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污泥缺氧好氧消化的减量研究 ＊ 牛奕娜 1 彭永臻 1,2 1.北京工业大学环境与能源工程学院, 北京 100022; 2.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室, 北京 100022 摘要 实验主要进行缺氧好氧工艺在不同运行条件下消化效果的研究; 在常温和中温下, 与传统污泥好氧消化处理的 效果对比, 并进行 pH 等控制参数的统计规律分析, 提出优化处理工艺条件, 也为污泥缺氧好氧消化工艺的设计、运行 管理和进一步研究提供可靠的理论依据。 关键词 缺氧好氧消化 剩余活性污泥 中温 常温 ＊国家自然科学基金国际重大合作项目 50521140075 0 前言 近年来由于环境和立法的要求 ,更多的污水需要 处理后排放, 而污水生物处理过程中会产生剩余污 泥。随着污水生物处理技术的普及应用 ,我国城市污 水处理事业蓬勃发展 ,需要进行处理和处置的污泥量 也会急剧增加, 城市生活污水污泥的处理是一个世界 性的难题 ,处理 、 处置不当易造成环境二次污染。 1 污泥好氧消化概述 污泥好氧处理是污泥厌氧处理最有效的替代方 法,在中小型水厂中应用越来越广泛。国内对污泥好 氧消化工艺研究尚不够深入, 特别是污泥好氧消化工 艺最优设计参数及运行条件的合理确定等问题,需要 进一步研究和探讨。 1. 1 污泥好氧消化原理 污泥好氧消化是将内源代谢原理应用到污泥处 理中 ,由于营养物质的不足,随着底物的不断消耗 ,微 生物开始消耗自身的原生质, 最终使细菌解体 ,导致 污泥量减少。污泥好氧消化处理实际上是活性污泥 法的继续 ,其工作原理是污泥中微生物有机体的内源 代谢过程 。微生物内源代谢的概念是 1956 年在美国 曼哈顿大学召开的废水生物处理学术讨论会上提出 并确定下来的。将内源代谢原理应用到废水污泥处 理中的研究工作 ,主要起始于 20 世纪 60 年代 [ 1] 。污 泥好氧消化作为污泥处理的手段之一, 具有反应终产 物稳定 ,臭味少 ,上清液 BOD 较低等优点。污泥经氧 化后产生挥发性物质 CO2、 NH3等 , 从而使得污泥达 到稳定 , 污泥量大大减少 。如果以 C5H7NO2表示细 胞分子式 ,则好氧消化处理过程中发生的氧化作用可 以表示为 C5H7NO25 O2H 5CO2 NH 4 2H2O 能量 1 由于污泥好氧消化时间可长达 15～ 20 d, 利于世 代时间较长的硝化菌生长 ,故还存在硝化作用 NH 42O2NO - 3H2O 2H 2 上述反应都是在微生物酶催化作用下进行的 ,其 反应速率以及有机体降解规律可以通过参与反应的 微生物活性予以反映 。 国外有学者提出 ,涉及进水量低于2 万 m 3 d的污 水处理厂, 好氧消化工艺对于污泥稳定可能是一个有 利于环境的最优选择 。欧美等发达国家有不少中小 型污水处理厂采用好氧消化工艺处理污泥 [ 2] 。随着 污泥好氧消化研究的不断深入 ,使得这一实用技术进 一步得到充实与完善, 而且出现了一些新的工艺方 法。近几年 , 在传统好氧消化工艺基础上发展了缺 氧 好氧消化工艺。 1. 2 缺氧 好氧消化工艺 缺氧 好 氧消化 工艺 Anoxic Aerobic Digestion, A AD 即在传统好氧消化工艺 CAD 的前端加一段缺 氧区, 使污泥在该段发生反硝化反应, 其产生的碱度 可补偿硝化反应中所消耗的碱度,所以不必另行投碱 就可使 pH 值保持在 7 左右 。A AD 消化池内污泥浓 度、 污泥停留时间、 对 VSS 的去除效率等都与 CAD 工 艺相似。但由于在缺氧段是以硝酸氮代替O2作为最 终电子受体 ,需氧量比CAD工艺要少 ,在一定程度上 既节省了能源, 又能达到较好的处理效果 。 2 实验材料与方法 2. 1 实验材料与装置 好氧消化是将剩余活性污泥排入有充氧设施的 储存池内充氧, 污泥中的微生物在缺少营养的情况 62 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 下,把其他微生物作为自己的营养进行分解消化, 而 自身也发生生物氧化作用 。这些主要是由脱氢酶来 完成的。在脱氢酶的作用下微生物体内未被降解的 有机物在充氧的情况下发生去氢的氧化分解。被脱 除的氢通过细胞内酶系统进行一系列氧化还原反应, 最后受氢体是氧 。通过污泥的自身氧化 ,可以将一部 分剩余活性污泥处理掉 [ 3] 。 实验装置用有机玻璃制作 ,设两个污泥消化反应 器,每个容积8 L, 反映器底部由多孔石曝气头供氧, 以恒温水浴法控制反应器温度 。 实验所用剩余污泥取自北京市某污水处理厂 ,原 污泥经10 h重力浓缩后 ,弃去上清液即为污泥实验样 品。样品污泥的一般性质如表 1。 表 1 样品污泥的一般性质 反应器 TS mgL- 1TVS mgL- 1 pH 常温、中温12 000～ 15 0008 000～ 9 0007～ 8 2. 2 运行条件与分析指标 2. 2. 1 反应器的运行条件 采取半连续状态, 每天进泥排泥一次 ,进泥排泥 量为0. 5 L ,最终污泥停留时间保持在 16 d。采用缺 氧好氧消化工艺 ,4 h好氧8 h缺氧。反应器的运行条 件见表2 。 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会补充硝化过 程中的消耗, 从而提供稳定的 pH 值 当 pH 值较低 时,微生物的新陈代谢受到抑制, 有机物的去除率就 会降低 , 有利于好氧期污泥的消化 ,由于不需连续供 氧,可以节约运行费用。 表 2 剩余污泥消化处理反应器运行基本条件 反应器 样品体系 L 排泥进泥量 L 温度 ℃ 曝气量 Lh- 1 pH 常温反应器 1 号 80. 5 随室温变化 16 . 5～ 18. 2 60自由变化 中温反应器 2 号 80. 530160自由变化 2. 2. 2 实验分析指标与方法 1 进入好氧消化池的污泥浓度, 好氧消化池进 泥及出泥的总固体 MLSS 挥发性固体 MLVSS 含量, 测定方法参照水与废水标准检验法测定 [ 4] 。好氧 消化池的VSS 去除率通过计算获得。 2 好氧消化池内 pH 值、曝气量及好氧消化池 内混合液的 DO 采用带有定时记录装置的 pH 、溶解 氧仪来测定 。 3 原污泥及消化后污泥上清液经过离心过滤预 处理后 , 测定 CODCr、氨态氮 、 NO - 3- N 等 。方法参照 水与废水标准检验法测定 。水样的浑浊也会影响 分析结果。用适当孔径的滤器可以有效地除去藻类 和细菌。滤后的样品稳定性更好。一般地说 ,可用澄 清、 离心 、 过滤等措施来分离悬浮物 。它们阻留悬浮 物颗粒的能力大体为滤膜 离心滤纸 砂芯漏斗。 测定污泥上清液这种含有机质多的水样可用滤纸 或 砂芯漏斗 对水样进行过滤,以达到准确的测定结果。 4 好氧消化池内温度的变化由温度控制器调 节,温度会有波动,波动在 1 ℃ 之间。 3 结果与分析 3. 1 氨氮硝酸盐氮的变化 污泥经氧化后产生挥发性物质 CO2、 NH3等 ,从 而使得污泥达到稳定, 污泥量大大减少。如图 1 所 示,缺氧好氧污泥消化工艺受温度的影响较大, 在中 温反应器中 ,污泥的氨氮 、 硝酸盐氮的绝对值总体较 常温反应器低, 可见在中温反应器中, 污泥更多的转 化为 CO2、 NH3等,污泥消化的效果较好 。 图 1 常温、中温氨氮硝酸盐氮的比较 如图 1 可见 ,在 8 点到 12 点的好氧曝气阶段 ,污 泥的硝酸盐氮值较高 ,常温反应器中硝酸盐氮值达到 了12 mg L ,说明好氧阶段污泥主要进行硝化作用, 产 生大量硝酸盐氮 , 随着中午 12 点到晚 8 点搅拌缺氧 段的到来, 氨氮值均逐渐升高 ,硝酸盐氮值逐渐降低, 说明缺氧段污泥消化氧化, 产生大量氨氮 ,并且缺氧 进行反硝化作用 ,在一定程度上补充了好氧段消耗的 碱度 。 3. 2 常温 、 中温反应器中污泥 CODCr的变化 如图 2,一个周期中, 在好氧阶段 ,常温反应器好 氧段的 CODCr基本在135 mg L, 中温的污泥 CODCr在 100 mg L左右 ,显然污泥消化效果好于常温反应器。 在缺氧段, 供氧不充足的情况下, 常温和中温的污泥 63 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 CODCr值均出现波动 ,呈上升趋势, 分析是因为污泥在 好氧段供氧充足 , 污泥好氧消化反应部分生成 CO2、 NH3跑出 ,降低了好氧段的CODCr; 在缺氧段主要进行 反硝化反应 ,好氧消化反应速度减慢,CODCr值也就有 所升高。 图 2 常温、中温 CODCr的变化 3. 3 MLVSS 、 MLSS 的变化和去除效果 在工程实践中, 对于传统好氧消化工艺 , 污泥 MLVSS 的去除率一般选择在 45～ 50 左右 [ 5] 。 如图 3,经过污泥的半连续运行 , 缺氧好氧消化 工艺使污泥达稳定运行后测量,MLVSS MLSS 的比值 为0. 6～ 0. 7,污泥的 MLVSS 与 MLSS 的比值是影响去 除率的 重要因素 之一, 其值越 高越有利于 去除 MLVSS, 单位时间的进泥 MLVSS 减去排泥的 MLVSS 就 是 去 除 的 MLVSS, 进 泥 MLSS为 12 000 ～ 15 000 mg L, MLVSS 为8 000 ～ 90 000 mg L, 稳定后, MLSS 大概为8 000 mg L左右 ,MLVSS 为7 000 mg L以 下,MLVSS 去除率平均达到 35 左右。 图 3 MLSS 与MLVSS 的变化 3. 4 pH 随溶解氧的变化 如图 4 所示污泥消化运行 3 个周期 ,常温反应器 pH 值始终保持在 7～ 8之间, 溶解氧在好氧段初期并 不升高 ,曝气一段时间后才会升高 。在好氧段初期, 由于溶解氧没有明显升高 ,继续反硝化反应,pH 值仍 有所升高 ,但到好氧段后期,溶解氧明显上升 ,硝化反 应产生硝酸盐氮 ,使 pH 值立刻下降 。如图 5, 中温反 应器运行 3 个周期, pH 值始终保持在 7 左右。在中 温反应器中 ,每个运行周期均呈现规律性变化 ,好氧 曝气段随溶解氧增加 ,硝化反应进行 ,产生硝酸盐氮, pH 相应降低, 中温反应较为迅速明显, 如图 4, 常温 的污泥反应 pH 表现较为滞后 。在缺氧搅拌阶段溶 解氧降低, pH 又逐渐升高 ,进行反硝化 ,补充碱度 ,稳 定系统的 pH ,使 pH 始终保持在 7～ 8 之间 ,有利于微 生物的新陈代谢 ,提高有机物的去除率 , 从而有利于 好氧段污泥的消化。 图4 常温反应器 DO 、 pH的变化 图5 中温反应器 DO 、 pH的变化 4 结论 1 MLVSS MLSS 的比为 0. 6～ 0. 7, 污泥的MLVSS 与MLSS 的比值是影响去除率的重要因素之一 ,其值 越高越有利于去除MLVSS, 缺氧好氧消化工艺去除率 平均达到 35左右, 与传统好氧消化工艺的 45相 比,稍有降低。 2 在好氧段随溶解氧增加 , pH 相应降低, 这是 因为硝化反应进行, 产生硝酸盐氮。中温的污泥消化 反应较为迅速, 效果明显, 常温反应表现较为滞后。 缺氧段溶解氧降低, pH 升高是因为 , 污泥进行反硝 化,补充碱度,无论污泥处理温度为多少 ,均能够稳定 系统的pH ,使之保持在有利于微生物内源代谢的7～ 8 之间 ,从而减少氧供给量,减少能源的消耗 。 3 pH 值随溶解氧的变化呈现规律性上升和下 降,可以利用 pH 值的拐点对反应进行实时控制, 使 污泥好氧消化反应充分, 调整好氧时间和缺氧时间分 别为4 h和8 h , 调整曝气量 , 基本能够达到能源消耗 下转第 56 页 64 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 图 8 T 型有吸收障板 F1 kHz 时接收点 脉冲响应的线性富利叶变换 部分 。同理须再将无顶端结构有吸收障板作脉冲响 应测量 、 富利叶变换 、积分 、求和可得式 2 的分母部 分。将分子分母带入式 2 即可算得该形状顶端结构 的插入损失。表 1 给出的是 4 种顶端结构在隔声障 板有无吸声 8 种情况下的插入损失的计算。从表 1 中看出,平板隔声屏加上顶端结构后能够增加约 3～ 6 dB A 的插入损失 。障板铺设吸声材料能提高约 1 dB A 。橄榄和弧型式样有着较大的插入损失, 但 弧形顶高度较高会带来较大的风阻 ,因此橄榄型式样 不管是隔声性能上还是外观上都较为理想。 表 1 4 种顶端式样的插入损失 顶端式样插入损失 dB A T 型顶吸收障板4 . 7 橄榄型顶吸收障板5 . 6 弧型顶吸收障板5 . 5 L 型顶吸收障板4 . 4 T 型顶反射障板2 . 7 橄榄型顶反射障板4 . 9 弧型顶反射障板5 . 3 L 型顶反射障板3 . 4 3 讨论 由于计算时间的原因 ,声场模型和计算点数都作 了一些简化 。本工作是将声屏障作为无限长 ,因此采 用了两维的计算模型 。在三维模型中应考虑至少长 度为 10 m 的屏障, 同时还应计算斜向接收和屏障的 边缘几何修正。另外在频域上计算点也只取了倍频 程中心频率而不是 1 3 倍频程中心频率。频率上限 也降到了 2 kHz。模型向三维的扩展以及实验室测量 的工作正在进行, 完整的测试将使分析精度进一步 提高 。 参考文献 [ 1] Shinichi S, Hideki T , FDTD analysis of diffraction over various types of noise barriers, Proc. of ICA 2004Mo . 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Keywords anoxic and aerobic digestion, surplus activated sludge, intermediate temperature and normal temperature TREATMENT OF MUNICIPAL LANDFILL LEACHATE WITH INTEGRATED PROCESS BASED ON MULTIFUNCTION FLY-ASHRuan Xiangyuan Wen Jianguo Liu Siqi 65 Abstract A system of treatment of municipal landfill leachate was combined by five -series trunks filled with multifunction fly-ash such as adsorption, coagulating, decomposition and so on. Under processing conditions of flow rate of 40 L h for landfill leachate, 40 L m3hfor air and 15 mg L for ozone, respectively, suspended substances, colority, CODCr, BOD5, ammonia nitrogen and sulfide in the leachate were cut down by 93, 90, 96, 92, 86 and 92, respectively. Keywords landfill leachate, immobilized coagulant, fly-ash and ozone EXPERIMENTATION ON CENTRIFUGAL DEWATERING OF MUNICIPAL CATERING SWILLS Han Qi Cao Zike Luo Jianzhong 68 Abstract The resource, characteristics and disposal technologies of urban catering swills are introduced. The new resource recycling technique for the catering swills are presented and the working procedure of the centrifugal dewatering is studied. The optimal centrifugal parameters are confirmed as 5 minutes centrifugal time and 3 200 r min for rotation speed. Keywords catering swills, centrifugal dewatering and resource recycling DISTILLING AND ENRICHING TRACE NONYLPHENOL IN WASTEWATER BY SOLID -PHASE EXTRACTIONHao Ruixia Liang Peng Zhao Man et al 71 Abstract About 70 wastewater or reuse water samples are pre -treated by solid -phase extraction for distilling and enriching NP, and the conditions of SPE have been studied in detail, then, the samples are quantitatively analyzedby GC-MS-∑SIM. The resultsare that OasisRHLBSPE pole is of good adsorption for NP in wastewater, and the efficiency of eluate solvent is about 97. 01. The veracity and accuracy of the meassured resultsmeet requirements. Keywords environmental hormone, nonylphenol, complex matrix, trace ingredient and solid -phase extraction IMPROVEDATTRIBUTERECOGNITIONMODELANDITSAPPLICATIONTO COMPREHENSIVE QUALITY ASSESSMENT OF URBAN ENVIRONMENT Zhang Libing ChengJilin Jin Juliang et al 74 Abstract During the process of utilizing attribute recognition model to make comprehensive assessment, there are some subjective factors in calculating the weight vector. According to this, an improved based on the technique of data driving is applied to make the weight calculation more scientific and rational. An example shows that the improved attribute recognitionmodel has good property of simple principle, nice results and handy calculation. It has wide applicability in the area of comprehensive assessment. Keywords improved attribute recognition model, urban atmospheric environment and comprehensive assessment THE SETPAIR ANALYSIS MODELFOR REGIONAL ECO-ENVIRONMENTAL QUALITY UATION AND ITS APPLICATIONLi Fanxiu Mei Ping Chen Wu 77 Abstract A new model for regional eco -environmental quality uationwas established,where set pair analysiswas used. And an applied example was studied with more satisfactory results. Compared with unascertained measurement uation , this model is perfect, the uating result ismore reasonable and its resolving power is higher. Thus, a simple and effective uation is provided for regional eco- environmental quality uation. Keywords regional eco -environment, uationmodel, set pair analysis and Chaohu basin DESIGN OF MEMBRANE BIOREACTORFOR TREATING WASTEWATER INHOUSING ESTATE Wang Lin Yuan Xinyan Li Shifeng 79 Abstract A process of using submergedmembrane bioreactor with nitrogen and phosphorusbeing removed sumultaneously is introducedfor sewage treatment in housing estate. The KORED flat polyethersulfone membrane made in the Republic of Korea is selected, whose property and pollution control, as well as design parameters of each structure are also described. Keywords reuse of sewage in housing estate, membrane bioreactor, process design and investment analysis 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24,No. 3, Jun. , 2006