高度的 广东工业大学工学硕士学位论文 饥饿状态，微生物可能要更长的时间来适应新的营养环境，这时e p s 可以 用来作为有机底物，其碳水化合物被利用的速率比蛋白质快 t o , 1 1 l 。 e p s 可能由细菌产生，可能为水解产物，或是从废水中吸附的离子， 也可能来自被吸附在絮体上的废水中的有机物，具有重要的生理功能，不 仅对污水中金属离子的去除有贡献 i o l ，而且对污泥的絮凝性能、沉降性能、 脱水性能和对重金属的吸附性能都有很重要的影响和作用【1 2 1 4 l 。 1 2 剩余污泥的出路及本课题的提出 1 2 1 目前污泥的普遍出路 传统的污泥处理处置方式有填埋、焚烧、弃海、农用等，这些污泥处 理处置方式因其需占用大量的土地，产生水体、大气、土壤的二次污染以 及预处理成本高等而越来越受到限制。在欧洲，含有可生物降解有机物的 固体废弃物不允许填埋，丹麦、瑞士、德国等国已先后实施了该项禁令。 欧盟于19 9 9 年公布了固体废弃物土地填埋法令( 于2 0 0 6 年起实施) ，要求所 有欧洲国家用于土地填埋的固体废弃物中有机物含量必须逐年递减，其中 污水厂污泥也是该法令规定的固体废弃物种类之一。填埋工艺不仅受到填 埋场所的限制，而且产生的气体和渗滤液对环境影响较大，目前在我国已 经有越来越多的垃圾填埋场拒绝再接纳剩余污泥的填埋处置。随着1 9 9 8 年 1 2 月3 1 日禁止污泥海洋处置法规的生效，欧盟全部的污水厂污泥均须在陆 上进行处置 15 1 。由于受多方面因素的限制，农用所占比例出现了小幅度下 降，填埋所占份额则大幅度削减，而焚烧所占份额急增。从污泥减量最大 化和稳定化的角度来看，焚烧应该是最好的方式，但是焚烧的投资运行成 本过高，且产生的二次污染气体对周围环境的影响非常大，以至于近年来 有些国家也开始限制焚烧炉的建设。 目前，随着污泥问题的突显，国内外对污泥处理处置的研究有所加 强，主要致力于污泥资源化利用和减量化方面。资源化利用技术主要有 污泥制砖、制烟气脱硫吸附材料、园林利用、农用、作锅炉燃料、作造 纸材料等，减量化方面主要有污泥解偶联、臭氧氧化、微型动物捕食、 污泥破解生物消化等。 4 第一。章绪论 但是，随着污泥量的迅猛增加，如果单纯站在资源化和重复利用的 角度去处理处置，往往只能是污染物质在液态、固态和气态之间的转化， 其污染影响将随着污泥产量的增加而扩大，不能真正实现环保的要求。 因此，面对污泥难题，应将污泥管理的重心前移到“源头控制”、 “源 头分流 i ，6 1 ，污泥处理应当首先考虑以污泥体积上的减量化为主，在此 基础上辅以对有机成分进行处理的“稳定化 和减小其造成二次危害的 “无害化”，对其进行利用的“资源化 ，最后才考虑末端处置，这样 才能真正解决污泥难题。 1 2 2 污泥的减量化技术 1 2 2 1 从源头进行减量 要实现污泥的减量化，首先应该考虑通过采取不产生剩余污泥或少产 生剩余污泥的污水处理技术来从源头实现污泥的减量化，如采用膜生物反 应器工艺技术、新型多孔微生物载体废水处理技术、解偶联与活性污泥联 合工艺技术0 7 1 、臭氧与污泥联合工艺技术等。随着污泥问题的凸显及污水 处理技术的不断发展，采取无污泥产生的污水处理技术将成为未来污水处 理的热点。 ( 1 ) 膜生物反应器工艺技术( m b r ) 生物膜技术实质上是微生物固 定化技术，它是将微生物细胞固定在载体( 即填料) 上，在其上生长繁殖， 最后形成膜状生物污泥。m b r 技术就是以膜组件作为取代二沉池的泥水分 离单元设备，并与生物反应器组合构成的一种污水生物处理装置。该技术 具有微生物浓度高、截留率高和污泥停留时间长等特点，不仅可以使高负 荷率的污泥得到处理，而且污泥可以完全被截留并由生物降解，碳的去除 率可达到9 0 以上 is 1 。该技术的主要难题是膜的易堵塞、污染和膜材料的 高成本问题。 ( 2 ) 新型多孔微生物载体废水处理技术该技术是使用一定尺寸的多 孔微生物载体，在流动状态下将污泥微生物捕获，从而延长污泥泥龄。在 一种推流式固定床反应器中使用多孔微生物载体和间隔曝气装置，当废水 和其中的悬浮固体混合液流经固定床时，悬浮污泥由于流速差产生的颗粒 捕获原理被收集在多孔微生物载体内部，载体内部的环境由好氧变为厌 广东工业大学工学硕士学位论文 氧，污泥在多孔载体的内部逐渐被浓缩、消化，最终消化液由于曝气流出 载体，载体内变空后又有悬浮污泥进入。因此在载体和水平流动方向上， 形成好氧一厌氧高度发达的微生物协同作用，废水中的有机物和悬浮固体 有机物( 包括剩余污泥) 被完全分解，最终被转化成无害气体和水，从而 几乎没有剩余污泥产生。这种方法不需要污泥回流，操作简单，b o d 和s s 去除率高，反应器没有发生污泥的溢流，污泥几乎全部降解。但是这种方 法对于磷的去除效果不佳，而且目前对于这种好氧一厌氧反复耦合的机理 及其关键工艺了解甚少，需要进一步地深入研究 t g l 。 ( 3 ) 解偶联与活性污泥联合工艺技术通过在活性污泥系统中添加解 偶联剂来影响a t p 的合成，使a t p 在分解代谢中的产生速率大于其在合成 代谢中的消耗速率，实现减少生物体的产生量。一般情况下，微生物的合 成代谢通过呼吸( 速率控制) 与底物的分解代谢进行偶联，当呼吸控制不存 在，生物合成速率成为速率控制因素时，解偶联新陈代谢就会发生，并且 在微生物新陈代谢过程中产生的剩余能量没有被用来合成生物体，这种现 象称为解偶联生长 2 0 1 。解偶联剂通过和h + 结合使h + 能顺利跨过膜( 解偶联 剂成为h + 的载体) ，降低了质子梯度，使质子梯度不足以驱动a t p 合成酶合 成a t p ，从而使得活性污泥系统中污泥的产生量得到减少。美国菲尼克斯 和亚利桑那的2 个污水处理厂添加了一种化学解偶联剂，已成功地运用解 偶联代谢来降低污泥量 z h 。该法的主要问题是解偶联剂的作用机理及其对 周围环境的影响尚不完全清楚。 ( 4 ) 臭氧与污泥联合工艺技术臭氧与污泥联合技术是在常规活性污 泥工艺中，增加臭氧处理装置，把部分回流污泥引入臭氧处理器中，利用 臭氧的强氧化性，与污泥中的化合物发生直接或间接反应，破坏细胞壁， 释放出细胞质，同时也将不溶于水的大分子物质分解成溶于水的小分子片 断，经过臭氧处理后的污泥再返回到曝气池中，为污泥所利用，从而达到 污水处理和不产生剩余污泥的双重功效1 2 2 。但是，臭氧的氧化作用并不具 有选择性，在反应器中如与其他一些还原性物质反应，将降低活性污泥的 氧化效率，使些难降解有机物随出水流出，从而使得出水中固体悬浮物 的浓度高于传统的活性污泥工艺，而且该工艺技术对氮、磷的去除效果不 好，无污泥排放时，污泥中重金属含量比c a s 高。 6 第章绪论 1 2 2 2 从末端进行减量 污泥从末端进行减量即是采取一定的工艺技术对已经产生的污泥进 行处理，使其减量化，主要有污泥破解与消化的联合技术和微型动物捕食 法。 污泥破解与消化联合减量技术的实质是污泥溶胞消化技术，是指利用 机械、化学、热化学、生物氧化等方法，对湿污泥絮体进行破碎分解，促 进微生物细胞溶解，使生物体中的胞外聚合物及有机碳释放出来，作为微 生物的底物为微生物所摄取、利用、消化，即微生物利用污泥中微生物自 身细胞的溶解产物进行隐性生长，从而实现污泥的减量。污泥的破解技术 主要有超声波破解法、化学氧化破解法及其各种联合破解技术。 超声波破解法主要是利用声波的能量，在污泥系统中产生各种极端 反应，引发机械剪切、声化学、热效应，从而起到以下效果：( 1 ) 提高 污泥活性，促进污泥隐性生长；( 2 ) 破坏污泥的结构，使污泥中的e p s 得到破解，从而污泥中的可降解物质溶解出来进入水相，易于被微生物 自身所消化，使污泥的可降解性得到提高；( 3 ) 提高污泥脱水性能和沉 降性能；( 4 ) 缩短污泥消化时间，减少处理池容；( 5 ) 抑制丝状菌的 生长。 化学氧化破解法包括热解法、加氯氧化法、臭氧氧化法、湿式氧化 法、酸碱破解法及各种联合破解法等。热解法是用加热的方法使污泥温 度提高，破坏污泥微生物机体基本组成物质，如蛋白质、脂肪等，在高 温下，蛋白质会变性，细胞质膜的脂肪受热也会溶解使膜产生小孔，引 起细胞内含物泄露，从而达到污泥破解目的。加氯破解法、臭氧氧化法 及湿式氧化法等则是利用氯气、臭氧等氧化剂的强氧化性，将部分污泥 氧化为二氧化碳、水及其他小分子物质，同时，一部分污泥溶解为生物 可降解性的物质，从而实现污泥破解和减量的目的。使用热解法破解污 泥时，易造成反应器腐蚀，而且产生的臭气需要进行处理，处理量较大 时，均匀加热较困难。使用氯气进行氧化，由于氯气易与水中的某些物 质反应生成三卤甲烷后，后续的处理需要考虑能保证把这部分物质去除， 另外，经过氯气氧化后污泥的沉降性能变差。臭氧氧化法则操作控制比 较复杂。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 加酶破解法是通过加入的优势菌在适宜条件下分泌的活性胞外酶( 主 要为蛋白酶和淀粉酶) 的生物溶胞作用( c e l l l y s i s ) 而实现对污泥的短时、高 效溶解，这些酶具有高度的生物活性，能破坏污泥胶团结构使之解聚并溶 解污泥微生物细胞的细胞膜和细胞壁，使污泥t c o d ( 含长链蛋白质、淀粉 和脂肪等) 转变为s c o d 。郑雪松等【：s 】分别采用酶法、化学法、珠磨匀浆法 和反复冻融法对活性污泥样品进行破壁，提取总d n a ，结果表明，酶法的 提取效果仅次于优势最明显的化学法。利用酶法破解污泥具有生化催化专 一性、经济、高效、安全、能耗低、易于控制等优点。目前，对该法的研 究较多的是对新型嗜热酶溶解( s t e ) 技术的研究，该技术仍待解决的问题 有：( 1 ) 优势泌酶嗜热菌的筛选和1 6 sr r n a 基因鉴定及其产酶的不确定 性分析；( 2 ) 胞外酶溶解的分子动力学机理研究，以及异质污泥溶解过 程中影响因素的深入探讨和优化；( 3 ) 后续减量系统有关参数的优化与 控制 2 4 1 。 利用微型动物对污泥进行捕食的方法在近年来也引起了不少关注 2 5 - 3 0 1 。向迎洪等 3 h 用驯化过的蚯蚓进行处理污水厂的剩余污泥实验，结果 表明采用人工养殖蚯蚓的方式处理剩余污泥是可行的，只要饵料配制和饲 养管理恰当，无论是蚯蚓的生长还是繁殖都很正常，尤其是发酵后的污泥 的处理效果更为理想。 吴敏等t 3 2 利用蚯蚓等微型动物和微生物组成的人工生态系统对剩余 污泥进行了为期半年的脱水和稳定处理，结果表明：( 1 ) 蚯蚓生态系统 集浓缩、调理、脱水、稳定、处置和综合利用等多种功能于一身，蚯蚓等 微型动物和微生物将污泥作为生长营养源，对其进行分解和吸收，剩余污 泥经蚯蚓污泥稳定床处理后，可全部被生态系统吸收利用和转化，使污泥 得到减量；( 2 ) 利用蚯蚓进行污泥处理具有流程简单、管理方便、无二 次污染、造价和运行费用低廉、副产物具有经济利用价值等特点。这种方 法为中小型污水处理厂( 1 万t d ) 剩余污泥的处理提供了一条可行的生态利 用处置途径。但是利用该法处理污泥需要注意蚯蚓等微型动物的去向问题 以及在蚯蚓的药用和处理过程中，污泥中重金属的转移和积累问题，在目 前来说，只能应用于较小型污水厂的污泥处理。 8 第一章绪论 1 2 3 本课题的提出、研究内容及技术路线 1 2 3 1 本课题的提出 可以说，剩余活性污泥高效低耗的减量化、资源化、无害化处理， 已成为城市污水处理厂目前最急需解决的问题。 污泥生物减量化处理中，大中型污水处理厂大多采用厌氧消化的方法 进行处理，其处理过程中产生的沼气可以作为二次能源使用，因而比较适 合于产生大量污泥和同步设置甲烷发电利用装置的大型污水处理厂。而对 于中小型的污水处理厂来说，引进甲烷利用装置成本过高，采用厌氧消化 处理污泥产生的甲烷不能得到有效利用，反而成了二次污染。因此，污泥 好氧消化因其具有基建投资少、处理效率高、运行管理方便、运行费用较 低、最终产物无臭以及上清液b o d 5 浓度低等优点而在中小型水厂中应用 越来越广泛。美国、日本、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，可见污泥好氧消 化工艺有着巨大的发展潜力。但是该方法能耗较高，且在消化过程中p h 不断下降，影响好氧消化效果。于是，污泥的缺氧好氧消化工艺 ( a n o x i c a e r o b i cd i g e s t i o n ，a a d ) 因为能够解决这两个问题而得到发展， 对污泥a a d 工艺的进一步研究将有助于改善我国大量中、小型污水处理 厂污泥处理困难的局面。 我国现有大量分散的中小型污水厂，其污泥大部分未能得到妥善处 理处置，大多采用浓缩脱水后处置的方式进行，不但占用大量的土地， 而且很可能因为未能得到妥善的预处理而把污染转移到土壤中，造成二 次污染。另外，随着国家对环保重视程度的增加，中小型污水厂的建设 将会增加。因此，研究中小型污水处理厂的污泥处理技术具有重大的现 实意义。 超声波由于在细胞破碎方面具有高效、稳定、清洁、安全等优点，在 近年来的污泥预处理方面得到越来越多的研究。从国外对超声波处理污泥 的研究来看，主要着重于超声波对污泥厌氧消化的促进方面，这是因为厌 氧消化对处理大量污泥效果明显，节能，而且能产生甲烷等可供利用的能 9 广东一r = 业大学| 下学硕士学位论文 源，而超声波放在厌氧消化之前作为预处理工艺，将促进后续的厌氧消化 过程，可以缩短污泥厌氧消化时间，减小污泥池容，在实现污泥减量化的 同时，也增加了产气量。随着对超声波处理污泥研究的展开，超声波强化 污泥好氧消化也不断得到研究。虽然把其应用于污泥a a d 消化工艺目前 尚未见有关报道，但是超声波在污泥破解方面的性能和优点已为国内外的 研究所证实，从其对污泥破解机理和污泥厌氧及好氧消化的促进作用来 看，超声波应用于污泥a a d 消化是可行的，只是其最优工艺和运行参数 尚需要进一步研究。 本课题研究正是立足于解决中小型污水厂污泥处理的困难问题，在 污泥a a d 消化工艺的有关研究的基础上，探讨把超声波介入污泥a a d 消化工艺中对污泥减量化和稳定化的影响效果，旨在寻求一种处理成本 低、运行效果好、消化周期短、操作简单、易于管理的剩余污泥减量化 工艺。其研究和应用将为中小型污水厂污泥的稳定化、减量化和污泥污 染的消除提供一条更为实用、可靠、经济的途径。 1 2 3 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 超声波对剩余污泥中有机物质的溶出效应研究； ( 2 ) 超声波强度、声能密度、超声时间等因素对剩余污泥影响研究； ( 3 ) 进一步分析超声波对污泥的破解机理； ( 4 ) 超声波对污泥缺氧好氧消化的强化初步试验研究； ( 5 ) 扩大比例，进行超声波强化污泥缺氧好氧消化效果研究。 1 2 3 3 本课题研究的技术路线 ( 1 ) 在不同的超声声能密度、不同的超声辐照时间序列下，研究超 声波作用下污泥温度，污泥上清液中s c o d 、t n 、t p 、p h 值等的变化； ( 2 ) 采用相同的声强、声能密度，在不同的超声波辐照时间下观察 污泥絮体、污泥颗粒、污泥中生物相的变化； ( 3 ) 通过超声破解污