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2019/11/28污泥厌氧消化开发内碳源汇报2019/11/28第一章背景1.1污水处理厂碳源不足问题进水碳源匮乏是我国污水厂普遍面临的棘手问题，尤其是进水中可快速降解有机物(rbCOD)或短链脂肪酸(SCVFAs)不足，往往导致生物系统脱氮除磷效率低下和出水水质不稳定。我国城镇污水BOD5/TN总体偏低问题将长期存在：1、70%城镇污水BOD5/TN低于4，56%BOD5/TN3；2、59%城镇污水SS/BOD5大于1.2，43%城镇污水SS/BOD5甚至超过1.5（使污泥活性偏低）。2019/11/28为了获得可靠的生物脱氮效果，进水COD/TKN至少要达到7-8以上，而我国很多污水厂COD/TKN却在3-5之间;对于EBPR，进水COD/TP≥40，可快速降解有机物(rbCOD)与TP比值至少在18-20以上，或VFA/TP≥4-7，厌氧区挥发性脂肪酸VFA浓度至少要达到25mg/L，才有可能获得比较满意的除磷效果，而我国很多污水厂实际进水VFA却不足10mg/L，尤其是南方城市，如果仅仅依赖进水中极为有限的VFA含量和厌氧池内1-2h的短时间发酵，往往无法满足脱氮除磷对rbCOD和VFA的要求，因此补充rbCOD、VFA往往是实现EBPR、改善出水水质的必然选择。参考文献：刘智晓,季民,郝赟，孟轶.利用活性污泥水解发酵补充碳源优化脱氮除磷.2019/11/28碳源不足的原因：1、我国污水收集系统普遍设置化粪池，造成COD损耗超过40%，改造难度大；2、城市地下管网建设滞后，普遍采用合流制，雨水携带大量DO和泥沙进入管道，雨污分流还需相当长时间；3、城市老城区管网老旧，破损严重，渗漏水带入大量DO，管网越长，COD损耗越大，这是南方城市BOD5偏低的一个主要原因。2019/11/281.2剩余污泥的处理、处置问题截止2010年底，我国年污泥总产生量（以含水率80%计）已达到3000万吨左右，并以每年约10%的速度增长。然而我国污水厂存在较为严重的“重水轻泥”现象，约80%的脱水污泥未经稳定化处理直接填埋或焚烧，易造成环境的二次污染，使污水处理设施的环境效益大打折扣。参考文献：余杰，郑国砥，高定，等.城市污泥生物好氧发酵对有机污染物的降解及其影响因素[J].生态学报，2012，32（7）：2271-2278.2019/11/28污泥处理处置的难题①污泥产量大，资源化利用率低，运输和处理处置成本高；②城市污水厂污泥通常含有重金属，有毒难降解物质等，所以作为农肥等资源化应用受限；③污泥填埋导致渗滤液产量增大，且有渗漏风险；④污泥焚烧投资成本过高。2019/11/28污泥常规处理方法参考文献：王雅婷.城市污水厂污泥的处理处置与综合利用[J].环境科学与管理,2011,36(1):90-94.2019/11/28污泥开发碳源的优点污泥厌氧消化不仅可以产生短链脂肪酸补充污水脱氮除磷工艺中碳源的不足，降低运行费用。还可以实现污泥的减量化和资源化。污泥厌氧消化产生的短链脂肪酸脱氮除磷效果甚至可以优于外加碳源。有研究表明污泥的酸化水解产物的脱氮速率分别是城市污水脱氮速率的3倍，是投加甲醇脱氮速率的1.33倍。参考文献：厌氧消化污泥水解补充碳源研究-复旦大学2019/11/28应用前景近些年，基于初沉污泥或活性污泥的污泥水解技术逐渐成为研究热点，与投加外部商业碳源相比，充分发掘污水厂潜在的“内碳源”补充进水rbCOD，无疑是绿色、可持续的发展方向。其次它也是资源化利用剩余污泥的一个好方法，所以它具有广阔的应用前景。参考文献：刘智晓，季民，郝赟，孟轶.利用活性污泥水解发酵补充碳源优化脱氮除磷.2019/11/28国内外应用情况活性污泥水解技术逐步得到开发和应用，但生产规模的工艺案例相对较少，北欧一些国家如丹麦、瑞典近些年成功发展了侧流活性污泥水解工艺，并得到成功应用，而我国在这方面的实践相对滞后，活性污泥水解多限于实验室研究阶段，工程规模的污泥水解案例尚未见报道。2019/11/28第二章污泥厌氧消化开发内碳源72%的甲烷由乙酸脱羧生成。2019/11/28参考文献：LiangZhang，ShujunZhang,ShuyingWang.Enhancedbiologicalnutrientremovalinasimultaneousfermentation,denitrificationandphosphateremovalreactorusingprimarysludgeasinternalcarbonsource2019/11/28利用剩余污泥水解酸化产VFA主要是将污泥厌氧消化控制在水解和酸化2个阶段，实际过程中水解和酸化是一起进行的。2019/11/28厌氧发酵的污泥选择(1)初沉污泥初沉污泥含有较高浓度的易降解有机物(如原水中含有的蛋白质、脂肪、碳水化合物等)，这部分有机物易于在较短的SRT内发生水解发酵，并产生高浓度的VFAs。目前全世界都有利用初沉池污泥发酵产生VFA的产业化应用，但得到的VFA的量不足以满足脱氮除磷的需求。参考文献：剩余污泥厌氧水解酸化产VFA的研究；纪海涛，张红亚，安徽建筑工业学院环境与能源工程学院，合肥230022污泥作为污水厂内碳源的水解特性及工艺选择；刘智晓，SilleBendixLarsen，GertPetersen，马宝玲2019/11/28(2)二沉池剩余污泥主要成分则是以难降解的微生物菌体为骨架并吸附了一部分待降解的污染物，其细胞的溶壁过程尤其是吸附的颗粒态的复杂污染物的水解发酵过程，需要复杂的酶系统和较长的SRT。与初沉污泥相比，它的产量大，可以开发出更多内碳源，但目前国内仅限于实验阶段。参考文献：李杨,段小睿等.pH对剩余污泥厌氧酸化的影响.2019/11/28(3)初沉污泥+剩余污泥初沉污泥能部分弥补剩余污泥中碳水化合物的缺乏。(4)剩余污泥+农作物秸秆农作物秸秆可提供碳水化合物，提高短链脂肪酸的产量并缩短反应时间。AijuanZhou等对WAS和CS厌氧共消化研究表明，进料剩余污泥和玉米秸秆的合适比例是65%：35%。参考文献：Volatilefattyacidsproductivitybyanaerobicco-digestingwasteactivatedsludgeandcornstraw:Effectoffeedstockproportion2019/11/28污泥厌氧消化过程中产生重要的中间代谢产物挥发性脂肪酸。这些脂肪酸包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸等。其附加值不仅要高于生物氢，而且远大于甲烷。乙酸、丙酸、异丁酸和丁酸等这些脂肪酸用途广泛，具有较高价值.参考文献：Volatilefattyacidsproductivitybyanaerobicco-digestingwasteactivatedsludgeandcornstraw:Effectoffeedstockproportion2019/11/282.1初沉污泥发酵产酸工艺研究结果表明，初沉污泥中大概有18％～30％的VSS可以转化为SCOD，这部分SCOD中85％的成分为VFAs。实践表明，运行良好的初沉污泥发酵系统，可为进水补充10-20mg/L的VFAs。初沉污泥进行水解发酵产生VFAs的方式有在线水解(in-line)工艺，侧流水解(side-streamhydrolysis)工艺。参考文献：刘智晓,SilleBendixLarsen,GertPetersen.马宝玲.污泥作为污水厂内碳源的水解特性及工艺选择.2019/11/282.1.1在线水解工艺该工艺设备配置简洁，投资低，易于改造。但此种方式主要依赖于初沉池底部污泥层的水解发酵，因此污泥水解产物的产率较低。设计参数：SRT为2-4d;VFAs产率为0.1～0.2gVFA/gVSS;污泥层高度(SBH)1.5～2.0m。2019/11/282.1.2侧流水解工艺(1)完全混合发酵工艺(CMF)与APC工艺相比，CMF更有利于充分利用污水中颗粒性有机物的水解。CMF设计参数：浓缩发酵池的进泥流量为设计进水量的0.5％～1％，进泥浓度为2％～4％，SRT为3-6d，VFAs产率为0.1-0.2gVFAs/gVSS，搅拌器功率密度为5-10W/m3。2019/11/28主要优点是发酵液直接进入后续厌氧池，发酵液利用率高于APC方式，缺点在于SRT难以直接控制。(2)静态发酵工艺该工艺的设计固体负荷为25-40kg/(m2·d)，VFAs产率为0.1-0.2gVFAs/gVSS，SRT为3-6d，SRT的选择主要受水温影响。2019/11/28优点：两段式发酵水解工艺与静态发酵、完全混合发酵工艺相比，可以产生更多的VFAs；同时，TSF方式结合了静态发酵工艺和完全混合发酵工艺的优点，可实现HRT、SRT的独立控制；另外，浓缩池的上清液可以直接进入生物池厌氧区，充分利用VFAs。缺点：TSF工艺由于需要建设单独的发酵池和浓缩池，因而投资费用较高(3)两段式污泥发酵池(TSF)于1992年在KalispellMontana污水厂成功运行，两年多的运行周期表明，通过发酵池可以为污水厂进水补充58mg/L的VFAs，满足生物除磷对VFAs的需求。2019/11/28主要设计参数：初沉污泥进泥流量为设计处理水量的2％～4％，低于其他几种水解方式。完全混和/浓缩发酵工艺设计SRT为4-8d，完全混合池内固体浓度为1.5％-2％，浓缩池固体负荷为100-150kg/(m2·d)，水深为3.5-4m，由浓缩池回流到混合发酵池的回流比为发酵系统污泥进泥流量的50％，VFAs产率为0.1-0.2gVFAs/gVSS，混合发酵池搅拌器功率密度为5～10W/m³。2019/11/28应用实例①瑞典Klagshamn污水厂利用初沉污泥水解补充反硝化碳源，通过初沉污泥水解能替代和节省55％的外加碳源。②加拿大Bonnybrook污水厂利用初沉污泥发酵强化营养盐去除，2005年-2006年实施初沉污泥发酵系统改造后，全厂基本省却了化学除磷药剂的投加，大大降低了运行费用。2019/11/282.2利用剩余污泥开发内碳源目前一些研究者对利用活性污泥水解产酸的可行性及效率产生了质疑。一种观点认为，由于活性污泥主要为微生物菌体及细胞，因此水解过程极其缓慢，效率较低，因此该方式不可取。虽然单位质量初沉污泥水解可产生更高浓度的VFAs，但是对于一般污水厂而言，初沉污泥产量却远低于活性污泥。Thomas等认为，多数污水厂只依赖初沉污泥发酵产酸数量往往不能满足脱氮除磷对VFAs的需求。参考文献：刘智晓,SilleBendixLarsen,GertPetersen.马宝玲.污泥作为污水厂内碳源的水解特性及工艺选择.2019/11/282.2.1提高剩余污泥产酸效率的预处理方法在污泥厌氧消化过程中，水解阶段被认为是其限速步骤，所以提高污泥的水解速率就可以提高污泥发酵产酸的效率。此外，剩余污泥中有机物的含量高，但主要存于微生物体内及其胞外聚合物中，水解酸化菌难以直接利用。采用物理化学等预处理方法先破坏污泥和微生物的结构，将有机物释放出来，再进行水解酸化，可有效提高VFA的产量。目前研究与应用较多的提高污泥水解速率的物理法、化学法与生物法等。参考文献：污水厂污泥厌氧消化产短链脂肪酸研究进展2019/11/28物理方法物理方式包括超声波、微波、机械研磨、热处理等。超声波被认为是最有效的破解细胞方法，并且已达到工程应用程度，在高能量下，细胞可以100％被破解，因而是最常用的污泥预处理方式之一，可显著增加细胞的溶解，可使VFA的产量增加1倍。参考文献：剩余污泥厌氧水解酸化产VFA的研究；纪海涛，张红亚，安徽建筑工业学院环境与能源工程学院，合肥2300222019/11/28热处理在热水解过程中，污泥中的固体有机物不断溶解、液化，同时溶解的有机物不断水解：脂肪水解成甘油和脂肪酸；碳水化合物水解成小分子的多糖甚至单糖；蛋白质水解成多肽、二肽、氨基酸，氨基酸进一步水解成低分子有机酸、氨及二氧化碳热