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第27卷第3期环境科技V01．27No．32014年6月EnvironmentalScienceandTechnologyJun．2014污水处理厂内碳源利用的研究肖思海。汪莉(1．徐州市环境监测中心站，江苏徐州221006；2．徐州核瑞环保投资有限公司，江苏徐州221004)摘要：利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生的高浓度有机酸作为系统内碳源，在解决进水碳源不足的同时实现污泥的减量，系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的资源化利用。确定了碱解的最佳pH值为1O、碱解最佳的发酵时间为3d时，同时保证剩余污泥具有较高的污泥浓度时得到的水解酸化液体中富舍的VFA较多，完全可以替代外加碳源。结合荆马河污水处理厂运行实践，分析剩余污泥碱解发酵上清液作为污水厂内碳源的可行性关键词：剩余污泥；碱解；厌氧水解酸化；上清液；反硝化脱氮中图分类号：X7文献标识码：A文章编号：1674—4829(2014)03—0020—04ExperimentandResearchofCarbonSourceUtilizationofSewageTreatmentPlantXIAOSi-hai，WANGLi(1．XuzhouEnvironmentalMonitoringCenterStation，Xuzhou221006，China；2．XuzhouhemiEnvironmentalProtectionInvestmentCo．，Ltd．，Xuzhou221004，China)Abstract：Sludgecontaininghighconcentrationsoforganicacidproductionintheanaerobichydrolysisacidificationphasewasusedasthecarbonsourceinthesystemtoalleviatethelackofcarbonsourceintheinletwaterandreductionofsludge．Theuseofcarbonsourceinthesystemhadalsorealizedtheresourceutilizationforresidualsludge．WhenthealkalinepHsolutionwas10，fermentationtimewas3d，meanwhileensuringahighconcentrationoftheresidualsludge，theconcentrationofVFAWashigherinthehydrolysisacidificationliquid，whichwasasufficientsubstitutefortheexternalcarbonsource．CombinedwiththeoperationpracticeofJingmaRiverSewageTreatmentPlant，thefeasibilityofusingresidualsludgealkalinefermentationsupernatantascarbonsourcesinsewageplantWasanalyzed．Keywords：Residualsludge；Alkalinehydrolysis；Hydrolysisacidification；Supernatant；Denitrification．0引言问题。通过调研，对国内相关科研院所及大学实验室在内碳源研究的情况圆有一定的了解，利用剩余污泥随着我国水污染治理工作不断深入，强化污水在厌氧水解酸化阶段产生的含高浓度碳源，作为系厂的脱氮除磷效果．执行更加严格的排放标准。是未统补充碳源．在解决碳源不足问题的同时可实现污来我国改善水环境的必然选择。国内多数执行一级A泥的减量，系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的标准的污水厂运行中主要难题是TN达标困难，其主资源化利用。要原因是进水碳源不足，尤其是可降解的溶解性有对此。结合一些关于污泥碱解发酵的研究结果，机物不足，直接影响了生物除磷效果及对TN的去除就剩余污泥碱解发酵上清液的制备环境与方法以及率【lJ。为了满足达标排放往往不得不考虑采用外加碳上清液作为荆马河污水处理厂内碳源的可行性进行源的方式，强化反硝化，实现对TN的去除，而投加外分析。碳源会大大增加污水处理厂运行费用。以荆马河污水处理厂二期工程为例。2012年投加醋酸钠的费用，1反硝化脱氮与厌氧水解酸化的基本原理达到污水处理厂总药剂费用的70％。寻找性价比高1．1反硝化脱氮的原理的碳源．降低运行费用。是荆马河污水厂急需解决的废水生物脱氮处理过程是：在好氧条件下。通过好氧硝化菌的作用，将废水中的NH，一N氧化为收稿日期：2014—3—22修回日期：2014—04—21NO-_N或NO-_N，然后在缺氧条件下，利用反硝化作者简介：肖思海(1969一)，男，江苏沛县人，本科，高级工程师。主要菌将NO2--N和NO3--N还原为N2，从废水中逸出。反从事环境监测和科研工作。\n第27卷第3期肖思海等污水处理厂内碳源利用的研究2l硝化原理是：反硝化菌利用有机物作为电子供体，酸化则是一类典型的发酵过程。这一阶段的基本特NO2--N或NO3--N作为电子受体，进行缺氧呼吸，将征是微生物代谢产物主要为各种有机酸(如乙酸、丙NO3--N和NO2--N还原成N2。反硝化过程受DO、温酸、丁酸等)。污泥厌氧发酵产生的短链脂肪酸(特别度、pH值、碱度以及微生物抑制物的存在等环境条件是乙酸和丙酸)被认为是强化生物脱氮除磷过程中的影响．而反硝化过程的进行和反硝化速率更大程最易于利用的碳源。度上取决于碳源的种类；尤其是适宜的碳氮比，是保2剩余污泥发酵方案的确定证有效反硝化反应的必要条件。反硝化是生物脱氮工艺去除TN的关键环节，而一般认为污泥厌氧发酵过程中不溶性有机物和碳源的充足与否将决定缺氧对NO3--N的去除效率。高分子有机物(如脂肪、多糖、蛋白质和核酸)水解为反硝化速率的快慢与碳源的浓度和种类有关。酸化溶解性有机物(如氨基酸和脂肪酸)的过程是污泥厌液中含有较多易降解的小分子有机物，是生物反硝氧发酵的限制性步骤。热、化学、热一碱、超声波等多化的有效碳源。种预处理方法，都可促进污泥水解酸化，有利于后续反硝化是一个耗碳、产生碱度同时去除NO3--N的厌氧消化。过程，理论上还原1mg的NO3-N需要消耗8．67mg的碱处理是通过调节pH值对污泥进行处理的化易降解COD【。学法。pH值是影响污泥厌氧水解酸化效果的重要因1．2厌氧水解酸化机理素之一。研究表明，在碱性(pH值为9．0，10．0，11．O)条厌氧消化是在厌氧条件下，利用兼性菌及专性件下，溶解性化学需氧量(SCOD)和挥发性脂肪酸厌氧菌，使有机物经液化、气化而分解成稳定物质的(VFA)溶出量都明显增多，碱性条件下的污泥厌氧发过程。厌氧消化分为3个阶段。第1阶段是在水解与酵效果较好，且pH值为l0．0条件下没有CH产生，发酵菌作用下．使碳水化合物、蛋白质、脂肪水解与会积累更多的有机酸。发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及CO，H影响水解速度与水解程度的主要因素包括有机等；第2阶段是在产氢产酸菌的作用下，将第1阶段质颗粒的大小、pH值、温度以及有机质的组成等。的产物转化成H，CO和乙酸；第3阶段是甲烷化过实验结果表明碱解发酵后剩余污泥絮体逐步破程，即通过产甲烷菌的作用，生成CH。解，溶解程度加强，较利于水解产酸。污泥的厌氧水解酸化是控制反应条件．使污泥2．1试验材料及方法的厌氧消化仅进行到第2阶段。类似于2相厌氧消2．1．1剩余污泥及性质化中的产酸相。在废水生物处理中，水解指的是有机剩余污泥取自荆马河污水处理厂AJO工艺剩余物(基质)进入细胞前，在胞外进行的生物化学反应。污泥储存池，剩余污泥的性质见表1。表1徐州荆马河污水处理厂污泥初始性质由表1可知，剩余污泥中的无机物含量比较高，左右。这就加大了利用剩余污泥发酵产酸的难度，因为从2．2．2剩余污泥的碱解发酵的实验装置传统意义来说。有机物高的剩余污泥发酵可以产生进行剩余污泥碱解发酵的实验装置采用1000相当量大的VFA。mL的烧杯作为反应器，密封，使发酵体处于厌氧状2．2剩余污泥的碱解发酵态，为防止污泥沉淀，增加了磁力搅拌装置，保持污2．2．1水解酸化液的制备与预处理泥处于完全混合状态。搅拌速度为200～350r／min，常用的碱性药剂为NaOH和Ca(OH)~。从经济效在反应器内进行短期水解。益上来看．选择NaOH作为水解酸化液的预处理药2．2-3分析项目及方法剂。取剩余污泥，p(MLSS)为10000mg／L以上，用NaOH实验的分析项目及采用方法见表2。将污泥的pH值调至1O．0，其质量浓度为500mg／L\n22环绣技2014年6月表2分析项目及方法同济大学实验室对TOC的分析与荆马河污水厂的实验室对COD的分析数据都表明：碱解发酵的发酵效果要明显好于常规发酵。3．1．2确定最佳反应时间为确定荆马河污水处理厂的剩余污泥最佳发酵时间，将最佳发酵时间在3d与6d之间进行比较，通过多组反复实验得出，碱解发酵时间定在3d发酵液中COD的含量较高。有研究表明．进入反应器的污泥在反应器内的3实验结果及分析平均停留时间(HRT)升高到12h时。VFA的浓度和产率都逐渐升高．当HRT为15h时．乙酸和丙酸为3．1剩余污泥的碱解发酵条件对比实验主要的VFA。不同时间段内碱解发酵的效果见表4。3．1．1碱解厌氧发酵与常规发酵的对比实验表4不同时间段内碱解发酵COD的质量浓度mg·在厌氧条件下，当pH值调为碱性时，可使污泥中的生物易降解有机物的80％以上转化为可溶性COD，可溶性COD中又有约67％转化为有机酸．有机酸的产量是不调pH值时的4倍左右。以下实验数据中均以COD的量来推算发酵液中VFA的含量。参考同济大学实验室数据，将荆马河污水厂的剩3．1．3确定合适的污泥浓度余污泥按照2种发酵方式观察TOC的变化情况。见图污泥中的有机组分主要以固态形式存在于微生1。从图l很容易看出碱性发酵产生的有机物远远大于物细胞和胞外聚合物中。这些物质通过水解成为小常规发酵。对于碱性发酵，．第l3d，TOC呈线性增分子可溶性物质，增加了污泥液相中SCOD的浓度。加：第2阶段为第2～8d，TOC变化呈现Monod曲线有研究表明，污泥质量浓度为15000mg／L时。同时型；第3阶段为第8天后，TOC又有所增7jI[4~。具有较高的SCOD溶出量和溶出率。25oo对此，通过多组反复试验．不同污泥浓度的剩余20o0污泥厌氧发酵后的各项指标情况见表5。由表5可知，COD，NH一N．TP浓度随MLSS浓度的增加呈上l50o升趋势。表5不同浓度的剩余污泥厌氧发酵后的指标mg·10005000抛3．2反硝化对比实验图12种发酵方式下TOC的变化情况在此基础上．通过多组试验得出对比数据见表3．2．1反硝化实验数据酸化液中的有机碳在反硝化过程中可以分为易3，碱解发酵3d后产生的COD的含量要明显高于常规发酵。被反硝化菌利用的有机碳和难被反硝化利用的有机表3不同发酵方式下COD的质量浓度分析mg·L-碳，酸化液投加量越大，易于被反硝化菌利用的有机碳含量就越多。对不同类型的碳源进行分析．确定在同等COD含量下，进行2组反硝化对比试验。对比醋酸钠作为碳源时反应器内NO3--N的去除率，上清液作为碳\n第27卷第3期肖思海等污水处理厂内碳源利用的研究源时反硝化发酵液的NO3---N的去除率稍低，在35％SCOD的变化以及NH，一N、正磷酸盐的释放情况，可左右。但是，从费用上分析，在上清液的COD含量达到知在碱解的最佳pH值设为10，最佳的发酵时间设较高数值时将反硝化发酵液作为碳源经济利益较好[51。为3d，同时保证剩余污泥具有较高的污泥浓度时得到的水解酸化液体中富含的VFA较多，适合作为内4经济效益分析碳源使用。4．1碳源分析(2)利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生含4．1．1醋酸钠的用量及费用高浓度碳源的上清液作为系统补充碳源，替代了外根据荆马河二期工程运行情况计算，目前日均碳源的投加，在解决碳源不足问题的同时实现污泥处理水量3．5万t，进水p(COD)为150～200mg／L，的减量．系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的资p(NH3-N)为25～30mg／L，p(rN)为35—40mg／L，未加源化利用。碳源时出水p(TN)约为17mg／L，需要去除2—3mg／L(3)从经济效益上分析，使用剩余污泥碱解发酵左右的NO3--N才能保证出水TN达标。所需要投加后可以减少购买醋酸钠的费用．但同时也会增加碱的醋酸钠为1t／d，1t醋酸钠的COD质量浓度约为性药剂的费用。单纯从去除TN的经济效益分析中可450000mg／L，费用为2300元／t。以看出，按荆马河污水厂二期运行状况计算，1年可每日购置醋酸钠所需费用：M=2300元。以节省约70万元的药剂费用。4．1．2发酵液的用量及费用5．2建议(1)碱性药剂的用量及费用(1)实际污水处理工艺中，脱氮和除磷是密切联采用发酵实验数据中COD质量浓度为1040系的。研究结果表明上清液回用引入P对系统TP的mg／L的发酵液作为分析对象，计算得出：去除影响较大，当P发生积累时，也可能影响到脱要达到出水达标排放所需要的发酵液的用量为氮。建议在进一步研究中，在污水处理工艺中增加除Q=432．7T。磷阶段。按照NaOH单价为600元／t。计算得出：(2)由于采用反应器小试试验与实际处理工艺每日购置NaOH所需费用：=I29．8元。存在一定的差距，建议上清液回用试验可进行更大(2)运行电耗规模的试验研究，以提供接近于实际情况的数据，也按照设置1台4kW的推流器计算。每日的电费有助于更为精确的确定发酵池的建造规模及运行动为M自=80元。力设备的选型。(3)其他费用(3)在碱解药剂的分析上仅对工业碱NaOH进由于此次实验属于反应器小试试验，无法精确行了分析，为达到降低生产成本、节约能耗的目的，计算出发酵池的容积。所以暂不计算发酵池建设投建议寻找性价比更高的碱性药剂．如生产废液、废料资与运行动力设备投资。作为碱解的药剂。(4)发酵液的总费用(仅药剂与电力费用)[参考文献]M=209．8元醋酸钠与发酵液的经济效益分析见表6。[1】马启翔，杨建军，卢立栋．渭河流域陕西段城镇污水处理厂提标表6醋酸钠与发酵液的经济效益分析改造状况调查与问题分析【JJ．环境科技，2013,26(6)：64—66．【2】李昂，李燕，徐玉洁．双良型双泥系统处理低碳源城市废水性能研究叨．环境科技，2013，26(5)：46—51．【3】任健，李军，马文瑾，等．酸化液对反硝化速率的影响研由表6可知，从经济效益上分析，使用发酵液作为究【J]．中国给水排水，2010，26(7)：5—8．碳源的费用要明显低于直接使用醋酸钠的费用，日节『41袁光环，周兴求．伍健东．酸一碱处理对剩余污泥水解酸化的影响【J]．环境工程报，2013，7(3)：1145—1150．省费用在2000元左右(以荆马河厂二期为例计算)。【5】曹艳晓，龙腾锐，傅婵媛，等．剩余污泥碱解上清液作为反硝5结论与建议化碳源的回用量实验研究[J】．土木建筑-9环境，2010，32(1)：125—130．5．I结论(责任编辑刘立娟)(1)通过比较各种影响污泥在水解酸化过程中