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1、*水处理厂剩余污泥碱性发酵生产性实验研究1.项目概况*（北厂），用于处理园区内的工业废水和生活污水，尾水排入周山河。污水处理厂一期工程位于高新技术工业园南部临周山河河岸处，吴州南路与周山河交叉口西北角。于2004年投入运营，日处理能力5000m3/d,尾水排放标准采用污水综合排放标准（GB8978-1996）一级标准（其它排污单位类别）。*（北厂）设计总规模为45000m3/d，其中，一期工程设计规模5000m3/d（已实施），扩建工程扩建规模20000m3/d,远期工程扩建规模20000m3/d。根据泰州经济技术开发区高新技术工业园的总体规划，本扩建工程建于一期工程处理设施的西侧，可利用规划
2、用地约5公顷。污水处理厂设计综合污水水质指标如下：pH69CODCr350mg/LBOD5150mg/LSS150mg/LNH3-N35mg/LTN45mg/LTP3mg/L碱度（以CaCO3计）100mg/L尾水排放标准采用城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002)一级A标准，主要指标如下：pH69CODcr50mg/LBOD510mg/LSS10mg/LNH3-N5(8)mg/LTN（以N计）15mg/LTP（以P计）0.5mg/L色度粪大肠菌群数30 倍10 个/L注：括号外数值为水温12C时的控制指标，括号内数值为水温0122时的控制指标1.1. 工艺流程根据对污水处理厂
3、的调查分析，并参考同类型污水处理的工程经验，本污水处理厂扩建工程采用如下图所示的工艺方案。表1扩建工程污水处理工艺流程污水经集水井提升泵提升后进入细格栅及沉砂池，其中7000m3/d污水进入一期工程的生化系统，其余18000m3/d污水进入新建的生化系统。一期工程出水进入中间水池，经泵提升后与新建系统的出水进入曝气生物滤池进行深度处理，深度处理出水经紫外消毒后进入尾水提升泵房，经泵提升后经排放管道统一排放至新通扬运河。考虑到本污水处理厂地理位置的重要性及工业废水对污水系统的冲击，为保障生化系统的稳定可靠运行，将原有调节池改造为事故水池，如遇紧急情况，污水经泵提升后直接进入事故池以减小对生化系统
4、的影响。为保证生化系统的可靠稳定运行，生化系统结合采用PACT工艺和化学除磷工艺，确保出水CODcr和磷满足排放标准，并视实际运行情况，补充碱度以满足生化脱氮的需求。采用上述的生化系统，25000m3/d污水的剩余污泥产泥量为2.8t/d。为达到污泥减量化，剩余污泥经剩余污泥泵排至污泥贮池，经机械浓缩后进入污泥碱性发酵及浓缩脱水系统。污泥碱性发酵及浓缩池由一期工程的混凝沉淀池改造而成，新增污泥机械浓缩（转鼓浓缩机，浓缩后污泥含水率控制在98%左右，过低不利于发酵池中污泥的搅拌均匀从而影响发酵反应效果）及pH调节（石灰投配设备，一般控制发酵池pH值在10.0左右）系统；原沉淀池刮泥机刮板拆除，保
5、留工作桥并在工作桥上加装两台双曲面搅拌机对池内污泥进行搅拌；原沉淀池进水端混凝反应池改为污泥调理、重力浓缩池，经发酵后的污泥进入该池调理、浓缩后入板框压滤机脱水处理，脱水后的污泥定期外运作进一步的妥善处置。1.2. 污泥系统主要构筑物及设备?污泥贮池（已建）设置功能：利用原一期工程污泥贮池对剩余污泥进行暂时贮存数量：1座设计说明：土建利旧，更换一期工程现有的污泥泵以满足扩建工程设计需要设计参数：有效容积20m3污泥浓缩机处理量25m3/h停留时间48min?污泥碱性发酵及浓缩池（原混凝沉淀池改造）设置功能：污泥碱性发酵和浓缩。设计参数：污泥发酵区长约30.00m,宽6.50m,总高约4.00m
6、；污泥浓缩区总有效容积约60m3。分为2格，平面尺寸3.7*3.4m,锥底，每格设有2根上清液排放管。合建池体总长约35.50m,宽6.50m,总高约4.00m。污泥消化池进泥端设置污泥浓缩机，污泥贮池内的剩余污泥经泵提升至污泥浓缩机，经机械浓缩后落入污泥pH调节罐，在调节罐内与碱液搅拌混合后进入碱性发酵池。经过发酵的污泥在污泥浓缩区重力浓缩后，通过螺杆泵将浓缩污泥输送至厢式压滤机。发酵池进泥端设置的pH调节装置，使发酵池pH值控制在10.0左右。发酵池设置2台双曲面搅拌机对池内污泥进行搅拌，搅拌机安装于原刮泥机主梁上，由主梁行走电机驱动使搅拌机沿池长方向来回移动，实现对池内污泥的搅拌。搅拌机
7、叶轮直径1000mm,电机功率1.5kw,转速37rpm；主梁行走速度1m/min。?厢式压滤机房(新建)设置功能：污泥通过厢式压滤机进一步脱水减容。设计参数：厢式压滤机过滤面积200m2,设计工作周期3次/d。2. 研究内容和主要目的根据污泥碱性发酵中试研究成果，对污泥碱性发酵产酸机理和推广应用进行深入研究，考察实际工程应用中碱性发酵对剩余污泥特性和脱水性能以及剩余污泥减量化、稳定化的影响。主要研究内容如下：1) 加碱调节至不同pH预处理对污泥特性的影响；2) 加碱后在不同反应时间下对污泥pH、TCOD、SCOD、VS、VSS等的影响；3) 考察污泥碱性发酵前后脱水性能的变化；4) 比较投加
8、石灰及NaOH对污泥产生量及运行成本的影响。3. 污泥碱性发酵原理及中试研究成果简介3.1 污泥厌氧发酵的原理城市污水处理厂产生的剩余污泥中含有大量的病原体、寄生虫、重金属元班以及一些难降解的有毒有害物质，需要及时处理和处置，最终达到污泥的从减量化、稳定化、无害化和资源化。污泥挂过消化处理可以实现污泥的稳定化。根据有氧和无氧的条件，消化处理可以分为好氧消化和厌氧消化。当产生的污泥量不大时可以考虑采用好氧消化，而多数情况下，采用好氧消化处理是不经济的。厌氧消化的优点在于费用较低、生物质产出率高、致病菌破坏率高、能够产生甲烷。污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程。报据微生物的生理种群提出的厌氧消化三阶
9、段理论是当前较为公认的理论模式。第一阶段，是在水解和发酵细菌作用下，碳水化合物、蛋白质与脂肪水解和发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳等；第二阶段，是产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物进一步分解为氢、二氧化碳和乙酸；第三阶段，是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。污泥的发酵产酸（包括乙酸和大于两个碳原子的脂肪酸）过程包含三阶段理论中的前两个阶段。而这两个阶段还可以分为水解阶段和发酵（酸化）阶段。水解在化学上指的是化合物与水进行的一类反应的总称。厌氧消化数学模型中将有机物胞外溶解分为分解和水解，其中第一步在很大程度上是非生物
10、过程，它把混合颗粒底物转化成惰性物质、颗粒性碳水化合物、蛋白质和脂类；第二步是颗粒性碳水化合物、蛋白质和脂类经酶水解，分别生成单糖、氨基酸和长链脂肪酸。分解主要用来描述具有多种反应特性的混合颗粒物质（如初沉污泥或剩余污泥）的降解，而水解则用于描述定义明确、相对较单纯的底物（如纤维素、淀粉和蛋白质）。发酵（酸化）是以代谢中间产物为电子受体的生物降解过程。在此过程中，水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的以挥发性脂肪酸（VFAs）为主的末端产物，并分泌到细胞外。同时，发酵细菌也利用部分物质合成新的细胞物质。VFAs主要包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等短链挥发性脂肪酸，是生物除磷过
11、程中有利的基质，对于微生物高效除磷是十分必要的。参与水解和酸化阶段的微生物包括细菌、原生动物和真菌。其中，细菌是完成水解酸化作用的主要微生物。这些细菌大多为专性厌氧菌，也有不少兼性厌氧菌。报据其生理代谢功能可分为：（l）纤维素分解菌，参与对纤维素的分解，将其转化为CO2、H2、乙醇和乙酸；（2）碳水化合物分解菌，这关细菌的作用是水解碳水化合物成葡萄糖，以具有内生抱子的杆状菌占优势；（3）蛋白质分解菌，这类细菌的作用是水解蛋白质形成氮基酸，进一步分解成为硫醇、氨和硫化氢，以梭菌占优势；（4）脂肪分解菌，这类细菌的功能是将脂肪分解成简单脂肪酸，以弧菌占优势；（5）产氢产乙酸菌和同型乙酸菌，前者能够
12、在厌氧条件下，将丙酮酸及其它脂肪酸转化为乙酸、CO2,并放出H2,后者的种属有乙酸杆菌，它们能够将CO2、H2转化为乙酸，也能将甲酸、甲醇转化为乙酸。大量的研究结果表明，在实际的混合微生物系统中，即使严格控制条件，水解和酸化也是无法截然分开的，这主要是因为水解菌是一种具有水解能力的发酵细菌。发酵细菌能进行水解，获取进行发酵的水溶性基质，并通过细胞内的生化反应取得能源，同时排出代谢产物（厌氧条件下主要为各种VFAs）。剩余污泥厌氧发酵产生丰富的溶解性有机物，包括VFAs、碳水化合物、蛋白质、脂类等，VFAs是营养物质（氮、磷）去除过程中必要的有利基质。将发酵液回用于污水处理系统可以增强营养物质的
13、去除，同时使污泥得到减量化、稳定化，最终实现污泥的资源化利用。3.2 污泥厌氧发酵产酸的影响因素污泥产酸很大程度上受到污泥性质、环境因素（如温度、pH、氧化还原电位等）、运行参数（如水力停留时间、固体停留时间等）的影响。此外，污泥的种类、污泥粒径、产酸采用的工艺类型及反应器构造等也在一定程度上影响污泥酸化产物的形成。1） 水力停留时间（HRT）HRT是水解反应器运行控制的重要参数之一，它对反应器的影响随着反应器的功能不同而不同。对于单纯以水解为目的的反应器，HRT越长，被水解物质与水解微生物接触时间也越长，相应地水解效率也就越高。Eastman和Ferguson对城市污水初沉污泥的HRT与水解
14、效率的研究结果表明，随着HRT的延长，溶出COD的浓度就越高，亦即水解效率越高。曰efsiniotis和Oldham采用上流式厌氧污泥床反应器（UASB）和完全混合式反应器（CMR）研究了HRT对初沉污泥发酵产酸的影响。结果表明：无论是UASB系统,还是CMR系统,当HRT逐渐升高到12h时，产生的SCFAs的浓度和产率（单位为mgSCFAs/mgVSSd）逐渐升高，并且没有发现甲烷产生；当HRT为12h,得到最大的产率大约为0.12mgSCFAs/mgVSSd;当HRT为15h时，观察到了污泥的甲烷化；产生的SCFAs主要为乙酸和丙酸，UASB和CMR系统的数值略有些差别。2） 污泥停留时间
15、（SRT）污泥停留时间是指污泥在反应器中的停留时间，在连续流反应器中，SRT具有重要的参考意义。SRT与HRT是完全不同的两个运行参数，然而，在多数研究厌氧消化水解酸化阶段的文献中，HRT和SRT几乎是相同的，原因是他们采用的工艺是传统的没有固体回流的连续流运行系统。有机物降解程度也是SRT的函数。由于甲烷菌的增殖较慢，对环境条件的变化十分敏感，要获得足够多的甲烷菌以及稳定的消化效果就需要保持较长的污泥龄。因此，可以通过控制系统的SRT而使得厌氧消化过程处在水解发酵阶段或产甲烷阶段。Miron等研究了SRT在初沉污泥消化中脂肪、糖和蛋白质的水解和酸化，研究发现，糖的水解随着SRT的增加而增加，大约有20%60%的颗粒性物质在产酸阶段和甲烷化情况下水解。SRT在26d时，SCFAs占VSS含量的6%到26%之间。SCFAs浓度随着SRT值增大、发酵固体浓度降低以及温度上升而增加。SRT为5d时的产率最高，为0.26mgSCFAs/m
