污水處理廠內碳源利用的研究范文

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《環境科技雜志》2014年第三期

1厭氧水解酸化機理

厭氧消化是在厭氧條件下，利用兼性菌及專性厭氧菌，使有機物經液化、氣化而分解成穩定物質的過程。厭氧消化分為3個階段。第1階段是在水解與發酵菌作用下，使碳水化合物、蛋白質、脂肪水解與發酵轉化成單糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及CO2，H2等；第2階段是在產氫產酸菌的作用下，將第1階段的產物轉化成H2，CO2和乙酸；第3階段是甲烷化過程，即通過產甲烷菌的作用，生成CH4。污泥的厭氧水解酸化是控制反應條件，使污泥的厭氧消化僅進行到第2階段，類似于2相厭氧消化中的產酸相。在廢水生物處理中，水解指的是有機物（基質）進入細胞前，在胞外進行的生物化學反應。酸化則是一類典型的發酵過程。這一階段的基本特征是微生物代謝產物主要為各種有機酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）。污泥厭氧發酵產生的短鏈脂肪酸（特別是乙酸和丙酸）被認為是強化生物脫氮除磷過程中最易于利用的碳源。

2剩余污泥發酵方案的確定

一般認為污泥厭氧發酵過程中不溶性有機物和高分子有機物（如脂肪、多糖、蛋白質和核酸）水解為溶解性有機物（如氨基酸和脂肪酸）的過程是污泥厭氧發酵的限制性步驟。熱、化學、熱-堿、超聲波等多種預處理方法，都可促進污泥水解酸化，有利于后續厭氧消化。堿處理是通過調節pH值對污泥進行處理的化學法。pH值是影響污泥厭氧水解酸化效果的重要因素之一。研究表明，在堿性（pH值為9.0,10.0,11.0）條件下，溶解性化學需氧量（SCOD）和揮發性脂肪酸（VFA）溶出量都明顯增多，堿性條件下的污泥厭氧發酵效果較好，且pH值為10.0條件下沒有CH4產生，會積累更多的有機酸。影響水解速度與水解程度的主要因素包括有機質顆粒的大小、pH值、溫度以及有機質的組成等。實驗結果表明堿解發酵后剩余污泥絮體逐步破解，溶解程度加強，較利于水解產酸。

2.1試驗材料及方法

2.1.1剩余污泥及性質剩余污泥取自荊馬河污水處理廠A2/O工藝剩余污泥儲存池，剩余污泥的性質見表1。由表1可知，剩余污泥中的無機物含量比較高，這就加大了利用剩余污泥發酵產酸的難度，因為從傳統意義來說，有機物高的剩余污泥發酵可以產生相當量大的VFA。

2.2剩余污泥的堿解發酵

2.2.1水解酸化液的制備與預處理常用的堿性藥劑為NaOH和Ca(OH)2。從經濟效益上來看，選擇NaOH作為水解酸化液的預處理藥劑。取剩余污泥，ρ（MLSS）為10000mg/L以上，用NaOH將污泥的pH值調至10.0，其質量濃度為500mg/L左右。

2.2.2剩余污泥的堿解發酵的實驗裝置進行剩余污泥堿解發酵的實驗裝置采用1000mL的燒杯作為反應器，密封，使發酵體處于厭氧狀態，為防止污泥沉淀，增加了磁力攪拌裝置，保持污泥處于完全混合狀態。攪拌速度為200～350r/min，在反應器內進行短期水解。

2.2.3分析項目及方法實驗的分析項目及采用方法見表2。

3實驗結果及分析

3.1剩余污泥的堿解發酵條件對比實驗

3.1.1堿解厭氧發酵與常規發酵的對比實驗在厭氧條件下，當pH值調為堿性時，可使污泥中的生物易降解有機物的80％以上轉化為可溶性COD，可溶性COD中又有約67％轉化為有機酸，有機酸的產量是不調pH值時的4倍左右。以下實驗數據中均以COD的量來推算發酵液中VFA的含量。參考同濟大學實驗室數據，將荊馬河污水廠的剩余污泥按照2種發酵方式觀察TOC的變化情況，見圖1。從圖1很容易看出堿性發酵產生的有機物遠遠大于常規發酵。對于堿性發酵，第1～3d，TOC呈線性增加；第2階段為第2～8d，TOC變化呈現Monod曲線型；第3階段為第8天后，TOC又有所增加。在此基礎上，通過多組試驗得出對比數據見表3，堿解發酵3d后產生的COD的含量要明顯高于常規發酵。同濟大學實驗室對TOC的分析與荊馬河污水廠的實驗室對COD的分析數據都表明：堿解發酵的發酵效果要明顯好于常規發酵。

3.1.2確定最佳反應時間為確定荊馬河污水處理廠的剩余污泥最佳發酵時間，將最佳發酵時間在3d與6d之間進行比較，通過多組反復實驗得出，堿解發酵時間定在3d發酵液中COD的含量較高。有研究表明，進入反應器的污泥在反應器內的平均停留時間（HRT）升高到12h時，VFA的濃度和產率都逐漸升高，當HRT為15h時，乙酸和丙酸為主要的VFA。不同時間段內堿解發酵的效果見表4。

3.1.3確定合適的污泥濃度污泥中的有機組分主要以固態形式存在于微生物細胞和胞外聚合物中。這些物質通過水解成為小分子可溶性物質，增加了污泥液相中SCOD的濃度。有研究表明，污泥質量濃度為15000mg/L時，同時具有較高的SCOD溶出量和溶出率。對此，通過多組反復試驗，不同污泥濃度的剩余污泥厭氧發酵后的各項指標情況見表5。由表5可知，COD，NH3-N，TP濃度隨MLSS濃度的增加呈上升趨勢。

3.2反硝化對比實驗

反硝化實驗數據酸化液中的有機碳在反硝化過程中可以分為易被反硝化菌利用的有機碳和難被反硝化利用的有機碳，酸化液投加量越大，易于被反硝化菌利用的有機碳含量就越多。對不同類型的碳源進行分析，確定在同等COD含量下，進行2組反硝化對比試驗。對比醋酸鈉作為碳源時反應器內NO3--N的去除率，上清液作為碳源時反硝化發酵液的NO3--N的去除率稍低，在35%左右。但是，從費用上分析，在上清液的COD含量達到較高數值時將反硝化發酵液作為碳源經濟利益較好[5]。

4經濟效益分析

4.1碳源分析

4.1.1醋酸鈉的用量及費用根據荊馬河二期工程運行情況計算，目前日均處理水量3.5萬t，進水ρ(COD)為150～200mg/L,ρ(NH3-N)為25～30mg/L,ρ(TN)為35～40mg/L,未加碳源時出水ρ(TN)約為17mg/L，需要去除2～3mg/L左右的NO3--N才能保證出水TN達標。所需要投加的醋酸鈉為1t/d，1t醋酸鈉的COD質量濃度約為450000mg/L，費用為2300元/t。每日購置醋酸鈉所需費用：M=2300元。

4.1.2發酵液的用量及費用（1）堿性藥劑的用量及費用采用發酵實驗數據中COD質量濃度為1040mg/L的發酵液作為分析對象，計算得出：要達到出水達標排放所需要的發酵液的用量為Q=432.7T。按照NaOH單價為600元/t，計算得出：每日購置NaOH所需費用：MNaOH=129.8元。（2）運行電耗按照設置1臺4kW的推流器計算，每日的電費為M電=80元。（3）其他費用由于此次實驗屬于反應器小試試驗，無法精確計算出發酵池的容積，所以暫不計算發酵池建設投資與運行動力設備投資。（4）發酵液的總費用（僅藥劑與電力費用）M總=209.8元醋酸鈉與發酵液的經濟效益分析見表6。由表6可知，從經濟效益上分析，使用發酵液作為碳源的費用要明顯低于直接使用醋酸鈉的費用，日節省費用在2000元左右（以荊馬河廠二期為例計算）。

5結論與建議

5.1結論（1）通過比較各種影響污泥在水解酸化過程中SCOD的變化以及NH3-N、正磷酸鹽的釋放情況，可知在堿解的最佳pH值設為10，最佳的發酵時間設為3d，同時保證剩余污泥具有較高的污泥濃度時得到的水解酸化液體中富含的VFA較多，適合作為內碳源使用。（2）利用剩余污泥在厭氧水解酸化階段產生含高濃度碳源的上清液作為系統補充碳源，替代了外碳源的投加，在解決碳源不足問題的同時實現污泥的減量，系統內碳源的使用也實現了剩余污泥的資源化利用。（3）從經濟效益上分析，使用剩余污泥堿解發酵后可以減少購買醋酸鈉的費用，但同時也會增加堿性藥劑的費用。單純從去除TN的經濟效益分析中可以看出，按荊馬河污水廠二期運行狀況計算，1年可以節省約70萬元的藥劑費用。

5.2建議（1）實際污水處理工藝中，脫氮和除磷是密切聯系的。研究結果表明上清液回用引入P對系統TP的去除影響較大，當P發生積累時，也可能影響到脫氮。建議在進一步研究中，在污水處理工藝中增加除磷階段。（2）由于采用反應器小試試驗與實際處理工藝存在一定的差距，建議上清液回用試驗可進行更大規模的試驗研究，以提供接近于實際情況的數據，也有助于更為精確的確定發酵池的建造規模及運行動力設備的選型。（3）在堿解藥劑的分析上僅對工業堿NaOH進行了分析，為達到降低生產成本、節約能耗的目的，建議尋找性價比更高的堿性藥劑，如生產廢液、廢料作為堿解的藥劑。

作者：肖思海汪莉單位：徐州市環境監測中心站徐州核瑞環保投資有限公司