自热式高温（微）好氧消化对城市污水污泥处理研究

论文摘要

上海市中心城区中小型污水厂缺少污泥处理设施，需要改建，由于污水厂处于中心城区，周边被居民区包围，用地紧张，所以需要构筑物体积小、处理效率高、环境卫生条件好的污泥消化工艺。厌氧消化池体积庞大、散发臭气、卫生条件差，故不能被采纳。而传统好氧消化存在停留时间长、受冬季低温影响、不能有效杀灭污泥中病原菌的缺点，也不能使用。自热式高温好氧消化（Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion，ATAD）技术适用于中小污水厂的污泥处理，在不外加热源的情况下能自升温至45℃-65℃的高温，其降解速率快、停留时间短，体积只有好氧消化池和厌氧消化池的1／6-1／2，耐低温冲击，尤其是能够有效灭菌，能产生稳定的、巴氏消毒的污泥。 ATAD工艺在国内没有相关研究，但在欧洲已有二十多年的工程运行经验。本课题为避开现有的ATAD工艺的知识产权，自主开发研制了一套新型的、已获得专利权的单级自热式高温微好氧消化反应器（One-stage Autothermal Thermophilic Micro-aerobic Digestion，ATMD），采用污泥循环回流混合系统，并配有高效充氧装置和消泡装置。在上海城市污水厂进行了中试运行，经过泥龄为10天的半间歇式运行，出泥达到稳定化和无害化标准。通过间歇式和半间歇式运行获得了最佳工艺参数，并在此基础上对污泥性质的变化进行了研究，对反应机理进行了探讨。 试验表明：进泥含固率的最适宜浓度为5-8％；停留时间为10-11d，污泥循环搅拌流量为12-14m3／h，曝气量为0.8-1.8m3／m3·h。运行过程中污泥性质发生变化，氧化还原电位ORP受污泥浓度、曝气量和污泥液中氨氮浓度的影响，先下降至-400mv——300mv之间，然后回升至0mv—+150mv，表明体系中污泥不是完全的好氧状态而是先厌氧后微好氧再好氧的状态，自热式高温好氧消化（ATAD）工艺应改为自热式高温微好氧消化（ATMD）工艺；pH值受曝气量及溶胞作用导致氨氮浓度变化的影响，先上升然后下降，若曝气量较低，pH值则一直为上升趋势；污泥上清液总磷、总氮等值偏高，这是溶胞作用所导致。 对二沉泥和初沉泥分别在45℃和58℃温度下进行动力学研究表明：二沉泥的VSS去除符合一级动力学方程；58℃高温对二沉泥VSS降解有利，而对初沉

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• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 污泥高温好氧消化工艺研究进展
• 1.1 传统好氧消化工艺概述
• 1.1.1 污泥概述
• 1.1.2 传统好氧消化工艺的国内外研究现状
• 1.1.2.1 传统污泥好氧消化工艺（CAD）
• 1.1.2.2 缺氧／好氧消化工艺（A／AD）
• TM工艺'>1.1.2.3 VERTREAT^TM工艺
• 1.1.3 传统好氧消化工艺的弊端
• 1.2 自热式高温好氧消化工艺
• 1.2.1 自升温好氧消化或高温好氧消化（ATAD）工艺的发展
• 1.2.2 ATAD原理
• 1.2.3 ATAD反应器构造及运行工况
• 1.2.4 工艺流程及辅助设施
• 1.2.5 ATAD反应器的操作条件
• 1.2.6 脱水性能
• 1.2.7 污泥稳定化评价指标和稳定化标准
• 1.2.8 ATAD工艺的发展—高温好氧／中温厌氧消化工艺（AerTAnM）
• 1.2.9 ATAD工艺特点
• 1.2.9.1 ATAD工艺优点
• 1.2.9.2 ATAD工艺的问题及要求
• 1.2.9.3 ATAD适用条件
• 1.3 研究背景和研究内容
• 1.3.1 课题背景
• 1.3.2 课题研究意义
• 1.3.3 研究目的
• 1.3.4 研究内容
• 第2章 现有ATAD工艺的研究
• 2.1 试验装置设计
• 2.1.1 试验装置及试验运行设计
• 2.1.1.1 污泥高温好氧消化ATAD装置
• 2.1.1.2 工艺流程
• 2.1.2 试验方法
• 2.1.2.1 试验污泥
• 2.1.2.2 系统的启动及运行方式
• 2.1.3 污泥稳定化评价指标和标准及分析项目和方法
• 2.1.4 计算公式
• O₂'>2.1.4.1 氧转移率的计算η_O2
• 2.1.4.2 VSS去除率计算
• 2.2 现有ATAD工艺系统间歇式运行结果
• 2.2.1 可控因素的优化
• 2.2.1.1 污泥浓度
• 2.2.1.2 污泥固体停留时间SRT和反应温度
• 2.2.1.3 曝气量与反应温度
• 2.2.1.4 搅拌转速的影响
• 2.2.2 污泥稳定化效果和无害化效果评价
• 2.2.2.1 污泥稳定化效果
• 2.2.2.2 污泥无害化效果评价-病原菌的灭活及pH值的影响
• 2.3 现有ATAD工艺半间歇式试验结果
• 2.4 本章小结
• 2.4.1 可控因素的最优化
• 2.4.2 稳定化和无害化
• 第3章 单级自热式高温（微）好氧消化反应器的研发
• 3.1 单级自热式高温（微）好氧消化反应器的开发
• 3.2 单级ATMD反应器的设计
• 3.2.1 体积确定
• 3.2.2 混合系统
• 3.2.3 曝气系统
• 3.2.4 消泡系统
• 3.3 单级ATMD工艺运行方式和启动
• 3.3.1 单级ATMD工艺运行方式
• 3.3.2 单级ATMD工艺启动
• 第4章 单级自热式高温（微）好氧消化工艺的因素研究
• 4.1 单级ATMD工艺系统间歇式运行
• 4.1.1 污泥稳定化的可控因素分析及优化
• 4.1.1.1 污泥浓度
• 4.1.1.2 固体停留时间SRT和反应温度
• 4.1.1.3 循环搅拌流量和混合能量
• 4.1.1.4 曝气量
• 4.1.2 单级ATMD工艺系统的消化污泥稳定化效果评价
• 4.1.2.1 反应器温度与泥龄乘积对VSS的去除率影响
• 4.1.2.2 脱氢酶活性（Dehydrogenase Activity DHA）的变化
• 4.1.3 单级ATMD工艺系统的消化污泥无害化效果评价—病原菌的灭活
• 4.2 单级ATMD半间歇式运行
• 4.2.1 操作可控因素的影响
• 4.2.1.1 污泥固体停留时间SRT
• 4.2.1.2 曝气量
• 2确定'>4.2.1.3 氧的利用率ηO₂确定
• 4.2.2 污泥稳定化效果评价-脱氢酶活性（Dehydrogenase Activity DHA）变化
• 4.2.3 污泥无害化评价—病原菌的灭活效果
• 4.3 本章小结
• 4.3.1 最佳运行条件
• 4.3.2 单级ATMD工艺的消化污泥稳定化和无害化的评价
• 第5章 自热式高温好氧消化系统污泥性质变化研究
• 5.1 试验分析项目和方法
• 5.1.1 分析项目
• 5.1.2 分析方法
• 5.2 间歇式运行的污泥性质变化因素
• 5.2.1 氧化还原电位ORP（Oxidation-Reduction Potential）
• 5.2.1.1 单级ATMD反应器
• 5.2.1.2 现有ATAD反应器
• 5.2.2 污泥消化后上清液中氮、磷的变化
• 5.2.2.1 单级ATMD反应器
• 5.2.2.2 现有ATAD反应器
• 5.2.3 污泥消化过程pH的变化
• 5.2.3.1 单级ATMD反应器
• 5.2.3.2 现有ATAD反应器pH值、曝气量与ORP变化
• 5.2.3.3 pH值对病原菌的影响
• 5.3 半间歇式运行污泥性质变化
• 5.3.1 污泥消化过程pH的变化
• 5.3.1.1 单级ATMD反应器
• 5.3.1.2 现有ATAD反应器
• 5.3.2 单级ATMD反应器污泥消化后上清液中氮、磷、TOC的变化
• 5.4 运行中的普遍现象—泡沫的产生
• 5.5 本章小结
• 5.5.1 氧化还原电位ORP
• 5.5.2 pH小结
• 5.5.3 污泥上清液总磷、总氮、氨氮含量小结
• 第6章 高温好氧消化动力学研究
• 6.1 概述
• 6.1.1 研究进展
• 6.1.2 研究目的
• 6.2 试验设计
• 6.3 材料和方法
• 6.3.1 试验装置和运行方法
• 6.3.2 试验用污泥
• 6.3.3 动力学公式及计算
• 6.3.4 污泥性质分析项目
• 6.4 结果与讨论
• d'>6.4.1 间歇式条件下污泥降解情况和衰减常数k_d
• 6.4.1.1 VSS、TSS、FSS、VSS／TSS去除情况
• d值'>6.4.1.2 不同污泥类型的污泥降解情况和k_d值
• 6.4.1.3 不同反应温度下污泥降解情况
• 6.4.1.4 不同停留时间条件下污泥的降解情况
• 6.4.1.5 污泥ORP变化
• d'>6.4.2 半间歇式条件下污泥降解情况和衰减常数k_d
• 6.5 本章小结
• 第7章 反应器自升温的影响因素与热力学平衡
• 7.1 反应温度对体系污泥消化的重要性
• 7.2 反应温度的影响因素
• 7.2.1 单级高温好氧消化反应器
• 7.2.1.1 气温
• 7.2.1.2 曝气
• 7.2.1.3 循环搅拌能量
• 7.2.1.4 反应器结构
• 7.2.2 现有的ATAD反应器
• 7.3 单级ATMD系统热力学平衡
• 7.3.1 热平衡公式
• 7.3.2 本套装置计算
• 7.4 参数范围、初始条件的确定和试验设计
• 7.4.1 ATAD装置系统热平衡参数范围确定
• 7.4.2 ATAD装置系统热平衡常量确定
• 7.4.3 ATAD装置系统热平衡试验设计
• 7.4.3.1 热平衡计算的理论值与ATAD中试系统运行数据比较
• 7.4.3.2 各影响因素对反应器自升温的影响
• 7.5 结果与讨论
• 7.5.1 理论数据与实际数据的比较
• 7.5.2 不同的环境气温下反应器体积对反应器自升温的影响
• 7.5.3 不同环境气温下反应器表面积与体积之比对反应器自升温的影响
• 7.5.4 不同的氧转移效率对反应器自升温的影响
• 7.5.5 曝气散热与曝气供热
• 7.6 本章小结
• 第8章 高温好氧消化污泥的脱水性能
• 8.1 概述
• 8.1.1 污泥脱水性能研究现状
• 8.1.2 研究内容和目的
• 8.2 试验材料和方法
• 8.2.1 试验装置和运行方法
• 8.2.2 试验用污泥
• 8.2.3 分析项目和方法
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 消化过程中污泥比阻的变化
• 8.3.1.1 不同的污泥类型在不同温度条件下比阻的变化
• 8.3.1.2 不同的污泥类型在不同消化时间条件下对比阻的变化
• 8.3.2 不同的污泥类型在不同反应温度条件下VSS的去除情况
• 4⁺-N和TOC的变化'>8.3.3 污泥溶液总磷、蛋白质、氨氮NH₄⁺-N和TOC的变化
• 8.3.3.1 消化过程中污泥溶液总磷的变化
• 8.3.3.2 消化过程中污泥溶液蛋白质的含量与比阻的关系
• 4⁺-N变化'>8.3.3.3 污泥溶液的NH₄⁺-N变化
• 8.3.3.4 污泥溶液TOC的变化
• 8.3.4 pH的变化
• 8.3.5 阳离子聚合物PAM的投加对污泥脱水性能的改变
• 8.4 中试研究
• 8.4.1 间歇式运行结果
• 8.4.1.1 单级ATMD工艺系统
• 8.4.1.2 现有ATAD工艺处理污泥脱水性能
• 8.4.2 半间歇式运行结果
• 8.5 本章小结
• 8.5.1 小试试验
• 8.5.2 中试试验
• 第9章 自热式高温好氧消化工艺运行费用概预算
• 9.1 概述
• 9.1.1 污泥产量
• 9.1.2 污泥处理能耗与费用
• 9.1.3 ATAD工艺的适用性
• 9.2 污泥处理费用计算
• 9.2.1 单级ATMD工艺系统污泥消化费用分析
• 9.2.2 现有ATAD工艺系统污泥消化费用分析
• 9.3 本章小结
• 第10章 结论与展望
• 10.1 结论
• 10.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果