【摘要】：城市污水廠剩余污泥產(chǎn)量大、處理費用高,帶來嚴峻的環(huán)境問題。在污水處理的過程中降低污泥產(chǎn)量具有重要的經(jīng)濟和環(huán)境意義。溶胞技術(shù)應用于污水處理工藝是實現(xiàn)污泥過程減量的主要方法之一,但關于該技術(shù)中重金屬的遷移變化及對系統(tǒng)的作用機制的相關研究較少,為其安全性應用造成隱患。論文采用超聲波污泥溶胞的手段,結(jié)合序批式生物反應器(Sequencing Batch Reactor,SBR),系統(tǒng)研究了污泥重金屬在溶胞過程中的污泥固-液兩相的再分配及形態(tài)分布規(guī)律,探討了該工藝運行過程中重金屬在系統(tǒng)中的累積機制,研究了重金屬對該處理工藝運行效果的影響。通過靜態(tài)實驗的方法研究了SBR工藝中活性污泥在超聲波溶胞過程中重金屬的變化特性,系統(tǒng)分析了污泥中8種典型重金屬(As、Zn、Ni、Cd、Cr、Cu、Pb和Hg)的污泥固-液兩相的再分配及形態(tài)分布規(guī)律,并研究了溶胞過程關鍵操作參數(shù)對其再分配及形態(tài)分布的影響。結(jié)果表明,超聲溶胞作用能有效破壞污泥絮體,釋放重金屬,提高了污泥中重金屬的穩(wěn)定性。超聲作用時間和聲強對重金屬在污泥固-液兩相中的分配產(chǎn)生影響。在超聲聲強為188 W/cm2的條件下,作用時間0-15 min,污泥絮體所含重金屬在液相中的溶出量與超聲波作用時間成正比。超聲作用15 min,污泥液相中重金屬的溶出存在的有效能量作用范圍為125-251 W/cm2。超聲污泥溶胞作用影響重金屬在污泥固相中的化學形態(tài)分布。當超聲聲強為188 W/cm2時,隨著超聲波作用時間的延長,污泥固相中重金屬的不穩(wěn)定化學形態(tài)比例降低,穩(wěn)定化學形態(tài)比例提高。As、Zn、Ni在污泥中不穩(wěn)定,易受到超聲溶胞作用的影響,溶出率較高,在污泥固相中的化學形態(tài)分布變化大。Cu、Pb、Hg等重金屬在污泥中較為穩(wěn)定,受超聲溶胞作用的影響較弱,液相中釋放的濃度不高,在污泥固相中的化學形態(tài)分布變化不顯著。利用響應曲面法研究了溶胞過程重金屬釋放規(guī)律,污泥中重金屬總量溶出規(guī)律可表達為CHM=-3069.09+107.49×t+27.46×I+0.10×t×I 2.11×t2 0.06×I2,與溶胞操作參數(shù)有關。以傳統(tǒng)SBR工藝為對照,在分析探討超聲溶胞污泥回流-SBR污水處理工藝中污泥減量與污水處理效能的基礎上,著重研究了重金屬在超聲溶胞污泥回流-SBR工藝污水處理過程的累積規(guī)律及形態(tài)變化。考察了系統(tǒng)中減量效果、出水水質(zhì)、污泥性能等變化情況,并與對照系統(tǒng)進行對比分析。結(jié)果表明,在連續(xù)運行的120 d內(nèi),污泥超聲污泥溶胞回流-SBR污水處理工藝中日平均污泥產(chǎn)量約為85±12 mg/L/d,較對照組降低50%左右;COD去除率達70%以上,氨氮平均出水濃度為16 mg/L,總磷濃度略有升高。與對照組相比,重金屬在減量系統(tǒng)中的累積較大,污泥活性略高。活性污泥對重金屬的吸附具有選擇性,重金屬在反應器中的去除率及累積由于自身特性而不同,相應地,其在污泥中的賦存形式具有差異。Cu與有機物親電性最強,去除率達98%以上,累積量也高;Pb與Cd存在競爭吸附,兩者在污泥中的累積呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象。重金屬在減量系統(tǒng)運行過程中的化學形態(tài)變化與污泥吸附重金屬的機制有關,經(jīng)過120 d的運行后,污泥中各重金屬的不穩(wěn)定態(tài)比例略有提高。污泥中的重金屬的潛在生態(tài)危害評價結(jié)果表明,除Cd外,重金屬的累積對環(huán)境的潛在生態(tài)風險程度在較低的范圍,需要對Cd進行適當處理。采用PCR-DGGE技術(shù)分析重金屬對超聲溶胞污泥回流-SBR污水處理工藝過程微生物的影響,與對照組相比,減量系統(tǒng)中微生物種類較豐富。超聲溶胞作用釋放大量有機物可供微生物利用,緩解重金屬對微生物造成的危害,Sphingobacterium,pirochaeta sp.和Uncultured Acinetobacter sp.為該技術(shù)在減量過程中的功能菌。采用數(shù)學關系式擬合的方法研究了重金屬對超聲溶胞污泥回流-SBR污水處理工藝運行效果的影響。構(gòu)建了基于莫諾方程的超聲溶胞污泥回流-SBR污水處理工藝有機物降解數(shù)學關系式,能較好的模擬該污水處理過程。計算結(jié)果表明,污泥中活性部分減少,不可降解的顆粒有機物增多。溶胞后的污泥作為基質(zhì)參與污泥微生物代謝,F/M增加到0.93 mg COD/mg biomass/d。通過計算擬合出來的污泥微生物最大比增長速率m'為3.27 d-1。出水COD濃度的模擬值與實驗值良好擬合,證實了數(shù)學關系式對超聲溶胞污泥回流-SBR污水處理工藝預測的實用性。預測重金屬濃度對有機物降解及污泥減量效果的影響,結(jié)果表明,進水重金屬濃度在0-12.5 mg/L的范圍內(nèi)不影響超聲溶胞污泥回流的SBR污水處理工藝的正常運行,COD去除率為62.5%-80%,污泥產(chǎn)率系數(shù)為0.26-0.41 mg MLSS/mg COD。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X703
【圖文】：

也被稱為“溶胞-隱性生長”[29, 39, 40]，該技術(shù)具有控制、設備設施要求低、減量效率高等優(yōu)點而受到重視[41]。于污泥微生物細胞壁的致密穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，細胞溶解是制約隱性生主要步驟。為加快污泥微生物細胞的溶解，通常采用以下幾化學法（氧化作用如 Fenton 氧化[42, 43]、臭氧[44]、氯氣[45]等作用）；（2）物理法（加熱[48]、機械破胞法如超聲波[49, 50]、壓法[53]）；（3）生物法[54, 55]。為提高細胞溶解效果，各方法也57]。溶胞-隱性生長污泥減量技術(shù)能夠使污泥在污水處理過0%[29, 39, 58]，從根本上、實質(zhì)上減少污泥產(chǎn)生量，是符合清潔持續(xù)發(fā)展的低污泥污水處理方法。

第 1 章 緒 論術(shù)的研究現(xiàn)狀物處理過程，實際就是污水中的有機污染物作為營養(yǎng)物與利用的過程。在這一過程中，污水中的有機物由于微無機物質(zhì)而得到降解，微生物獲取能量合成新的細胞針對活性污泥微生物生長增殖過程，提出溶胞-再生長模污泥微生物利用的自身溶解后的細胞作為底物進行新陳稱為“隱性增殖”[61]或“隱性生長”[62]。微生物胞外聚合物的聚合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及細胞壁的存在，要水解成可溶性的小分子有機物，才能在透膜酶的作用被微生物細胞內(nèi)的各種酶代謝，從而實現(xiàn)“隱性生長”；壁的存在，污泥中的有機物在水解成可溶性小分子有機壞污泥絮體及細胞壁結(jié)構(gòu)。然而，污泥微生物細胞自身0.06 d-1[4]，過程非常緩慢。

污水處理過程中不同處理單元對污水中的重金屬的遷移變化也有影響。池主要通過物理吸附去除大部分顆粒結(jié)合態(tài)的重金屬；生物處理單元和二由于活性污泥絮體的特殊結(jié)構(gòu)，能通過生物代謝過程及生物吸附去除水中分溶解態(tài)的重金屬。傳統(tǒng)活性污泥法中重金屬在各處理單元的行為如圖 1示。

本文編號：2789679