NME和NPE对污水处理及污泥减量效果的研究 73页

硕士学位论文（工学硕士）NME和NPE对污水处理及污泥减量效果的研究EFFECTSOFNMEANDNPEONSEWAGETREATMENTANDSLUDGEREDUCTION陈田慧哈尔滨工业大学2018年6月\n国内图书分类号：X703.1学校代码：10213国际图书分类号：628.3密级：公开工学硕士学位论文NME和NPE对污水处理及污泥减量效果的研究硕士研究生：陈田慧导师：郭婉茜教授申请学位：工学硕士学科：环境科学与工程所在单位：哈尔滨工业大学答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学\nClassifiedIndex:X703.1U.D.C:628.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringEFFECTSOFNMEANDNPEONSEWAGETREATMENTANDSLUDGEREDUCTIONCandidate：TianhuiChenSupervisor：Prof.WanqianGuoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EnvironmentalScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofEnvironmentDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要根据相关统计污水处理厂对剩余污泥的处置成本大约占据了污水处理厂运行成本的一半左右，因此对污泥减量的研究是十分必要的。目前在污泥减量过程中间使用较多的是投加解偶联剂，解偶联剂一般难以降解而且具有一定的生物毒性，而且存在二次污染的问题。通过相关文献的调研，尼泊金甲酯(nipaginmethylester，NME)、尼泊金丙酯(nipaginpropylester，NPE)。是常用的防腐抑菌剂并且广泛的应用于化妆品中间。这两种抑菌剂对人体危害较小或者基本没有危害。实验研究尼泊金甲酯和尼泊金丙酯单独及联合对SBR系统的水处理和污泥减量效果的影响。以期望开发一种环境友好，对人体基本没有危害的新型污泥减量方法。首先研究不同浓度的NME对于系统污水处理和污泥减量效果的影响。反应器运行40多天，结果表明当NME的浓度为1mg/L的时候污泥减量的效果最好为38%，投加1mg/LNME对于系统COD、NH+4-N、TN的去除率影响不大。但是磷酸盐的去除率相差较大，在实际的工程应用中间，可以辅助化学除磷手段，提高系统PO3-4-P的去除率。与空白组的出水指标的对比如下：COD的平均去除率提升了2.3%；NH+3-4-N的平均去除率下降了0.47%；PO4-P的平均去除率下降了12.36%；TN的平均去除率下降了2.08%。设置相同的浓度梯度，研究NPE对系统水处理和污泥减量的效果，反应器运行35天，综合考虑投加量和污泥减量的效果，NPE的最优投加量为5mg/L。结果表明投加5mg/LNPE的污泥减量的效果为41%，并且对于系统COD、NH+4-N、TN的去除率都有一定的提升作用。但是磷酸盐的去除率会有所下降。当NPE投加量最优时与空白组的出水指标的对比如下：COD的平均去除率相对于空白组上升了2.76%；NH+3-4-N的平均去除率上升了了13.12%；PO4-P的平均去除率下降了6%；TN的平均去除率上升了9.05%。通过上面的研究污泥减量效果最好条件下的NME的浓度为1mg/L，NPE的最优浓度为5mg/L。NME和NPE的联合阶段每个反应器的投加最优浓度的百分比如下：R0：0%，0%；R1：0%，100%；R2：25%，75%；R3：50%，50%；R4：75%，25%；R5：100%，0%；R2的污泥减量效果最优为31%，相对于单独使用NPE提升了9%，相对于单独使用NME提升了13%。而且污水处理效果与空白组也没有明显的差异。同时对反应器运行42天之后系统污泥的EPS、污泥的元素组成、污泥的脱水性能进行分析。发现药剂联合污泥减量效果最优的条件下对于系统基本无毒害作用，但污泥元素分析表明污泥的热值会I\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文有一定程度的下降，脱水性能也与空白组基本没有差异。测定SOUR来表征不同SBR系统的微生物的活性，并用莫诺方程来拟合系统的微生物对溶解氧的利用速率。当底物充足时，微生物以最大代谢速率降解有机物，符合零级反应动力学，当底物相对较少时，代谢速率符合一级动力学。实验结果也与莫诺方程基本吻合。关键词：尼泊金甲酯；尼泊金丙酯；污水处理；污泥减量II\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAccordingtorelevantstatistics,thedisposalcostofthewastewaterinthesewagetreatmentplantaccountsforabouthalfoftheoperatingcostofthesewagetreatmentplant.Therefore,thestudyonsludgereductionisverynecessary.Atpresent,themostcommonlyusedinthesludgereductionprocessistheadditionof.uncouplersUncouplersaregenerallydifficulttodegradeandhaveacertaindegreeofbiologicaltoxicity.AndthereistheproblemofsecondarypollutionAccordingtorelevantliteratureresearch,nipaginmethylesterandnipaginpropylesterarecommonlyusedantisepticandantimicrobialagentsandarewidelyusedincosmetics.Thesetwokindsofantibacterialagentsbasicallydonoharmtothehumanbody.TheexperimentsstudythewatertreatmentandsludgereductionwithNMEalone,NPEaloneandthetwocombined.Throughthestudyofthisexperiment,itisexpectedtodevelopanewtypeofsludgereductiontechnologythatisenvironmentallyfriendlyandhasnoharmtothehumanbody.Theeffectofdifferentconcentrationsofnipaginmethylesteronthesystemsludgereductioneffectandthesystemsewagetreatmenteffectwasobservedfirstly.Thereactorwasoperatedformorethan40days.Theresultsshowedthatwhentheconcentrationofnipaginmethylesterwas1mg/L,theeffectofsludgereductionwasthebestat38%.Theresultsshowedthattheconcentration1mg/LofnipaginmethylesterhadlittleeffectontheremovalratesofCOD,NH+4-NandTNinthesystem.However,theremovalrateofphosphateisquitedifferent.Intheactualengineeringapplication,wecanusechemicalphosphorusremovaltoincreasetheremovalrateofPO3-4-Pinthesystem.Comparedwiththeeffluentwhichhasnoantibacterialagent,theaverageremovalrateofCODwasincreasedby2.3%;TheaverageremovalrateofNH+3-4-Nwasdecreasedby0.47%;theaverageremovalrateofPO4-Pwasdecreasedby12.36%;theaverageremovalrateofTNwasdecreasedby2.08%.Thentheconcentrationgradientsettingisunchanged.TheNPEisstudied.Consideringtheeffectofconcentrationandsludgereduction,theoptimalconcentrationofnipaginpropylesteris5mg/L.Theresultsshowedthatwhentheconcentrationofnipaginproplyesterwas5mg/L,theeffectofsludgereductionwasthebestat41%.Theresultsshowedthattheconcentration5mg/LofnipaginpropylesterwillimprovetheremovalratesofCOD,NH+4-NandTNinthesystem,althoughtheinfluenceisveryslightly.However,theremovalrateofphosphateisdecreased.Comparedwiththeeffluentwhichhasnoantibacterialagent,theaverageremovalrateofCODwasincreasedby2.76%;TheaverageremovalrateofNH+3-4-Nwasincreasedby13.12%;theaverageremovalrateofPO4-PwasIII\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文decreasedby6%;theaverageremovalrateofTNwasincreasedby10.05%.Throughtheabovestudy,theconcentrationof1mg/Lnipaginmethylparabenwasdeterminedtobethebesteffectofsludgereduction.andnipaginpropylesterwasconsideredinconsiderationoftheconcentrationandsludgereduction,andtherelativelybetterconcentrationof5mg/Lwasselected.WhenNMEandNPEarecombined.ThepercentofNMEandNPEshowedaboveofeachreactorisR0：0%,0%；R1：0%,100%；R2：25%,75%；R3：50%,50%；R4：75%,25%；R5：100%,0%；R2hasthebestsludgereductioneffectat31%.Theeffectincreasedby9%and13%comparedtonipaginpropylesteraloneandnipaginmethylparabealone.Andtheeffectofsewagetreatmenthassligtlydifferencetotheblankgroup.Atthesametime,theEPS,sludgeelementalanalysis,andsludgedewateringperformanceofthesystemsludgewereanalyzedafter42daysofreactoroperation.Itwasfoundthatthenipaginmethylesterandnipaginpropylesterhadnoharmtothesystemundertheconditionswiththebestsludgereductioneffect,butthesludgeelementanalysisshowedthatthecalorificvalueofthesludgewouldbereducedtosomeextent,andthedewateringperformancewasbasicallythesameasthatoftheblankgroup.SOURwasusedtocharacterizetheactivityofmicroorganismsindifferentSBRsystems,andtheMonodequationwasused.Fitthesystem'smicrobialutilizationrateofdissolvedoxygen.Whenthesubstrateissufficient,themicroorganismsdegradetheorganicmatteratthemaximummetabolicrate,whichisinaccordancewiththezero-orderreactionkinetics.Whenthesubstrateisrelativelysmall,themetabolicrateconformstothefirst-orderkinetics.TheexperimentalresultsarealsobasicallyconsistentwiththeMononequation.Keywords:nipaginmethylester,nipaginpropylester,sewagetreatment,sludgereductionIV\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要..................................................................................................................IABSTRACT.......................................................................................................III第1章绪论...................................................................................................11.1课题背景及研究的目的和意义..........................................................11.1.1污泥的产生........................................................................................11.1.2国内剩余污泥产量的发展状况........................................................21.2污泥减量...........................................................................................31.2.1污泥的组成和相关指标....................................................................31.2.2污水处理厂的污泥处理和处置的流程............................................41.2.3污泥的最终处置方式及问题............................................................51.2.4污泥过程减量的原理简介................................................................61.2.5污泥过程减量的方法........................................................................61.3论文研究的目的及意义....................................................................111.4主要研究内容及技术路线...............................................................121.4.1主要研究内容..................................................................................121.4.2技术路线图......................................................................................13第2章实验材料与方法.................................................................................142.1实验装置.........................................................................................142.2实验材料.........................................................................................152.2.1实验用泥..........................................................................................152.2.2实验中所采用的抑菌剂..................................................................152.2.3实验模拟生活污水的配水组成及主要指标..................................152.2.4实验投加的微量元素......................................................................162.3实验仪器与设备..............................................................................162.4试验方法.........................................................................................172.4.1实验活性污泥的培养方法..............................................................172.4.2胞外聚合物EPS提取方法.............................................................172.5实验分析项目及检测方法...............................................................182.5.1常规指标..........................................................................................182.5.2专项指标..........................................................................................18第3章尼泊金甲酯对系统污泥减量和水处理的影响.................................20-V-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.1引言.................................................................................................203.2尼泊金甲酯对于系统污泥减量的影响.............................................203.2.1污泥累计增长量...............................................................................203.2.2污泥表观产率...................................................................................213.3尼泊金甲酯对于系统污水处理效果的影响.....................................223.3.1COD去除效果.................................................................................223.3.2氨氮的去除效果...............................................................................233.3.3磷酸盐的去除效果...........................................................................253.3.4TN的去除效果................................................................................263.4污泥的沉降性能..............................................................................273.4.1SV30.................................................................................................273.4.2SVI....................................................................................................283.5本章小结.........................................................................................29第4章尼泊金丙酯对系统污泥减量和污水处理的影响.............................314.1引言.................................................................................................314.2尼泊金丙酯对于系统污泥减量的影响.............................................314.2.1污泥累计增长量...............................................................................314.2.2污泥表观产率...................................................................................324.2.3污泥的元素组成...............................................................................334.3尼泊金丙酯对于系统污水处理效果的影响.....................................334.3.1COD去除效果.................................................................................344.3.2氨氮的去除效果...............................................................................354.3.3磷酸盐的去除效果...........................................................................364.3.4TN的去除效果................................................................................374.4污泥的沉降性能..............................................................................384.4.1SV30.................................................................................................384.4.2SVI....................................................................................................394.5本章小结.........................................................................................40第5章联合条件下对系统污泥减量和污水处理的影响.............................415.1引言.................................................................................................415.2尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统污泥减量的影响................415.2.1联合条件下对于系统污泥累计增长量的影响...............................415.2.2联合条件下的污泥表观产率..........................................................425.3联合条件下对于系统污水处理效果的影响......................................435.3.1尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统COD的影响................43-VI-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.3.2尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统氨氮的影响...................445.3.3尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统磷酸盐的影响...............455.3.4尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统TN去除率的影响.......465.4污泥的沉降性能..............................................................................475.4.1甲酯和丙酯联合对于系统SV30的影响........................................475.4.2甲酯和丙酯联合对于系统SVI的影响..........................................485.4.3尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统表面电性的影响...........495.4.4尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统脱水性能的影响...........505.5系统EPS的组成分析......................................................................515.6联合条件下污泥的元素组成............................................................515.7污泥减量最优条件下C的组成分析................................................525.8污泥减量最优条件下污泥的活性分析.............................................535.9本章小结.........................................................................................54结论...............................................................................................................56参考文献...........................................................................................................57攻读硕士学位期间发表的论文.......................................................................61哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限.......................................62致谢...............................................................................................................63-VII-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论随着水环境保护日益被重视，城市污水处理厂的数量和规模也在不断扩大。根据相关的预测到2020年，我国污水排放量将有可能达到536×108m³/d[1]。目前城市污水处理厂基本都是采用活性污泥法来处理污水和废水，活性污泥法在处理和净化污水和废水的同时有一个很大的弊病就是会产生大量的剩余污泥[2]。根据相关不完全的统计，2015年产生的剩余污泥的量为3359万吨[3]。因此对于污泥减量的研究是十分必要的，目前污泥减量主要包括两种方法：一种是在源头实现污泥减量，即在污水处理的过程中间采用一定的方法，减少剩余污泥的产生量，称为污泥的过程减量；另一种则是在对产生的剩余污泥采用某种方法进行处理，减少剩余污泥的量，称为污泥的后处理的技术，也就是现在污泥处理厂常用的污泥处理处置手段。污泥的过程减量是在源头削减剩余污泥的产生量，而且在实际的工程中间一般采用投加药剂的方法来进行改造，这种药剂绝大部分是通过能量逸散的方式减少细胞实际ATP的合成，从而减少剩余污，，泥的产量，这种药剂称为解偶联剂，例如TCP、TCS、THPS。TCS即3，3，4，5-四氯水杨酰苯胺；TCP即2，4，6-三氯苯酚，THPS即四羟甲基硫酸磷。这些物质一般对微生物具有抑制作用而且具有一定的生物毒性，通过文献调研，实验采用尼泊金甲酯、尼泊金丙酯这两种常用且对人体危害较小的抑菌剂来实现污泥减量。尼泊金甲酯是无色结晶或白色结晶性粉末,无气味或微有刺激性气味，对各种霉菌、酵母菌、细菌有效，但是尼泊金甲酯的抑制能力相对来说比较低，可以与尼泊金丙酯联合使用，加强抑制作用，通常用作食品防腐剂或者化妆品添加剂。王军锋研究发现尼泊金甲酯对于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌以及白色念珠菌有较高程度的抑制作用。尼泊金丙酯是一种白色结晶或粉状，微有特殊气味，通常用作抑菌防腐剂或者防霉剂，在食品、药品、化妆品、皮革以及塑料制品中应用比较广泛。卢力研究发现尼泊金丙酯对霉菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌也都有一定的抑制作用，其认为尼泊金丙酯的作用在于抑制微生物细胞的呼吸酶系与电子传递酶系的活性以及破坏微生物的细胞膜结构,使细胞内的蛋白质变性,以此抑制菌落的生长。1.1课题背景及研究的目的和意义1.1.1污泥的产生活性污泥法是以活性污泥为主体的污水和废水的生物处理和净化的方法。-1-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文好氧活性污泥法中间一般会包括曝气池，曝气池中间溶解氧的浓度一般控制在2~5mg/L，PH基本维持在6~8之间，水温基本控制在20℃左右以便保持曝气池内部污泥的良好活性。当污水经过曝气池的时候，其中可被生物利用的物质随着微生物的代谢而被降解，代谢产生的能量部分供给微生物的合成代谢。合成代谢产生的细胞物质随着曝气池的出水流入到二沉池中间。由于微生物的菌胶团具有良好的沉降性能能够与水实现良好的分离，从而完成对污染物的去除。通过上面的分析可以知道去除有机物的同时不可避免的会产生剩余污泥，我国污水处理的规模相对较大，因此不可避免的会产生大量的剩余污泥。1.1.2国内剩余污泥产量的发展状况随着我国经济的发展，城镇化率的不断提高，以及居民环保意识的不断提高，在过去的这段时间内，我国从最初仅30多座污水处理厂经过不断的发展和壮大。到了2009年根据相关的统计，我国拥有的城镇污水处理厂的数目已经达到了2000多座，而到了2015年我国的污水处理厂的数目已翻了三倍达到了6900多座。在县城及以上的污水处理厂的覆盖数目更是达到了100%，每年污水处理的规模更是达到了532.3亿吨[4]。如此庞大的污水处理规模不可避免的会产生大量的剩余污泥。根据相关的统计，2010我国剩余污泥的产生量大约为2200×104吨，其中大约有八成的剩余污泥并没有得到妥善的处理和处置[5]。而到了2015年的时候，全国污水处理厂的剩余污泥的产生量更是达到了3500×104吨左右。2011-2015年之间我国城镇污水处理厂的剩余污泥年产量随时间的变化如图1-1所示。4000350030002500万吨)2000年产量(15001000500020112012201320142015年份(年)图1-1剩余污泥累计增长量随时间的变化关系[4]按照这个趋势进行预测，到2018年底，我国污水处理厂产生的剩余污泥可-2-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文能会达到4千万吨之多（污泥的含水率大约在80%左右）[6]。，因此采用更高效的污泥减量的方法是十分重要的。1.2污泥减量污泥减量就是采用某种方法减少剩余污泥的产量，下面将详细的介绍污泥的相关性质并结合污泥的相关性质来介绍现行污水处理厂的污泥处置的流程以及污泥的过程减量。1.2.1污泥的组成和相关指标1）污泥肥分：活性污泥法的本质是微生物利用废水中间的营养物质供自身代谢并合成细胞，因此活性污泥菌胶团含有大量植物生长所必需的肥分（氮、磷、钾）、微量元素，同时活性污泥中间含有大量的腐殖质，能够改良土壤的性质。我国城镇污水处理厂肥分见表1-1。表1-1我国城镇污水处理厂肥分表磷钾污泥类别总氮（TN）有机物（以P2O5计）（以K2O计）初沉污泥2.2~3.41.0~3.00.1~0.550~60活性污泥3.5~7.23.0~5.00.2~0.460~70消化污泥1.6~3.40.6~0.8-25~30注：引自《城镇污水处理厂污泥处置技术指南》（试行）2011.3，含量以百分计2）污泥重金属离子含量：由于市政污水处理厂既要处理生活污水又要处理工业废水，根据相关统计，污水经过二级处理后，污水中重金属离子约有50%以上转移到污泥中。污泥中的重金属离子含量一般都比较高。因此把污泥作为肥料需要考虑重金属的含量。3）卫生学指标：污泥的卫生学指标包括细菌总数、粪大肠菌群数、寄生虫卵数等致病物质。我国污水处理厂微生物含量见表1-2。表1-2我国城镇污水处理厂微生物含量粪大肠菌群数（105个寄生虫卵数（10污泥类别细菌总数（105个/g）/g）个/g）初沉污泥471.710~10023.3活性污泥738.080~700017.0消化污泥38.31.213.9-3-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.2污水处理厂的污泥处理和处置的流程前面表格已经详细的说明了经过二沉池排放的污泥含水率较大，会占据较大的体积，而在降低污泥含水率的过程中间有可能会产生恶臭，因此在污泥处理处置的时候一般需要安装相应的除臭装置，如果在操作过程中间处理不当还可能产生大气污染的问题；由于污泥中间还会含有病原微生物、重金属[7]、或者具有一定毒害的有机污染物。如果剩余污泥不加处理，将会产生极大的危害。目前污泥后处理的技术主要包括：1）污泥浓缩：从二沉池排放的剩余污泥的含水率相对来说比较高，前面已经说过稍微降低污泥的含水率就可以大大减少剩余污泥的体积，便于对剩余活性污泥进行运输和后续的处理和处置[8]。污泥浓缩的主要方法有重力浓缩：利用污泥沉淀过程中间的重力完成对污泥的浓缩过程；其次是气浮浓缩：在一定的温度下，空气在液体中间的溶解度和空气受到的压力成正比，服从稀溶液的Henry定律。当压力恢复到常压后其中溶解的空气会变成微气泡从液体中间释放，附着在活性污泥的周围，使得污泥颗粒被强制上浮，来达到污泥浓缩的目的，一般适用于比重比较接近1的污泥。2）污泥调理：污泥中间的水和污泥固体之间存在相应的结合力，这种结合力不利于污泥中间水分的去除。因此需要通过适当的方法来提高污泥的脱水性能。这个过程成为污泥的调理。主要包括化学调节法：根据污泥的性质，投加不同类型的混凝剂，有时可能需要再投加助凝剂来调理污泥，提高污泥的脱水性能；热处理法：污泥在高温高压的条件作用下，污泥中间相关胶体的稳定性能遭到破坏，发生胶体的脱稳，同时污泥内部发生蛋白质的水解，内部水和吸附水都一定程度的被释放，使得固体凝固，脱水性能得到一定程度的改善，利用热处理法的同时，可以达到消毒和除臭的作用；冷冻法：由于冷冻层的迅速形成，有部分颗粒物质会妨碍水分的流动，然后又会形成新的冷冻界面，使得污泥颗粒间的水分被挤出。利用冷冻法使得污泥的结构被彻底破坏，脱水性能会增加几十倍。3）污泥脱水：污泥脱水主要是去除污泥中间的毛细水，一般采用的是自然干化法和机械脱水法。4）污泥稳定化：就是采用某种方式继续降解污泥中间的有机物质，同时降低污泥的含水率，减少和消灭系统中间的病原微生物，降低污泥的臭味，使污泥朝着稳定化、无害化、资源化的方向发展[9]。主要包括污泥的厌氧消化、污泥的好氧消化、污泥堆肥。污泥的厌氧消化一般是在无氧气、基本不存在硝酸盐存在的条件下，利用系统中间的兼性微生物以及系统中间的专性厌氧微生物的作用，将系统中间复杂的有机物质转化为相对应的无机物质，最终的产物主-4-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文要是CH4、CO2以及相对含量比较少的H2S、NH3、H2等物质，从而使得污泥得到稳定处理。在英国，利用厌氧消化处理的污泥占到了57%[10]的比例。在污泥好氧堆肥的过程中间，微生物首先利用通过其细胞结构的溶解性的有机物质，而附着在微生物表面的可供微生物利用的物质，被无生物分泌的胞外酶降解，一部分供给细胞的细胞的生长，另一部分则会用于细胞的繁殖。通过污泥的好氧堆肥，可以杀死污泥中间的有毒有害的病菌和寄生虫卵，达到污泥的无害化，为污泥的土地利用提高了条件[11]。而且堆肥的污泥可以和其它的物质进行混合，制成混合肥料或者土壤改良剂。1.2.3污泥的最终处置方式及问题污泥最终的处置方式主要包括：污泥的卫生填埋处理、污泥的资源化利用以及污泥焚烧。每种处理方法都有其相应的优点以及局限性[12,13]，下面进行详细的阐述。1）污泥的卫生填埋：目前大约有33%的剩余污泥是采用污泥卫生填埋的方法，我国目前污泥的处理和处置也是主要采用这种方法。这种方法在实际的工程运行中间，填埋场的选址要求相对来说比较高，应该尽量远离人群。而且在填埋场运行的时候，需要做好相应的措施，前面已经说过污泥中间的有关组分，处理不当甚至会造成二次污染。污泥的卫生填埋占地比较大，而且土地的恢复需要相对来说比较长的时间。根据目前我国的国情和污泥的产量，在相当长的一段时间，污泥的卫生填埋依然是我国污泥处置的主要方法。因此需要严格规划和管理，预防可能出现的风险。2）污泥的资源化利用：前面说过污泥中间含有较高的肥分，在经过处理达到相关的标准以后，可以污泥农用。污泥农用不仅可以实现污泥的资源化利用，而且可以减少化学肥料的使用，改善土壤的结构和相关的性质。污泥经过适当的处理还可以用作建筑材料。但是处理达到相应的标准难度相对来说比较大。3）污泥焚烧：污泥焚烧就是将剩余污泥在高温条件下进行焚烧，由于污泥是以活性污泥为主体的微生物菌群，在高温下发生氧化还原反应，将其中的有机物质完全氧化成无机质，是降低剩余污泥体积的最有效的方式。在国外该方法已经被广泛的应用于污泥减量，当污泥本身的有机物相对含量比较高，热值比较高的时候可以进行自持燃烧，否则污泥需要自燃焚烧和干化焚烧[14]日本的污泥焚烧技术相对来说比较成熟，在国内，由于污泥焚烧过程中间温度的限制导致可能会产生二恶英这种有毒物质，因此在国内污泥焚烧的案例鲜有报道。根据相关研究，污泥采用焚烧法占据的比例约为1.8%[15,16]。现行污水厂的污泥处理和处置，是在剩余污泥产生之后运用一定的方法对-5-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文其进行相应的处理。由于剩余污泥的体积庞大，对其进行后处理相应的构筑物负荷相对来说比较大，占地面积也会加大，增大了投资。因此需要新型的方式来实现污泥减量。污泥过程减量的技术应运而生。1.2.4污泥过程减量的原理简介图1-2废水中间微生物的代谢过程图[4]活性污泥法的本质是微生物利用污水中间的可生物降解的有机物为营养物质，通过对微生物的降解获得能量，供给自身代谢和新的细胞的合成。多余的能量则会暂时存储在ATP中间。随着废水中间污染物被氧化去除，一部分以CO2这种无机质离开水体，另一部分转化为新的细胞物质，导致剩余污泥的积累，这就是污泥增长的本质。污泥的过程减量就是基于污泥增长的原理，在污水处理的过程中间实现污泥减量。污泥过程减量主要有以下四种基本原理：细胞溶解和隐性增长[17]，新陈代谢解偶联[18]，维持代谢和微生物的捕食[19]。上图是污泥的相关代谢过程图，利用它便于我们更好的了解污泥减量的相关机理和过程。1.2.5污泥过程减量的方法1.2.5.1细胞溶解和隐性增长微生物的生长需要物质和能量，能量来源主要是通过ATP和ADP之间的相互转化获得。物质则是主要来自废水中间的有机物质，微生物利用自身的代谢系统将其转化为可以生物利用的物质，同时微生物也可以利用其余的细胞物质的残存作为有机基质来重新合成新的细胞。通过利用微生物的残存物质，可-6-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文以使得污泥的表观系数Yobs下降，从而实现污泥的过程减量。在实际的工艺过程中间，很难区分利用废水中间的有机物质合成细胞还是利用细菌的细胞物质重新合成细胞，因此将这个过程称为细胞的隐性增长[20]。细胞溶解和隐性增长的关键步骤则是细胞溶解：因为细菌细胞有细胞壁的自我保护功能，要想使其溶解为有机质再重新被其余微生物来利用还是相当困难的。目前主要是通过一些物理或者化学的方法来进行细胞破壁，主要的方法有：高温、加酸或者加碱、超声、冷冻和溶解、投加相应的酶试剂以及其它一些可能耦合的方法。细胞溶解和隐性增长可以被物理、化学、生物以及它们的耦合工艺而促进，最后可以减少剩余污泥的产量[21]。目前研究比较多的主要是化学法中间的臭氧氧化形成溶胞以及生物法中的水解和酸化共同作用形成溶胞。水解酸化在实际的应用中间比较广泛，而臭氧氧化形成溶胞的方法相对较好，但是在实验室操作起来还是具有一定的难度的。1.2.5.2维持代谢微生物产生的能量应该先满足自身的能量需要，然后再用于微生物其余的代谢活动[22]。利用这个机理可以实现污泥的减量。微生物的一部分能量用于细胞的运动、物质运输等过程，这部分能量称为微生物维持自身代谢所需要的能量。当污泥进行污水处理的过程中间产生的能量刚好可以满足微生物自身的能量需要而富余的能量相对来说比较少，可以降低系统剩余污泥的量，实现污泥减量。利用维持代谢实现污泥减量主要有两个方面。第一种情况就是减少进水中间的有机物质，使得微生物能够利用的能量变少，减少剩余污泥的产生量。但是这种方法在实际的工程中间基本没有什么可行性，因为降低污水中间的有机物质的浓度就是降低整个生物法的处理效率。另外一种就是加强微生物的维持代谢，这种方法最典型的应用就是MBR。因为MBR的污泥龄非常大，微生物需要更多的能量来进行维持代谢，导致剩余污泥的产量减少。这就是为什么MBR可以不用设置沉淀池的原因。因此目前许多学者对其展开进一步的研究[23]。MBR现在在污水处理的过程中间得到广泛的应用，但是膜污染的问题却是不容忽视的一个问题。1.2.5.3微生物捕食活性污泥微生物是由藻类、真菌类、原生动物和后生动物等异种群体所组成的混合培养体。细菌是活性污泥反应系统净化水质的第一承担者，也是主要承担。而原生动物会不断地摄氏混合液中间的游离细菌，起到了进一步净化水质的作用。根据能量传递的10%理论，可以使得活性污泥法中间的食物链延长，能够有效得实现能量的逸散，减少剩余污泥的产量。并且食物链的延长不会影响系统的水处理效果。考虑到能量由低营养级传递到高营养级的效率问题，多-7-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文余的能量会发生逸散，不会转化为细胞物质，从而使剩余污泥的量减少[24]，达到污泥减量的目的。目前的主要研究包括以下两个方面：（1）通过向污水处理系统中间加入一定量的微型动物：这些动物能够以活性污泥作为营养物质，延长了系统中间的食物链，实现了污泥减量的效果。目前研究比较突出的则是水蚯蚓。水蚯蚓能够吞食几倍于其自身体积的剩余污泥的量，然后再对其进行矿化，实现污泥减量[25]。同时产生的水蚯蚓又可以用来作为饲养鱼类的饵料，实现资源化利用。根据相关的研究，水蚯蚓对于系统污泥的脱水性能还有一定程度的改善作用[26]。（2）两段式生物捕食：微生物在进行代谢活动的过程中间，往往会形成菌胶团。菌胶团对于微生物具有一定的自我保护作用。如果能够对菌胶团采用一定的手段，使其变为游离的微生物则会更加有利于微型动物的捕食，两段式生物捕食就是在这种情况下应运而生。顾名思义就是在第一段，设置污泥的SRT（污泥停留时间）比较短，使得其中的细菌呈现悬浮生长的趋势，减少细菌形成菌胶团的可能性。而在随后的第二段，设置比较高的SRT，有利于微型动物的生长，经过第一阶段的悬浮的细菌在第二段中被微型动物所捕食，最终实现了污泥减量的效果[27]。Mahmood[28]在对造纸废水采用两段式生物捕食来实现污泥减量，发现污泥减量的效果良好，达到了40%，而且对于系统的水处理基本没有什么显著的影响。另外Ghyoot[29]在第二阶段采用膜作为载体，使得微型动物有更好的生长条件，剩余污泥的产量更是大大减少。目前研究最多的则是解偶联作用。1.2.5.4解偶联正常情况下，微生物的合成代谢和分解代谢是由ATP和ADP之间的转化而耦合在一起的。图1-3合成代谢和分解代谢的关系从图上可以看出伴随着有机物的去除会产生能量，然后微生物利用底物分解产生的能量重新合成细胞物质。也就是说在能量耦合的条件下，消耗废水中间的有机物就会有相应比例的剩余污泥的产生。如果通过某种方法减少ATP的-8-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文产生，从而减少系统剩余污泥的量，称为解偶联作用。根据目前的研究在以下几种情况下可能会出现解偶联作用：OSA工艺：OSA工艺是在传统的活性污泥的污泥回流系统中间加入一个OSA池（厌氧池）。曝气池中间的活性污泥微生物经过分解代谢，产生的能量在回流的时候经过厌氧池，其中的能源物质相当大一部分被消耗用来维持自身的代谢[30]，使得合成代谢的能量不足，从而减少剩余污泥的产量[31]。国外学者研究过OSA相对与传统的活性污泥工艺的剩余污泥的产量可能会下降20%，并且污泥的SVI值也会有所下降，即提高系统污泥的沉降性能。但是OSA工艺解偶联的作用一般发生在高有机物/微生物（F/M），但是一般的污水很难达到这种要求，正因为如此，在实际的工程中间OSA工艺的应用受到限制。高F/M：当污水中间的有机物的浓度与活性污泥微生物的比值较大时，微生物的分解代谢产生大量的能量，高于合成代谢需要的能量，导致能量发生逸散。从而使得污泥的产量下降[32]。一般F/M的值在8左右才会发生，而在实际的废水中间F/M的值一般低于1，因此在实际废水中间的应用受到明显的限制。投加解偶联剂：图1-4解偶联剂抑制ATP合成的过程示意图[4]根据英国生物化学研究者P.Michell的“化学渗透学”观点[33]:ADP转化成ATP的过程受到细胞内外的H+的浓度梯度的影响。正常的微生物进行代谢的时候，分解过程产生的能量将优先用于将线粒体内部的质子逆浓度梯度主动运输到细胞外部，形成质子的浓度差，之后细胞外的质子通过协助扩散的方式重新进入到细胞内，在这个过程中间的自由能将ADP转化成ATP完成能量的储存。-9-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文生成的ATP则用于微生物的代谢过程和重新合成细胞物质。正因为存在这样的机理，因此可以通过投加物质，这种物质容易和质子相结合，使得协助扩散的过程中间，细胞内外的质子浓度梯度下降，导致结合能的降低，从而减少ATP的合成，降低污泥的表观产率，实现污泥减量。这些物质一般都是脂溶性的弱酸。通过投加某种药剂，使得其与质子作用，改变细菌细胞内外的质子梯度，从而减少ATP的合成，来达到污泥减量的效果。目前研究比较多的解偶联剂有：，，2，4-DNP、TCS、TCP。2，4-DNP即二硝基苯酚；TCS即3，3，4，5-四氯水杨酰苯胺；TCP即2，4，6-三氯苯酚。解偶联剂可以从源头上减少剩余污泥的产生量，在实际工程应用中间具有较大的应用空间。在解偶联方面研究最多的就是解偶联剂，即采用某种药剂改变细胞内外的质子梯度，然后影响系统ATP的生成从而实现污泥减量的效果。虽然人们对于解偶联的相关机理和研究相对比较早，但是解偶联技术的实际使用却要追溯到上个世界的90年代。首先是从工艺方面的研究，就是从传统OSA工艺来研究对污泥减量效果的影响。而最近国际上主要的研究则是高效的解偶联剂：高效的解偶联剂就是能够有较好的污泥减量的效果，同时对于系统污水处理效果的影响相对来说比较小。也就是能够实现污泥减量，同时对系统水处理影响效果也会比较小。如Low[34]，Chen[35]，Strand[36]等人在实验室研究了10多种代谢解偶联剂作用于污水处理系统的污泥减量的效果，发现了三种高效的解偶联剂。分别是：（paranitrophenol）（pNP），trichlorophenol（TCP）和tetrachlorosalicylanilide（TCS）。当（pNP）、（TCP）、（TCS）的浓度分别为100mg/L，5mg/L，0.8mg/L的时候，污泥的产量分别减少了62%，50%和78%。但是对系统污水处理的效果影响甚微。而且国内也有许多污水处理和污泥处理处置方面的专家研究了解偶联剂对于污泥减量的效果。北京商业大学的刘雨教授研究了以TCS作为解偶联剂作用于水处理条件下污泥减量情况和废水处理效果[37]，同时其还发现氨基苯酚也具有解偶联剂的功能和作用，经过实验研究发现氨基苯酚的浓度的浓度为20mg/L的时候，几乎就没有剩余污泥的产生[38]。叶芬霞将TCS应用到活性污泥的处理系统中间，发现对于系统污泥的沉降性能并没有什么影响[39]。此外哈尔滨工业大学的王琳、王宝贞教授[40]以及中科院的魏源送、樊耀波教授[41]也都研究过解偶联剂用于污水处理系统，并研究其对系统污泥减量的效果。此外解偶联剂四羟甲基硫酸磷（THPS）的研究也相对比较多。PingLi[42]等研究了三种常用的解偶联剂TCS、2，4-DCP(2，4-二氯酚)以及THPS在A2/O处理工艺中系统的污泥减量效果，实验结果表明这三种解偶联剂对A2/O工艺均有污泥减量的效果，而且对于系统水处理的影响效果相对来说也比较小。BenyiXiao[43]等对在A2/O工艺中投加THPS这种解偶联剂来单独进行污泥减量-10-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的效果研究，表明在进水中间的THPS浓度为3.5mg/L的时候，工艺可以达到最佳污泥减量效果为30%左右，同时THPS的投加对污水处理效能没有显著的影响；随后，他们将实验规模扩大，应用到中试过程中，在A2/O工艺的一个中试过程中投加THPS并进行了详细的研究，观察其对系统污泥减量效果的影响，发现投加的浓度为1.08-1.86gTHPS/m3的进水时候，实验在这种情况下，污泥表观产率系数从0.34降至0.29gSS/gCOD[44]。解偶联剂能够实现污泥的过程减量，减少污泥后处理的相关费用。但是解偶联剂在实际的使用过程中间也存在一些问题。1）在传统的活性污泥法中，由于氧气传递效率的影响，曝气费用在污水处理系统中间占有相当一部分的比重。由于解偶联剂大部分都是脂溶性的物质，对于系统氧气的传递也会有一定的影响，使得氧的传质系数下降，必需加大曝气量来进行弥补。因此能源费用的加大也是必须加以考虑的。2）传统的活性污泥法，经过生化池之后，污泥在二沉池经过沉淀进行泥水分离，剩余污泥排出污水处理系统。在这个过程中间，污水和污泥实现良好分离则是比较重要的。由于使用了解偶联剂，对于系统的水处理效果有一定的影响。采用代谢解偶联技术可能对不同种群微生物的生长速率影响不同，从而改变污泥系统中的种群结构，对污泥沉降性能产生不利影响，可能导致污泥的絮凝能力变差，丝状菌发生膨胀导致污泥膨胀。3）使用解偶联剂的时候，由于污泥产量的减少，伴随着污水处理的微生物的量的减少，导致和N、P的去除相关的微生物活性受到一定程度的影响。导致出水N、P的相关指标可能达不到标准，可能需要进行深度的处理。保证出水的水质达标。4）在污水处理过程中间，加入任何的物质都是需要给予相当的重视。加入解偶联剂虽然能够在污水处理过程中间实行污泥减量，但是大部分解偶联剂有一部分是由生物毒性的。当解偶联随着污水排放到自然水体，经过水的自然循环，可能会重新回到人体内。因此在使用解偶联剂的时候，需要对其形态进行后续的研究，减少其可能对环境造成的影响。1.3论文研究的目的及意义现行污水处理厂的污泥处理技术，需要较大的占地面积而且能耗较高，利用解偶联剂来实现污泥的过程减量，但是解偶联剂大部分都是难降解对微生物具有一定程度的抑制作用，而且具有一定的生物毒性，微生物的捕食理论上可以实现资源化利用，但是大量的后生动物的处理难度较大。通过对相关文献的调研，尼泊金甲酯和尼泊金丙酯对微生物具有一定的抑制作用，能够实现污泥-11-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文减量而且是常用的食品抑菌防腐剂和化妆品添加剂，对人体基本没有危害。希望通过实验的研究，以期开发具有污泥减量效果而且对人体危害较小的污泥减量技术。1.4主要研究内容及技术路线1.4.1主要研究内容（1）尼泊金甲酯浓度的优化本研究首先设置一系列的尼泊金甲酯的浓度梯度，观察不同浓度的尼泊金甲酯对于SBR系统的污泥减量效果和污水处理效果的研究。选择污泥减量效果最好的尼泊金甲酯的浓度，然后对比其相对于空白组的污水处理效果。污泥减量效果和污水处理效果相结合，确定在设置浓度梯度下最优的尼泊金甲酯的浓度。（2）尼泊金丙酯浓度的优化设置和尼泊金甲酯相同的浓度梯度，观察不同浓度梯度的尼泊金丙酯对于SBR系统的污泥减量效果和污水处理效果。通过比较不同浓度梯度下污泥减量效果和污水处理的效果，进行比选，选出最优条件下的尼泊金丙酯的浓度。（3）尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的联合实验采用六组SBR反应器，设置空白组。利用前面优化的尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的浓度进行组合，观察两种抑菌剂在联合的条件下，对于系统污水处理效果和污泥减量效果的影响。以及确定两种抑菌剂联合是否具有更好的污泥减量的效果。以及对污泥的性质进行分析，研究抑菌剂对于系统污泥相关性质的影响。-12-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.4.2技术路线图图1-5技术路线示意图-13-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章实验材料与方法2.1实验装置本实验一共设置六组SBR反应器，在浓度梯度的优化阶段，尼泊金甲酯和丙酯的浓度梯度设置是一样的。进水浓度分别为0mg/L，1mg/L，5mg/L，10mg/L，30mg/L，50mg/L。对应的反应器为R0，R1，R2，R3，R4，R5，在抑菌剂的联合阶段，设置不同投加量的尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的联合，观察系统污泥减量的效果。SBR的运行参数如下：每天运行2个周期，每个运行周期内缺氧搅拌3h；好氧曝气6h；静置沉淀3h。实验过程中间MLSS控制在1500~2500mg/L之间，每次进水为2L，每天排泥300mL。在SBR反应器底部设置曝气装置，利用时间控制器进行曝气的控制，溶解氧浓度控制在2~5mg/L。实验装置图如下：图2-1实验的SBR装置示意图-14-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.2实验材料2.2.1实验用泥实验所采用的污泥是来自哈尔滨文昌污水处理厂的二沉池的污泥，每次进行新的抑菌剂的实验之前，都要以实验过程中间的配水作为进水对活性污泥进行相应的驯化工作。保证活性污泥在实验过程中间能够具有良好的活性。2.2.2实验中所采用的抑菌剂实验中间采用的抑菌剂为尼泊金甲酯和尼泊金丙酯。尼泊金甲酯是化妆品中间广泛使用的抑菌防腐剂[45]，属酚类防腐抑菌剂，对各种霉菌、酵母菌、细菌有效，但是尼泊金甲酯的抑制能力相对来说比较低，可以与尼泊金丙酯联合使用，加强抑制作用。研究表明，当尼泊金甲酯的水溶液的浓度为0.5%~1.5%的时候，对于葡萄球菌和疮庖丙酸杆菌[46]的抑制效果明显增强。在我国的《化妆品卫生标准》中间规定尼泊金甲酯的水溶液浓度：混合酯不能超过10%，单酯不能超过0.4%[47]。图2-2尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的结构示意图尼泊金丙酯又名对羟基苯甲酸丙酯，对羟基安息香酸丙酯。无色小结晶或白色粉末，尼泊金丙酯在食品、药品、化妆品、皮革以及塑料制品等的抑菌防腐与防霉方面应用十分广泛[48,49]。2.2.3实验模拟生活污水的配水组成及主要指标在进行污泥减量的实验过程中间，实验的配水组成以及对应的指标如下：-15-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表2-1模拟污水的配水组成磷酸二氢投加药剂葡萄糖氯化铵小苏打氯化钙氯化镁钾剂量（g）737.20.50.241.44自来水24L表2-2模拟废水主要水质指标主要指标CODNH4+-NTP浓度（mg/l）3003052.2.4实验投加的微量元素微生物在生长的过程中间需要投加一定量的微量元素溶液。实验微量元素的组成如下表：在实验的过程中间，每升进水中间加入1mL的微量元素。表2-3微量元素的溶液组成物质浓度（g/L）物质浓度（g/L）ZnSO40.15CoCl20.15CuSO40.06KI0.18FeCl31.5H3BO30.06NaMoO40.15EDTA52.3实验仪器与设备在实验的过程中间需要用到的相关仪器如下表所示。表2-4实验仪器与设备仪器名称仪器型号生产厂商紫外分光光度计UV1800上海美普达电器有限公司电热鼓风干燥箱FX-101上海树立仪器仪表有限公司电子天平AL104瑞士梅特勒托利多有限公司分析天平AL104瑞士梅特勒托利多有限公司高速冷冻离心机64R美国贝克曼库尔特公司磁力搅拌器HJ-6金坛市荣华仪器制造有限公司溶解氧仪340i德国WTW公司水浴恒温振荡箱SHA-C金坛市金城国胜实验仪器厂pH计FE20瑞士梅特勒托利多有限公司超声波清洗器KQ-500B江苏昆山超声仪器有限公司元素分析仪VARIOEL德国ELEMENTER公司Zeta电位分析仪Nano-z英国马尔文仪器有限公司总有机碳总氮分析仪TC-VCPN日本岛津公司-16-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表2-4（续表）仪器名称仪器型号生产厂商COD消解仪DRB200哈希公司COD测试仪DR1010哈希公司2.4试验方法2.4.1实验活性污泥的培养方法为了在污泥减量过程中保证系统微生物的活性，需要先对微生物进行驯化。保证进水的COD为300mg/L，进水的氨氮的浓度与生活污水中间的氨氮的浓度保持一致为30mg/L。进水中间的磷酸盐浓度为5~10mg/L。在SBR的每个运行周期内，每次换水2L，排放污泥300mL。保持系统中间溶解氧的浓度为2~5mg/L。驯化阶段的时间一般在两周左右。经过驯化后的活性污泥，具有良好的活性，能够保证系统相应的污水处理效果。2.4.2胞外聚合物EPS提取方法EPS[50]（ExtracellularPolymericSubstances）是胞外聚合物的简称。是由细菌本身分泌或者细菌自身溶解形成的物质然后再与水中的其它相关物质结合而成的围绕在细菌周围的物质。其主要作用就是用于细胞之间的黏附以及细菌自身的自我保护作用。例如蛋白质、多糖和核酸等都可以算作其中。EPS还在细菌细胞饥饿的时候为其提供相应的能量物质[51]。根据其空间结构，一般分为三层：SMP、LB、TB。SMP就是溶解性的微生物产物，是EPS的外层。LB就是松散附着的外层。而TB是紧密黏附的内层。在实验的过程中间，需要分别提取，采用热方法的提取如下[52]：（1）在实验的后期取一定量的活性污泥混合液，用高速冷冻离心机控制转速为4000r/min，离心时间为15min，然后将离心的上清液过0.45μm滤膜，即可提取出胞外聚合物最外层也就是溶解性的微生物产物SMP；（2）将（1）离心处理后的污泥用经过70℃预热的0.05%NaCl溶液浸泡一段时间，然后利用高频振荡器震荡1min进行剩余污泥的重新悬浮，随后，继续在4000r/min的转速下离心10min之后，将其上清液同样过0.45μm滤膜，即可得到胞外聚合物中松散附着的外层（LB层）。（3）将（2）步骤中离心后的污泥再次在0.05%NaCl溶液中进行重新悬浮，重悬之后在60℃的恒温水浴箱中水浴30min，随后在4000r/min的转速下离心-17-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文15min，取其上清液过0.45μm滤膜，即可得到胞外聚合物中紧密粘附的内层（TB层）。2.5实验分析项目及检测方法2.5.1常规指标本实验所需测定的常规指标有COD、氨氮、总氮、总磷等，其测定方法均按照国家标准来操作，具体见表2-5。表2-5常规指标检测方法常规指标检测方法COD重铬酸盐法氨氮纳氏试剂分光光度法总氮总有机碳总氮分析仪TC-VCPN磷酸盐钼锑抗分光光度法pHpH计溶解氧溶解氧仪MLSS称重法SVI30min静沉法2.5.2专项指标2.5.2.1多糖浓度的测定采用苯酚-硫酸法来测定多糖的含量。2.5.2.2蛋白质浓度的测定采用改良的BCA法测定蛋白质的浓度。2.5.2.3Zeta电位的测定测量Zeta电位的样品经过预处理后，利用Zeta电位分析仪直接测定。2.5.2.4元素分析将待测的污泥利用烘箱在105℃左右将样品烘干，然后用VARIOEL元素分析仪进行测定样品中间的相关元素。2.5.2.5C的形态测定将样品经过处理后，利用总有机碳总氮分析仪TC-VCPN测定。2.5.2.6比耗氧速率SOUR的测定污泥的比耗氧速率SOUR的测定主要是参照Chen的研究，大致可以分为以下步骤来完成：（1）在反应器的一次运行周期结束后，从反应器内取60mL的污泥样品，-18-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文用去离子水将污泥洗涤3次后置于330mL的BOD瓶中，加入去离子水200mL，用磁力搅拌器充分搅拌。（2）向上述BOD瓶中加入充足的营养物质，并对瓶内充分曝气，直到溶解氧浓度不再随时间变化，在充分搅拌的情况下，用溶解氧仪不断记录溶解氧浓度随时间变化的过程。（3）反应结束后根据标准方法测定BOD瓶内混合液中的挥发性固体悬浮浓度（MLVSS）。（4）通过溶解氧DO的下降速率与（3）中测算的MLVSS的比值计算得出SOUR值。-19-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章尼泊金甲酯对系统污泥减量和水处理的影响3.1引言本章研究的目的是确定不同浓度梯度下尼泊金甲酯对于SBR系统污水处理和污泥减量效果的影响。筛选出污泥减量效果最优的尼泊金甲酯的浓度，同时观察其对系统污泥减量和系统污水处理的影响效果，为后续的尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的联合奠定基础。3.2尼泊金甲酯对于系统污泥减量的影响3.2.1污泥累计增长量25R0R1R220R3R4R51510污泥累计增长量/g5004812162024283236404448时间/d图3-1不同浓度的尼泊金甲酯对于SBR系统污泥累计增长量的影响从图上可以看到在最初的一段时间内，六组反应器的污泥累计增长量的差别不是很大，说明每天污泥的累计增长量相差不大，可能的原因是刚投加不同浓度的尼泊金甲酯到SBR系统中，由于微生物对于外界环境的改变具有一定的适应和调节能力，使得系统每日的污泥增长量相差不大。随着抑菌剂的积累，当运行8天之后才出现相对明显的差异。可以看到在整个实验的过程中间，R1的污泥累计增长量一直都是最低的，说明投加1mg/L的尼泊金甲酯对于系统具有显著的污泥减量的效果。污泥减量效果其次的就是R4，然后是R2、R3，R5的污泥减量的效果最差，说明抑菌剂的投加浓度并不是越高污泥减量的效果就会越好。同时可以看到空白组在前34天的时候，污泥累计增长量还不是最多的，在之后由于空白组污泥累计增长量相对来说比较高，最后在实验的整个运行阶段，使得每个反应器都具有污泥减量的效果。也说明污泥减量的效果也和实验-20-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的运行周期有关。实验过程中间每个反应器的污泥累计增长量用sumslu表示，在实验运行周期内每个反应器的污泥累计增长量分别为：sumslu（R0）=22.419g，sumslu（R1）=13.899g，sumslu（R2）=15.909g，sumslu（R3）=17.301，sumslu（R4）=15.66g，sumslu（R5）=18.2085g。以空白组作为对照，以Re表示污泥减量效果，每个反应器的污泥减量的效果为Re（R1）=38%，Re（R2）=29%，Re（R3）=22.8%，Re（R4）=30%，Re（R5）=18.7%。当抑菌剂尼泊金甲酯的浓度为1mg/L的时候，污泥减量的效果最好为38%。3.2.2污泥表观产率污泥表观产率Yobs是指降解单位质量的有机物（一般用COD表示）所产生的活性污泥的量。在实验过程中间由于R0、R1、R2、R3、R4、R5所降解的COD的质量并不相同，同时实验中每个反应器产生的污泥量也都不相同，为了刨除这两者的影响，利用污泥表观产率Yobs来阐述系统的污泥指标是非常有必要的。而且污泥表观产率可以表征正常工况下相关微生物的活性，利用其比值可以反映系统运行的稳定性。0.5污泥表观产率系数Yobs0.40.3/mgMLSS/mgCODobs0.20.1污泥表观产率Y0.0R0R1R2R3R4R5反应器图3-2每个反应器的Yobs在实验的过程中间每个反应器所累计降解的COD如下表所示：表3-1每个反应器的COD的累计消耗量反应器R0R1R2R3R4R5sumCOD（g）48.049.248.849.148.749.1每个反应器的污泥累计增长量在前面阐述过，利用污泥累计增长量与累计消耗COD的比值计算每个反应器的污泥表观产率Yobs。每个反应器的COD累计消耗量如上表所示。-21-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文每个反应器的污泥表观产率Yobs分别为：Yobs（R0）=0.466，Yobs（R1）=0.282，Yobs（R2）=0.325，Yobs（R3）=0.351，Yobs（R4）=0.320，Yobs（R5）=0.37。正常运行的活性污泥系统的Yobs一般介于0.45~0.75之间。空白组的Yobs为0.466，说明空白组SBR的工况正常运行。经过比较可以看出R1的污泥表观产率最低，说明降解单位有机物的条件下，R1污泥减量的效果最佳。其余几组反应器的Yobs都低于空白组，说明每个反应器都具有污泥减量的效果，但是R3，R5的污泥减量的效果相对来说比较差。也可以看到当尼泊金甲酯的浓度从1mg/L~10mg/L的时候，随着抑菌剂投加量的增加，污泥减量的效果确是逐渐变差的，没有实际的工程意义。当尼泊金甲酯的浓度超过10mg/L的时候，污泥表观产率会有一定程度的下降，污泥减量的效果会有所提升，但是实际投资也会加大，而且污泥减量的效果也没有低浓度的尼泊金甲酯的效果好，在实际的工程应用中间意义也不大。3.3尼泊金甲酯对于系统污水处理效果的影响污泥减量的同时，需要了解尼泊金甲酯对于系统的污水处理效果是否有比较显著的影响。实验过程中通过检测COD的去除率来表征系统的异养菌的活性；通过检测NH+3-4-N的去除率来表征系统的自养菌的活性；通过PO4-P的去除率来表征系统聚磷菌和释磷菌的活性；通过TN的去除率来表征系统与N元素去除的相关微生物的活性。3.3.1COD去除效果本研究通过对对不同浓度的尼泊金甲酯作用于SBR系统进水和出水的COD进行检测，观察实验过程中间不同浓度的尼泊金甲酯对于系统COD的去除的影响规律。从图上可以看到，在最初的一段时间每个反应器的COD去除率相对来说都有比较大的波动，说明抑菌剂尼泊金甲酯影响了水处理系统的稳定，但是之后COD的去除率都有一段比较稳定的时间，说明微生物对于外界环境的变化具有一定的适应和调节能力。每个反应器的COD的平均去除率用ACOD表示，每个反应器的COD的平均去除率为：ACOD（R0）=88.10±9.21（%），ACOD（R1）=90.41±8.70（%），ACOD（R2）=89.85±7.69（%），ACOD（R3）=90.25±8.54（%），ACOD（R4）=89.58±5.71（%），ACOD（R5）=90.18±9.25（%）。随着进水尼泊金甲酯的浓度的增加，可以看到所有反应器的COD的平均去除率相差不大，说明尼泊金甲酯这种抑菌剂对于系统的COD的去除没有显著的影响，可能的原因是多种微生物菌群都能去除COD，因此抑菌剂不会影响系统总体上COD的去除效率。R1的COD的平均去除率比R0高出2.3%，说明污泥减量效果最-22-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文好的同时，尼泊金甲酯对于系统COD的去除还有一定的程度的提升作用。100908070COD去除率(%)60R0R150100908070COD去除率(%)60R2R350100908070COD去除率(%)60R4R5500102030405001020304050时间(d)时间(d)图3-3每个反应器COD的去除率3.3.2氨氮的去除效果通过检测在实验的过程中间进水和出水氨氮浓度的变化，计算系统NH+4-N的去除率，确定系统亚硝酸盐细菌的活性。从上图可以看出R0在整个系统的运行过程中间NH++4-N的去除率基本都在60%以上，在前24天NH4-N的去除率更是都在80%以上，说明空白组与NH+4-N去除相关的微生物活性比较高，水处理效果比较良好。R1在前8天的NH+4-N的去除率相对R0来说比较低，可能是加入了少量的抑菌剂尼泊金甲酯对微生物的活性有一定的抑制作用，但在8天之后的NH+4-N的去除率慢慢上升，因为微生物具有一定的适应能力，污泥的活性恢复正常，系统的水处理能力开始正常运行。R2，R3，R4在实验的过程中间NH+4-N的去除率的变化规律基本比较接近，在污水处理的前期NH+4-N的去除效果相对来说比较好，但是在污水处理的后期由于抑菌剂在反应器内部的积累，导致系统的不断恶化，严重抑制了与NH+4-N的去除有关的微生物的活性，导致最后系统的NH+4-N去除效果变差。-23-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100R0R18060-N去除率/%+40NH420100R2R38060-N去除率/%+40NH420100R4R58060-N去除率/%+40NH4200102030405001020304050时间(d)时间(d)图3-4每个反应器NH4+-N的去除率R2，R3，R4在实验的过程中间NH+4-N的去除率的变化规律基本比较接近，在污水处理的前期NH+4-N的去除效果相对来说比较好，但是在污水处理的后期由于抑菌剂在反应器内部的积累，导致系统的不断恶化，严重抑制了与NH++4-N的去除有关的微生物的活性，导致最后系统的NH4-N去除效果变差。对于反应器R5在整个实验的过程中间NH+4-N的去除率是最差的，相当长的一部分时间NH+4-N的去除率都在40%以下，说明高浓度的尼泊金甲酯对于系统的NH+4-N的去除率有明显的影响，因此高浓度的抑菌剂尼泊金甲酯在实际的工程中间运行意义不大。在实验的过程中间NH+4-N的平均去除率用ANH4+-N来表示，每个反应器的氨氮平均去除率为：A（R0）=82.95±13.90（%），A（R1）=82.48±12.77（%），A（R2）=85.40±14.55（%），A（R3）=80.62±18.75（%），A（R4）=78.25±16.00（%），A（R5）=66.25±17.38（%）。可以看到当加入少量的抑菌剂对于系统的NH+4-N去除效果不会有显著的影响，说明微生物具有一定的抗击冲击负荷的能力，但是这个能力是有一定限度的，随着抑菌剂的大量加入导致系统恶化，使去除NH++4-N的微生物的活性被抑制，导致NH4-N去除效果越来越差。进水加入50mg/L的尼泊金甲酯导致了系统NH+4-N的平均去除率相对于空白组下降了16.7%。因此高浓度的尼泊金甲酯在实际的工程运用-24-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文中间意义不大。3.3.3磷酸盐的去除效果从下图可以看到，空白组的PO3-4-P的去除率在前20天是在波动中上升的，磷酸盐的去除率从40%提高到80%左右。从第20~34天，PO3-4-P的去除率的去除率是缓慢下降的，之后PO3-4-P的去除率又有所提升。100R0R1806040-P去除率(%)203-04PO-20-40100R2R3806040-P去除率(%)203-40PO-20-40100R4R5806040-P去除率(%)203-40PO-20-400102030405001020304050时间(d)时间(d)图3-5每个反应器PO43--P的去除率R1在最初的18天磷酸盐的去除率也是在不断上升，之后与磷去除的相关微生物的活性达到最低，磷酸盐的去除率最差，之后随着去除磷酸盐的细菌的活性得到恢复，磷酸盐的去除率基本稳定在60%左右。R2在实验的初期，PO3-4-P的去除率相对来说比较稳定，基本都在60%左右，之后磷酸盐的去除率有所下降，然后磷酸盐的去除率又有所恢复。R3，R4，R5的PO3-4-P的去除率的变化规律相对来说比较接近：在实验的初期，污泥的活性正常，PO3-4-P的去除率相对来说比较高，然后由于受到环境条件的限制率都会有所下降，但是经过微生物自身的调整，污泥的活性逐渐恢复正常。从图上可以看到，除了空白组之外，其余的反应器在第20天左右的时候，PO3-4-P的去除率相对来说都是比较低的，不排除实验误差的可能性。实验过程中间磷酸盐的平均去除率用APO4表示，每-25-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文个反应器的PO3-4-P的去除率为：APO4（R0）=61.40±19.07（%），APO4（R1）=49.04±29.44（%），APO4（R2）=45.13±27.42（%），APO4（R3）=39.47±28.88（%），APO4（R4）=34.81±22.96（%），APO4（R5）=34.18±28.54（%）。可以看到R1相对于空白组R0的PO3-4-P的平均去除率下降了12%。说明污泥减量效果最好条件下，尼泊金甲酯对于系统PO3-4-P的平均去除率的去除有很大影响，可能的原因是尼泊金甲酯极大程度的抑制了系统与PO3-4-P的去除相关的微生物的活性。当加入少量的抑菌剂尼泊金甲酯对于系统的PO3-4-P的平均去除率的去除有很大影响，当进水的尼泊金甲酯的浓度为1mg/L的时候，PO3-4-P的平均去除率从61.40%下降到49.04%。磷酸盐的去除率相对来说比较低，可以在实际的工程中间加入化学除磷的工艺，强化磷酸盐的去除，提高磷酸盐的去除率，确保出水的水质达到相应的要求。3.3.4TN的去除效果氨氮的去除率能够反映系统亚硝酸盐细菌的活性，而总氮的去除则可以反映系统与氮元素去除相关的微生物的活性，包括硝化细菌和反硝化细菌。100R0R1806040TN去除率（%）200100R2R3806040TN去除率（%）200100R4R5806040TN去除率（%）2000102030405001020304050时间(d)时间(d)图3-6每个反应器TN的去除率从图可以看到，R0在最初的前20天，TN的去除率不断上升，在第20~30-26-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文天的时候TN的去除率虽然有所波动，但是TN的去除率基本是在下降的，在30天之后TN的去除率也有有所恢复，最后的TN的去除率基本维持在60%左右。R1在最初的20天内，TN的去除率在不断上升，20天之后TN的去除率波动相对来说比较小，TN的去除率基本都在60%左右。R2在实验的前15天，TN的去除率在波动中上升，TN的去除率最高达到了80%，之后TN的去除率都在60%左右。之后TN的去除率都在60%左右。R3在实验的过程中间TN的去除率的变化并不是很大，但在实验的20~30天，TN的去除率不断下降，说明系统中间与N元素去除相关微生物的活性不断下降，之后相关微生物的活性有所上升，TN的去除率在不断上升。R4在最初的前14天和最后的10天TN的去除率基本都维持在60%左右，从第14天到第36天，TN的去除率在波动中有所下降。R5的TN的去除率从图上可以看到是最低的，基本都在60%以下。每个反应器的TN的平均去除率用ATN来表示，每个反应器的TN的平均去除率为：ATN（R0）=55.20±13.85（%），ATN（R1）=53.12±14.42（%），ATN（R2）=51.98±14.52（%），ATN（R3）=46.89±14.30（%），ATN（R4）=49.45±13.85（%），ATN（R5）=43.29±15.94（%）。可以看到尼泊金甲酯的浓度为1mg/L的时候，系统TN的去除率相对于空白组仅下降了2%，对于TN的去除率影响不大。而且基本上随着尼泊金甲酯浓度的提升，系统TN的去除率会不断下降，当尼泊金甲酯的浓度为50mg/L的时候，相对于空白组的TN的去除率下降了12%。3.4污泥的沉降性能3.4.1SV30SV30是指曝气池混合液在量筒静止沉降30min后污泥所占的体积百分比。它是分析污泥沉降性能的最简便方法。SV30值越小，污泥沉降性能就越好。SV30值越大，沉降性能越差。通过测量SV30可以控制和调节剩余污泥的排放量，还能通过它及时的发现污泥膨胀等异常现象的发生。在实际的工程中间具有相当高的实用价值和意义。尼泊金甲酯实验工程中间每组反应器的SV30的变化如下图所示：从图上可以看到R0在最初的前八天SV30的波动相对来说比较大，说明污泥的沉降性能不是很稳定，之后SV30虽然在6%～10%波动，但是相对实验的初期要稳定一些。R1的SV30在最初的前14天波动比较大，从第15～28天都是保持在10%左右，之后基本维持在8%左右。R2的SV30在最初的28天内波动相对来说比较小，沉降性能比较稳定，在之后的一段时间污泥沉降性能的波动有所加强。R3和R4的SV30的变化规律相对来说比较接近，大部分都处于8%～12%之间，小部分时间SV30低于8%。R5的SV30比较大，污泥的沉降性能相对来说比较差。每个反应器的SV30的平均值用ASV30来表示，-27-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文每个反应器的SV30的平均值ASV30（R0）=8.40%，ASV30（R1）=8.52%，ASV30（R2）=9.54%，ASV30（R3）=9.36%，ASV30（R4）=10.15%，ASV30（R5）=11.20%。前面分析过R1的污泥减量效果最好，其SV30与空白组的相差不大。R5的污泥沉降性能最差，SV30的平均值比空白组多了2.8%。经过查阅相关的参考文献，SV30的值一般都在15%～30%之间波动，在实验过程中间所有反应器的SV30都偏低，可能的原因是实验所用的污泥中间无机质含量相对比较高。16R0R11284SV30(ml/100ml)016R2R31284SV30(ml/100ml)016R4R51284SV30(ml/100ml)00102030405001020304050时间(d)时间(d)图3-7每个反应器的SV303.4.2SVISV30是最简单的描述污泥沉降性能的指标，但是并不全面。在实际的应用中间会采用污泥容积指数SVI来进行描述。其物理意义是在曝气池出口的混合液中间，1g干污泥所形成的沉淀污泥所占有的体积，单位mL/g。SVI能够反映活性污泥的凝聚、沉降性能。SVI值过低，说明活性污泥颗粒细小，无机物质含量高，这样的活性污泥，活性较低；SVI值过高，说明活性污泥的沉降性能欠佳，或者已经出现污泥膨胀的可能，SVI的值一般介于50~150之间。从图上可以看到在实验的前20天空白组的SVI的值变化还是比较大的，但是基本都在50~150之间，污泥的沉降性能相对来说比较正常。在实验的后十天，空白组的-28-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文SVI基本都在50以下，可能的原因是系统的污泥无机质含量相对来说比较高。其余五个反应器的SVI的值也基本都在正常范围内。每个反应器的SVI的平均值用ASVI表示，经过计算每个反应器的SVI的平均值为：ASVI（R0）=99.23，ASVI（R1）=105.52，ASVI（R2）=100.91，ASVI（R3）=83.38，ASVI（R4）=97.89，ASVI（R5）=91.07。污泥减量效果最好的条件下，系统的SVI值和空白组的差别仅仅为6。可以看出在实验的过程中间，每组反应器的污泥的沉降性能良好。而且随着系统的运行，污泥中间的有机质会不断被消耗，试验后期的SVI值一般会比较低，与实验结果也基本相吻合。200R0R116012080SVI(ml/gMLSS)400200R2R316012080SVI(ml/gMLSS)400200R4R516012080SVI(ml/gMLSS)4000102030405001020304050时间(d)时间(d)图3-8每个反应器的SVI3.5本章小结本章主要研究了尼泊金甲酯对于SBR系统污泥减量和污水处理的效果以及污泥沉降性能的分析。得出了如下的结论：（1）当进水尼泊金甲酯的浓度为1mg/L的时候，污泥减量效果最好为38%，而且随着尼泊金甲酯浓度的增加基本呈现污泥减量效果下降的趋势。因此随着-29-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文抑菌剂投加量的投加，污泥减量效果基本是越来越差的。R1的污泥表观产率最低为0.282，而且随着抑菌剂浓度的增加，污泥表观产率系数也是逐渐增加的，与污泥减量的效果基本相一致。（2）尼泊金甲酯的浓度为1mg/L的时候污泥减量的效果最好，与空白组的出水指标的对比如下：COD的平均去除率提升了2.3%；NH+4-N的平均去除率下降了0.47%；PO3-4-P的平均去除率下降了12.36%；TN的平均去除率下降了2.08%。结果表明投加1mg/L尼泊金甲酯对于系统COD、NH+4-N、TN的去除率影响不大。但是磷酸盐的去除率相差较大，在实际的工程应用中间，可以辅助化学除磷手段，强化系统磷酸盐的去除，提高系统PO3-4-P的去除率。（3）随着尼泊金甲酯浓度的增加，系统的沉降性能逐渐变差，但进水抑菌剂的浓度为1mg/L的时候，与空白组的沉降性能相差不大。在整个的实验过程中间污泥容积指数，基本都在正常范围内，在实验过程中间基本没有出现污泥膨胀。-30-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章尼泊金丙酯对系统污泥减量和污水处理的影响4.1引言通过第一批实验确定当尼泊金甲酯的浓度为1mg/L的时候，污泥减量的效果最好为38%。第二批实验采用与尼泊金甲酯浓度梯度相同的尼泊金丙酯观察其对系统污泥减量和系统污水处理效果的影响，为后续最优条件下尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的联合奠定基础。同时对最后的剩余污泥进行元素分析，确定其元素组成和相应的比例。4.2尼泊金丙酯对于系统污泥减量的影响4.2.1污泥累计增长量16R0R112R2R3R48R54污泥累计增长量(g)00510152025303540时间(d)图4-1尼泊金丙酯对污泥累计增长量的影响从图上可以看到：R0在实验的前16天，由于污泥累计增长量随时间变化逐渐平缓，说明在这段时间内，每日污泥的增长量是逐渐变小的，之后污泥的每日增长量相对前面较大，而且污泥增长量比较均匀。其余几组SBR反应器在实验的过程中间每日的污泥增长量相对来说比较均匀，图像接近直线。在实验的前五天，六组SBR反应器的污泥累计增长量差别不大，说明最初投加抑菌剂尼泊金丙酯在短时间内不会显著影响系统的污泥累计增长量，因为微生物对于外界环境条件的改变具有一定的调节能力，但之后由于尼泊金丙酯的积累，抑制了系统内部有关微生物的活性，就导致每个SBR反应器的污泥累计增长量有比较明显的差异。通过35天的监测（污泥累计增长量用sumslu），每个反应器的污泥累计增长量分别为：sumslu（R0）=14.502g，sumslu（R1）=9.105g，sumslu-31-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文（R2）=8.554g，sumslu（R3）=11.001，sumslu（R4）=10.278g，sumslu（R5）=7.558g。以空白组作为对照，以Re表示污泥减量效果，每个反应器的污泥减量的效果为Re（R1）=37%，Re（R2）=41%，Re（R3）=24%，Re（R4）=29%，Re（R5）=47%。可以看到当尼泊金丙酯的浓度为50mg/L的时候，系统污泥减量的效果最佳为47%。当尼泊金丙酯的浓度为10mg/L的时候，污泥减量的效果最差为24%，在尼泊金丙酯的浓度为10~50mg/L之间，污泥减量的效果不断上升。当尼泊金丙酯的浓度由5mg/L的时候增加到50mg/L的时候，投加量变为原来的10倍，而污泥减量的效果仅仅增加了6%。综合考虑尼泊金丙酯的投加量和污泥的减量效果，认为5mg/L的时候，尼泊金丙酯的污泥减量效果最好。4.2.2污泥表观产率前面已经说过，为了刨除有机底物对污泥累计增长量的影响，需要计算污泥的表观产率Yobs，前面已经说过污泥表观产率的计算方式。0.450.40污泥表观产率Yobs0.350.300.25/mgMLSS/mgCOD0.20obs0.150.100.05污泥表观产率Y0.00R0R1R2R3R4R5反应器图4-2每个反应器的Yobs在实验的过程中间反应器所累计降解的COD用sumCOD表示，每个反应器在实验中间的污泥累计消耗量如下表所示：表4-1每个反应器的COD的累计消耗量反应器R0R1R2R3R4R5sumCOD（g）36.336.137.636.536.536.6每个反应器的污泥累计增长量分别为：sumslu（R0）=14.502g，sumslu（R1）=9.105g，sumslu（R2）=8.554g，sumslu（R3）=11.001，sumslu（R4）=10.278g，sumslu（R5）=7.558g。利用它们两个的比值来计算Yobs。每个反应器的污泥表-32-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文观产率Yobs，每个反应器的Yobs分别为：Yobs（R0）=0.399，Yobs（R1）=0.252，Yobs（R2）=0.227，Yobs（R3）=0.301，Yobs（R4）=0.281，Yobs（R5）=0.206。可以看到污泥减量效果最好条件下的污泥表观产率系数也是最低的。从图上也可以看到，当尼泊金丙酯的浓度从0~5mg/L的时候，污泥表观产率系数是逐渐下降的，即降解单位质量的COD的污泥产量是不断下降的，污泥减量效果逐渐加强。当尼泊金丙酯的浓度从10~50mg/L的时候，污泥表观产率系数也是逐渐降低的。而且尼泊金丙酯的浓度为5mg/L与50mg/L的时候，污泥表观产率系数相差不大。因此在实际的工程应用中间进行污泥减量的同时，需要考虑尼泊金丙酯最合适的浓度。4.2.3污泥的元素组成污泥最终的处置方式比较多，焚烧方法在我国虽然技术不是特别成熟，但却是污泥处置的最好的方法。污泥焚烧是利用氧化还原反应，将污泥中间的有机物完全转化为无机物，彻底的实现污泥减量。焚烧方法是世界上公认的最好的污泥处理处置方法，美国、英国、日本在污泥焚烧这方面技术相对来说比较成熟。焚烧的本质是利用污泥中间的有机物与氧反应，转化成无机物。因此在污泥焚烧的时候，污泥中间的C、H两种元素就会决定污泥焚烧是否彻底。六组反应器的污泥元素分析组成如下：表4-2反应器的元素组成及比例反应器C（%）H（%）N（%）S（%）C/HC/NR016.3852.8943.230.4325.7065.077R123.5454.7654.790.5315.0164.988R232.166.4736.2550.6774.9715.142R333.1356.9016.440.7224.8015.144R435.0556.9686.8650.7405.035.103R514.3553.1312.790.3074.5855.144从上表可以看到，污泥减量效果最好的条件下，即反应器R2的C元素所占有的比例相对来说比较高。H元素占据的比例也相对来说比较高，在污泥焚烧的时候，相对来说比较容易和彻底。S元素在每个反应器所占的比例相对来说比较小，主要是由于微生物对于S元素的需求相对比较少。4.3尼泊金丙酯对于系统污水处理效果的影响前面研究了尼泊金丙酯对于系统污泥的相关性质的影响，但是污泥减量的同时需要确保相应的污水处理效果。因此对尼泊金丙酯的出水指标进行检测，-33-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文并结合水处理效果提出相应的意见和建议。4.3.1COD去除效果110R0R11009080COD去除率(%)7060110R2R31009080COD去除率(%)7060110R4R51009080COD去除率(%)7060010203040010203040时间(d)时间(d)图4-3每个反应器COD的去除率从图上可以看到R0在前四天，COD的去除率比较高，基本都在90%以上，5~10天COD的去除率逐渐上升，之后COD的去除率有所下降，在实验的后期COD的去除率基本都达到80%以上。R1在实验的前两天COD的去除率呈现逐渐下降的趋势，可能的原因是加入尼泊金丙酯对于系统的微生物的相关活性有一定的影响，导致系统异养细菌的活性下降，导致COD的去除率下降，之后由于微生物的自我调节作用，污泥的活性逐渐恢复，COD的去除率有所提高。在实验的后期，COD的去除率基本都在85%以上。R2在实验的过程中间COD的去除效果相对来说比较好，每天的去除率都达到了80%以上。污泥减量最佳浓度条件下，尼泊金丙酯的COD的去除率相对于空白组差别并不明显。每个反应器的COD的平均去除率用ACOD表示，经过计算每个反应器的COD的平均去除率为：ACOD（R0）=93.35±7.24（%），ACOD（R1）=92.56±6.35（%），ACOD（R2）=96.11±5.25（%），ACOD（R3）=93.89±5.86（%），ACOD（R4）=94.02±6.88（%），ACOD（R5）=94.53±6.17（%）。可以看到R2的COD的去除效果最好，-34-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文说明5mg/L的尼泊金丙酯对于系统COD的去除作用有显著地提升。每个反应器COD的平均去除率差异不大，说明尼泊金丙酯对于系统COD的去除没有显著地影响作用。R1、R2、R3、R4在加入尼泊金丙酯之后，COD的去除率都会先下降，然后上升，与微生物的代谢规律相一致。R5的COD的去除率变化规律则不然，需要进行详细的研究。4.3.2氨氮的去除效果通过对尼泊金丙酯作用于SBR系统出水的氨氮的浓度进行检测，描述系统内部相关亚硝酸盐细菌的活性。同时比较不同浓度的尼泊金丙酯对于系统氨氮去除率的影响。从图上可以看出空白组R0在实验的前11天，NH+4-N的去除率呈现逐渐下降的趋势，在12~17天逐渐上升，之后3天NH+4-N的去除率会有所下降，然后NH++4-N的去除率又缓慢上升，最后NH4-N的去除率基本稳定在80%以上。R1的NH+4-N的去除率相对来说比较稳定，在实验的过程中间基本都在80%左右。R2在实验的前14天，NH+4-N的去除率基本表现为下降的趋势。在13~14天NH++4-N的去除率只有20%左右，与NH4-N去除相关的微生物的活性达到最低。R3在最初的一周内NH+4-N的去除率也是不断下降的，之后也是有所波动，NH++4-N的去除率基本都在60%~90%之间。R4在实验最初的一周内，NH4-N的去除率也是逐渐下降的，之后NH+4-N的去除率波动也比较大。R5在实验初期，NH++4-N的去除率波动较大，但是在实验的后期，NH4-N的去除率非常稳定，基本都在90%左右。R1、R2、R3、R4四组反应器在实验的最初，NH+4-N的去除率都是有下降的趋势，说明加入尼泊金丙酯对于系统氨氮的去除还是有一定的抑制作用，但是随着微生物自身的调整，活性逐渐得到恢复，氨氮的去除逐渐率又会提高。R5污泥减量效果最佳，其NH+4-N的去除率相对来说也比较好。在实验的过程中间NH+4-N的平均去除率用ANH4+-N来表示，每个反应器的氨氮平均去除率为：ANH4+-N（R0）=65.47±13.86（%），ANH4+-N（R1）=70.89±8.26（%），ANH4+-N（R2）=78.59±15.42（%），ANH4+-N（R3）=68.13±10.72（%），ANH4+-N（R4）=70.55±11.72（%），ANH4+-N（R5）=83.84±12.91（%）。可以看到加入尼泊金丙酯对于系统有一定的提升作用。当污泥减量效果最好的条件下，NH+4-N的去除率提升了13.12%。-35-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100806040-N去除率（%）+20R0R1NH40100806040-N去除率（%）+20R2R3NH40100806040-N去除率（%）+20R4R5NH400510152025303505101520253035时间（d）时间（d）图4-4每个反应器NH4+-N的去除率4.3.3磷酸盐的去除效果由于SBR工艺对于磷酸盐的去除率相对来说比较低，在实验的过程中间检测出水的磷酸盐浓度，观察磷酸盐的去除率，并结合相关的给排水知识，提出强化除磷的对策和措施。从图可以看到R0在实验的前9天，PO3-4-P的去除率从90%下降到20%左右，然后PO3-3-4-P的去除率缓慢提高。R1的PO4-P的去除率在前9天也是不断下降，，PO3-4-P的去除率从90%下降到40%。然后有所提高，最后磷酸盐的去除率稳定在50%左右。R2在实验的前7天，PO3-4-P的去除率呈现逐渐下降的趋势，之后污泥的相关活性得到恢复，最后磷酸盐的去除率基本达到60%左右。R3的变化幅度相对较大，在实验的前11天PO3-4-P的去除率不断下降，然后在第12天PO3-4-P的去除率相对来说比较高，之后又是不断下降的趋势，然后系统的PO3-4-P的去除率有所上升。R4和R5在实验的过程中间，PO3-4-P的去除率的波动相对来说也比较大。-36-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100R0R1806040-P去除率(%)3-204PO0100R2R3806040-P去除率(%)3-204PO0100R4R5806040-P去除率(%)3-204PO005101520253035400510152025303540时间(d)时间(d)图4-5每个反应器PO43--P的去除率实验过程中间磷酸盐的平均去除率用A3-PO4表示，每个反应器的PO4-P的去除率为：APO4（R0）=58.47±21.23（%），APO4（R1）=56.48±16.03（%），APO4（R2）=52.47±19.43（%），APO4（R3）=57.09±20.81（%），APO4（R4）=55.23±14.79（%），APO4（R5）=67.36±16.05（%）。可以看到污泥减量效果最好的条件下，系统PO3-4-P的去除率下降了6%。4.3.4TN的去除效果在实验的过程中间检测系统进水和出水的TN的浓度，研究尼泊金丙酯对SBR系统TN去除率的影响规律。可以看到相对于系统其它污水指标的去除率，系统TN的去除率相对来说比较稳定。每个反应器的TN的平均去除率用ATN来表示，每个反应器的TN的平均去除率为：ATN（R0）=47.82±12.28（%），ATN（R1）=53.65±5.72（%），ATN（R2）=56.87±9.85（%），ATN（R3）=53.11±6.77（%），ATN（R4）=54.66±3.59（%），ATN（R5）=57.27±4.23（%）。当污泥减量效果最好的条件下，系统TN的平均去除率相对较好为56.87%。而且可以看到加入尼泊金丙酯的系统TN的去除率都会有所上升，而且系统TN去除率的方差也会变小，说明系统出水的TN的去除率也越稳定。-37-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文80604020R0R1TN的去除率(%)080604020TN的去除率(%)R2R3080604020TN的去除率(%)R4R5005101520253035400510152025303540时间(d)时间(d)图4-6每个反应器TN的去除率4.4污泥的沉降性能4.4.1SV30从图上可以看出R0的SV30在试验最初的前9天，呈现逐渐下降的趋势，说明系统的沉降性能越来越好。在试验剩余的时间内系统的SV30相对来说变化比较稳定，基本维持在8%左右。R1的SV30在实验的前11天从16%逐渐下降到6%，然后污泥的SV30会有一点升高，在实验的第12~19天，SV30基本维持在10%左右，之后反应器的SV30基本都在8%~12%之间波动。R2的SV30在实验的前11天也是呈现逐渐下降的趋势，之后的6天SV30基本维持在8%左右，之后系统的SV30的值波动相对来说比较小，基本都在8%左右。R3在实验的前13天，SV30的值逐渐下降，污泥沉降性能良好，之后污泥的SV30的值也有所波动，不过基本都维持在8%左右。R4在实验的前13天，SV30也是逐渐下降的，之后污泥的SV30也有所波动，SV30的值基本在6%~10%之间。R5的污泥减量效果最好，其沉降性能相对来说比较稳定。每个反应器的SV30-38-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的平均值用ASV30来表示，经过计算每个反应器的SV30的平均值分别为ASV30（R0）=8.71%，ASV30（R1）=8.8%，ASV30（R2）=8.68%，ASV30（R3）=9.22%，ASV30（R4）=9.02%，ASV30（R5）=8.62%。R3的污泥减量效果最差，污泥的沉降性能性能也最差，R5污泥减量的效果最好，污泥的沉降性能也是最好的。16R0R11284SV30(mL/100mL)016R2R31284SV30(mL/100mL)016R4R51284SV30(mL/100mL)0010203040010203040时间(d)时间(d)图4-7每个反应器的SV304.4.2SVI从图上可以看到R0的SVI值基本都在50~150之间，SVI的值超过150也只有一天，有四天的SVI值低于50；R1的SVI值有两天超过150，有两天低于50；R2的SVI值只有两天SVI值超过150；R3的SVI值只有一天SVI值超过150；R3有两天的SVI值超过150；R4和R5也只有两天的SVI值超过150。说明每个反应器的污泥沉降性能正常。每个反应器的SVI的平均值用ASVI表示，经过计算每个反应器的SVI的平均值为：ASVI（R0）=78.61，ASVI（R1）=91.45，ASVI（R2）=97.79，ASVI（R3）=89.20，ASVI（R4）=102.19，ASVI（R5）=96.37。从最后几天的变化规律来看，R0与R5还是有一定的差别。R5最后几天的平均值相对于R0最后几天的平均值应该低10左右。在实验的过程中间，每个反应-39-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文器的污泥沉降性能基本正常。R0R116012080SVI(mL/g)40R2R316012080SVI(mL/g)40R4R516012080SVI(mL/g)4005101520253035400510152025303540时间(d)时间(d)图4-8每个反应器的SVI4.5本章小结本章主要研究了不同浓度的尼泊金丙酯作用于SBR系统，确定其对于系统污水处理和污泥减量的效果以及系统污泥的沉降性能，得出的结论如下：（1）每个反应器的污泥减量的效果分别为：Re（R1）=37%，Re（R2）=41%，Re（R3）=24%，Re（R4）=29%，Re（R5）=47%。综合考虑尼泊金丙酯的投加量和污泥的减量效果，认为进水的浓度为5mg/L的时候，尼泊金丙酯的污泥减量效果最好。各组反应器的污泥表观产率比较低，污泥减量效果较好。（2）当尼泊金丙酯投加量最优时与空白组的出水指标的对比如下：COD的平均去除率相对于空白组上升了2.76%；NH+4-N的平均去除率上升了了13.12%；PO3-4-P的平均去除率下降了6%；TN的平均去除率上升了10.05%。结果表明投加5mg/L尼泊金丙酯对于系统COD、NH+4-N、TN的去除率都有一定的提升作用。但是磷酸盐的去除率会有所下降。（3）在实验的过程中间，系统的污泥的沉降性能正常，无污泥膨胀。-40-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第5章联合条件下对系统污泥减量和污水处理的影响5.1引言通过上面的研究发现当尼泊金甲酯的浓度为1mg/L的时候，污泥减量的效果最好为38%，当尼泊金丙酯的浓度为50mg/L的时候，污泥减量的效果最好为47%。当尼泊金丙酯的浓度为5mg/L的时候，污泥减量的效果为41%，综合考虑经济和污泥减量效果的影响，选择合适的尼泊金丙酯的浓度为5mg/L。下面研究甲酯和丙酯联合对污泥减量的效果研究。5.2尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统污泥减量的影响前面实验研究了尼泊金甲酯和尼泊金丙酯单独作用于系统的污水处理效果和污泥减量效果，得出尼泊金甲酯和尼泊金丙酯污泥减量的最佳浓度。实验在此基础上继续研究尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合的污水处理和污泥减量效果。甲酯和丙酯的具体配比如下，研究不同配比的尼泊金甲酯和尼泊金丙酯对系统污水处理和污泥减量的影响效果。表5-1甲酯和丙酯联合的浓度组成R0R1R2R3R4R5尼泊金甲酯浓0.250.7500（0%）0.5（50%）1（100%）度（mg/L）（25%）（75%）尼泊金丙酯浓3.752.51.2505（100%）0（0%）度（mg/L）（75%）（50%）（25%）5.2.1联合条件下对于系统污泥累计增长量的影响通过40多天的监测（污泥累计增长量用sumslu），每个反应器的污泥累计增长量分别为：sumslu（R0）=19.06g，sumslu（R1）=14.83g，sumslu（R2）=13.12g，sumslu（R3）=13.51，sumslu（R4）=14.62g，sumslu（R5）=15.49g。看到R2的污泥减量的效果最好为31%。而单独使用尼泊金丙酯和单独使用尼泊金甲酯的污泥减量效果分别为22%和18%，相对于使用单一的抑菌剂，最优工况条件下污泥减量的效果分别提升了9%和13%。从图上可以看出单独使用尼泊金甲酯的污泥减量的效果最差，其次则是单独使用尼泊金丙酯。说明了使用单一的抑菌剂，污泥减量的效果并不显著，而尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合确实对于污泥减量的效果确实具有一定的提升作用，与文献调研的结果也相吻-41-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文合。当尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的投加量各为50%的时候，污泥减量效果也比较好，达到了29%。与尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合条件下最好的污泥减量的效果31%相差并不显著。单独使用尼泊金甲酯或者尼泊金丙酯的时候，不同浓度梯度下的污泥累计增长量相差还是比较大的，但是尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合使用的时候，系统的污泥累计增长量相差并不大。25R0R120R2R315R4R510污泥累计增长量(g)50051015202530354045时间(d)图5-1联合条件下的污泥累计增长量5.2.2联合条件下的污泥表观产率前面已经说过，为了刨除降解COD的影响，在污泥减量的过程中间，对于污泥表观产率系数Yobs的研究是十分必要的。每个反应器的污泥表观产率Yobs分别为：Yobs（R0）=0.43，Yobs（R1）=0.34，Yobs（R2）=0.291，Yobs（R3）=0.298，Yobs（R4）=0.335，Yobs（R5）=0.354。空白组的污泥表观产率为0.43，基本接近0.45~0.75（一般生物污水处理系统的污泥表观产率）。前面已经说过R2的污泥减量效果最好，其污泥表观产率也是最低的，也前面的结果相吻合。当尼泊金甲酯的浓度从0增加到0.25mg/L的时候，污泥表观产率Yobs与尼泊金甲酯的浓度呈现负相关关系，随着尼泊金甲酯浓度的增加，污泥表观产率Yobs却是逐渐较少的。之后污泥表观产率Yobs与尼泊金甲酯的浓度呈现正相关关系。随着尼泊金甲酯的浓度的增加，污泥表观产率也是逐渐增大，即消耗单位COD的污泥产生量是逐渐增加，污泥的减量效果相对来说会变差。-42-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文0.5污泥表观产率Yobs0.40.30.2(mgMLSS/mgCOD)obsY0.10.0R0R1R2R3R4R5反应器图5-2联合条件下每个反应器的污泥表观产率5.3联合条件下对于系统污水处理效果的影响前面分析了甲酯和丙酯联合对于系统污泥减量的效果，但是在污水处理过程中间，相应的污水处理效果必须得到保证，在实验的过程中间对出水的常见指标进行检测，观察甲酯和丙酯联合条件下对于系统的污水处理效果。5.3.1尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统COD的影响通过监测每组反应器的COD的浓度，计算COD的去除率，通过比较其余反应器和空白组COD的去除率，观察不同配比的甲酯和丙酯联合对于系统COD的去除率的影响规律。每个反应器的COD的平均去除率用ACOD表示，每个反应器的COD的平均去除率为：ACOD（R0）=87.9%，ACOD（R1）=86.7%，ACOD（R2）=89.41%，ACOD（R3）=89.67%，ACOD（R4）=85.79%，ACOD（R5）=86.13%。可以看出单独加入尼泊金甲酯或者尼泊金丙酯都会导致系统COD的去除率由一定程度的下降，但是当污泥减量效果最好的条件下，系统COD的去除率相对于空白组从87.9%提升到89.41%。当尼泊金甲酯和尼泊金丙酯按照1:1进行投加的时候，系统COD的去除率达到了最高为89.67%。系统COD的去除率比较高的原因是多种异养微生物都能利用有机碳作为碳源，在代谢过程中间完成对COD的去除。-43-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100908070COD去除率(%)R0R160100908070COD去除率(%)R2R360100908070COD去除率(%)R4R560051015202530354045051015202530354045时间(d)时间(d)图5-3联合条件下系统COD的去除率5.3.2尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统氨氮的影响每个反应器的氨氮的去除率的变化如下图所示。在实验的过程中间NH+4-N的平均去除率用ANH4+-N来表示，每个反应器的氨氮平均去除率为：A（R0）=85.95%，A（R1）=83.98%，A（R2）=83.83%，A（R3）=85.04%，A（R4）=78.80%，A（R5）=83.02%。可以看到加入尼泊金甲酯和尼泊金丙酯这两种抑菌剂后，系统与氨氮的去除相关的微生物的活性受到抑制，相对于空白组来说，大部分反应器的氨氮的去除率都是有所下降，但是污泥减量效果最好的条件下，氨氮的去除率仅仅下降了2.1%左右，相对来说影响不是特别大。而当尼泊金甲酯和尼泊金丙酯按照1:1投加的时候，对于系统NH+4-N的平均去除率相对于空白组基本没有显著的变化。说明尼泊金甲酯和尼泊金丙酯进行联合的时候在一定程度上能够提升系统的氨氮的去除效果。-44-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文R0R1908070+-N去除率60NH45040R2R3908070-N去除率+60NH45040R4R5908070+-N去除率60NH450400102030405001020304050时间(d)时间(d)图5-4联合条件下系统NH4+-N的去除率5.3.3尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统磷酸盐的影响下图是在实验的过程中间尼泊金甲酯和尼泊金丙酯共同作用于SBR系统时，每个系统的PO3-4-P的去除率。实验过程中间磷酸盐的平均去除率用APO4表示，每个反应器的PO3-4-P的去除率为：APO4（R0）=68.74%，APO4（R1）=69.57%，APO4（R2）=68.62%，APO4（R3）=65.84%，APO4（R4）=59.12%，A3-PO4（R5）=60.47%。可以看到单独使用尼泊金丙酯的PO4-P的去除率相对空白组有一定的提升，而单独使用尼泊金甲酯PO3-4-P的去除率则会有一定程度的下降。污泥减量效果最好的条件下，PO3-4-P的去除率为68.62%与空白组68.74%相差不大。当尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的配比为1:1的时候，磷酸盐的平均去除率为65.84%。也与空白组的差别不大。-45-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100R0R18060-P去除率(%)403-420PO0100R2R3806040-P去除率(%)3-420PO0100R4R5806040-P去除率(%)3-420PO00102030405001020304050时间(d)时间(d)图5-5联合条件下系统PO43--P的去除率5.3.4尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统TN去除率的影响从下图可以看到在实验的过程中间TN的去除率相对来说比较稳定。每个反应器的TN的平均去除率用ATN来表示，每个反应器的TN的平均去除率为：ATN（R0）=60.74%，ATN（R1）=62.62%，ATN（R2）=61.96%，ATN（R3）=59.04%，ATN（R4）=57.76%，ATN（R5）=55.79%。单独使用尼泊金甲酯会使系统TN的平均去除率会有所下降。而单独使用尼泊金丙酯会使得系统TN的去除率提升2%左右。污泥减量效果最好的条件下，相对于空白组的TN的去除率提升了1.2%。当尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的配比为1:1的时候，TN的去除率为59.04%与空白组TN的去除率为60.74%下降了1.7个百分点。影响相对来说都是比较小的。-46-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文100R0R1806040T去除率(%)200100R2R3806040T去除率(%)200100R4R5806040T去除率(%)2000102030405001020304050时间(d)时间(d)图5-6联合条件下系统TN的去除率5.4污泥的沉降性能5.4.1甲酯和丙酯联合对于系统SV30的影响空白组R0的SV30的平均值为8.9%；污泥减量效果最好条件下R2的SV30的平均值为8.88%；单独使用尼泊金甲酯R5的SV30的平均值为9.11%；单独使用尼泊金丙酯的R1的污泥SV30的值为8.83%；当尼泊金甲酯和尼泊金丙酯的投加量各占50%的时候，R3的SV30的平均值为9.19%。污泥减量最好条件下的SV30相对空白组来说有所降低说明这种情况下，甲酯和丙酯的联合有利于系统污泥的沉降。单独使用尼泊金甲酯会使系统的SV30的平均值上升，说明尼泊金甲酯可能会改变系统的絮凝性能和沉降性能，导致系统的沉降性能变差。单独使用尼泊金丙酯的SV30的平均值为8.83%，沉降性能在所有的反应器中间是最好的。-47-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文13R0R112111098SV30(ml/100ml)7613R2R312111098SV30(ml/100ml)7613R4R512111098SV30(ml/100ml)76010203040010203040时间(d)时间(d)图5-7联合条件下系统SV30的变化规律5.4.2甲酯和丙酯联合对于系统SVI的影响通过对尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合条件下系统的SVI的检测，判断在实验的过程中间沉降性能的好坏。并对每个反应器的SVI的平均值进行对比，探讨可能的原因，分析相关的变化过程。每个反应器的SVI的平均值用ASVI表示，ASVI（R0）=61.48，ASVI（R1）=76.72，ASVI（R2）=86.12，ASVI（R3）=89.66，ASVI（R4）=81.25，ASVI（R5）=76.75。空白组的SVI值最小为61.48，相对来说比较低。可能的原因是空白组的无机质含量相对来说比较高。单独使用尼泊金甲酯和单独使用尼泊金丙酯的SVI的平均值分别为76.75和76.72，说明加入甲酯和丙酯都对系统的SVI的值会有一定的提升作用，而且甲酯和丙酯的联合会使系统SVI的提升作用更加明显。当甲酯和丙酯的组成为1:1的时候，系统的SVI的平均值最大为89.66，即单位质量的污泥所占有的体积最大。-48-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文160R0R114012010080SVI(ml/gMLSS)6040160R2R314012010080SVI(ml/gMLSS)6040160R4R514012010080SVI(ml/gMLSS)6040010203040010203040时间(d)时间(d)图5-8联合条件下系统的SVI值5.4.3尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统表面电性的影响研究表明污泥的表面电性与污泥的沉降性能和絮凝效果具有一定的关系，一般来说，表面电性较高，具有良好的絮凝性能和沉降性能；而表面电性较低，絮凝性能和沉降性能相对来说比较差。试验通过检测每组反应器的zeta电位来表征其表面性。下图是每组反应器的zeta电位图。Zeta（R0）=-0.7mV，Zeta（R1）=-1.35mV，Zeta（R2）=-0.83mV，Zeta（R3）=-1.01mVZeta（R4）=-1.73mV，Zeta（R5）=-2.59mV，从图上可以看出空白组的zeta电位相对来说比较低，说明空白组的污泥絮凝效果相对来说比较好，与前面空白组的SVI最低也相吻合。污泥减量效果最好的条件下即R2的zeta电位也比较低，与空白组仅仅相差-0.13mV。从图上可以看出单独使用尼泊金甲酯或者尼泊金丙酯的絮凝和沉淀效果相对来说都是比较差，但是两者联合可以提高系统的zeta电位，强化系统的絮凝和沉降的效果。-49-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文R0R1R2R3R4R50-1-2-3Zp(mv)-4-5zeta电位-6-7图5-9各组反应器的zeta电位5.4.4尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合对于系统脱水性能的影响前面已经说过，污泥需要进行脱水处理减少污泥的容积。这样有利于对污泥进行运输，而且在进行污泥减量处理的时候可以减小相关构筑物的容积，减低污泥处理的成本。污泥脱水处理效果的好坏与污泥脱水的性能有很大的关系。在实验后期提取混合液来测定系统的毛细吸水时间，来表征系统的脱水性能。进而探究甲酯和丙酯的不同配比对于系统脱水性能的影响。一般来说，毛洗吸水时间越短那么污泥的脱水性能也较好。毛细吸水时间14121086毛洗吸水时间(s)420R0R1R2R3R4R5图5-10各组反应器的毛细吸水时间对照组R0的毛细吸水时间为13.0s，在投加了药剂之后系统的毛细吸水时间基本都有所下降，说明加入药剂之后，能够改善系统的脱水性能。R5的毛洗-50-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文吸水时间为11.3s，单独使用尼泊金甲酯能略微改善系统的脱水性能。污泥减量效果最好的条件下R2的毛洗吸水时间为13.3s，与空白组的相差不大。也就是污泥减量最好的工况条件下可能系统的脱水性能会受到一定程度的影响，但不是特别的显著。5.5系统EPS的组成分析胞外聚合物是是由细菌分泌的存在于细胞外的高分子聚合物（包括多糖、蛋白质以及核酸等物质）。胞外聚合物对于细菌具有极其重要的意义。其不仅可以富集营养物质供给微生物的代谢而且对微生物具有一定的保护作用。当细菌细胞受到有毒物质的的侵害的时候，EPS的含量一般会增加。由于多糖与蛋白的含量相对来说较大，在实验后期测量每组反应器的EPS。研究投加药剂对于系统微生物的毒害作用。可以看到所有实验组都比空白组的EPS的值要低，说明投加的药剂对于系统的微生物基本没有毒害作用。蛋白质蛋白/糖50多糖340230蛋白/糖201EPS产量（mg/gMLVSS）1000R0R1R2R3R4R5图5-11各组反应器的EPS5.6联合条件下污泥的元素组成表5-2反应器的元素组成及比例反应器C（%）H（%）N（%）C/HC/NR012.7152.1752.5055.8355.07R15.0751.071.0054.725.04R21.7650.680.32.565.835R33.6250.8850.6954.0755.22R45.0651.0850.994.665.11-51-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表5-2续表反应器C（%）H（%）N（%）C/HC/NR59.4351.6131.8355.8455.145从图上可以看到甲酯和丙酯联合使得污泥中间C和H所占的百分比会有所下降，对于污泥的热值是会有一定的影响。而且可以看到R2的C、H的百分含量都是比较低的。在实际的污泥处理过程中间可以采用别的方法进行污泥减量的处理，如果仍然需要采用焚烧法，可以在其中加入一定量的可燃物质来保证污泥的燃烧热值。5.7污泥减量最优条件下C的组成分析351.8R0ICTOC/IC30TOC251.22015TOC/IC浓度(mg/L)0.610500.0-2147101316192225283134374043时间(d)351.8R2ICTOC/IC30TOC251.22015TOC/IC浓度(mg/L)0.610500.0-2147101316192225283134374043时间(d)图5-12R0和R2的C组分分析通过对污泥减量最优条件下R2和空白组出水C的组成分析，研究在实验过程中间C的转化规律。从下图可以看出，在出水中间主要是以无机碳的形式存在。通过观察空白组和R2可以看到TOC/IC的比值都会先下降，然后再有所上升。可能的原因是，在实验的初期无机质的含量相对来说比较低，因此比值会比较高，随着实验的不断进行，有机物质逐渐降解为IC，因此TOC/IC的比值也会有所下降。随着抑菌剂在反应器内部的积累，TOC的去除率下降，导致TOC/IC的比值又有所上升。从图上可以看出有机碳和无机碳之和相对来说比较稳定。-52-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.8污泥减量最优条件下污泥的活性分析前面已经讲过污泥活性SOUR的测量方法，R0和R2的比好氧速率如下图所示。20R0181614/gMLSS*h)12210864SOUR(mg02051015202530354045505560657075时间(min)25R220/gMLSS*h)152105SOUR(mg0051015202530354045505560657075时间(min)图5-13R0和R2的SOUR平均值的变化规律图5-13是R0和R2（污泥减量效果最优反应器）系统的SOUR的平均值随着时间的变化规律。在实验的初期由于有机物质充足，溶解氧的浓度相对来说比较高，因此系统的SOUR值相对来说比较大，随着反应的进行，虽然有机物比较充足，但是溶解氧的浓度在不断下降，因此SOUR的值逐渐减小而且可以看到投加药剂后R0的SOUR的平均值降低相对较小，说明随着时间的变化，对溶解氧的利用速率相对时间来说比较均匀。而且很快就能消耗系统中间的溶解氧，最后基本上随着时间的变化SOUR的值下降比较快。以实验的时间计算R0的SOUR的平均值为5.85mgO2/（gMLVSS*h）。而药剂联合污泥减量效果最好的条件下为10.29mgO2/（gMLVSS*h）。SOUR的平均值上升了一倍，说明代谢过程有所加强，但是由于某种原因导致能量的逸散，并没有作为能源物质供给细胞的合成。从而实现了污泥减量。根据给排水中间的莫诺方程式，因为SOUR的测定有机物相对比较充足，因此氧气的浓度就成为微生物代谢的限制因素。根据莫诺方程的推论：当底物（氧气）充足的时候，微生物的代谢速率符合零级反应方程式；当底物（氧气）较低的时候，微生物的代谢速率符合零级反应方程式。拟合的曲线如下图所示：从图5-14可以看出在实验的前20min-53-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的时候，DO的浓度随时间变化近似为一条直线关系，符合0级反应动力学，R2达到了0.92随着实验的进行，溶解氧的浓度受到限制，成为制约微生物生长的主要因素，反应近似为一级反应动力学，R2为0.98，在忽略氧气传质过程中间的有关变化，可以认为实验的结果近似符合莫诺方程。实验说明微生物的代谢方程符合莫诺方程，说明微生物的代谢正常。R2由于投加了酯类物质，经过对溶解氧的利用速率拟合，差别较大。主要原因是酯类物质影响了氧气的传质过程。DO速率拟合曲线9.0方程y=a+b*x截距8.572±0.243738.5斜率-0.1446±0.01998.0调整后R平方0.928317.57.0DO浓度(mg/L)6.56.05.5051015202530时间(min)DO速率拟合曲线0.95方程y=a+b*x截距1.04213±0.009360.90斜率-0.0041±1.88702E-4调整后R平方0.981280.850.80DO浓度的自然对数值0.7520304050607080时间(min)图5-14R0的DO浓度随时间的变化曲线5.9本章小结本章主要研究了甲酯和丙酯联合条件下系统的污泥性质和系统的出水水质、表面电性、脱水性能、EPS、污泥元素分析、C的组成分析、以及污泥活性得出的结论如下：（1）尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合相对于它们单独作用确实有更好的污泥减量的效果，当污泥减量效果最好的工况条件下（最优工况条件）污泥表观产率Yobs也是最低的，即降解单位COD的污泥产生量也是最低的。最优工况条件下SV30的平均值为8.88%与空白组SV30的平均值8.9%基本没有差别，说明最优工况条件下对于系统的沉降性能基本没有影响。在实验过程中间空白组与最优工况条件下的SVI值基本正常，没有出现污泥膨胀。（2）最优工况条件与空白组出水水质对比：COD去除率为89.41%相对于-54-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文空白组的COD去除率87.9提升了1.51%；NH+4-N去除率为83.83%相对于空白组的NH+3-4-N去除率85.95%降低了2.12%；PO4-P去除率为68.62%相对于空白组的PO3-4-P去除率68.74%降低了0.12%；TN去除率为61.96%相对于空白组的TN去除率60.74%降低了1.22%。通过以上对比可以看出最优工况条件下系统的水处理效果相对于空白组差别并不显著，但污泥减量的效果达到了31%。在实际的工程中间具有运用的可能。（3）通过对各反应器内表面电性Zeta电位的测定、系统脱水性能的研究、EPS的组成分析来研究尼泊金甲酯和尼泊金丙酯对污泥相关性质的影响。结果表明，最优工况条件下的zeta电位与空白组zeta电位都比较高絮凝和沉淀的效果也比较好；两者的毛细吸水时间也比较接近，脱性性能比较接近；最优工况条件下的EPS比空白组的EPS还要低，说明投加药剂基本无毒害作用。（4）通过对各反应器内污泥的元素组成分析发现，加入抑菌剂之后系统的C、H所占的百分比会有所下降，热值也会有所下降，可以对采取非焚烧法对污泥进行处理，如果仍然需要利用焚烧法进行处理，可以在其中加入一定量的燃料物质保证相应的热值。通过对最优工况条件下出水的C组成分析，了解在实验的过程中间有机碳和无机碳的含量以及它们的相互转化规律。通过对空白组的SOUR的测定，分析系统的微生物的活性，运用莫诺方程进行检验，验证了实验微生物的代谢规律与理论相吻合。-55-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结论本论文研究了尼泊金甲酯、尼泊金丙酯这两种抑菌剂单独及联合条件下的污水处理和污泥减量的效果。本论文得出的结论如下：（1）尼泊金甲酯的浓度为1mg/L的时候，污泥减量效果最佳为38%。污水处理效果与空白组差异不大，但磷酸盐的去除率下降了12.36%。可以辅以化学除磷工艺，强化磷酸盐的去除，提高磷酸盐的去除率。在实验过程中间SVI值都在50~150之间，污泥沉降性能正常，没有出现污泥膨胀。（2）综合考虑投加量和污泥减量的效果，当尼泊金丙酯的浓度为5mg/L的时候，系统污泥减量效果最佳为41%系统的水处理效果与空白组无显著差异。在实验过程中间基本没有出现污泥膨胀。（3）当尼泊金甲酯的浓度为0.25mg/L，尼泊金丙酯浓度为3.75mg/L的时候，系统具有最佳的污泥减量效果为31%，相对于单独使用尼泊金甲酯的污泥减量效果提升了13%，相对于单独使用尼泊金丙酯提升了9%。污水处理效果正常。系统的沉降性能均保持正常。（4）当尼泊金甲酯和尼泊金丙酯联合的情况下，污泥减量效果最好的条件下与空白组的Zeta相差不大，对系统的沉降性能也基本没有显著影响。甲酯和丙酯联合的条件下，系统的毛细吸水时间相差不大，说明药剂联合对于系统的脱水性能影响相对来说比较小。通过对胞外聚合物的分析，甲酯和丙酯联合对于系统微生物基本没有毒害作用。通过对反应器的污泥进行元素分析，发现甲酯和丙酯联合会使得系统的热值有一定程度的下降。（5）通过测定SOUR发现，尼泊金甲酯和丙酯联合，污泥减量效果最优条件下SOUR的平均值为10.29mgO2（/gMLVSS*h），相对于空白组5.85mgO2/（gMLVSS*h）上升了一倍，代谢加快，产能过剩，一部分能量逸散，最终实现污泥减量。利用Monod方程来拟合空白组的DO消耗速率，相对来说比较符合。而拟合甲酯和丙酯比较差，可能的原因是甲酯和丙酯对于氧气的传质影响比较大。-56-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文参考文献[1]张斌.污泥减量工艺OSA系统影响因素研究[D].重庆大学,2005.[2]陈志英.解偶联代谢用于污泥减量化的研究[D].同济大学,2006.[3]刘宇辉,解庆林.解偶联污泥减量技术的研究进展[J].净水技术,2016,35（S1）:70-74.[4]王晓东.THPS对间歇式IFAS的污泥减量特性及工艺运行的影响[D].哈尔滨工业大学,2017.[5]汪广丰.浅议污水处理厂污泥处置[J].城乡建设,2015（04）:85.[6]张夏瑛,费琳艳.城市污水处理厂污泥处理问题的探究[J].资源节约与环保,2016（10）:164.[7]黄晓楠.活性污泥臭氧化溶胞效能研究[D].浙江工业大学,2017.[8]刘环.城镇污泥处置方案分析研究[D].天津大学,2017.[9]王清艳,代凌峰.城镇污水污泥处理处置现状及研究进展[J].四川农业科技,2014（07）:56-58.[10]周乃然,温超,程刚.城市污水厂污泥稳定化技术研究进展[J].应用化工,2016,45（03）:547-549+560.[11]E.Erhart,W.Hartl,MulchingwithcompostimprovesgrowthofbluespruceinChristmastreeplantations,EuropeanJournalofSoilBiology,Volume39,Issue3,2003,Pages149-156.[12]冯春.城市污水处理厂污泥蚯蚓堆肥技术研究[D].贵州大学,2008.[13]陈菊香.剩余污泥减量化-资源化的研究[J].环境科技,2011,24（02）:7-9.[14]张勇.我国污泥处理处置现状及发展前景[J].中国资源综合利,2014,32（10）:23-26.[15]何强,吉芳英,李家杰.污泥处理处置及资源化途径与新技术[J].给水排水,2016,52（02）:1-3.[16]胡佳佳,白向玉,刘汉湖,秦峰,苏晓丽.国内外城市剩余污泥处置与利用现状[J].徐州工程学院学报（自然科学版）,2009,24（02）:45-49.[17]SangtianYan,KazuhikoMiyanaga,Xin-HuiXing,YasunoriTanji,Successionofbacterialcommunityandenzymaticactivitiesofactivatedsludgebyheat-treatmentforreductionofexcesssludge,BiochemicalEngineeringJournal,Volume39,Issue3,2008,Pages598-603.[18]YuLiu,Chemicallyreducedexcesssludgeproductionintheactivatedsludge-57-\n哈尔滨工业大学工学硕士学位论文process,Chemosphere,Volume50,Issue1,2003,Pages1-7.[19]BiyuSong,XiaofeiChen,EffectofAeolosomahemprichionexcessactivatedsludgereduction,JournalofHazardousMaterials,Volume162,Issue1,2009,Pages300-304.[20]C.A.Mason,G.Hamer,J.D.Bryers,Thedeathandlysisofmicroorganismsinenvironmentalprocesses,FEMSMicrobiologyLetters,Volume39,Issue4,1986,Pages373-401.[21]YuansongWei,RenzeT.VanHouten,ArjanR.Borger,DickH.Eikelboom,YaoboFan,Minimizationofexcesssludgeproductionforbiologicalwastewatertreatment,WaterRese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