基于pH调控的城市污泥厌氧发酵产酸小试研究

本研究设计了热碱预处理-半连续流厌氧发酵污泥处理工艺,探究了p H对热碱预处理污泥产酸性能的影响,同时对发酵液作为碳源回用于污水厂强化脱氮除磷进行了质量衡算.在30 L厌氧发酵罐中考察了偏中性(p H=6.5)和碱性(p H=10.0)条件下热碱预处理污泥发酵的挥发性脂肪酸(VFA)产生及分布、蛋白质及碳水化合物的消耗和氮磷释放情况.结果表明,污泥热碱预处理-半连续流厌氧发酵工艺的VFA产量稳定,在p H为6.5和10.0的条件下,发酵罐中平均VFA产率分别为333.29 mg·g-1(以每g VS产生的COD(mg)计,下同)和250.64 mg·g-1,p H为6.5时产酸更稳定,且产量较高,但碱性条件更适合产乙酸.两种p H条件下的SCOD、溶解性蛋白质、溶解性多糖、氮和磷的释放都无较大差异.质量衡算结果表明,以处理量为50000 m3·d-1的城市污水处理厂为例,其产生的污泥经过热碱预处理-半连续流厌氧发酵产酸工艺,产生的VFA能够满足该污水处理厂脱氮除磷提标改造的碳源需求.     

污泥水解上清液作为GS系统脱氮除磷碳源研究

利用超声预处理后的剩余污泥水解酸化产生的有机物物质作为污水厂碳源,不仅有利于解决城市污水厂碳源不足的问题,同时通过剩余污泥的资源化实现剩余污泥的减量化。通过研究得到,污水处理厂剩余污泥经超声(20~25 kHz,1.6 W/mL,15 min)厌氧水解1 h后得到的污泥水解上清液,溶解性COD(SCOD)溶出率为26.5%,其中,挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)约占SCOD的40.3%,VFA中乳酸含量最高。烧杯试验结果表明,污泥水解上清液最大反硝化速率为5.85 mg NO_3~--N/(g MLVSS·h),可以作为反硝化碳源,而最大释磷速率仅为4.57 mg P/(g MLVSS·h),不适于作为生物除磷碳源。由此可见,水解上清液中SCOD的组成直接影响其作为脱氮除磷碳源的可行性。成本分析表明,污泥水解上清液作为碳源可以产生良好的环境和经济效益。     

玉米芯缓释碳源对CRI系统脱氮效能的影响

为解决CRI系统有机碳源不足导致的TN去除率低的问题,选取玉米芯作为碳源备选材料,研究了酸热、碱热、超声波3种预处理方法对其释碳性能和反硝化潜力的影响,筛选出最优预处理方式后,投加于CRI系统考察了对其脱氮效能的影响。结果表明,碱热处理玉米芯的COD平均释放量为13.24 mg/(g·d),反硝化潜力为130.93 mg NO_3~--N/g,粗糙的表面和丰富的孔隙有利于微生物的附着生长,且分解过程对水质的潜在影响较小,确定其为较适宜的缓释碳源。将碱热处理玉米芯投加到CRI系统的中层(50~100 cm),当玉米芯与基础填料体积比为1∶7,湿干比为1∶3时,COD、TN的平均去除率分别达到了80.28%、85.29%。沿程污染物变化规律表明,碱热处理玉米芯释放的有机物为反硝化段(100~150 cm)提供了充足的碳源,100 cm处进水的C/N比对照组提高了9.14倍,最终TN去除率比对照组提高了58.35%。     

以10种农业废弃物为基料的地下水反硝化碳源属性的实验研究

为了选择理想的农业废弃物作为优质碳源,同时作为生物膜载体应用于可渗透反应墙(PRB),通过反硝化作用去除地下水中的硝酸盐.选择小麦秸秆、玉米秸秆、稻秆、大豆秸秆、玉米棒、稻壳、甘蔗渣、杨树枝、木屑、芦苇共10种农业废弃物进行元素分析实验、浸溶实验和长效浸出实验研究.元素分析实验结果显示,10种农业废弃物的C、N、H元素含量分别为38%~48%、5%~7%、0.5%~2.5%.短效浸出实验表明,甘蔗浸出液的总有机碳(TOC)浓度最高,均值可达38.66 mg·g~(-1),大豆秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、稻壳、杨树枝和小麦秸秆为8.04~15.30 mg·g~(-1),其他均值约为2.36~6.33 mg·g~(-1).但是,大部分农业废弃物均释放一定量的含氮物质.其中,硝酸盐及亚硝酸盐释放量均低于0.05 mg·g~(-1),氨氮释放量低于0.30 mg·g~(-1),凯氏氮除木屑、玉米棒、杨树枝释放量较低,其余均高于0.80 mg·g~(-1),最高可达1.65 mg·g~(-1).同时,秸秆类材料浸出液具有一定的色度,其中稻杆的色度最高,其值为1025.选择浸出液TOC浓度较高的甘蔗渣、玉米秸秆、稻壳、小麦秸秆及凯氏氮浓度较低的玉米棒和木屑作为理想碳源材料,进行长效浸出实验.结果表明,6种材料的TOC能迅速达到高位平衡状态,且溶出速率稳定,浸出液的高效液相色谱(HPLC)和气-质谱联用仪(GC/MS)分析表明,其主要成分为有机酸、糖类、含氮有机物和酯类等物质.其中,有机酸主要为甲酸、乙酸、草酸、富马酸等小分子有机酸、糖类主要为纤维二糖、葡萄糖、果糖和木糖.脱氮效能实验表明,6种农业废弃物硝酸盐去除率均达到80%以上,脱氮速率均达到1.00~2.00 mg·cm~(-3)·d~(-1)(以N计).综上,这6种材料均可作为地下水硝酸盐污染原位修复的理想碳源填充材料.     

不同香蒲预处理方式对水平潜流人工湿地脱氮的强化效果

针对水平潜流湿地脱氮过程中后端碳源不足导致反硝化脱氮效果不佳的问题,对湿地植物香蒲采用简单处理、酸热处理和碱热处理这3种预处理,探讨香蒲在不同预处理条件下静态释放规律和反硝化特性,基于碳源稳定释放特性及反硝化特性优选碱热处理香蒲作为人工湿地实验系统补给碳源,研究其对水平潜流人工湿地脱氮的强化效果.结果表明,香蒲不同预处理方式导致乙酸释放存在差异,造成碳源静态释放量存在明显差异,3种香蒲处理方式的平均COD释放量为碱热处理(89. 57 mg·L-1)酸热处理(67. 27 mg·L-1)简单处理(54. 45 mg·L-1).碱热处理香蒲硝氮去除率为75. 2%,明显高于酸热处理(67. 2%)和简单处理(23. 5%).水平潜流人工湿地中段投加碱热处理香蒲,能明显提高湿地脱氮效果,TN平均去除率对比空白对照湿地提高30. 3%,同时系统出水COD浓度不会显著提高,还能有效提高系统对污水中磷的去除效果,除磷效果相比空白组提高33. 9%.     

两种释碳材料的制备及其性能研究

应用固定化技术制备了包埋淀粉的聚乙烯醇(PVA)释碳材料和海藻酸钠(SA)释碳材料,采用红外光谱和扫描电镜对其物化特性进行分析,研究了二者的释碳性能以及作为碳源对硝态氮的去除效果.结果表明,PVA释碳材料中淀粉混合较好,释碳过程满足二级动力学方程,单位质量材料释放的饱和COD达到99.60mg/(g·L).在温度为18~22℃,pH7.2~8.0,硝态氮浓度为35mg/L的条件下,PVA释碳材料的平均反硝化速率为18.5g/(m3·d),SA释碳材料的平均反硝化速率为15.5g/(m3·d),在稳定运行15d后,出水硝态氮浓度逐渐升高,脱氮效果开始下降.     

污泥预处理对微生物絮凝剂制备及性能的影响

试验研究了不同污泥预处理方法对微生物絮凝剂的制备及其絮凝性能的影响.结果表明,污泥经碱热预处理后释放的有机物质量最大,SCOD/TCOD可达到0.56.以碱热预处理污泥作为基质制备的微生物絮凝剂,其产量为2.3 g·L-1,高于热预处理的1.6 g·L-1,酸热预处理的0.6 g·L-1,以及未接种污泥絮凝剂的18 mg·L-1.采用响应面分析法对碱热预处理污泥制备的微生物絮凝剂与PAM复配改善污泥脱水的过程进行了优化,实验分别拟合了关于污泥比阻(SRF)和干污泥量(DS)的二次模型,决定系数(R2)分别为0.9057和0.9171,表明拟合情况良好.实验中最佳的污泥脱水条件为微生物絮凝剂投加量12.6 g·kg-1,PAM投加量1.0 g·kg-1,Ca Cl2投加量59.7 mg·L-1,p H值6.7,搅拌速度185r·min-1.在此条件下,DS和SRF分别为29.1%和2.2×1012m·kg-1,表明碱热预处理污泥制备的微生物絮凝剂与PAM的联合使用有助于改善污泥脱水性能.     

基于微波预处理的酶强化污泥水解酸化研究

微波预处理能显著提高污泥上清液中溶解性有机物含量,进而可作为内碳源补充强化生物脱氮,但释放的大量溶解性有机物却存在碳源可利用性偏低问题.因此,为了提高上述碳源的可利用性,本研究通过批量试验,考察了添加中性蛋白酶和中温α-淀粉酶对微波预处理污泥水解酸化的强化效果,同时研究了水解酸化过程中污泥上清液中有机物的变化特征.结果表明,经过微波-过氧化氢-碱预处理的污泥进行水解酸化能产生较多的挥发性脂肪酸(VFA),碳源可利用性提高,但由于在水解酸化最初的2 d内存在产酸滞后期,导致水解酸化时间被延长.加入中性蛋白酶和中温α-淀粉酶不仅促进了预处理后污泥的水解酸化,而且解除了微波-过氧化氢-碱预处理导致的产酸滞后现象.在55℃、I/S(接种比)=0.07条件下,酶的最佳投加量分别为30 mg·g~(-1)(蛋白酶/总固体浓度TS)和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS),最佳水解时间为0.5 d,最佳酸化时间为4 d.水解酸化过程中溶解性COD(SCOD)、溶解性蛋白质、溶解性糖类和VFA浓度均呈现先增加后降低的变化规律.水解0.5 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD、溶解性蛋白质、溶解性糖类浓度均达到最大值.水解酸化4 d时,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的总VFA浓度分别为3373.39 mg·L~(-1)(以COD计,下同)和3226.79 mg·L~(-1),比预处理组分别提高了82.37%、74.45%.30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的VFA主要组分均为乙酸、正丁酸和异戊酸,其中,乙酸占总VFA的比例分别为46.53%、45.94%,污泥上清液中的COD/总氮(TN)比分别为13.26、14.41.在碳源组成方面,在水解酸化0.5~4.0 d之内,30 mg·g~(-1)(蛋白酶/TS)组和90 mg·g~(-1)(淀粉酶/TS)组的SCOD浓度基本不变,但随着水解酸化时间的延长,溶解性蛋白质占SCOD的比例均在下降,总VFA占SCOD的比例均在提高,实现了在不改变碳源总量的条件下增加易生物降解有机物比例的目的.     

硝态氮及碳源浓度对A-AAO工艺厌氧释磷影响的研究

为进一步提高A-AAO工艺的厌氧释磷效率,本文以稳定运行A-AAO工艺的污泥为研究对象,考察碳源浓度和污泥回流液硝态氮浓度对厌氧释磷速率的影响。研究结果表明:污泥回流液硝氮浓度越高,厌氧释磷速率越缓慢,且最大释磷量也较低,硝氮浓度从0 mg/L增加到20 mg/L时,释磷速率从0.150 mg TP/(gMLVSS·min)降低到0.103 mgTP/(gMLVSS·min),最大释磷量也从23.95 mg/L减少到15.97 mg/L。碳源浓度显著影响了厌氧区最大释磷量,进水碳源浓度(以乙酸钠投加计算)分别为100,200和300 mg/L,最大释磷总量分别为10.59 mg/L,19.62 mg/L及25.48 mg/L。     

采用活性污泥富集与回收废水中碳源的实验研究

以活性污泥为吸附剂,研究了城市污水中的有机物的强化富集与有效回收的方法与参数.在连续运行模式下,活性污泥对废水中的有机物具有较好的富集效果,COD平均吸附率达到63%,且约50%的溶解性碳源分布在细胞外部,在温和条件下就能被解吸;对氮、磷的吸附效果差异较大,磷的吸附量可达76%,对氮的吸附量较小,氨氮吸附率仅13%.同时,实验还研究了常规 (pH=7.5, 20℃)、加热（pH=7.5, 60℃）和碱性加热（pH=11, 60℃）条件下,污泥水解对有机物、氮和磷的释放情况.结果表明,碱性加热条件更有利于碳源的释放,水解24 h后,挥发性悬浮固体（VSS）对COD的释放率达到了320 mg/g;但氮、磷的释放量有限,释放率（水解8 h,稳定）分别为18 mg/g和2 mg/g.利用活性污泥对污染物的吸附与解吸作用,能够实现废水中碳源的回收,且回收碳源中氮、磷浓度低,对回收碳源的再利用效果影响较小.     

碱处理玉米秸秆与超声预处理污泥混合厌氧消化效果研究

以碱处理玉米秸秆和超声预处理污泥为发酵原料,在恒温35±1℃及底物浓度为15 gVS/L的条件下,采用正常运行的大型沼气池沼液作为接种物,研究不同配比(VS污泥:VS秸秆分别为1:0、2:1、1:1、1:2、1:4)对混合厌氧消化效果的影响.研究表明,VS污泥:VS秸秆的比例为1:2时累积产气量最高,VS产气率达到了472.33 mL·g-1,甲烷产量在发酵稳定后达到了60.52%.进一步研究得出,将超声预处理污泥与碱处理玉米秸秆按一定比例混合发酵可以将产气高峰提前.     

酸碱预处理对常压微波辐射剩余活性污泥磷释放的影响

考察了污泥酸、碱预处理在常压微波处理过程中对碳、氮、磷释放的影响.结果表明,NaOH预处理将污泥磷释放率从28.8%提高到59.1%,但同时引起了碳、氮的大量释放.同碱预处理相比,硫酸预处理能够将常压微波辐射作用下污泥磷的释放率提高3倍,达到84.5%,并可达到选择性释放碳、氮、磷的效果（氮和COD释放少,而磷释放显著）,有利于后续的磷回收.优化试验表明,pH为2.1～2.2是常压微波辐射作用下污泥磷释放的最佳硫酸预处理条件.     

蚀刻液废水厌氧氨氧化脱氮性能研究

采用上流式生物膜反应器接种厌氧氨氧化污泥,研究了印制电路板行业蚀刻液废水厌氧氨氧化脱氮可行性.结果表明,蚀刻液废水作为NH4+-N源时,其所携带的物质对厌氧氨氧化污泥活性具有毒性作用.当蚀刻液废水稀释到NH4+-N浓度150mg/L进入反应器14d后,厌氧氨氧化氮去除速率从3.2kg/(m3·d)下降到1.2kg/(m3·d).但是通过驯化培养可以很好地缓解蚀刻液对厌氧氨氧化污泥的毒性影响.经过110d的驯化,蚀刻液废水稀释到NH4+-N浓度300mg/L进入反应器后并未出现明显的抑制现象.厌氧氨氧化氮去除速率从1.6kg/(m3·d)上升到6.0kg/(m3·d).说明通过驯化培养后,厌氧氨氧化工艺能够很好的运用到PCB行业高NH4+-N废水的处理.     

高效硝化细菌的筛选及特性研究

利用选择性培养基从SBR活性污泥中分离出一株硝化细菌N4,采用比色法和离子色谱法检测该菌株培养液里残余NO2-含量,可知该菌株的硝化速率达到(52.0±3.5)mg/(L·d).通过形态、生理生化和16S rDNA分析表明,该菌属于固氮弧菌属(Azoarcus).在15℃下对N4进行耐低温驯化表明,在10%接种量条件下,该菌能在8d内稳定地实现NO2-→NO3-全部转化,硝化速率达到120.7mg/(L·d)以上.对驯化菌株N4-L在15℃下的硝化特性进行研究表明,在pH值为8.0、葡萄糖浓度为2g/L、NaNO2浓度为1g/L时其硝化能力最强.提取N4-L总DNA及冬季活性污泥絮体的总DNA,扩增16S rDNA的V3可变区,进行DGGE分析说明,N4-L不是污泥絮体中的优势菌.研究表明,采取有关措施使N4-L菌株成为絮体优势菌可能是提高SBR脱氮运行效率的有效途径.     

混合污泥接种的厌氧氨氧化处理污泥脱水液的启动

采用UASB反应器,接种由好氧颗粒污泥、厌氧颗粒污泥、氧化沟活性污泥及短程硝化活性污泥组成的混合污泥,以污泥脱水液经短程硝化处理后水质为进水,在温度(30±0.2)℃, pH值7.3~7.9,初期进水氨氮、亚硝氮容积负荷分别为0.07, 0.10kg/(m3×d)条件下,经过24d运行,氨氮和亚硝氮得到稳定同步去除,186d时TN去除负荷达0.99 kg/(m3×d).启动初期,氨氮、亚硝氮进水浓度分别为20,30mg/L,二者浓度随去除量增加而逐级增加,最高分别达到157,216mg/L;启动过程中,系统受到O2抑制以及O2和亚硝氮基质的连续抑制,分别经过了约10d和30d才得以恢复. 厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应与反硝化反应可以共存于系统中,产气量与总氮去除呈正比关系,可及时地指示系统运行状态,对气体成分检测,氮气含量在99.8%.在稳定期ANAMMOX反应呈pH值升高而碱度略有降低.接种混合污泥、低基质负荷启动ANAMMOX,可30d内实现稳定的氨氮和亚硝氮同步去除,180d左右启动成功.     

基于全流程分析的低碳氮比进水污水处理厂运行调控

为使某污水处理厂出水达标排放,对该厂进行了全流程测试,分析其主要污染物沿工艺流程分布特征以及活性污泥特性,评估工艺运行现状,为该污水处理厂优化调控提供基础数据。研究发现,该厂进水ρ（BOD₅）/ρ（TN）仅为2.45,属于典型的低碳氮比进水。此外,通过活性污泥特性测试发现,反硝化潜力为9.0 mg/（g·h）,反硝化菌群相对丰度较高。进水碳源不足及外部碳源投加位点设置不合理是该厂无法实现TN达标排放的主要原因。在采取改变碳源投加位点、减小好氧池末端曝气量、增加碳源投加量等措施后,出水ρ（TN）由32.0 mg/L降至12.7 mg/L,实现了TN的达标排放;此外,厌氧释磷潜力由1.3 mg/（g·h）提升至2.6 mg/（g·h）,生物除磷能力也有了较大提升。研究提供了一种解决污水处理厂出水水质超标问题的思路,可为含低碳氮比进水的城镇污水处理厂运行调控及稳定达标提供参考。     

玉米芯和稻草秸秆强化潜流人工湿地对低C/N污水的处理效果

人工湿地在处理低C/N污水时存在碳源缺乏而严重限制反硝化进行的问题.为了补充反硝化需要的碳源,选择了玉米芯和稻草秸秆作为外加碳源引入湿地系统,对比两种碳源对湿地脱氮的强化效果.结果表明,通过11 d的纯水浸提释放实验发现,碳素累积释放量：稻草秸秆［（145.17±9.44） mg·g^-1］>玉米芯［（57.41±5.04） mg·g^-1］;氮素累积释放量：稻草秸秆［（2.31±0.09） mg·g^-1］>玉米芯［（0.66±0.08） mg·g^-1］.在观测的时间内,玉米芯和稻草秸秆累积释放碳氮比平均值分别为94.78和63.64.相比于稻草秸秆,玉米芯更适合作为外加碳源.在为期58 d的潜流人工湿地实验中,发现除了第8~12 d,添加玉米芯和稻草秸秆人工湿地出水中ρ（COD）超过50 mg·L^-1外,其它时间都低于50 mg·L^-1.在观测期间,添加玉米芯人工湿地的NO₃^--N去除率为93%~99%,具有良好的反硝化性能.而添加稻草秸秆人工湿地在运行后期NO₃^--N去除率最低只有76.8%,反硝化速率明显下降.对照组NO₃^--N去除率只有76.2%~77.7%,出现了明显碳源不足的现象.碳源不足还造成了NO₂^--N的蓄积.添加稻草秸秆和对照组人工湿地中NO₂^--N的出水质量浓度分别是玉米芯人工湿地的2.5~6倍和6~26倍.与添加稻草秸秆比,添加玉米芯可以使人工湿地中NO₂^--N出水质量浓度得到更显著地降低（P<0.05）.玉米芯、稻草秸秆和对照组人工湿地TN去除率分别为83.75%~93.49%、76.59%~78.85%和67.85%~72.56%,三者之间存在显著性差异（P<0.01）.最后,通过对玉米芯进行了稀碱加热预处理,使玉米芯的碳素累积释放量提高到（93.73±17.49） mg·g^-1,累积释放的碳氮比提高至175.8,进一步提高了玉米芯的释碳性能,表现为更合适的外加碳源.     

A2O缺氧池添加天然碳源玉米芯的脱氮特征

基于低碳源污水易硝化难反硝化的问题,构建了在A²O缺氧池添加天然碳源玉米芯的中试系统,采用物料衡算、反硝化速率测定和微生物群落分析等方法,研究了该系统的脱氮效能和反硝化体系特征.结果表明,TN去除率提升13%,出水从16.2降至10.0mg/L;同时不会造成出水氨氮和色度超标的风险.物料衡算表明,COD碳源的氧化消耗量和出水排放量降低,更多的碳源用于反硝化和污泥增殖,从而提升了氮素的去除量,其中反硝化的提升贡献更大.缺氧池形成了悬浮污泥加生物膜的复合型脱氮体系:在污水自身碳源存在时,生物膜和悬浮污泥的反硝化速率分别为24.89和32.42mg/(L∙h),可实现快速脱氮;当自身碳源消耗殆尽,二者的反硝化速率分别是4.71和1.73mg/(L×h),单位生物量反硝化速率分别是1.58和59.1mg NO₃^--N/(g VSS×h),表明玉米芯主要被生物膜利用以维持反硝化进行.该体系的主要反硝化菌属为Azospira,此外在生物膜表面还富集了能够附着生长的Iamia和Haliangium,以及能够降解玉米芯木质素的Sulfuritalea等反硝化菌属.     

响应面法优化解体好氧颗粒污泥的修复方式

通过小试实验,探究提高氨氮、COD浓度、水力剪切力以及投加活性污泥和活性炭粉末对解体好氧颗粒污泥的修复效果,得出进水COD浓度以及投加活性污泥和活性炭对颗粒修复影响较大但单一修复方式效果不理想,进而针对这3个因素,采用响应面法得出其最优耦合修复工况（进水COD、投加活性炭和活性污泥质量浓度分别340mg/L、4.64g/L和2900mg/L）.经过17d运行,解体AGS得到良好修复并通过扫描电镜（SEM）对其形态进行观察,可知修复后AGS表面以丝状菌为主,孔隙、裂痕大幅减少,污泥以活性炭为晶核形成新的AGS并且颗粒修复后粒径由（0.89±0.5） mm快速增加到了（2.19±0.4） mm,氨氧化速率（以LVSS记）由2.49mg/（g·h）提高到3.18mg/（g·h）,由此验证了这种耦合修复方式对解体AGS具有高效且快速的修复作用.