超声破解污泥作为脱氮除磷碳源的可行性研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
净水技术
２０１６ ３５ ５
， （） ：１１７
１２０ ＷＡＴＥＲ ＰＵＲＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
净 水 技 术
Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ５ ２０１６ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２５ｔｈ ，２０１６ Ｗａｔｅｒ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
， ，
超声破解污泥作为脱氮除磷碳源的可行性研究
Ｙｕｎ Ｗｅｎｚｅ
１
（ １． Ｎａｎｊｉｎｇ Ｎａｎｚｉ Ｋｅｌｉｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ． ，Ｌｔｄ． ，Ｎａｎｊｉｎｇ
，Ｌｉｕ Ｙｕａｎ
２
２１００３２ Ｃｈｉｎａ
２． ＪｉａｎｇＳｕ Ｂｏｈｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．
ａｔ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｖｉｌｌａｇｅ ｓｅｗａｇｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ ＡＯ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｌａｃｋ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｖｉｌｌａｇｅ ｓｅｗａｇｅ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｒｅｌｅａｓｅｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｒｏｍ ｅｘｃｅｓｓ ｓｌｕｄｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
＋ ４ － － ３ ３ ２ １１ Ｈ ６ Ｈ ７ ８ Ｐ ｏｂｓ Ｂ ∶Ｃ １２ Ｐ ｏｂｓ Ｂ ∶Ｃ ９ ７ Ｃ Ｎｉ Ｎｏ Ｗ Ｐｉ Ｃｉ Ｐｏ Ｃｏ Ｗ Ｗ Ｃ Ｎｉ １０ Ｎｏ Ｐｉ Ｐｏ Ｗ ３
ＷＡＴＥＲ ＰＵＲＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
净 水 技 术
Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ５ ２０１６
DOI:10.15890/j.cnki.jsjs.2016.05.024
Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｒｅｍｏｖａｌ ｗｉｔｈ Ｃａｒｂｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ Ａｄｄｅｄ ｂｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｗａｇｅ Ｓｌｕｄｇｅ
刘玉安 云文泽 ，
１ ２
（ １． 南京南自科林系统工程有限公司ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 江苏南京
２１００３２ ２．
； 江苏博恩环境工程成套设备有限公司， 江苏南京
２１００１９
）
采用超声波破解剩余污泥， 作为外加碳源回流至进水端。通过建立“甲醇投加” 摘 要 该文针对乡镇污水碳源不足的特点， 和“ 超声波污泥破解 ＋ 甲醇投加” 经济模型， 进行量化分析和经济比较， 可以客观掌握参数与费用的相应关系， 并在经济可行 的情况下， 为试验参数的设定提供依据， 从而提高试验效率。 关键词 村镇污水 脱氮除磷 ＡＯ 生物反应器 市政污泥 超声破解 ２０１６ ） ０５ ０１１７ ０４ 中图分类号：ＴＵ９９２． ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９ ０１７７（
，Ｌｔｄ． ，Ｎａｎｊｉｎｇ
，
；
２１００１９ Ｃｈｉｎａ
，
）
， ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ “ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｄｏｓｉｎｇ ”ａｎｄ “ ｓｌｕｄｇｅ ｃｒａｃｋｅｄ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ＋ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｄｏｓｉｎｇ”ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｍａｋｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｇｒａｓｐ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｎｓｅｓ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｉｓ ａｌｓｏ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇｓ
１
［收稿日期］ ２０１５ １１ １０ ［作者简介］ 云文泽 （ １９８４ — ） ， 男， 工程师， 主要从事废水处理、 锅炉 补 给 水 处 理 及 电 除 尘 等 方 面 工 作。 电 话： １３４０４１２６６０８ ； Ｅｍａｉｌ：ｙｕｎｗｅｎｚｅ＠ １６３． ｃｏｍ。
本研究主要针对乡镇级污水处理厂低 Ｃ ／ Ｎ 比、 Ｐ 的去除率， 为了提高 Ｎ、 而采用 低 Ｃ ／ Ｐ 比的特点， 超声释碳技术。国内外针对超声波污泥破解的研究 非常多， 从污泥减量到超声波破解污泥作为碳源回 用， 都屡见不鲜。针对超声波污泥减量化的专利也 较多， 但针对超声波污泥破解的专利较少， 如 “超声 波辅助脱氮除磷工艺”专利中， 采用超声波处理污 泥技术， 利用剩余污泥或浓缩污泥经超声波辐射处 理后， 回流至缺氧段， 成功解决生物脱氮除磷过程中 ［ ］ 碳源不足的问题 ； 又如“污水处理方法及其用途” 专利中提到将剩余污泥通过超声波处理回流至污水 的缺氧或者厌氧段， 作为碳源和生物酶， 可在提高脱 ［ ］ 氮除磷效率的同时， 减少污泥排放量 。 超声波在德国已有工业应用， 但成本较高， 无法 ［ ］ 工业化普及 。国内也有部分厂家掌握相关技 但目前都无工业应用记录。因此本文通过 术［，，］， 建立超声波脱氮除磷经济模型， 可为试验参数的设 ， 置及工业应用提供依据 从而减少前期研发经费 — １１７ —
生物脱氮除磷中的反硝化和除磷都需要碳源， 而目前我国乡镇污水处理厂进水有机物含量低， 氮 和磷含量相对较高， 使得污水处理后的出水氮、 磷含 量仍然很高。为了使出水的氮磷浓度达标， 需要额 外投加碳源， 包括甲醇、 乙醇、 乙酸、 乙酸钠、 葡萄糖、 淀粉等有机物， 而这些碳源的投加费用都比较高， 增 加了污水处理厂的运行费用。若乡镇污水厂的排放 污水执行 《城镇污水处理厂污水排放标准 》（ＧＢ １８９１８ —２００２ ） 的一级 Ａ 排放标准， 会进一步增加污 水处理厂的运行成本。因此， 目前污水厂采用的投 加碳源的方式不仅增加了经济成本， 同时也与节能 减排相违背。寻求节能减排、 价格低廉的脱氮除磷 技术， 无论在学术研究还是工程应用方面都显得特 别重要［］。
Ｏｃｔｏｂｅｒ ２５ｔｈ ２０１６
， ，
，
所示。
４） （ ）÷ ρ （ ｍ ／ ｄ； 其中：Ｑ′—每日剩余污泥排放量， ｋｇ ／ ｄ； ΔＣＯＤ—每日消耗的 ＣＯＤ， Ｐ —剩余污泥含水率， ％。 每日超声波需要破解的污泥量如式 ５ 所示。 Ｑ″ ＝ Ｑ ÷ Ｃ ÷ Ｐ （ ５） ｍ ／ ｄ； 其中：Ｑ″—每日所需超声波破解污泥量， Ｃ —上清液有效 ＣＯＤ， ｇ ／ Ｌ； Ｐ —上清液占污泥百分比， ％。 ５） ６） 式（ 中 Ｃ 计算如式（ 所示。 Ｃ ＝ Ｃ′ － （ Ｃ × Ｃ ／ Ｎ ＋ Ｃ × Ｃ ／ Ｐ） （ ６） ｇ ／ Ｌ； 其中：Ｃ′—污泥破解后上清液 ＣＯＤ， Ｃ —污泥破解后上清液为总氮浓度， ｇ ／ Ｌ； Ｃ —污泥破解后上清液总磷浓度， ｇ ／ Ｌ。 若 Ｑ′ ＞ Ｑ″， 则实际超声波污泥破解量 Ｑ ＝ Ｑ″； 则实际超声波污泥破解量 Ｑ ＝ Ｑ′。 如果 Ｑ″ ＞ Ｑ′， ７） 因此超声波破解费用如式（ 所示。 Ｅ′ ＝ Ｑ × Ｄ × Ｅ × １ ０００ ÷ ６０ （ ７） 元 ／ ｄ； 其中：Ｅ′—超声波破解费用， Ｄ —超声波密度， Ｗ·ｍｉｎ ／ ｍＬ； Ｅ —电费单价， 元 ／ ｋＷｈ。 如果剩余污泥不能满足碳源供给， 则还需投加 ８） 所示。 额外碳源甲醇， 投加费用如式（ Ｅ″ ＝ （ Ｑ″ － Ｑ′ ）× Ｃ ÷ Ｙ × Ｅ （ ８） 元 ／ ｄ； 其中：Ｅ″—每日甲醇投加费用， Ｙ —甲醇 ＣＯＤ 当量， １． ５ ｋｇ ＣＯＤ ／ ｋｇ 甲醇； Ｅ —单位质量甲醇价格， ３ 元 ／ ｋｇ。 因此超声波污泥破解 ＋ 甲醇投加模式的总运行 ９） 所示。 费用如式（ （ Ｅ ＝ Ｅ′ ＋ Ｅ″ ９） 而甲醇单独作为碳源进行投加的费用如式 １０ ） （ 所示。 Ｅ ＝ Ｑ ÷ Ｙ × Ｅ （ １０ ） —每日甲醇单独投加费用， 元 ／ ｄ。 其中：Ｅ 因此， 通过以上模型建立， 并以甲醇投加模式为 ， ＋ 基准 对超声波污泥破解 甲醇投加模式进行回收 Ｑ′ ＝ Δ ＣＯＤ × Ｐ Ｂ∶ Ｃ × Ｙ ｏｂｓ ÷ １ － Ｐ Ｗ Ｓ
２ ３ ４ ２ ３ ５
云文泽， 刘玉安． Ｖｏｌ． ３５ ， Ｎｏ． ５ ， ２０１６ 超声破解污泥作为脱氮除磷碳源的可行性研究 确定的前提下， 本研究将超声波密度作为设定参数， 投入。 建立经济分析模型。 １ 技术比较 乡镇污水中的碳源由超声波破解污泥后的上清 针对我国乡镇污水碳源不足的情况， 有外加碳 液提供， 主要用于反硝化过程和除磷过程。 源和污泥破解两种方式可补充碳源。 传统脱氮过程包括硝化和反硝化过程， 微生物 先将有机氮分解为氨氮， 再由硝化菌将 ＮＨ 氧化为 １． １ 外加碳源 外加碳源主要包括甲醇、 乙酸钠、 葡萄糖等有机 ＮＯ ， 反硝化菌再将 ＮＯ 还原为 Ｎ 。反硝化过程中 物， 或者引入其他渠道的易生物降解高 ＣＯＤ 废水。 的碳氮比［ ］如式（ １） 所示。 低碳源的污水处理厂在选择外加碳源的时候， 需要 ２ ． ８６ Ｃ／ Ｎ ＝ （ １） 注意考虑：成本和收益、 碳源的安全性、 负荷、 停留 １ －Ｙ ， 时间等因素。其中甲醇价格低廉 较易获得， 因此本 ［ ］ 其中：Ｃ ／ Ｎ—反硝化过程中所需的 ＣＯＤ （ｋｇ 研究选择甲醇作为外加碳源 。 ＣＯＤ ／ ｋｇ ＴＮ） ； １． ２ 污泥破解 Ｙ —缺氧微生物生长因子 （ ｋｇ ＶＳＳ ／ ｋｇ 目前污泥破解技术有超声波、 热处理、 微波处理 ＣＯＤ） 。 等方法。 活性污泥法除磷依靠聚磷菌的超量吸磷能力。 热处理使污泥热水解， 上清液中含有大量的挥 发性脂肪酸， 可作为碳源用于脱氮系统中的反硝化 在厌氧条件下聚磷菌利用胞内贮存的聚磷化合物水 释放胞内磷酸盐， 吸收水中的溶解性有 反应， 可以减少外加碳源的投加量。但热解作用难 解产生能量， ， 消耗水中有 简称 ＰＨＢ） ， 以破解污泥中的微生物细胞壁， 且水解速度较慢 能 机物转化为聚 β 羟丁酸（ ［ ］ ； ， ＰＨＢ 机物 在好氧条件下 聚磷菌将体内 降解提供 量消耗量较大， 运行成本较高， 经济性较差 。 从污水中超量吸收磷酸盐。根据生物除磷理 微波辐射可以很快地破坏污泥中微生物的细胞 能量， 论， 生物除磷的实质就是排放富磷剩余污泥。除磷 结构， 从而改善其脱水性能， 且可将微生物细胞的破 ２） 所示。 解物质作为碳源用于反硝化系统的脱氮反应［］。 过程中的碳磷比如式（ 用于污泥破解的超声波的频率一般选择０． ０２ ～ １ Ｃ／ Ｐ ＝ （ ２） １０ ＭＨｚ。一定强度的超声波使溶液中产生或破灭大 Ｐ Ｙ Ｐ 量的空化气泡， 气泡破灭时将产生极短暂的强压力 ｋｇ ＣＯＤ ／ 其中：Ｃ ／ Ｐ—聚磷过程中所需的 ＣＯＤ， ， 、 脉冲 产生高温 高压和强冲击力的微射流。空化发 ｋｇ ＴＰ； 生时液体中产生的高剪切力作用于其中的物质， 同 Ｐ —污泥含磷率， ％， 设定为 ６％ ［ ］； 时还会产生明显的声化学反应， 从而改变液体和细 Ｙ —污泥净产率系数， ｋｇ ＶＳＳ ／ ｋｇ ＢＯＤ； 胞中的物质特性。利用污泥超声波破解技术可以促 Ｐ —污水 ＢＯＤ 和 ＣＯＤ 比值， ％。 ， 进污泥水解 更容易获得内部碳源以回用于反硝化 故一定规模的污水处理厂每日投加的有效碳源 反应［］。 ３） 量如式（ 所示。 研究表明， 在能耗相同的条件下， 对污泥的破解 Ｑ ＝ （ Ｃ － Ｃ ）× Ｑ × Ｃ ／ Ｎ 效果从优到次依次为：超声波、 微波和热处理［］。 （ ３） 因此本文采用超声波对污泥进行破解， 并进行其经 Ｃ － Ｃ ）× Ｑ × Ｃ ／ Ｐ ＋（ 济性的分析。 Ｃ － Ｃ ）× Ｑ －（ ２ 模型建立 ｋｇ ／ ｄ； 其中：Ｑ —每日投加有效碳源量， Ｃ —入口污水氮浓度， ｇ ／ Ｌ； ｐＨ、 、 温度 超 影响超声波释碳量的因素主要有 Ｃ —出口污水氮浓度， ｇ ／ Ｌ； 其中超声波 声波密度、 超声波频率、 污泥密度等［ ］， Ｃ —入口污水磷浓度， ｇ ／ Ｌ； 密度直接影响破解效率及运营费用， 而其他因素对 Ｃ —出口污水磷浓度， ｇ ／ Ｌ； 运营费用影响较少， 可选择释碳量最大的数值， 并假 Ｑ —污水流量， ｍ ／ ｄ。 定在此数值下污泥上清液溶解性 ＣＯＤ（ 简称 ＳＣＯＤ） 。因此在其他参数 污水处理厂的剩余污泥每日排放量如式 ４ 值为一固定值（ 假定 ３ ０００ ｍｇ ／ Ｌ） — １１８ —
２０１６ ３５ ５
， （） ：１１７
１２０ ＷＡＴＥＲ ＰＵＲＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
净 水 技 术
Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ５ ２０１６ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２５ｔｈ ，２０１６ Ｗａｔｅｒ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
， ，
超声破解污泥作为脱氮除磷碳源的可行性研究
Ｙｕｎ Ｗｅｎｚｅ
１
（ １． Ｎａｎｊｉｎｇ Ｎａｎｚｉ Ｋｅｌｉｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ． ，Ｌｔｄ． ，Ｎａｎｊｉｎｇ
，Ｌｉｕ Ｙｕａｎ
２
２１００３２ Ｃｈｉｎａ
２． ＪｉａｎｇＳｕ Ｂｏｈｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．
ａｔ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｖｉｌｌａｇｅ ｓｅｗａｇｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ ＡＯ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｌａｃｋ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｖｉｌｌａｇｅ ｓｅｗａｇｅ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｒｅｌｅａｓｅｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｒｏｍ ｅｘｃｅｓｓ ｓｌｕｄｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
＋ ４ － － ３ ３ ２ １１ Ｈ ６ Ｈ ７ ８ Ｐ ｏｂｓ Ｂ ∶Ｃ １２ Ｐ ｏｂｓ Ｂ ∶Ｃ ９ ７ Ｃ Ｎｉ Ｎｏ Ｗ Ｐｉ Ｃｉ Ｐｏ Ｃｏ Ｗ Ｗ Ｃ Ｎｉ １０ Ｎｏ Ｐｉ Ｐｏ Ｗ ３
ＷＡＴＥＲ ＰＵＲＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
净 水 技 术
Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ５ ２０１６
DOI:10.15890/j.cnki.jsjs.2016.05.024
Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｒｅｍｏｖａｌ ｗｉｔｈ Ｃａｒｂｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ Ａｄｄｅｄ ｂｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｗａｇｅ Ｓｌｕｄｇｅ
刘玉安 云文泽 ，
１ ２
（ １． 南京南自科林系统工程有限公司ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 江苏南京
２１００３２ ２．
； 江苏博恩环境工程成套设备有限公司， 江苏南京
２１００１９
）
采用超声波破解剩余污泥， 作为外加碳源回流至进水端。通过建立“甲醇投加” 摘 要 该文针对乡镇污水碳源不足的特点， 和“ 超声波污泥破解 ＋ 甲醇投加” 经济模型， 进行量化分析和经济比较， 可以客观掌握参数与费用的相应关系， 并在经济可行 的情况下， 为试验参数的设定提供依据， 从而提高试验效率。 关键词 村镇污水 脱氮除磷 ＡＯ 生物反应器 市政污泥 超声破解 ２０１６ ） ０５ ０１１７ ０４ 中图分类号：ＴＵ９９２． ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９ ０１７７（
，Ｌｔｄ． ，Ｎａｎｊｉｎｇ
，
；
２１００１９ Ｃｈｉｎａ
，
）
， ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ “ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｄｏｓｉｎｇ ”ａｎｄ “ ｓｌｕｄｇｅ ｃｒａｃｋｅｄ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ＋ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｄｏｓｉｎｇ”ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｍａｋｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｇｒａｓｐ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｎｓｅｓ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｉｓ ａｌｓｏ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇｓ
１
［收稿日期］ ２０１５ １１ １０ ［作者简介］ 云文泽 （ １９８４ — ） ， 男， 工程师， 主要从事废水处理、 锅炉 补 给 水 处 理 及 电 除 尘 等 方 面 工 作。 电 话： １３４０４１２６６０８ ； Ｅｍａｉｌ：ｙｕｎｗｅｎｚｅ＠ １６３． ｃｏｍ。
本研究主要针对乡镇级污水处理厂低 Ｃ ／ Ｎ 比、 Ｐ 的去除率， 为了提高 Ｎ、 而采用 低 Ｃ ／ Ｐ 比的特点， 超声释碳技术。国内外针对超声波污泥破解的研究 非常多， 从污泥减量到超声波破解污泥作为碳源回 用， 都屡见不鲜。针对超声波污泥减量化的专利也 较多， 但针对超声波污泥破解的专利较少， 如 “超声 波辅助脱氮除磷工艺”专利中， 采用超声波处理污 泥技术， 利用剩余污泥或浓缩污泥经超声波辐射处 理后， 回流至缺氧段， 成功解决生物脱氮除磷过程中 ［ ］ 碳源不足的问题 ； 又如“污水处理方法及其用途” 专利中提到将剩余污泥通过超声波处理回流至污水 的缺氧或者厌氧段， 作为碳源和生物酶， 可在提高脱 ［ ］ 氮除磷效率的同时， 减少污泥排放量 。 超声波在德国已有工业应用， 但成本较高， 无法 ［ ］ 工业化普及 。国内也有部分厂家掌握相关技 但目前都无工业应用记录。因此本文通过 术［，，］， 建立超声波脱氮除磷经济模型， 可为试验参数的设 ， 置及工业应用提供依据 从而减少前期研发经费 — １１７ —
生物脱氮除磷中的反硝化和除磷都需要碳源， 而目前我国乡镇污水处理厂进水有机物含量低， 氮 和磷含量相对较高， 使得污水处理后的出水氮、 磷含 量仍然很高。为了使出水的氮磷浓度达标， 需要额 外投加碳源， 包括甲醇、 乙醇、 乙酸、 乙酸钠、 葡萄糖、 淀粉等有机物， 而这些碳源的投加费用都比较高， 增 加了污水处理厂的运行费用。若乡镇污水厂的排放 污水执行 《城镇污水处理厂污水排放标准 》（ＧＢ １８９１８ —２００２ ） 的一级 Ａ 排放标准， 会进一步增加污 水处理厂的运行成本。因此， 目前污水厂采用的投 加碳源的方式不仅增加了经济成本， 同时也与节能 减排相违背。寻求节能减排、 价格低廉的脱氮除磷 技术， 无论在学术研究还是工程应用方面都显得特 别重要［］。
Ｏｃｔｏｂｅｒ ２５ｔｈ ２０１６
， ，
，
所示。
４） （ ）÷ ρ （ ｍ ／ ｄ； 其中：Ｑ′—每日剩余污泥排放量， ｋｇ ／ ｄ； ΔＣＯＤ—每日消耗的 ＣＯＤ， Ｐ —剩余污泥含水率， ％。 每日超声波需要破解的污泥量如式 ５ 所示。 Ｑ″ ＝ Ｑ ÷ Ｃ ÷ Ｐ （ ５） ｍ ／ ｄ； 其中：Ｑ″—每日所需超声波破解污泥量， Ｃ —上清液有效 ＣＯＤ， ｇ ／ Ｌ； Ｐ —上清液占污泥百分比， ％。 ５） ６） 式（ 中 Ｃ 计算如式（ 所示。 Ｃ ＝ Ｃ′ － （ Ｃ × Ｃ ／ Ｎ ＋ Ｃ × Ｃ ／ Ｐ） （ ６） ｇ ／ Ｌ； 其中：Ｃ′—污泥破解后上清液 ＣＯＤ， Ｃ —污泥破解后上清液为总氮浓度， ｇ ／ Ｌ； Ｃ —污泥破解后上清液总磷浓度， ｇ ／ Ｌ。 若 Ｑ′ ＞ Ｑ″， 则实际超声波污泥破解量 Ｑ ＝ Ｑ″； 则实际超声波污泥破解量 Ｑ ＝ Ｑ′。 如果 Ｑ″ ＞ Ｑ′， ７） 因此超声波破解费用如式（ 所示。 Ｅ′ ＝ Ｑ × Ｄ × Ｅ × １ ０００ ÷ ６０ （ ７） 元 ／ ｄ； 其中：Ｅ′—超声波破解费用， Ｄ —超声波密度， Ｗ·ｍｉｎ ／ ｍＬ； Ｅ —电费单价， 元 ／ ｋＷｈ。 如果剩余污泥不能满足碳源供给， 则还需投加 ８） 所示。 额外碳源甲醇， 投加费用如式（ Ｅ″ ＝ （ Ｑ″ － Ｑ′ ）× Ｃ ÷ Ｙ × Ｅ （ ８） 元 ／ ｄ； 其中：Ｅ″—每日甲醇投加费用， Ｙ —甲醇 ＣＯＤ 当量， １． ５ ｋｇ ＣＯＤ ／ ｋｇ 甲醇； Ｅ —单位质量甲醇价格， ３ 元 ／ ｋｇ。 因此超声波污泥破解 ＋ 甲醇投加模式的总运行 ９） 所示。 费用如式（ （ Ｅ ＝ Ｅ′ ＋ Ｅ″ ９） 而甲醇单独作为碳源进行投加的费用如式 １０ ） （ 所示。 Ｅ ＝ Ｑ ÷ Ｙ × Ｅ （ １０ ） —每日甲醇单独投加费用， 元 ／ ｄ。 其中：Ｅ 因此， 通过以上模型建立， 并以甲醇投加模式为 ， ＋ 基准 对超声波污泥破解 甲醇投加模式进行回收 Ｑ′ ＝ Δ ＣＯＤ × Ｐ Ｂ∶ Ｃ × Ｙ ｏｂｓ ÷ １ － Ｐ Ｗ Ｓ
２ ３ ４ ２ ３ ５
云文泽， 刘玉安． Ｖｏｌ． ３５ ， Ｎｏ． ５ ， ２０１６ 超声破解污泥作为脱氮除磷碳源的可行性研究 确定的前提下， 本研究将超声波密度作为设定参数， 投入。 建立经济分析模型。 １ 技术比较 乡镇污水中的碳源由超声波破解污泥后的上清 针对我国乡镇污水碳源不足的情况， 有外加碳 液提供， 主要用于反硝化过程和除磷过程。 源和污泥破解两种方式可补充碳源。 传统脱氮过程包括硝化和反硝化过程， 微生物 先将有机氮分解为氨氮， 再由硝化菌将 ＮＨ 氧化为 １． １ 外加碳源 外加碳源主要包括甲醇、 乙酸钠、 葡萄糖等有机 ＮＯ ， 反硝化菌再将 ＮＯ 还原为 Ｎ 。反硝化过程中 物， 或者引入其他渠道的易生物降解高 ＣＯＤ 废水。 的碳氮比［ ］如式（ １） 所示。 低碳源的污水处理厂在选择外加碳源的时候， 需要 ２ ． ８６ Ｃ／ Ｎ ＝ （ １） 注意考虑：成本和收益、 碳源的安全性、 负荷、 停留 １ －Ｙ ， 时间等因素。其中甲醇价格低廉 较易获得， 因此本 ［ ］ 其中：Ｃ ／ Ｎ—反硝化过程中所需的 ＣＯＤ （ｋｇ 研究选择甲醇作为外加碳源 。 ＣＯＤ ／ ｋｇ ＴＮ） ； １． ２ 污泥破解 Ｙ —缺氧微生物生长因子 （ ｋｇ ＶＳＳ ／ ｋｇ 目前污泥破解技术有超声波、 热处理、 微波处理 ＣＯＤ） 。 等方法。 活性污泥法除磷依靠聚磷菌的超量吸磷能力。 热处理使污泥热水解， 上清液中含有大量的挥 发性脂肪酸， 可作为碳源用于脱氮系统中的反硝化 在厌氧条件下聚磷菌利用胞内贮存的聚磷化合物水 释放胞内磷酸盐， 吸收水中的溶解性有 反应， 可以减少外加碳源的投加量。但热解作用难 解产生能量， ， 消耗水中有 简称 ＰＨＢ） ， 以破解污泥中的微生物细胞壁， 且水解速度较慢 能 机物转化为聚 β 羟丁酸（ ［ ］ ； ， ＰＨＢ 机物 在好氧条件下 聚磷菌将体内 降解提供 量消耗量较大， 运行成本较高， 经济性较差 。 从污水中超量吸收磷酸盐。根据生物除磷理 微波辐射可以很快地破坏污泥中微生物的细胞 能量， 论， 生物除磷的实质就是排放富磷剩余污泥。除磷 结构， 从而改善其脱水性能， 且可将微生物细胞的破 ２） 所示。 解物质作为碳源用于反硝化系统的脱氮反应［］。 过程中的碳磷比如式（ 用于污泥破解的超声波的频率一般选择０． ０２ ～ １ Ｃ／ Ｐ ＝ （ ２） １０ ＭＨｚ。一定强度的超声波使溶液中产生或破灭大 Ｐ Ｙ Ｐ 量的空化气泡， 气泡破灭时将产生极短暂的强压力 ｋｇ ＣＯＤ ／ 其中：Ｃ ／ Ｐ—聚磷过程中所需的 ＣＯＤ， ， 、 脉冲 产生高温 高压和强冲击力的微射流。空化发 ｋｇ ＴＰ； 生时液体中产生的高剪切力作用于其中的物质， 同 Ｐ —污泥含磷率， ％， 设定为 ６％ ［ ］； 时还会产生明显的声化学反应， 从而改变液体和细 Ｙ —污泥净产率系数， ｋｇ ＶＳＳ ／ ｋｇ ＢＯＤ； 胞中的物质特性。利用污泥超声波破解技术可以促 Ｐ —污水 ＢＯＤ 和 ＣＯＤ 比值， ％。 ， 进污泥水解 更容易获得内部碳源以回用于反硝化 故一定规模的污水处理厂每日投加的有效碳源 反应［］。 ３） 量如式（ 所示。 研究表明， 在能耗相同的条件下， 对污泥的破解 Ｑ ＝ （ Ｃ － Ｃ ）× Ｑ × Ｃ ／ Ｎ 效果从优到次依次为：超声波、 微波和热处理［］。 （ ３） 因此本文采用超声波对污泥进行破解， 并进行其经 Ｃ － Ｃ ）× Ｑ × Ｃ ／ Ｐ ＋（ 济性的分析。 Ｃ － Ｃ ）× Ｑ －（ ２ 模型建立 ｋｇ ／ ｄ； 其中：Ｑ —每日投加有效碳源量， Ｃ —入口污水氮浓度， ｇ ／ Ｌ； ｐＨ、 、 温度 超 影响超声波释碳量的因素主要有 Ｃ —出口污水氮浓度， ｇ ／ Ｌ； 其中超声波 声波密度、 超声波频率、 污泥密度等［ ］， Ｃ —入口污水磷浓度， ｇ ／ Ｌ； 密度直接影响破解效率及运营费用， 而其他因素对 Ｃ —出口污水磷浓度， ｇ ／ Ｌ； 运营费用影响较少， 可选择释碳量最大的数值， 并假 Ｑ —污水流量， ｍ ／ ｄ。 定在此数值下污泥上清液溶解性 ＣＯＤ（ 简称 ＳＣＯＤ） 。因此在其他参数 污水处理厂的剩余污泥每日排放量如式 ４ 值为一固定值（ 假定 ３ ０００ ｍｇ ／ Ｌ） — １１８ —