嗜热菌污泥减量化及对氮磷营养物质的去除与回收

摘要

活性污泥法在世界范围内广泛地应用于市政污水和工业废水处理。活性污泥过程是利用微生物将废水中的溶解性和胶体有机物转化为生物固相或者二氧化碳和水。这个过程产生的主要副产物-剩余活性污泥，它的处理对污水处理厂来说是面临的一个严重问题。剩余污泥中含有大量的有毒有害的有机和无机物质，例如病原菌、寄生虫卵和一些重金属。剩余污泥在排放前必须经过处理以避免对生态系统造成危害。
　　目前我们国家对剩余污泥的解决方针是将已产生的污泥进行处理与利用。常规方法是剩余污泥经过浓缩、脱水、稳定等预处理后进行填埋、焚烧、土地利用、排海等最终处置方法与综合利用。但是这些处置方法都有其自身的缺陷。并且剩余污泥的处理费用约占整个污水处理厂运行费用的25％～65％。能耗高不仅影响污水处理成本，而已也会影响到能源资源的可持续利用和能源生产过程中所产生的环境污染问题。因此，有必要开发新的污泥处理方法并且尽可能的减少污泥处理的能耗。本研究主要包括以下几个方面的内容：
　　(1)嗜热菌污泥减量化研究。从污泥中分离出一株嗜热菌，通过16S rRNA基因序列分析为一株新菌，命名为Bacillus sp.Hnu。嗜热菌Bacillus sp.Hnu能够产蛋白酶，这能够促进污泥水解。对嗜热菌Bacillus sp.Hnu对污泥水解效果进行了研究。结果表明，在高温和高溶解氧条件下对VSS的溶解率有利，同样影响蛋白酶活性。在60℃、pH=6.9，厌氧、微好氧、好氧反应108h时，VSS最大溶解率分别为21.5％、42.5％和54.4％。VSS溶解率和蛋白酶活性受pH值影响不大。动力学研究表明嗜热菌Bacillus sp.Hnu促进污泥水解和空白试验均符合一级动力学模型(60℃除外)。嗜热菌Bacillus sp.Hnu促进污泥水解在40℃条件下，厌氧、微好氧、好氧水解速率常数分别为空白的3倍、4.8倍和7倍；在50℃条件下，厌氧、微好氧、好氧水解速率常数分别为空白的3.5倍、9.8倍和11.8倍；在60℃条件下，厌氧、微好氧、好氧水解速率常数分别为空白的2.7倍、7.2倍和10.3倍。这表明嗜热菌Bacillus sp.Hnu和溶解氧能够促进污泥水解。
　　(2)太阳能作为热源污泥减量化。本研究表明，不同季节对太阳能作为热源污泥固体的溶解影响较大，夏季污泥停留时间为10天TS、TVS最大去除率分别为37％和44％；秋季太阳能作为热源TS、TVS最大去除率分别为29.3％和27.5％；而冬季太阳能作为热源TS、TVS最大去除率分别仅为18.5％和24.8％。污泥停留时间不同污泥固体溶解率显著不同，当污泥停留时间从10天延长到20天时，秋季TS从14 g/L减少到7.1 g/L，TVS从8 g/L减少到3.7 g/L，TS、TVS去除率分别从29.3％和27.5％增大到49.3％和53.4％。同一季节不同天气情况对反应器内温度影响较大，这直接会影响到污泥固体的溶解速率。夏季晴天反应器内温度较室外平均温度高18℃，雨天反应器内温度较室外平均温度高12.5℃；秋季晴天反应器内温度较室外平均温度高17.4℃，秋季雨天反应器内温度较室外平均温度高6.1℃；冬季晴天反应器内温度较室外平均温度高10℃，冬季雨天反应器内温度较室外平均温度高4℃。
　　(3)利用吸附法从污泥消解液中制备优质的磷酸铵镁。改性的甘蔗渣能够有效的去除污泥上清液中的重金属。改性甘蔗渣添加量为1 g/L时，Cu、Cd、Zn、Pb最大去除率分别为96％、95％、98％和97％。改性甘蔗渣吸附重金属符合二级动力学方程。pH是同时去除氮磷的最重要参数之一。去除氨根离子的最优pH为9.4，去除磷酸根离子的最优pH为9.6。过量的镁离子相对于磷酸根离子，对氨氮有更好的去除效率，当Mg/N/P摩尔比从1:1:1增加到1.3:1:1时，氨氮离子的去除率从75％增加到90％，同时SCOD去除率从38％增加到48％。制备的磷酸铵镁与纯磷酸铵镁的成分基本一致，换句话说制备的沉淀物的X射线衍射峰跟标准磷酸铵镁的数据库资料相符，波峰的位置和强度一致，制备的磷酸铵镁符合我国肥料所有的生态指标，因此制备的磷酸铵镁可以作为我国一种优质的肥料。
　　(4)利用废铁屑从污泥中去除和回收磷。本研究结果表明废铁屑能够有效的去除污泥中的磷。在废铁屑添加量为1g/L，2g/L和3g/L时，对磷的最高去除率分别为39％，93％和99％。废铁屑对污泥中磷的去除机理主要是废铁屑对磷的表面吸附和铁还原细菌和水解酸化菌对废铁屑的水解酸化腐蚀和生物还原废铁屑所产生的铁离子和亚铁离子跟磷酸根离子产生沉淀。废铁屑对污泥中磷的去除最主要是水解酸化细菌对污泥的水解酸化使得污泥pH值降低对废铁屑造成腐蚀，腐蚀产生的铁离子和亚铁离子跟磷酸盐产生沉淀。去除机理排第二位的是废铁屑对磷的吸附，在废铁屑添加量为1 g/L，2g/L和3g/L时废铁屑对磷的吸附所占比例分别低于16％，34％和38％。废铁屑这种材料有可能得到广泛的应用，由于它除磷效率高，广泛供应，能耗低。去除的磷利用磁性介质可以实现56％的回收。本方法能有效去除污泥中的磷，操作方便，运行稳定，费用低，能够回收磷资源，因此本方法比其他物理化学方法更有潜力。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 污泥减量化的意义

1.2 磷资源现状及回收意义

1.3 课题的研究目的与研究内容

1.3.1 课题的研究目的与意义

1.3.2 课题的研究内容

第2章 文献回顾

2.1 污泥的来源与特性

2.1.1 污泥的来源

2.1.2 污泥的分类

2.1.3 污泥的基本特性

2.1.4 污泥的胞外聚合物(EPS)

2.2 污泥处理方法

2.2.1 机械法破碎污泥技术

2.2.2 污泥热水解处理技术

2.2.3 化学氧化污泥减量化技术

2.2.4 控制污泥生长量和衰亡速率

2.2.5 微型动物捕食污泥减量化技术

2.2.6 嗜热菌污泥减量化

2.2.7 微波技术污泥减量化

2.3 污泥处理后的可利用资源

2.3.1 有机质

2.3.2 氮磷营养物

第3章 嗜热菌Bacillus sp．Hnu的筛选、分离与鉴定及对污泥的减量效果研究

3.1 引言

3.2 试验材料与方法

3.2.1 试验材料

3.2.2 试验方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 温度和溶解氧对嗜热菌Bacillus sp．Hnu水解污泥的影响

3.3.2 温度和溶解氧对嗜热菌Bacillus sp．Hnu蛋白酶活性的影响

3.3.3 pH值对嗜热菌Bacillus sp．Hnu水解污泥的影响

3.3.4 pH值对嗜热菌Bacillus sp．Hnu蛋白酶活性的影响

3.3.5 污泥水解动力学研究

3.4 小结

第4章 太阳能作为热源污泥减量化

4.1 引言

4.2 试验材料与方法

4.2.1 主要试验材料

4.2.2 主要试验试剂

4.2.3 主要试验仪器

4.2.4 主要试验设备

4.2.5 试验方法

4.2.6 实验目的和实验流程

4.2.7 监测方法

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 季节对污泥固体的影响

4.3.2 污泥停留时间对污泥固体的影响

4.3.3 不同天气条件下反应器内外温度关系

4.3.4 讨论

4.4 小结

第5章 污泥消解液中磷酸铵镁的回收

5.1 引言

5.2 试验材料与方法

5.2.1 主要试验材料

5.2.2 主要试验试剂

5.2.3 主要试验设备

5.2.4 试验方法

5.2.5 监测方法

5.3 实验结果与讨论

5.3.1 改性甘蔗渣共吸附重金属

5.3.2 吸附动力学分析

5.3.3 pH的影响

5.3.4 氮磷镁摩尔比的影响

5.3.5 制备的磷酸铵镁分析

5.1 结论

第6章 污泥中磷的去除与回收

6.1 引言

6.2 试验材料与方法

6.2.1 主要试验材料

6.2.2 试验仪器

6.2.3 试验方法

6.2.4 分析方法

6.3 实验结果与讨论

6.3.1 废铁屑添加量的影响

6.3.2 pH的变化

6.3.3 总挥发性脂肪酸产量

6.3.4 污泥中总铁含量的变化

6.3.5 废铁屑对磷的吸附

6.3.6 灭菌对废铁屑除磷的影响

6.3.7 去除磷酸盐的回收

6.3.8 经济分析

6.4 小结

结论与展望

参考文献

致谢

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