超声波缺氧好氧组合体系的构建.docx

1、超声波缺氧好氧组合体系的构建超声波缺氧/好氧组合体系的构建作者：shixing02时间：2009-11-23 10:45:00 论文关键词：超声波缺氧/好氧模型污泥减量论文摘要：污泥原位减量化技术是解决目前污水处理过程中产生剩余污泥问题的重要途径。本文设计的超声波-缺氧/好氧组合工艺实验模型是将超声波处理与缺氧/好氧(A/O)工艺相结合对污泥进行原位减量化。首先采用超声波直接对回流污泥进行超声处理，然后将超声波处理后的回流污泥返回缺氧池以及好氧池进行隐性生长，减少后续的剩余污泥产出量。同时，该设计并未影响出水水质。本文侧重对模型的设计，关键是缺氧、好氧同池部分以及沉淀池、超声波处理器的设计与选

2、择。模拟设计与常规工艺的实际设计有一定差别，部分参数是探索性的选择。1 绪论1.1 设计参考水量与水质 设计规模：0.4m3/d处理规模实验室工艺模拟。.进水水质：CODCr=600mg/L, BOD5 =280mg/ L, 总氮=77mg/ L, 氨氮=35mg/ L 总磷=3.0mg/L.出水平均水质：CODCr70mg/ L，BOD5 20mg/ L，SS30mg/ L，氨氮5mg/L.污泥减少量预计在90%。1.2我国城市主要污水处理工艺及其特点我国现有城市污水处理厂80以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、二级处理、稳定塘法及土地处理法等。活性污泥法(Activat

3、ed Sludge Process) 1是以活性污泥为主体的生物处理方法，它的主要构筑物是曝气池和二次沉淀池。需处理的污水和回流污泥同时进入曝气池，成为混合液。在曝气池内注入压缩空气进行曝气，在好氧状态下，污水中的有机物被活性污泥中的微生物群体分解而得到稳定，然后混合液流人二沉池。澄清水溢流排放，但该法存在污泥膨胀而影响处理效果的缺点。主要处理生活污水，占地面积大，运行管理方便，对污泥膨胀进行控制，运行成本低。设计容积负荷较低，SVI控制较严格，否则泥水不易分离，引起污泥膨胀而导致出水水质差。活性污泥工艺的目的是在最大限度降低BOD的同时，减少污泥的产量。活性污泥法(Activated Slu

4、dge Process)具有基建投资省、处理效果好的优点，是当今世界废水生物处理的主流工艺，但是在污水的生物处理过程中产生大量的生物污泥，需要经分离、稳定、消化、脱水及外置等步骤，这需要大量的基建投资和高昂的运行费用，剩余污泥处理和处置所需的投资和运行费用可占整个污水处理厂投资和运行费用的2565，已成为废水生物处理技术面临的一大难题开发不降低污水处理效果、实现污泥产量最小化的废水生物处理工艺，是解决污泥问题较理想的途径。剩余污泥通常会有相当量的有毒有害物质以及未稳定化的有机物，包括各种重金属、有毒有机物（PCBs、AOX等），大量病原菌、寄生虫(卵)以及N和P等营养元素。如果不进行妥善处理与

5、处置，将会对环境造成“二次污染”。污泥的最终处置常采用填埋、填海和用于农业。但随着可用土地的减少，考虑到人体的健康，在污泥用于农业之前必须进行进一步处理等，污泥的最终处置越来越困难，这使人们对于能减少污泥产量的生物处理工艺更加感兴趣。生物活性污泥法有多种处理工艺，随着国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，城市二级污水处理厂常用的工艺方法有2-3：普通曝气法、AB法(二段曝气法)、A/O除磷工艺、A/O脱氮工艺、A/O除磷脱氮工艺、氧化沟工艺等。已有的生物除磷脱氮工艺可分成A/O系列、氧化沟系列和序批式反应器(SE)系列等。随着各个系列不断地发展和改进,形成了目前较典型的工艺，如A/O工艺

6、、A/O工艺、改良A/O、倒置A/O工艺、ORBEL氧化沟工艺、百乐克工艺等。目前我国新建及在建的城市污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为主流，占90以上，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的自然生态净化法等污水处理工艺技术。1.3我国污泥发展概况与污泥减量化的提出污泥是废水生物处理的副产物，随着废水处理量增加，污泥处理处置已成为困扰污水处理厂和全社会的重大问题。现代废水处理技术，按其作用原理，可分为物理法、化学法和生物法三类。废水生物处理根据生化反应机理不同，分为好氧处理和厌氧处理两大类4。随着我国城市污水处理量和处理率的增加，污泥的产生量快速增长，

7、污泥的处理与处置成为环境保护领域一个重要课题。国内在污水处理厂污泥的处理处置方面还存在一些问题1： 国内外虽然对污水处理技术与处置标准给予了更多的关注，但由于经济、设计、管理等诸多方面的原因，对污泥处理不够重视。污泥成分日益复杂，污泥处理难度增加。随污水处理排放标准的提高，为防止水体富营养化，污水处理既要进行有机物的去除，又要进行N、P等无机营养物的去除。为满足污水回用，达到污水资源化的目的，需进一步去除污水中的污染物质，随着这种处理功能的拓展，污泥量随之增加。目前我国污泥的处理大多采用厌氧消化，其前期一次性投资大，而且还有工艺负荷低、安全性要求高、运行管理难度大、运行经验缺乏等问题。污泥的处

8、理与处置费用昂贵，一般要占总运行费用的30%(填埋)一60%(焚烧)。污泥问题不仅是中国也是全世界面临的技术挑战。污泥问题使人们对于能减少污泥产量的生物处理工艺更加关注。为了防止污泥的二次污染，应尽可能通过技术进步和工艺改造等手段减少污泥的产生量，大力开展促进污泥减量技术的研究，以大幅度降低现有污泥处理处置基建和运行费用，促进污水处理技术的日益完善，达到污染控制和清洁生产的目的。剩余污泥减量化5是通过物理、化学、生物等手段，主要依靠降低微生物产率以及利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解，使污水处理设施向外排放的生物量达到最小，是从根本上、实质上减少污泥量。若将污水处理看成生产过程，将清洁生产的理

9、念运用到污水处理，剩余污泥的减量化是从源头进行治理的“绿色生产”。所谓污泥减量技术，是指在保证污水处理效果的和剩余污泥资源化基础上进一步提出的剩余污泥处置新概念，采用适当的措施使处理相同量的污水所产生的污泥量降低的各种技术。根据微生物处理工艺中影响剩余污泥产生的可能途径，将污泥减量化技术归纳为降低细菌合成量的解偶联技术、增强微生物进行内源呼吸代谢的溶胞技术、利用食物链作用强化微型动物对细菌捕食的技术。目前，国内外对污泥处理处置的研究主要致力于污泥的资源化和减量化方面，如污泥制砖、制烟气脱硫吸附材料、园林利用、农用等资源化利用方面的研究，污泥解偶联、臭氧氧化、微型动物捕食、超声波破解等减量化技术

10、方面的研究6。超声波处理技术因其在细胞破碎方面具有高效、稳定、清洁、安全等优点，在污泥处理中可以提高污泥脱水性能和可降解性能，且应用方便，因而在近年来的污泥减量研究方面备受关注。1.4 超声波技术与污泥处理超声波4与声波相同，是一种在弹性介质中传播的机械波。通常将超出人耳听觉上限（20kHz）的声波称为超声波，超声波常用的频率大约在20KHz3MHz之间。超声波用于工业较早。低强度的超声波通常用于测量流量，而将超声波用于污泥减量是一个全新的领域。超声波通过交替的压缩和扩张作用产生空穴作用，在溶液中这个作用以微气泡的形成、生长和破裂来体现，以此压碎细胞壁，释放出细胞内所含的成分和细胞质，以便进一

11、步降解。超声波细胞处理器能加快细胞溶解，用于污泥回流系统时，可强化细胞的可降解性，减少污泥的产量；用于污泥脱水设备时，有利于污泥脱水和污泥减量。超声波由转换器产生，经探针导入污水中，超声波的设计频段在2530kHz.小于25kHz在人的听力范围内，产生噪声问题；而超过35kHz时，能量利用率低。超声波的作用受到液体许多参数的影响，如：温度、粘度和表面张力等。此外，超声波与各种液体的接触时间、探针的几何形状和材质也是超声波应用的影响。超声波对生物体有多方面的作用。在不破坏细胞前提下，采用适当频率的强度和辐照时间，可以提高整个细胞的新陈代谢效率，加速细胞生长。低强度（能量）超声波辐射能提高细胞和酶

12、的活性以及强化物系间传质，具有促进细胞生长、增强细胞内酶的生产、提高酶促反应速率和加速细胞新陈代谢的作用。有研究表明低强度超声波辐射能提高生物细胞或酶活性的作用效应，超声波辐射能显著提高污泥好氧消化效率，超声波辐射后可改善消化液的沉降性能。低强度超声辐射预处理活性污泥后，会干扰活性污泥在废水净化过程中对糖类、蛋白质等物质的正常合成代谢，使污泥胞外聚合物（EPS）组成成分含量发生明显变化。低强度超声预处理不会迅速改变污泥优势种群组成，但可能造成一些种群微生物代谢受到抑制，改变了各种群个体数量增长的平衡，从而引起污泥整体代谢特征的变化5。超声波处理能够改善污泥脱水性能、加速污泥细胞水解、提高污泥生

13、物活性。由于污泥厌氧发酵的控制步骤是生物细胞的水解，使颗粒性有机物转化为溶解性的有机物，而正常生物水解反应十分缓慢，造成厌氧处理周期长。高强度(能量)超声波可能破坏微生物细胞壁，使细胞内的有机物释放出来，加快细胞水解过程，将厌氧消化时间大大缩短。例如据文献超声波强化一次污泥沉降与脱水性能的研究表明，短时间的超声作用可以提高污泥脱水和沉降性能，超声处理7s后滤饼含水率降低2.9；超声10s时粘度和比阻值最小，比原污泥分别减小29.4和24.270；15s后污泥沉降速率是原污泥的3.7倍。如投加絮凝剂，投加量为0.054g/L时污泥沉降速率最快，最终污泥体积为84.5，粘度值最低，为84.5mpa

14、s. 加入超声l0s作用后，最佳絮凝剂投加量为0.027g/L, 且最终污泥体积比单独投加0.054g/L时减小4，粘度值降低14.8。超声波与絮凝剂的联用可以改善污泥脱水性能和沉降性能，减小絮凝剂的量达一半以上。水性大大提高，大幅度减少污泥量。Bien等4在消化污泥中加入3mg/g d.m有机絮凝剂后超声预处理15s，提高了污泥浓缩程度，较未预处理污泥体积减少50%，认为超声场改变絮凝剂内部分子结构，促进了絮凝剂作用效果。据剩余污泥的超声破解与影响因素程度分析表明，采用超声波技术破解污泥絮体及污泥微生物细胞，使固体性有机物与胞内物质变为溶解性有机物（SCOD）。SCOD溶出率随超声作用时间、

15、声强及声能密度的增加而增加，在一定声强下，SCOD溶出率随时间延长呈线性增长趋势，即污泥破解反应遵从一级反应动力学规律。VSS的变化规律同SCOD溶出率的变化规律相似。来，加快细胞水解过程，将厌氧消化时间大大缩短。Tiehm等人4用41kHz3217 kHz超声波处理污泥30120 min后厌氧发酵，结果显示，厌氧发酵时间从22 d降到8d，而且挥发性有机物的去除率从45.8%提高到50.3%，同时CH4的产率提高2.2倍。Bougrier等4用20 kHz超声波对污泥预处理后厌氧消化，超声波输入能量从660kJ/kg TS14547 kJ/kg TS，生物气产量较对照至少提高25%。低强度超

16、声波辐射对污泥生物活性的影响机制研究表明，通过测定超声辐射前后污泥性质的变化,不同处理方式对污泥活性影响以及自由基清除剂NaHCO3加入对超声作用效果影响,初步探讨了低强度超声波辐射对污泥生物活性的影响机制.研究结果表明,低强度超声辐射的机械作用和空化作用,使污泥絮体破碎,强化了固-液对氧的传质,提高了酶活性以及增加了溶液中可利用基质,从而强化了污泥的生物活性；不过,超声辐射同时也产生大量自由基,会对污泥生物活性产生抑制或破坏.因此,低强度超声辐射对污泥活性影响是促进效应和抑制效应共同作用的综合表现.采用适当的辐射参数直接对活性污泥进行超声预处理，然后再与废水混合反应，可以提高活性污泥对废水有

17、机物的去除。处理过程中会产生出类似污泥“解偶联”机制6的现象，这对于污水处理过程中污泥减量具有一定意义。有研究者将活性污泥经超声波处理后再回流到曝气池，有效地减少了剩余污泥产量，甚至做到反应器不产生剩余污泥。G.M. Zhang等4研究发现利用25kHz，120kW/kgDS的超声波，超声波处理时间15分钟，污泥超声波比例为2/14，污泥减量达91.1。 基于对上述技术的探讨以及研究成果的学习，结合目前国内外常用的污水处理工艺、污水处理方法和理论以及低强度超声波辐射处理污泥的技术7，我们决定把低强度超声波预处理活性污泥技术结合缺氧/好氧（A/O）传统工艺，构建一套目前国内外研究尚少的新型污水处

18、理组合工艺体系，以达到污泥减量化与污水出水水质高效达标的目的，实验研究的前期阶段，将结合目前的教学实验基地与师资，根据本课题的指导思想，设计出一套工艺运用到实验当中来，以便课题的深入研究与发展。1.5 超声波-缺氧/好氧（Ultrasound WaveAnoxic/ aerobic）组合技术的提出在缺氧/好氧（A/O）传统工艺8的基础上，采用低频率低剂量的超声波直接对活性污泥进行超声预处理，然后再与污水混合反应的操作新模式，以大幅度降低处理能耗，增强活性污泥吸附和氧化去除废水中有机物的能力，减少后续剩余污泥产出量。 污泥部分回流与进水混合依次进入到缺氧反应区、好氧反应区，参与工艺的循环运行，经

19、过好氧区的混合液部分回流与进水混合，剩余混合液流入沉淀池，澄清水溢流排放。剩余污泥经过超声波的稳定化、无害化处理，达到较好的减量化效果9。缺氧单元放到好氧单元前，利用进水中的有机物作为碳源，称之为前置反硝化流程，通过混合液回流把硝酸盐和亚硝酸盐带入缺氧单元。在好氧单元污水中的有机物被活性污泥中的微生物群体分解而得到稳定。工艺模拟实验，前期需要根据所模拟设计的污水水量与水质(CODCr、BOD5、SS、氨氮)特点、本研究工艺的特点、实验室地理位置、以及出水水质标准等选用合适的工艺材料与设备，并进行相关的计算与工程造价的预评估，主要包括超声波预处理活性污泥单元、活性污泥与污水混合进水单元、缺氧单元

20、、好氧单元、沉淀池、混合液回流系统、污泥回流系统、剩余污泥处理处置系统、出水水质监测系统等。根据课题所设计的模型，对工艺流程进行构建。并对设备的可行性进行检查。中期则根据所采用的合理超声波处理参数、对活性污泥进行预处理培养，设定污水流量、启动工艺设备，对实验进行模拟研究，监测出水水质、计算剩余污泥量。后期则综合相关实验数据、相关的质量标准，与国内外传统污水处理工艺的运行效果进行对照，综合出该新型工艺的优缺点，总结出污泥减量化处理处置的新经验。1.6设计任务与内容设计的主要任务是完成超声波-缺氧/好氧组合工艺实验模型的设计，处理水量为0.4m3/d。工艺一般包括以下内容：根据实验室的规模大小确定

21、模型合适的大小，工艺流程设计说明，处理构筑物型式说明，设备的选用和计算，主要反应装置的设计计算，模型的整体布置，工艺设计图绘制，编制主要设备材料表。2 超声波-缺氧/好氧组合工艺在前置缺氧-好氧生物脱氮活性污泥工艺的基础上，结合超声波预处理活性污泥减量化技术的创新应用，进行工艺的改造与创新10-12。2.1超声波-缺氧/好氧工艺流程图SHAPE * MERGEFORMAT 图2.1 超声波-缺氧/好氧工艺流程图2.2 工艺流程说明2.2.1 污泥的人工培养成分浓度/mgL-1成分浓度/mgL-1淀粉268(NH4)2SO4112蔗糖200CaCl26蛋白胨132MnSO4H2O6牛肉膏68Fe

22、SO40.3NaHCO380MgSO47H2O66尿素8KH2PO448.8进水平均水质：CODCr=600mg/L,BOD5=280mg/ L,总氮=77mg/L,氨氮=35mg/L,总磷=3.0mg/L表2.11人工模拟城市污水使用液的组成与浓度试验所用接种污泥取自污水处理厂二沉池回流活性污泥。接种污泥取回后，先用纱布过滤以去除泥沙等杂质，以免对后续测定及装置的稳定运行产生影响，然后将污泥投入实验室内塑料桶中，加入人工合成废水，组成与比例见表2.1，按照SBR的运行方式运行。培养数日，待污泥恢复活性后将污泥投入试验装置中，此时每套装置的MLSS大约在 1000mg/L。经过20一30天的稳

23、定培养，污泥未出现膨胀，污泥浓度稳定在4000mg/L，剩余污泥及时排出，污泥外观呈粪黄色，矾花絮体大，微生物相很丰富，出现了原生动物及后生动物，表明污泥状态良好，然后进入试验运行阶段。2.2.2 进水剩余污泥与所配原水混合均匀，注入体积20L左右的有机玻璃配水箱，用污水泵抽送到缺氧处理区，与好氧区处理后的回流上清液以及超声波处理后的回流污泥混合。2.2.3 缺氧反硝化-好氧硝化把空压机控制空气的阀门开到预先设定一档，底部进行微曝气，开动搅拌器，此时溶解氧的浓度小于0.5mg/L，持续时间8h。反硝化菌利用污水中的有机物作为碳源，将好氧曝气区回流液带入的大量NO3-N和NO2-N还原为N2释放

24、至空气中.BOD5浓度下降，NO3-N的浓度大幅度下降，而磷的变化很小，在缺氧池内进行反硝化脱氮，反硝化产生碱度补充硝化反应需要，无需外加碳源，节省后续曝气量，有效控制污泥膨胀7。缺氧/好氧反应同池，把空压机控制空气的阀门开到预先设定的另一档，底部进行大幅度曝气，开动搅拌器，溶解氧浓度大于2mg/L，持续时间4h，好氧处理区进行SS、COD的分解，有机物被微生物生化降解而继续下降；有机氮被氨化继而被硝化，使NH3-N浓度显著下降，但该过程使NO3-N浓度增加，磷随着聚磷菌的过量摄取，也以较快速度下降，好氧池将NH3-N完全硝化，缺氧池完成脱氮功能，缺氧池和好氧池联合完成除磷的功能。好氧处理后的

25、上清液部分用泵抽送回流到缺氧反应区。2.2.4 沉淀区污泥与超声波处理处理后的混合液进入到沉淀系统，污泥通过自重沉淀积蓄在蓄泥斗，部分污泥用泵抽送到超声波处理系统，按照选定的超声波处理参数进行超声波辐射，参考文献低强度超声波辐射活性污泥的生物效应及其应用试验研究，选取组合参数范围在2128KHz，1040W, 25min4, 14-15 间，根据有关文献的研究成果，超声波预处理活性污泥组合参数选取：28KHz, 10W, 5min4。处理后的活性污泥回流到缺氧区，与进水混合，沉淀区的剩余污泥通过污泥脱水系统排放。计算剩余污泥的排放量。2.2.5出水对沉淀池出水进行必要的实验监测，包括BOD、C

26、OD、SS、氨氮等，与原水水质进行对照，参考相关标准，看是否达标。2.3 超声波-缺氧/好氧工艺实验室模拟实体与计算1- 配水箱；2-缺氧区；3-好氧区；4-沉淀区；5-集水箱；6-进水泵；7-曝气头;8-曝气头；9-空压机；10-超声波处理器；11-污泥泵；12-污泥泵；13-搅拌器;14-污泥脱水；15-回流泵图2.2 超声波-缺氧/好参照上述超声波技术参数，结合本工艺需求参数进行改造设计。图2.4 超声波装置实物图Fig. 2.4 The objective chart about ultrasound waves equipment2.3.2配水系统流量以0.4m3/d，400L水参考

27、计算。考虑到实验实际需要，以及实验室场地资源的充分利用，设计配水箱容量在20L左右，一次可配水 左右，箱外高525 mm，箱内高520 mm，有机玻璃壁厚5 mm，箱外宽210 mm，箱内宽200mm。底部为正方形，箱顶不加盖，直接用管道伸进箱底抽水。在箱内500mm高度处刻画尺寸标注，指示出0.02m3，20L体积标线，20mm为设计超高。2.3.3缺氧区处理系统水力停留时间8h，即进水缺氧处理8h。则估计一天24小时中，8小时理论流过水量 ,箱内设计有效容积为0.133 m3，133L，理论进、出水流速 ，8小时内配水系统大概需要配水次数 （次），设计有机玻璃壁厚5mm，箱内底部长400m

28、m，宽400mm，箱内总高850mm，830mm高度处为缺氧区与导流区接触界面，留空20mm，箱内距离底部5mm15mm高度处，设计10mm高的狭缝，用于混合液适量回流，底部安置曝气头，顶部安装搅拌器，箱壁设置污泥回流管道以及上清液回流管道。2.3.4导流区系统缺氧处理区与好氧处理区之间的狭缝区即为导流区。设计有机玻璃挡板高820mm，狭缝宽10mm，长400mm，挡板底部距离好氧处理系统底部15mm。2.3.5好氧处理系统水力停留时间4h，即进水好氧处理4h。每小时从缺氧区流进水量为0.0166m3，需停留4小时，则理论设计有效容积 ，好氧区与缺氧区流速相同 ，有机玻璃壁5mm，实际箱内长2

29、00mm，宽400mm，高788.15mm，顶部留空区46.85mm，底部一侧设置45斜角。底部设置曝气头，设计与箱底连接管道，与空压机连接，顶部设置搅拌器。2.3.6狭缝回流区好氧处理系统与沉淀系统交接处的狭区，用于少量混合液回流到缺氧处理系统与进水混合。估取宽10mm，长400mm。2.3.7沉淀系统该系统设计参数为大胆性、探索性估取，并未完全参照常规参量选取，需要在实际工艺中，进行后续测定和验证。沉淀池流量为0.0166 m3 /h，即4.61*10-6 m3 /s，则设计内高800m，内部直径200mm，距离箱顶50mm，中心管直径50mm，管高250mm，面积2500mm2，中心管与

30、反射板间距离高度10mm，反射板宽50mm，出水挡板与沉淀池顶盖底部相距40mm，挡板距离一侧池壁20mm，出水区设置管道与清水箱连接，蓄泥锥体高100mm，底部宽50mm，底部设计管道与超声波处理系统以及剩余污泥脱水处理系统连接，沉淀系统上部有机玻璃箱盖外一侧设置上清液回流管路，与缺氧处理系统连接。2.3.8集水箱根据实际需求，设计高度700mm，宽180mm，长400mm，有机玻璃壁厚5mm。底部设置排水管路，靠近箱底处设置取水口，箱顶设置进水口。2.3.9搅拌系统搅拌器采用浆式搅拌器，搅拌轴制作材料采用45钢，桨叶采用45钢片。选用功率较低、实验室常用的51K60GU-C型电动机，60W

31、，220V, 0.9A, 5Mf, 50/60Hz, 1300/1600r/min，内部设置减速机，调速控制搅拌器转数55r/min左右，减速比 ,在电动机正常减速比范围内。或选用调速电磁制动电机: 50HZ:90-1400r/min， 60HZ:90-1600r/min。也可以选用功率在60W、 频率50/60Hz左右的其它牌子电动机，诸如JSCC微型电机：电机功率，6200w；减速比，1:31:1800。或者参考选用、改造本校教学实验中常用非型号搅拌器和电动机。2.3.10空压机参照50-300mm三叶罗茨鼓风机设计，流量0.4m3/min346m3/min,升压9.8kpa78.4kpa，功率0.7kw160kw，口径50mm300mm，设计成流量可调，双控制系统，鼓风机设备配套的压力表等装置。或者参考选用、改造本校教学