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控制水体富营养化的一项重要举措就是将富含氮磷的污染废水进行处理。国内外多数污水处理厂采用传统的活性污泥法技术,然而,生活污水多数属于低碳氮比污水,进一步提高传统工艺的脱氮除磷效率成为了多数污水处理过程中的瓶颈。同时,随着有机物去除效率的逐渐提高,剩余污泥产量也在大幅度增长,剩余污泥的处理与处置则成为现有污水处理厂亟待解决的另一个重点问题。因此,必须寻找既能够提高污水脱氮除磷效率又能够同时实现剩余污泥减量的处理方法。
剩余污泥或初沉污泥水解酸化过程中会有大量的挥发性有机酸碳源产生,并且有部分污泥实现减量。本文分别采用批示试验和中试试验对污泥进行厌氧水解酸化处理,然后将污泥水解酸化过程中所产生的有机碳源收集并用作生物营养物去除(BNR)系统脱氮除磷的补充碳源。同时,在本文的研究中还考虑了污泥减量作用。
影响污泥水解酸化的因素有很多,本文以批示试验进行了研究。研究结果表明,温度、pH值、污泥种类和来源以及污泥浓度对污泥水解酸化过程都有明显影响。温度由18℃升高至35℃时,溶解性有机物产率增加近50％,并且随温度的升高多糖所占比例逐渐增大。强酸性(pH＜5.0)或者强碱性(pH＞10.0)条件时,均有大量的SCOD和VFA积累,当pH分别为4.0、7.0和11.0时相应的水解产率可达22.0％,8.0％和24.6％,酸化产率为13.1％,13.6％和27.6％；这表明碱性条件(尤其是pH为11.0时)可以同时强化水解产率和酸化产率。初沉污泥无论在何种pH条件下发酵,通常可以获得更高的水解产率和酸化产率,并且释放的NH4+-N和PO43--P比较少。碱性pH对初沉污泥发酵的水解阶段影响比较大,而对剩余污泥的酸化阶段影响比较大。中性pH水解酸化时,初沉污泥和剩余污泥减量率分别为41.3％和28.6％,当在碱性pH水解酸化时,两者的减量率分别提高到了54.5％和39.6％。对来自不同工艺的污泥进行水解酸化,A/O工艺污泥SCOD溶出率最大,平均值为41.1mg/gVSS；其次为SBR、氧化沟(OD)和A2/O工艺污泥。污泥浓度的增大,有助于SCOD和VFA产量的增加。
实际生活污水多属于低C/N水质,往往因反硝化菌和聚磷菌对碳源的竞争而使脱氮除磷不能同时满足,而污泥水解酸化产物作为补充碳源被越来越多的关注。将批式试验结果用于UHAC-A/A/O工艺,考察了剩余污泥水解酸化产物作为脱氮除磷碳源的可行性。以污泥酸化液和生活污水同时作为反硝化电子供体时,最大反硝化速率分别为0.75mg/min和0.66mg/min。污泥酸化液做补充碳源用于A/A/O系统时,系统负荷增大,NH4+-N、TN及PO43--p去除率分别为92％、77％和89.4％。其中TN和PO43--P去除率比以投加甲醇碳源时提高了5.2％和4.8％。投加乙酸钠、甲醇和水解酸化液碳源时A/A/O系统好氧区吸磷速率分别为1.2mgPO43--P·g-1MLSS·h-1、0.7mgPO43--P·g-1MLSS·h-1和0.9mgPO43-p·g-1MLSS·h-1。实验结果证明污泥酸化液适于用作A/A/O系统的补充碳源。
为了进一步实现营养物深度处理并减少剩余污泥的排放量,提出了两级碱性发酵处理与A2O反应器相结合的连续流中试处理装置。在该连续流处理装置中考察了剩余污泥减量化及资源化的可行性。实验结果表明碱性条件下VFA产量要高于酸性条件。通过两步碱性发酵处理,实现了VFA的大量积累,并且VFA经过上向流反应柱被生活污水携带出来用做生活污水脱氮除磷的补充碳源。经两级碱性水解酸化处理后,38.2％的污泥被水解,19.7％的污泥被彻底酸化为VFA。最终剩余污泥减量率达到了42.1％。污泥两级碱性水解酸化后所获得的上清液富含乙酸和丙酸,将该污泥发酵液用作A2O反应器的补充碳源后,生活污水脱氮除磷效率分别提高到了80.1％和90.0％。在该连续流系统中同时实现了污泥减量和营养物深度处理。
剩余污泥水解酸化产生大量多糖、蛋白质和VFA的同时会有较高浓度的NH4+-N和PO43--P溶出,针对此问题考察了pH值和元素摩尔比对以沉淀法同时去除NH4+-N和PO43--P的影响。结果表明,最佳pH为9.0,pH值升高到10.0时NH4+-N去除率略有下降,在特定摩尔比范围内摩尔比对沉淀形成的影响大于pH值的影响；用于剩余污泥酸化液脱氮除磷的最适宜镁、磷、氮摩尔比为1.2:0.8:1,此时NH4+-N和PO43--P去除率达到50％和93％以上,VFA损失率＜8％。
本文通过以硝酸盐作为电子受体,考察了污泥水解酸化产生的VFA的生物利用特性。当以初沉污泥水解酸化液作为碳源时,比反硝化速率可达24.3mgNOx-N/gVSS·h-1。反硝化细菌对VFA中的六种组分(C2-C5)的利用并没有表现出优先选择的趋势,但是对六种有机酸的利用率不同,顺序分别为乙酸＞污泥发酵液＞丙酸＞戊酸＞异戊酸＞丁酸＞异丁酸＞多糖＞蛋白质。