城市污水厌氧处理工艺其中污泥稳定化问题研究11

王凯军¹ Last A．R．M．Van der² 和 G．Lettinga²
1．北京市环境保护研究院，中国北京阜外北二巷，100037
2．Wageningen Agricultral University，Biotechnion，Bomenarg 2，6703HD，Wageningen，the Netherlands http://www.hbsoso.com

—、引言

　　厌氧工艺已成功应用于热带地区的城市污水处理^{（1）（2）}。为改善厌氧工艺在低温条件下的处理效率，作者们开发了水解池和颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器串联的厌氧系统^（3）。水解池用于去除悬浮物（SS）、提高出水COD溶解性、可生化性和去除污泥的稳定化，EGSB反应器起着转化 VFA为甲烷的作用。水解池运行在相对高的水力负荷（1.0m³/m².d）和SS负荷 （2.1kgSS／m³.d）条件下，污泥在水解池中稳定化程度，特别是在低温条件下可能会受到影响。对屠宰废水的研究表明在温度低于20℃，由于废水中胶体和悬浮性组分存在，特别是高负荷条件下，去除的SS和胶体COD的水解率在低温条件下较低。一级的絮状和颗粒污泥UASB反应器仅能提供部分或相当低的污泥稳定化^（4）。因此，本研究对厌氧反应器中污泥稳定性问题的进行研究。
　　化学上和工程上对污泥的定义是不同的，化学家对水中颗粒尺寸的定义如下：溶解性（＜0.001μm） 、胶体（0.001-1.0μm），超胶体（1-100 μm）和可沉（＞ 100μm）^（5），因此只有沉淀下来的才形成污泥。工程上是通过采用的分离方法来定义污泥，本研究用孔径为4．4urn滤纸过滤污水，来确定悬浮物或污泥浓度。因此污泥是大于4．4μm的颗粒物质，包括部分超胶体和可沉物。对水解和液化的定义也有同样问题，虽然液化和水解两词在描述污泥液化之前产生的中间产物是可互用的，但它们不是严格的同义词。水解是有明确定义的化学名词，是指复杂化合物加水分解为小分子的过程（可以用于超胶体、胶体和溶解性物质）。而液化的定义是相当任意的，液化仅涉及到将固体物质转移到液相，因此液化的对象是污泥。本文将大于4．4μm的污泥颗粒转化为小于4．4μm的颗粒尺寸的过程称为液化（或水解），在本文污泥定义下两者可互换。 http://bbs.cnjlc.com

二、实验方法和装置 本文转自环境技术网！

1、分析方法
　　化学分析取24，48和72小时混合样（保持在4℃冰箱内的）。SS的测定采用滤纸（孔径4．4μm）过滤，VFA采用上述的过滤液采用气相色谱法。COD的分析采用微量COD方法^（6），其他全部按标准方法测定。CODt为原污水或污泥-COD、CODd为离心样品COD。甲烷活性实验采用30℃条件混合VFA，即C2:C3：C4=600：600：600mg/L的标准活性实验方法^（7）。
２、稳定性测试方法
　　传统的污泥稳定性实验是将污泥放入30℃的培养瓶内，在100天的实验期间测量甲烷产量。用单位重量挥发性悬浮固体所产生的甲烷来评价污泥的稳定性^（8）。由于该实验相当耗时（需 100天） 因此需要开发一种较快的评价污泥稳定性的方法。本研究提出采用污泥液化率评价污泥稳定性的测试方法，实验是用5升温控反应器，温度控制在20℃和30℃。 由于污泥液化时间短，可以忽略甲烷的产生，反应器是敞开并带有搅拌装置进行。为了比较实验数据同时采用污泥化学水解实验，这一测试是在 20℃时采用氢氧化钠（700mg/L）试剂在厌氧条件下搅拌反应24小时，测定液化COD的变化，被有些研究者用来做为评价污泥可以达到的最大液化程度^（9）。
3、污泥稳定工艺实验

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　　水解和 EGSB反应器体积分别为 200L和 120L，水力停留时间分别为 3.0 和 2.0 h。在第一阶段的污泥稳定实验中，从水解池排放的污泥经过2h．的沉淀后投入污泥稳定池。污泥稳定池体积为 12L，停留时间是2天，温度为 20℃。污泥稳定池配有搅拌装置并不密闭其仅仅用于剩余污泥的稳定化而不回流：在第二阶段，采用90L的稳定池将水解池的污泥不经沉淀打入其中，经稳定和再生后的污泥连续回流至水解池，其他条件与第一阶相同；第三阶段的实验开始于寒冷季节，最初污泥稳定池没有运行，经过一个月的运转之后启动污泥稳定池并运转在最佳温度范围（T=35℃） 其他条件与第二阶段同，工艺流程如图1所示。

三、污泥的特性 http://bbs.cnjlc.com

1、甲烷活性的变化
　　为使水解池的反应控制在水解和酸化阶段采用了动力学控制措施。为此水解池运行在高的水力负荷（1.0m³ ＼m².h，HRT=3h．）。运行两个月后甲烷活性从0.14gCH₄-COD／gVSS.d（接种物）降到小于0.01gCH₄－COD／gVSS.d，污泥甲烷活性几乎完全丧失。尽管甲烷活性降低，水解池对于 SS和 CODt的去除效率几乎不受影响。水解池内污泥甲烷活性的逐渐丧失要归于高的SS负荷下（2.1IkgSS／m³.d）不可降解和降解性能差的 SS的积累。SS积累造成排泥增加，从而污泥停留时间减少。污泥的稳定化程度也会降低，因此有必要对系统污泥稳定化程度进行考察。
2、厌氧稳定化实验
　　因为原污水相当新鲜，污水中挥发性累浮固体含量高（VSS—76％X 经水解池处理后污泥后 VSS含量仍达70％。它具有进一步降解的可能性。为此，采用不同阶段水解排泥进行厌氧稳定性测定，同时对不同来源污泥特性和稳定性进行测量（见表1）。 从实验结果可知稳定运行的水解池的污泥稳定性不低于消化污泥的稳定性。

表1 不同污泥样品稳定性实验

参数 VSS（％） VSS   稳定实验 污泥参数 T=0 T=100天 去除率 gCH4－COD／gVSS 消化污泥（A） 69．2 62 27．5％ 0．19 水解污泥（B） 72．0 62 37．4％ 0.25 水解污泥（C） 70．3 63 27．8％ 0．17

3、污泥液化实验

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　　中干上述的厌氧稳定化测试方法相当耗时，所以采用改进的液化实验方法。在20和30℃条件下对不同的污泥样品进行液化实验。图2给出了污泥VFA和离心COD（CODd）的变化过程曲线。在所有实验前6-8天没有观察到明显的甲烷产生，从第六天VFA和 CODd开始减少来看有一定量的CH4－COD产生。但是甲烷的产量与前几天水解污泥液化COD相比很小，这是由于污泥本身甲烷活性很低和实验条件所造成。液化的产物是乙酸（C2）， 丙酸（C3），丁酸和戊酸（＞C3），所以可知液化阶段主要是水解和酸化反应。
　　从在 20和30℃对水解污泥液化实验来看（图2a），反应产物的产生低赖于反应时间，但更依赖于温度。在30℃时液化的CODd明显地高于20B℃。对于水解污泥在20和30℃条件下，经过10天的反应时间产生的溶解性COD分别为0．162和0．287kgCOD/KgVSS或分别相当于污泥-COD的13．5％和24%。但是VFA－COD数量（经过8-l0 天的反应）在不同温度条件下几乎一样，这表明在这一实验的温度范围内温度对酸化反应的影响不大。从30℃的实验结果来看很明显在第6天后甲烷化反应导致了VFA的减少。
不同污泥样品的液化实验结果列子表2。比较水解池和初沉污泥的实验结果，初沉污泥被液化的CODd和VFA浓度均高于水解污泥（图2b）， 事实上即使是初沉污泥产生的VFA值也高于水解污泥的COD值。这进一步证实，稳定运行的水解池排出的污泥己得到相对程度的稳定化。因此在一定情况下不需进一步稳定化处理，便可以直接处置这种污泥。

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表2 污泥液化和酸化实验结果（10天（水解污泥）到14天（初沉污泥））

参数 CODdg／gVSS VFA－CODg／gVSS CODdg／gS－COD VFA－CODg／gs－COD 污泥 20℃ 30℃ 20℃ 30℃ 20℃ 30℃ 20℃ 30℃ 水解污泥C 0.162 0.287 0.113 0.124 13.5 24.0 9.4 10.3 水解污泥S - 0.196 - 0.107 - 10.9 - 5.9 初沉污泥P 0.470 - 0.322 - 28.0 - 19.1 -

　　C：稳定运行水解池污泥；S：第二阶段实验水解池污泥；P：初沉池的污泥；S－COD：污泥COD问题是实验条件，如敞开的反应器和搅拌是否也抑制了液化和酸化反应。水解污泥的化学液化实验表明 32％污泥COD发生了液化（基于CODd／污泥COD）。 在污泥液化实验中，30℃时24％的污泥COD转化为溶解性的CODd（表2），是化学液化测试结果的 75％。可认为本研究提出的液化实验已经将绝大多数的污泥液化，因此可作为评价污泥稳定性的方法。污泥液化实验方法中，由于不同污泥的性质不同，有些情况会产生一定程度的甲烷化。在测试中收集和测量产生的甲烷是必要的。累积的甲烷可转化为 VFA和 COD计算。 http://www.cnjlc.com
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五、污泥再生工艺

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1、污泥再生
　　三个阶段的实验结果列于图2和表3。第一阶段半连续的污泥稳定池的出水中，溶解性CODd和VFA从相当于污泥-COD的 2.7％禾 0.8％分别增加至 12.6％走 5.9％。结果滁VFA稍低卢相同温度条件下污泥液化实验的结果十分接近（表2）。有大约 10％污泥得到液化，这接近于在20℃温度条件下可达到的最大污泥水解率。在第二阶段液化的CODd从第一阶段的10％减少到4.9％。从实验设置可知由于经稳定后污泥回流至水解池，污泥得到进一步的稳定，因此污泥中可生物降解组分减少，污泥稳定性增加。

表3 水解池和污泥再生池污泥稳定实验

实验阶段   天数 T℃ pH MLSSg／L VSS％ CODd／VSSmg／g VFA／VSSmg／g CODd／CODt％ VFA／CODt％ 第一阶段 进水 12 20 6.9 20.1 70.9 35 10 2.7 0.8 出水   20 6.4 19.8 69.7 164 76 12.6 5.9 第二阶段 进水 16 20 6.9 10.1 70.4 67 20 5.1 1.6 出水   20 6.4 9.3 68.8 125 71 9.6 5.5 第三阶段 进水 30 35 7.2 7.8 73.2 71 14 5.7 1.1 出水   35 6.9 6.0 72.0 178 95 14.1 7.6

　　一从间歇实验的结果可知（表2），污泥的液化反应强烈地依赖于反应温度。因此在第三阶段的实验中，稳定池运转在最佳温度范围，即T=35℃。与其他阶段的结果相比水解和酸化产物浓度增加。但产生的污泥CODd和VFA仍低于30℃条件下间歇实验的结果。实验结果进一步证实在采用污泥稳定池后水解污泥稳定化程度确实得到了改善。

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2、处理结果
　　对第二、三阶段水解和 EGSB反应器的运转结果进行比较，第二阶段由于稳定后污泥回流到水解池，相当在进水中增加了32mgCOD/和15mgVFA/L。监测的结果水解池出水VFA增加了20mg/L，但是在此期间没有观察到甲烷菌活性的增加。第三阶段因为雨季非常低的进水浓度造成水解池低的去除率（雨季和寒冷季节）， 水解池的实验结果是无法与一、二阶段的实验结果相比。但是各个阶段的EGSB反应器的结果是可比的。由于水解池出水CODd和VFA的增加，在第三阶段EGSB反应器沼气产量从19NL／m3 增加到31NL／m3。在整个实验期间出水VFA始终保持在非常低的水平，表明EGSB反应器始终处于低负荷状态，对溶解性COD去除还有很大的潜力。

六、讨论和结论 http://www.cnjlc.com

　　在本研究中水解污泥液化产生的VFA被大量的进水所稀释，特别是有相当数量的沼气溶解在EGSB出水之中，沼气产量的增加少。在实际应用中，可采用分格的EGSB和水解池的部分池容用于冲洗稳定后的污泥，获得高的出水浓度，可获得较好的出水水质和较高的沼气产量。虽然实验表明在使用污泥稳定池之后，水解池的去除率改善不大。但是无论如何，工艺对于污泥的稳定化是有益的，并且同时改善了EGSB反应器对溶解性COD的去除，特别是在低温条件下，获得了相对较高的沼气产量。
　　根据研究结果，提出结合污泥稳定化的生活污水厌氧处理工艺流程具有如下特点。首先，由于污水主要靠厌氧处理方法，使得能源需要很少，污水厌氧处理的停留时间短（为5.0 h．）；同时由于厌氧工艺最终出水浓度低，在后续好氧处理中污泥产量将很低。另外。污泥即使在低温条件下也得到很好的稳定，整个厌氧一好氧处理工艺的污泥产量将显著低于传统工艺的污泥产量。很显然二天停留时间的污泥稳定池并不是最优的工艺参数，但是2天时间的污泥稳定池远远小于传统厌氧消化工艺采用的停留时间（20-30天），因此与传统消化工艺相比仅仅需要10％池容用于污泥稳定化，从而投资费用可大大节省。如采用一般的重力污泥浓缩后，则污泥稳定池的体积可大幅度减少。因此，与传统活性污泥工艺相比，新工艺在投资、运转成本和能耗方面具在明显的优点。通过本研究可获得如下结论：

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　　 l、本研究提出的间歇污泥液化实验提供了一种迅速而有效评价污泥稳定化程度的方法。稳定性实验结果表明在水解池去除的污泥可进一步稳定化。水解污泥的稳定程度不低于传统工艺中消化污泥的稳定化程度。
　　2、水解池获得的相对较高的SS去除率，部分归于低的甲烷活性，即没有沼气产生。另一方面反应器在高的SS负荷下（2.1 kgSS／m4³.d）截留的大量SS，导致污泥甲烷活性降低。低温条件下，附加的污泥稳定池可以完全的稳定去除的SS。
　　3、在常温条件下（9.21 ℃）水解和EGSB两级串联工艺配合污泥稳定池是一非常有吸引力的处理城市污水的工艺。EGSB反应器对于溶解性CODd的去除潜力被用来去除进水中溶解性的可生物降解物质，使得整个工艺，特别是在低温季节条件下，可取得较高的去除效率、产气量和更完全的污泥稳定化程度。

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致谢：衷心地感谢下列人士在技术上的支持：R．E．Rotsma, H．Donkef和A·Van Amersfoort。同时也借此感谢J．Van Der Laan和 M．De Wit帮助进行色谱分析。 http://www.cnjlc.com

参考文献
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　　6） Knechtel．JR．（1978），A More Economical Method for the Determination of Chemical Oxygen Demand，Water　and Pollution Control，166，pp.25-29
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　　8）Lettinga，G.；Knippenberg,K．van；Veenstra，S．；Wiegant, w．（1991b）．Upflow Anaerobic Sludge Blanket　（UASB）：Low cost sanitation research prqect in Bandung／Indonesia．Internal Report,Final report.Wageningen　AgricultUral University，February 1991．
　　9）Huang Ju－Chang，Bill T．Ray and Huang YaoJiang（1989），Accelerated Sludge Digestion by Anaerobic Fluidized　Beds：Bench－scale Study，In：Proc．Int．Conf Water and Wastewater，pp．628

本研究是在荷兰Wageningen农业大学Bennekom进行，为博士论文的一部分
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责任编辑: 神采飞扬

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