污水中有机碳资源回用技术研究
第 1 章 绪论
1.1 污水处理与资源化现状
污水蕴含着大量的水资源、营养物质和能源物质资源，是潜在的资源宝库，因此，污水处理厂不应该仅仅被视作污水处理的终端，而应该视为资源回收利用的起点。我国很早就将污水回用列为国家科技攻关计划，并相继在北京、西安等城市建成了污水回用示范工程[1]。根据国家“十二五”计划，全国规划再生水回用设施建设规模2.67×107m3/d，建成后城镇再生水设施总规模达到4×107m3/d，再生水回用规模达到污水总处理量的15%以上[2]。为了稳定地满足再生水回用标准，需要进一步提升污水处理厂出水水质。而污水深度处理的工艺相对复杂，处理设施造价高昂，在实际应用中存在能耗较高的问题不利于再生水回用的推广以及污水中蕴含的有机碳资源和营养物质的回收利用。如何在降低污水处理能耗的同时，对污水中蕴含的大量有机物进行回收利用是未来污水处理技术发展的方向之一。污水中的可回收资源主要包括水资源、碳氢资源和氮磷资源，其中，水是最大的有价资源。经深度处理后的污水可以作为再生水进行利用。污水中富含巨大的碳资源，城市污水中约含COD 0.5 kg/m3。此外，污水中含有大量的氮磷资源，城市污水中平均约含氮0.05kg/m3、磷0.005kg/m3，年流失量达2×105吨氮和2×104万吨磷[3]。
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1.2 基于有机碳回收的污水处理技术研究进展
污水中有巨大的有机碳资源。未经处理的城市污水中含有的能量是传统活性污泥法所需的 9 倍[12]，其中的有机碳可提供约每立方米 1.9k Wh 的能量，因此需要认真考虑市政污水处理方式的转变，不要将污水视为废物而是看做一种资源。去除水中残留的少量激素和药物需要更先进的技术，为了达到这种标准而额外增加的处理工序会使污水处理过程增加 0.12 kg CO2 /m3的温室气体排放（约增加 10%）[13]。另外，在大多数情况下，传统活性污泥法中对氮和磷的去除需要碳源，这也降低了碳源的回收潜力。气候的变化本身也会使生产饮用水的能源消耗变得更高。通常，城市污水使用活性污泥法处理。这种有氧生物过程不仅耗费相当大量的能量用于曝气，而且还使大部分有机碳被被内源呼吸消耗掉了，这导致能量回收潜力受到损失。综上，污水中含有大量的能源，传统活性污泥法无法实现对能源进行回收的同时提高污水处理效果、减少处理过程能耗。 污水中有机物转化为可利用的能量的方式一般是由消化产生的甲烷实现的。污水中的有机碳主要可以通过三种方式进行回收：第一，集中有机碳源并进行污泥消化；第二，源头分离直接厌氧消化；第三，热能。厌氧处理可是使系统回收更多的能量[10]。目前低温（<15℃）下直接厌氧消化已经取得不错的进展，但是直接厌氧处理的主要问题是污水中有机物浓度不够高而无法达到最佳消化效率，在中温条件下，大部分产生的甲烷（甚至有的高达 40％[14]）溶解在污水中。这种溶解的甲烷导致温室效应增加。化粪池、下水道等未经控制的厌氧处理系统会释放大量的 CH4[15]。因此，集中有机碳源并进行污泥消化是目前最具有可行性的回收污水中碳源的方式。 考虑污水中有机碳的回收潜力时，一方面应考虑如何在降低污水处理工艺能耗的同时最大化回收污水中的有机碳，另一方面应考虑如何最大化将有机碳资源转化为甲烷。建筑工程施工硕士毕业论文辅导老师微信
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第 2 章 试验设计与测定方法
2.1 试验设计
高效厌氧消化系统分为高效高温厌氧消化系统和高效中温厌氧消化系统。试验装置由三个全混式连续流厌氧反应器（CSTR）组成，分别为高效高温反应器（CSTRHi）、传统高温反应器（CSTRT）和传统中温反应器（CSTRM）。CSTRHi和 CSTRT反应器组成高效高温厌氧消化系统，CSTRHi和 CSTRM反应器组成高效中温厌氧消化系统。三个反应器采用同一材质：体外径 13.7ccm、口内径 3cm、高 26.4cm，材质为高硼硅丝口玻璃，有效体积 2L。长期运行试验装置如图 2.2所示。 反应器分两阶段运行，每阶段同时运行两套 SBR 反应器。试验每阶段运行的进水碳源不同。1#SBR 反应器的理论污泥龄为 1.1d，2#SBR 反应器的理论污泥龄为 2d。反应器 HRT=2h，周期 1h，每天运行 24 周期。2 套反应器运行均分为接触段、曝气段和沉淀出水段。接触段缺氧搅拌 10min，其中进水 5min；缺氧段后为曝气段，曝气采用微孔曝气器实现，以 10L/min 的效率曝气 30min；随后进行 15min 沉淀，5min 排水。每隔一个周期在曝气开始后 10min 自动排泥。1#SBR 和 2#SBR 反应器每日排泥总量分别为 5.4L 和 3L。每个周期在进水阶段采用蠕动泵泵入 3L 自配水，沉淀出水段排出 3L 上清液。温度为室温，整个试验阶段温度变化范围在 20℃-28℃之间。反应器进水、出水、曝气、排泥及搅拌均由计时器自动控制。
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2.2 试验材料
高效接触氧化反应器接种污泥为深圳市滨河污水处理厂二沉池回流污泥，最初反应器中接种活性污泥浓度为 2.0g/L 左右，沉降性较好。 高效厌氧消化反应器系统原料污泥取自深圳滨河污水处理厂二沉池，污泥取出后于 4℃条件下静置、浓缩 1-2 天，待用。预处理后的浓缩污泥主要指标：溶解性 COD（SCOD）为 807.34±210.10mg/L，总 COD（TCOD）为 19370.82 ± 3580.97mg/L，氨氮（NH4+-N）浓度为 93.60±35.20mg/L，正磷酸盐（PO43--P）浓度为 1.38±0.06mg/L，污泥总固体（TS）浓度为 24.75±1.99 g/L，挥发性悬浮固体（VS）浓度为 16.99±1.29g/L，VFAs 浓度为 504.69±119.94mg/L，p H 值为6.51±0.08。
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第 3 章 高效接触氧化反应器碳源转化研究 .......... 22
3.1 高效接触氧化反应器性能试验结果分析 ............. 22
3.2 高效接触氧化法回收碳源机理分析 ........... 26
3.3 各因素对碳源回收性能的影响 ......... 34
3.4 剩余污泥产甲烷试验结果分析 ......... 37
3.5 本章小结 ..... 38
第 4 章 高效厌氧消化系统回收污泥中有机碳的性能与机理研究 ... 39
4.1 系统性能分析 ....... 39
4.2 系统效能分析 ....... 47
4.3 高效厌氧消化反应器机理解析 ....... 53
4.4 本章小结 ..... 60
第 5 章 结论与建议 .......... 62
5.1 结论 ............. 62
5.2 建议 ............. 63
第 4 章 高效厌氧消化系统回收污泥中有机碳的性能与机理研究
4.1 系统性能分析
由于接种污泥原反应条件与试验有一定差异，三组反应器在启动后第 30 天才全部到达稳定状态。数据取自经过 29 天驯化后稳定状态下的平均值。图 4.1 为反应器长期驯化过程中进泥和出泥 VS 浓度随时间变化曲线。污泥中的有机物含量对于消化效果有显著的影响，VS 的去除率是表征有机物去除率的重要指标。原泥中的 VS 浓度平均值为 17.55g/L，先经过 CSTRHi反应器进行高效厌氧消化反应，VS 浓度降低到 12.39g/L，剩余有机物分别经过温度为 55℃和 35℃的反应器进一步降解，使反应器中的 VS 浓度分别降低到 10.25g/L 和10.96g/L。这个过程说明，在 CSTRHi反应器中，产酸菌和产甲烷菌协同作用，快速高效的消耗了部分有机物。而在 CSTRT和 CSTRM反应器中，在 CSTRHi反应器中未被分解的大分子有机物进一步降解，VS 浓度继续降低。高效高温系统整体 VS 去除率在 31.8%-49.7%之间，平均值可达 41.4%，高于高效中温系统的平均去除率 37.3%。有实验研究表明 HRT=20d 的传统中温单相厌氧消化系统的VS 去除率仅有 32.2%[76]，高温单相系统的 VS 平均去除率仅有 34%，远小于本试验两个反应系统。 图4.2表示反应器长期驯化过程中进泥及出泥的可生化性即VS/TS随时间变化的曲线。原泥的 VS/TS 百分比平均为 71.5%，有机物含量高，可生化性好。CSTRHi 反应器的比例平均为 58.7%，而 CSTRT的 VS/TS 平均值低于 CSTRM反应器，分别为 54.6%和 55.0%，说明长 HRT 下，中温条件有机物转化不如高温条件的完全。因此有机物去除方面高效高温系统较高效中温系统有一定优势。
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结论
基于更高效地将污水中碳源回收至剩余污泥中和更高效地将剩余污泥中的碳源转化为甲烷的目的，研究了高效接触氧化工艺和高效厌氧消化工艺及组合工艺对碳源回收的效率，考察反应器的稳定性，分析不同碳源条件和不同 SRT条件对高效接触氧化工艺回收污水中有机碳源效率的影响，探究高温、短 HRT条件对高效厌氧消化系统回收剩余污泥中的有机碳为甲烷效率的影响及其反应机理，得出如下结论：
（1）在 SRT=1.1d 和 SRT=2d 污泥龄条件下，高效接触氧化工艺处理单一碳源和混合碳源进水（COD>400mg/L）均能实现 80%以上的 COD、25%以上磷和 20%以上的氮的去除。污泥龄小于 2d 时，SRT 的长短对 COD、N 和 P 的除率的影响并不显著。相比混合碳源进水，单一碳源进水条件下系统对 SCOD 去除率较高。随着 SRT 的升高，进水碳源回收至污泥中的比例逐渐减少，氧化为CO2 的比例越来越高。为了减少碳源氧化为 CO2的比例，提高污泥 TSS 和剩余污泥回收量，应尽可能缩减 SRT，减少有机物被损耗量。同时，提高固液分离效果可以促进剩余污泥的回收。
（2）对于污水中溶解性 COD 的回收主要通过活性污泥对有机物的贮存作用进行，对于颗粒 COD 的去除主要通过活性污泥絮体的吸附作用进行。高效接触氧化工艺作为一种高负荷的接触氧化法处理污水具有高污泥产率和低底物氧化率的明显优势，并在很短的时间内实现对有机物的快速去除和回收。
（3）高效接触氧化工艺产生的剩余污泥量大，利用传统厌氧消化反应难以达到高效回收碳源产甲烷的目的。采用高效厌氧消化工艺组合对剩余污泥进行厌氧消化。SRT=4d，温度为 55℃条件下厌氧污泥的水解酸化活性和产甲烷活性明显提高。稳定条件下，高效高温组合系统的最大 VS 分解率可达 41.4%，较高效中温组合系统提升了 11%。CSTRHi、CSTRT和 CSTRM反应器甲烷日产量可分别达到 332.78m L、107.4 m L 和 91.66 m L。
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参考文献（略）