污水处理厂内碳源利用的研究范文

《环境科技杂志》2014年第三期

1厌氧水解酸化机理

厌氧消化是在厌氧条件下，利用兼性菌及专性厌氧菌，使有机物经液化、气化而分解成稳定物质的过程。厌氧消化分为3个阶段。第1阶段是在水解与发酵菌作用下，使碳水化合物、蛋白质、脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及CO2，H2等；第2阶段是在产氢产酸菌的作用下，将第1阶段的产物转化成H2，CO2和乙酸；第3阶段是甲烷化过程，即通过产甲烷菌的作用，生成CH4。污泥的厌氧水解酸化是控制反应条件，使污泥的厌氧消化仅进行到第2阶段，类似于2相厌氧消化中的产酸相。在废水生物处理中，水解指的是有机物（基质）进入细胞前，在胞外进行的生物化学反应。酸化则是一类典型的发酵过程。这一阶段的基本特征是微生物代谢产物主要为各种有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）。污泥厌氧发酵产生的短链脂肪酸（特别是乙酸和丙酸）被认为是强化生物脱氮除磷过程中最易于利用的碳源。

2剩余污泥发酵方案的确定

一般认为污泥厌氧发酵过程中不溶性有机物和高分子有机物（如脂肪、多糖、蛋白质和核酸）水解为溶解性有机物（如氨基酸和脂肪酸）的过程是污泥厌氧发酵的限制性步骤。热、化学、热-碱、超声波等多种预处理方法，都可促进污泥水解酸化，有利于后续厌氧消化。碱处理是通过调节pH值对污泥进行处理的化学法。pH值是影响污泥厌氧水解酸化效果的重要因素之一。研究表明，在碱性（pH值为9.0,10.0,11.0）条件下，溶解性化学需氧量（SCOD）和挥发性脂肪酸（VFA）溶出量都明显增多，碱性条件下的污泥厌氧发酵效果较好，且pH值为10.0条件下没有CH4产生，会积累更多的有机酸。影响水解速度与水解程度的主要因素包括有机质颗粒的大小、pH值、温度以及有机质的组成等。实验结果表明碱解发酵后剩余污泥絮体逐步破解，溶解程度加强，较利于水解产酸。

2.1试验材料及方法

2.1.1剩余污泥及性质剩余污泥取自荆马河污水处理厂A2/O工艺剩余污泥储存池，剩余污泥的性质见表1。由表1可知，剩余污泥中的无机物含量比较高，这就加大了利用剩余污泥发酵产酸的难度，因为从传统意义来说，有机物高的剩余污泥发酵可以产生相当量大的VFA。

2.2剩余污泥的碱解发酵

2.2.1水解酸化液的制备与预处理常用的碱性药剂为NaOH和Ca(OH)2。从经济效益上来看，选择NaOH作为水解酸化液的预处理药剂。取剩余污泥，ρ（MLSS）为10000mg/L以上，用NaOH将污泥的pH值调至10.0，其质量浓度为500mg/L左右。

2.2.2剩余污泥的碱解发酵的实验装置进行剩余污泥碱解发酵的实验装置采用1000mL的烧杯作为反应器，密封，使发酵体处于厌氧状态，为防止污泥沉淀，增加了磁力搅拌装置，保持污泥处于完全混合状态。搅拌速度为200～350r/min，在反应器内进行短期水解。

2.2.3分析项目及方法实验的分析项目及采用方法见表2。

3实验结果及分析

3.1剩余污泥的碱解发酵条件对比实验

3.1.1碱解厌氧发酵与常规发酵的对比实验在厌氧条件下，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余污泥按照2种发酵方式观察TOC的变化情况，见图1。从图1很容易看出碱性发酵产生的有机物远远大于常规发酵。对于碱性发酵，第1～3d，TOC呈线性增加；第2阶段为第2～8d，TOC变化呈现Monod曲线型；第3阶段为第8天后，TOC又有所增加。在此基础上，通过多组试验得出对比数据见表3，碱解发酵3d后产生的COD的含量要明显高于常规发酵。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，乙酸和丙酸为主要的VFA。不同时间段内碱解发酵的效果见表4。

3.1.3确定合适的污泥浓度污泥中的有机组分主要以固态形式存在于微生物细胞和胞外聚合物中。这些物质通过水解成为小分子可溶性物质，增加了污泥液相中SCOD的浓度。有研究表明，污泥质量浓度为15000mg/L时，同时具有较高的SCOD溶出量和溶出率。对此，通过多组反复试验，不同污泥浓度的剩余污泥厌氧发酵后的各项指标情况见表5。由表5可知，COD，NH3-N，TP浓度随MLSS浓度的增加呈上升趋势。

3.2反硝化对比实验

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被反硝化菌利用的有机碳和难被反硝化利用的有机碳，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，上清液作为碳源时反硝化发酵液的NO3--N的去除率稍低，在35%左右。但是，从费用上分析，在上清液的COD含量达到较高数值时将反硝化发酵液作为碳源经济利益较好[5]。

4经济效益分析

4.1碳源分析

4.1.1醋酸钠的用量及费用根据荆马河二期工程运行情况计算，目前日均处理水量3.5万t，进水ρ(COD)为150～200mg/L,ρ(NH3-N)为25～30mg/L,ρ(TN)为35～40mg/L,未加碳源时出水ρ(TN)约为17mg/L，需要去除2～3mg/L左右的NO3--N才能保证出水TN达标。所需要投加的醋酸钠为1t/d，1t醋酸钠的COD质量浓度约为450000mg/L，费用为2300元/t。每日购置醋酸钠所需费用：M=2300元。

4.1.2发酵液的用量及费用（1）碱性药剂的用量及费用采用发酵实验数据中COD质量浓度为1040mg/L的发酵液作为分析对象，计算得出：要达到出水达标排放所需要的发酵液的用量为Q=432.7T。按照NaOH单价为600元/t，计算得出：每日购置NaOH所需费用：MNaOH=129.8元。（2）运行电耗按照设置1台4kW的推流器计算，每日的电费为M电=80元。（3）其他费用由于此次实验属于反应器小试试验，无法精确计算出发酵池的容积，所以暂不计算发酵池建设投资与运行动力设备投资。（4）发酵液的总费用（仅药剂与电力费用）M总=209.8元醋酸钠与发酵液的经济效益分析见表6。由表6可知，从经济效益上分析，使用发酵液作为碳源的费用要明显低于直接使用醋酸钠的费用，日节省费用在2000元左右（以荆马河厂二期为例计算）。

5结论与建议

5.1结论（1）通过比较各种影响污泥在水解酸化过程中SCOD的变化以及NH3-N、正磷酸盐的释放情况，可知在碱解的最佳pH值设为10，最佳的发酵时间设为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，适合作为内碳源使用。（2）利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生含高浓度碳源的上清液作为系统补充碳源，替代了外碳源的投加，在解决碳源不足问题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。（3）从经济效益上分析，使用剩余污泥碱解发酵后可以减少购买醋酸钠的费用，但同时也会增加碱性药剂的费用。单纯从去除TN的经济效益分析中可以看出，按荆马河污水厂二期运行状况计算，1年可以节省约70万元的药剂费用。

5.2建议（1）实际污水处理工艺中，脱氮和除磷是密切联系的。研究结果表明上清液回用引入P对系统TP的去除影响较大，当P发生积累时，也可能影响到脱氮。建议在进一步研究中，在污水处理工艺中增加除磷阶段。（2）由于采用反应器小试试验与实际处理工艺存在一定的差距，建议上清液回用试验可进行更大规模的试验研究，以提供接近于实际情况的数据，也有助于更为精确的确定发酵池的建造规模及运行动力设备的选型。（3）在碱解药剂的分析上仅对工业碱NaOH进行了分析，为达到降低生产成本、节约能耗的目的，建议寻找性价比更高的碱性药剂，如生产废液、废料作为碱解的药剂。

作者：肖思海汪莉单位：徐州市环境监测中心站徐州核瑞环保投资有限公司