宿迁一体化sst城市污水处理设备安装指导th

　　伴随城镇化和工业化步伐的加快，我国污水处理产业得到了快速发展，污水处理能力和技术都在不断进步。污泥处理带来的问题逐渐显现出来，具体表现若污水处理厂未经妥善处理的污泥随意堆放，将会使污染物以污泥的形式向环境中转化，会造成地下水、地表水等水体的二次污染，污泥中所蕴含的能源也会造成浪费，对于其蕴含能源的回收，厌氧消化技术是一条非常重要的路径。

　　污泥对环境具有危害性，但由于其含有大量的有机物和营养元素，成为污泥资源化利用的重要保证。现有常规的厌氧消化技术很难有较高的沼气转化效率(一般在30%~45%)，主要是因为厌氧细菌在水解酸化阶段难以破坏污泥细菌的细胞壁以及木质纤维素结构。于是，各种污泥预处理方法应运而生，主要目的就是破坏污泥中细菌的细胞壁及木质纤维素结构以释放出细胞中存在的有机物、糖类、蛋白质等，提高污泥溶胞效率是强化污泥厌氧消化的关键。

　　1、剩余污泥的性质

　　剩余污泥的含水率极高，未经处理的污泥含水率可达97%~99%，其成分组成还存在脂肪类、蛋白质、纤维素、腐殖质等。还含有大量的微生物、有毒有机物、重金属、无机物等。其中，脂肪类、蛋白质、多糖等属于易于厌氧消化降解的物质，可顺利地在产甲烷菌的生化作用下转化成为甲烷;但其中的木质纤维素、腐殖质类及污泥自身的生物细胞则难以被厌氧消化所分解。目前剩余污泥预处理的研究主要集中在两方面，一方面是探索大幅度降低剩余污泥含水率的可能方法;另一方面则是找寻适宜的方法对剩余污泥进行预处理，以改变难降解物质的结构及使细胞破碎，释放出细胞内可代谢的物质，进而提高厌氧消化环节沼气的产量、甲烷的转化效率，并减少消化池的体积和停留时间，以及污泥终处置的量。

　　在污泥处理阶段，污泥脱水效率的高低将极大地影响污泥的处理量，是后续进行污泥输送、消化和综合利用的重要保证。一般包括重力浓缩、机械脱水、干化、冻融脱水等处理方法，也有一些新方法在不断被人们研究，例如，表面活性剂和生物沥滤的联用、改性玉米芯粉的使用等。实际上这些方法之中有些方法对于强化厌氧消化环节同样具有很大的帮助。而专门针对强化厌氧消化环节的预处理则包含有物理预处理、化学预处理、生物预处理等，其中有些方法还与其他方法联用作为联合预处理。

　　2、剩余污泥预处理研究

　　2.1 机械预处理

　　使用机械设备预处理污泥一般具有结构简单，使用方便，不产生难降解有机物等优点。研究较多的有高压均质法、旋转球磨法、溶胞离心法等。高压均质法是污泥在极高压力下，通常在几十兆帕，低速进入均质机，在其中突然降低压力，导致污泥在压差下产生极强的冲击力，在剧烈的紊动和空化作用下，污泥局部温度升高，使得污泥细胞破碎。旋转球磨法是利用球磨机高速转动，钢制小球搅拌、碰撞污泥，产生剪切力来使得污泥结构发生改变。高压均质法、旋转球磨、溶胞离心等需要使用大型设备，且设备维修等较不方便，虽已有应用，但破解效率与其他方法比较偏低。由于剩余污泥含水率极高，机械法所产生的能量被不必要的消耗，导致其破坏污泥絮体和微生物细胞通常不充分。机械方法的缺点可以通过与其他预处理方法相结合而弥补。SunYuxiao等利用水力旋流器和碱(pH=11)联合预处理获得了良好的效果，VFA增加了23.75%，甲烷产量增加了32.28%。

　　2.2 物理预处理

　　剩余污泥物理预处理方法中研究较多的有热解法、微波法、超声波法、聚焦脉冲法等。热解法是常规的一种污泥处理手段，在过去被视为污泥消化前的方法。通过对污泥加热导致微生物的细胞壁因膨胀而破裂，从而使其中的有机物大量释出，也可以降低污泥黏度并增强脱水率。在热解法中，常使用的温度在80℃~180℃，时间为20min~40min，压力为600kPa~2500kPa。通过诸多的研究发现，温度越高，热解效果越好，过高的温度(超过200℃)不但会增加能耗也会产生难降解物质，甚至毒性物质(美拉德反应)。考虑到能耗、容积等因素，采用100℃以下的热解方式较多。整体而言，热解法发展较为成熟，在国内外许多工程上得到应用，但仍然面临着能耗高、加热不均匀、停留时间久等问题。

　　微波法是以电磁波转化为热能对污泥加热，因其加热速度快、处理效果好、操作容易等优点开始逐渐替代常规的热解法，还易与其他方法进行联合运用。倪晓堂等研究比较了几种敏化剂联合微波和微波-过氧化氢的污泥处理效果发现，以二氧化钛作为敏化剂的微波作用被增强，污泥中C、N、P的释放均有显著增加。王晶等将微波与MEC联合运用处理市政污泥，利用600W微波辐射180s，在0V~1.2V电压下，系统甲烷产量、SCOD、VSS均有显著提高，与对照组相比分别提高了89.4%、56.9%和39.9%。单使用微波法可以获得较好的处理效果，但在高能耗多以寻找适宜的敏化剂或与其他方法联用为方向。

　　在剩余污泥中，超声波(>20kHz的声波)作用下形成的空化气泡崩溃破裂导致水体超高的流速通过污泥固体表面，产生了超高速的射流。这种射流产生的冲击波能够带来较强的机械剪切力，还伴有一定的热作用、机械作用和化学作用，细胞壁得到破解。超声波法处理污泥的效果由声能量密度和处理时间来决定，是能效较高的处理方法，在国外已有应用。但也面临着耗能较大的问题，需要寻找适宜的参数和方法来降低能耗。汪中宇比较了单频和双频的处理方法对污泥的处理效果，结果表明，相同能耗下双频(20kHz+25kHz)超声波明显优于单频(20kHz或25kHz)超声波的处理效果，且双频超声能量在12000kJ/gTS时，SCOD的溶出率为26.8%，对剰余污泥破解效果及厌氧消化性能的提升理想。

　　聚焦脉冲法(FP)是高压脉冲电场与微生物细胞膜直接作用，破坏了细胞膜的结构，产生“电穿孔”，这些都可以促使污泥细胞破碎，溶出胞内有机物，电弧的作用也会破坏污泥本身的絮体结构，产生自由基。Rittmann等研究采用聚焦脉冲处理剩余污泥，使得SCOD达到了1.6倍，DOC达到了1.2倍。

　　2.3 化学预处理

　　污泥化学预处理法中大致有碱处理法、臭氧氧化、电化学氧化、亚硫酸盐法、过氧化氢、芬顿试剂等方法。碱能使污泥中有机颗粒溶胀、纤维成分溶解，导致微生物细胞破裂。碱处理法能够达到较好的预处理效果，由于处理时都是在pH>10的条件下进行，后续的污泥处理很多时候都要重新调整pH值，大量的消耗药剂，也会产生腐蚀设备的不良影响，目前研究主要与其他方法联合使用。

　　臭氧也可以作为污泥预处理当中破坏微生物细胞结构的氧化剂，能够提高剩余污泥厌氧发酵的效率，但投加剂的量难以控制，且不具有专门破坏细胞壁膜结构的针对性，在氧化破坏的也会作用于污泥中本身含有的有机物。适量的运用臭氧强氧化性破坏细胞膜，也可以分解污泥当中的一些大分子有机物，都可利于后期的厌氧消化作用。有研究表明，0.088gO3·g-1~0.1gO3·g-1SS的投加量可以取得大的污泥破解效率。但其面临的问题是O3消耗量较大，当使用量较小时发挥的破坏细胞膜(壁)的作用不明显，O3会优先与污泥中胞外的还原性有机物反应，而非破坏细菌细胞膜，而过量反应又会影响厌氧消化产甲烷的效果。赵阳等以次氯酸钠为电解液与污泥混合均匀，加电压20V，持续时间40min，厌氧消化45d，终电化学法的产气量、甲烷的占比都要优于碱处理、热解法、热碱处理。曾丽等选择Ti/PbO2电极对污泥进行电化学氧化，通过原子力显微镜可观察到电解后污泥菌胶团絮状结构被破坏，变为不规则状，细胞破裂。毛细吸水时间降低了90%以上，表明这一过程有效地氧化了胞外聚合物，破坏了了细胞膜的结构，并释放出大量的有机物。

　　也有学者考虑到氧化剂药品的大量使用不经济，寻找一些工业上的废料，ZanFeixiang等利用亚硫酸盐对微生物细胞壁的破坏作用，用工业中多见的亚硫酸盐废液对剩余污泥进行预处理，结果表明，污泥的水解率提高了1.7倍和甲烷生成势提高了1.2倍。

　　2.4 生物预处理

　　生物预处理是指利用微生物相关技术对污泥进行预处理。常见的方法主要是生物酶法。众所周知，酶是一种高效催化剂，由于生物酶具有特异性、高效性，不像氧化剂、酸、碱等物质需要大量加入，少量加入即可取得良好效果，对后续处理的不良影响较小，具有很大的发展空间。通常加入蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等来水解污泥中的相关成分。陈伟等研究表明，加入溶菌酶浓度小于20mg/g时仅水解污泥胞外物质，加大酶量能显著引起污泥破解。溶菌酶用于原污泥水解效果较好，SCOD/TCOD高可达28.14%，后又加入蛋白酶与纤维素酶获得了较好的溶胞效果。

水污染物的种类繁多，其中含氮排放物，特别是含硝酸根离子的废水，给人类健康、生态环境都带来了严重的威胁。自然表层水体中，硝酸根的含量一般低于1μmol/L，但在受到污染的情况下，这一数值会发生几个数量级的升高。在世界各地，自然水体硝酸根浓度过高导致饮用水中硝酸盐超标的情况时有发生。摄入体内的硝酸盐会在胃中转化为具有致癌性的亚硝胺，硝酸根也可以将血液中的血红蛋白氧化为高铁血红蛋白，降低了红细胞的携氧能力。而环境水体中氮含量过高导致的富营养化、水体老化等现象也带来了严重的生态灾难，水环境的恢复更是极为困难与漫长。含硝酸废水的处理一直是水处理领域的热点，也是难点和重点。微藻作为一种生物体，在生长的过程中需要吸收含氮物质作为营养。某些藻类具有从外界环境中吸收并固定硝酸根的能力。使用微藻对水体中的硝酸或硝酸盐进行处理，可以作为一种在对硝酸根进行脱除的将其转化为高价值微藻生物质的手段。研究如何使用微藻转化工业排放硝酸并开发相应技术，具有十分重要的理论和实践意义。

　　1、含硝酸废水的现有处理方法

　　目前对含硝酸废水进行脱硝处理的方法主要有生物反硝化法、化学还原法与中和法等几种。应用为广泛的方法是生物反硝化法，这种方法利用反硝化细菌的反硝化作用，将硝态氮还原为氮气，释放到大气中。但由于反硝化细菌生长速度慢、反硝化效率低、对pH耐受范围窄等因素的限制，这种方法无法处理高浓度的含硝酸废水，需要用大量的水进行稀释，占地面积大，导致废水处理成本高。生物反硝化法还存在不完全反硝化释放N2O污染以及活性污泥减量与处置的问题。化学还原法利用硝酸根离子的氧化性，使用化学还原剂或电化学手段将硝态氮还原为氮气或氨。这种方法需要投加大量药剂，可能会带来新的污染，还原产生的氨态氮也是严重的污染物，需要进行处理，容易产生二次污染。中和法使用碱性物质对废水中的硝酸进行中和，再进行蒸发浓缩或稀释后排放。这种方法将硝酸转化为硝酸盐，实际只是解决了废水pH偏低的问题，并没有真正对含氮污染物进行清除。其他成熟的水处理方法，包括反渗透、离子交换、电渗析等，与中和法相似，都只是对污染物进行转移，未能实现从根本上清除硝态氮。可以看出，目前的技术还存在成本高、带来二次污染和氮元素资源化利用程度低等问题，缺少能够高效率处理含较高浓度硝酸废水的理想技术。

　　2、微藻处理含硝酸根废水的理论基础

　　2.1 微藻

　　微藻是一类个体微小、种类繁多、能进行光合作用的浮游植物。微藻可分为两类，一类是原核微藻，以蓝藻为主，又称为蓝细菌，包括螺旋藻、颤藻、念珠藻等种类。原核微藻细胞内含有光合色素，但不形成叶绿体，细胞结构与革兰氏阴性细菌相近。另一类微藻是真核微藻，属于真核生物，包括绿藻、硅藻、轮藻等诸多种类。真核微藻以单细胞或简单细胞组合的形式存在，没有明显的组织分化。微藻普遍存在于地球上的水环境中，从咸水到淡水，甚至潮湿的陆地表面，各种生态环境均发现有不同类别的藻类生长。与高等植物相比，微藻具有生长快、环境适应性强、能够以多种方式进行培养、单位质量的生物质含氮量高的特点。而与其他非光合微生物相比，微藻又具有能够利用光能进行光合作用的特点，能够降低培养过程的能耗。微藻是一种具有工业化应用前景的生物。

　　2.2 微藻的氮同化

　　生物体在生长过程中需要含有各种元素的营养物质，其中大量元素包括C、H、O、N、P、S等。微藻也不例外，生长过程中需要从培养环境中吸收营养物质。在自养条件下，微藻以溶于水中的CO2(包括HCO3-、CO32-等形式)作为碳源。在异养条件下，微藻以含碳有机物作为碳源，例如葡萄糖、乙酸、甘油等。在兼养条件下，上述两种方式发生。而在氮源方面，微藻可以利用的氮源包括无机氮源(硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐)和有机氮源(尿素、氨基酸等)。据估计，海洋中藻类生长所需的氮元素大约有20%来自水环境中的硝酸根。某些微藻可以以硝酸根作为唯一氮源生长，吸收培养环境中的硝酸根。可以利用微藻对工业外排水中的硝酸根离子进行脱除。

　　微藻对不同含氮物质的摄取具有差异。由于NH4+本身处于还原态，能够通过转氨基作用直接形成氨基酸并同化成为微藻生物质，从能量角度上看更为划算，NH4+以及含有氨基的物质(例如氨基酸)通常是微藻所偏好的氮源。而对于硝态氮来说，微藻的同化能力则取决于具体的藻种。例如聚球藻(Synechococcusspp.)可以在NO3-或NO2-为唯一氮源的条件下生长，而绝大多数原绿球藻(Prochlorococcusspp.)则无法利用这两种氮源物质。从整体上看，铵态氮的存在对细胞同化硝酸根的过程具有抑制作用，反映了细胞对铵态氮的偏好性。NH4+可以作为微藻生长的氮源，但过高浓度的NH4+具有细胞毒性，大多数微藻对NH4+的耐受阈值小于50mmol/L；而微藻细胞对高浓度硝酸根通常具有较好的耐受性，某些藻种可以在高达160mmol/L的NO3-浓度下正常生长。这一点表明，与处理氨氮废水相比，使用微藻处理较高浓度的含硝酸废水可能具有更好的可实现性。

　　2.3 微藻的硝酸同化

　　生物体对硝酸根的吸收、同化与利用是一个多步骤的过程。对于真核微藻，硝酸根离子通过细胞膜上的跨膜载体蛋白运输进细胞中，在硝酸还原酶的作用下还原为亚硝酸根并通过载体运输进入叶绿体，随后在亚硝酸还原酶的作用下逐步还原为铵根。铵根离子进入细胞基本代谢的氮代谢通路，通过转氨基作用形成氨基酸，终用于合成蛋白质。两次跨膜运输和多次还原组成了微藻对硝态氮进行同化的过程。

　　2.3.1 硝酸根/亚硝酸根的跨膜运输

　　硝酸根从细胞外跨膜运输进入细胞内是微藻同化硝酸根的步，而还原得到的亚硝酸根也需要跨膜运输至叶绿体中进行的还原。硝酸根/亚硝酸根的跨膜运输过程受到了严密的调控，有许多不同类型的蛋白质参与其中，包括NRT1(nitratetransporter1，硝酸载体1)、NRT2与NAR1(nitrateassimilation-relatedcomponent1，硝酸同化相关组分1)。许多硝酸根跨膜运输载体表现出双功能性，对硝酸根和亚硝酸根都具有运输作用，在氮代谢的不同阶段发挥功能。部分NRT1载体具有可变的的硝酸根/亚硝酸根亲和性，受到环境硝酸根/亚硝酸根浓度的影响，且在不同类微藻中的分布具有较大差异。而NRT2则作为高亲和性的硝酸根/亚硝酸根载体，普遍存在于各类微藻中。NAR1载体对亚硝酸根的亲和性高于硝酸根，主要作为亚硝酸根的跨膜运输载体。

　　2.3.2 硝酸根的还原

　　硝酸还原酶使用还原型辅酶将进入细胞的硝酸根还原为亚硝酸根。真核微藻的硝酸还原酶通常由单基因编码，是一个多亚基的蛋白复合体。硝酸还原酶分子中含有FAD(flavinadeninedinucleotide，黄素腺嘌呤二核苷酸)、血红素以及钼原子作为发挥还原活性所需要的辅因子。硝酸还原酶除了将硝酸根还原为亚硝酸根外，还会将很少一部分亚硝酸根继续还原至一氧化氮(NO)。NO在细胞内是一种非常重要的信号分子，参与了多种生理活动的调节。例如，由于NO来自亚硝酸根，亚硝酸根水平的升高会导致NO浓度上升，硝酸跨膜载体以及硝酸还原酶的活性均受到NO介导的磷酸化的抑制，从而减少对细胞具有毒性的亚硝酸根的积累，形成硝酸还原代谢过程的转录后负调控。