第27卷第3期2014年6月
环境科技
Environmental Science and Technology
Vol．27No ．3Jun ．2014
污水处理厂内碳源利用的研究
肖思海1，
（1. 徐州市环境监测中心站，
汪
江苏
莉2
徐州
2. 徐州核瑞环保投资有限公司，
摘
要：
江苏
221006；徐州221004）
利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生的高浓度有机酸作为系统内碳源，在解决进水碳源不足的同时实现
污泥的减量，系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的资源化利用。确定了碱解的最佳pH 值为10、碱解最佳的发酵时间为3d 时，同时保证剩余污泥具有较高的污泥浓度时得到的水解酸化液体中富含的VFA 较多，完全可以替代外加碳源。结合荆马河污水处理厂运行实践，分析剩余污泥碱解发酵上清液作为污水厂内碳源的可行性。关键词：
剩余污泥；
碱解；
厌氧水解酸化；
上清液；
反硝化脱氮
中图分类号:X7文献标识码:A 文章编号:1674-4829（2014）03-0020-04
Experiment and Research of Carbon Source Utilization of Sewage Treatment Plant
XIAO
Si-hai 1，
WANG Li 2
(1.XuzhouEnvironmental Monitoring Center Station ，Xuzhou 221006,China;
2.Xuzhou herui Environmental Protection Investment Co. ，Ltd. ，Xuzhou 221004,China)
Abstract:Sludge containing high concentrations of organic acid production in the anaerobic hydrolysis acidification
phase was used as the carbon source in the system to alleviate the lack of carbon source in the inlet water and reduction of sludge. The use of carbon source in the system had also realized the resource utilization for residual sludge. When the alkaline pH solution was 10, fermentation time was 3d, meanwhile ensuring a high concentration of the residual sludge, the concentration of VFA was higher in the hydrolysis acidification liquid, which was a sufficient substitute for the external carbon source. Combined with the operation practice of Jingma River Sewage Treatment Plant, the feasibility of using residual sludge alkaline fermentation supernatant as carbon sources in sewage plant was analyzed.
Key words:Residual sludge; Alkaline hydrolysis; Hydrolysis acidification; Supernatant; Denitrification.
0引言
随着我国水污染治理工作不断深入，强化污水
问题。通过调研，对国内相关科研院所及大学实验室在内碳源研究的情况[2]有一定的了解，利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生的含高浓度碳源，作为系统补充碳源，在解决碳源不足问题的同时可实现污泥的减量，系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的资源化利用。
对此，结合一些关于污泥碱解发酵的研究结果，就剩余污泥碱解发酵上清液的制备环境与方法以及上清液作为荆马河污水处理厂内碳源的可行性进行分析。
厂的脱氮除磷效果，执行更加严格的排放标准，是未来我国改善水环境的必然选择。国内多数执行一级A 标准的污水厂运行中主要难题是TN 达标困难，其主要原因是进水碳源不足，尤其是可降解的溶解性有机物不足，直接影响了生物除磷效果及对TN 的去除率[1]。为了满足达标排放往往不得不考虑采用外加碳源的方式，强化反硝化，实现对TN 的去除，而投加外碳源会大大增加污水处理厂运行费用。以荆马河污水处理厂二期工程为例，2012年投加醋酸钠的费用，达到污水处理厂总药剂费用的70%。寻找性价比高的碳源，降低运行费用，是荆马河污水厂急需解决的
收稿日期：2014-3-22
从事环境监测和科研工作。
修回日期：2014-04-21
1反硝化脱氮与厌氧水解酸化的基本原理1.1反硝化脱氮的原理
废水生物脱氮处理过程是：在好氧条件下，通过好氧硝化菌的作用，将废水中的NH 3-N 氧化为
作者简介：肖思海（1969-），男，江苏沛县人，本科，高级工程师，主要
NO 2--N 或NO 3--N ，然后在缺氧条件下，利用反硝化菌将NO 2--N 和NO 3--N 还原为N 2，从废水中逸出。反
第27卷第3期肖思海等污水处理厂内碳源利用的研究
21
硝化原理是：反硝化菌利用有机物作为电子供体，酸化则是一类典型的发酵过程。这一阶段的基本特征是微生物代谢产物主要为各种有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）。污泥厌氧发酵产生的短链脂肪酸（特别是乙酸和丙酸）被认为是强化生物脱氮除磷过程中最易于利用的碳源。
NO 2--N 或NO 3--N 作为电子受体，进行缺氧呼吸，将NO 3-－N 和NO 2-－N 还原成N 2。反硝化过程受DO 、温
度、pH 值、碱度以及微生物抑制物的存在等环境条件的影响，而反硝化过程的进行和反硝化速率更大程度上取决于碳源的种类；尤其是适宜的碳氮比，是保证有效反硝化反应的必要条件。
反硝化是生物脱氮工艺去除TN 的关键环节，而碳源的充足与否将决定缺氧对NO 3--N 的去除效率。反硝化速率的快慢与碳源的浓度和种类有关。酸化液中含有较多易降解的小分子有机物，是生物反硝化的有效碳源。
反硝化是一个耗碳、产生碱度同时去除NO 3-－N 的过程，理论上还原1mg 的NO 3-－N 需要消耗8.67mg 的易降解COD [3]。
2剩余污泥发酵方案的确定
一般认为污泥厌氧发酵过程中不溶性有机物和高分子有机物（如脂肪、多糖、蛋白质和核酸）水解为溶解性有机物（如氨基酸和脂肪酸）的过程是污泥厌氧发酵的限制性步骤。热、化学、热-碱、超声波等多种预处理方法，都可促进污泥水解酸化，有利于后续厌氧消化。
碱处理是通过调节pH 值对污泥进行处理的化学法。pH 值是影响污泥厌氧水解酸化效果的重要因素之一。研究表明，在碱性（pH 值为9.0,10.0,11.0）条件下，溶解性化学需氧量（SCOD ）和挥发性脂肪酸（VFA ）溶出量都明显增多，碱性条件下的污泥厌氧发酵效果较好，且pH 值为10.0条件下没有CH 4产生，会积累更多的有机酸。
影响水解速度与水解程度的主要因素包括有机质颗粒的大小、pH 值、温度以及有机质的组成等。
实验结果表明碱解发酵后剩余污泥絮体逐步破解，溶解程度加强，较利于水解产酸。
1.2厌氧水解酸化机理
厌氧消化是在厌氧条件下，利用兼性菌及专性厌氧菌，使有机物经液化、气化而分解成稳定物质的过程。厌氧消化分为3个阶段。第1阶段是在水解与发酵菌作用下，使碳水化合物、蛋白质、脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及CO 2，H 2等；第2阶段是在产氢产酸菌的作用下，将第1阶段的产物转化成H 2，CO 2和乙酸；第3阶段是甲烷化过程，即通过产甲烷菌的作用，生成CH 4。
污泥的厌氧水解酸化是控制反应条件，使污泥的厌氧消化仅进行到第2阶段，类似于2相厌氧消化中的产酸相。在废水生物处理中，水解指的是有机物（基质）进入细胞前，在胞外进行的生物化学反应。
表1
指标浓度范围
泥温/℃
2.1试验材料及方法2.1.1剩余污泥及性质
剩余污泥取自荆马河污水处理厂A 2/O工艺剩余污泥储存池，剩余污泥的性质见表1。
徐州荆马河污水处理厂污泥初始性质
·SVI /（mL g -1）
·ρ（MLSS ）/（mg L -1）
·ρ（COD ）/（mg L -1）
·ρ（NH 3-N ）/（mg L -1）
·ρ（TP ）/（mg L -1）
pH 值ω(有机物)/％43~60
SV /％80~92
14.0~15.77.18~8.5060~6611078~200025~350.1~3.80.72~1.45
由表1可知，剩余污泥中的无机物含量比较高，这就加大了利用剩余污泥发酵产酸的难度，因为从传统意义来说，有机物高的剩余污泥发酵可以产生相当量大的VFA 。
左右。
2.2.2剩余污泥的碱解发酵的实验装置
进行剩余污泥碱解发酵的实验装置采用1000
mL 的烧杯作为反应器，密封，使发酵体处于厌氧状
态，为防止污泥沉淀，增加了磁力搅拌装置，保持污泥处于完全混合状态。搅拌速度为200～350r/min，在反应器内进行短期水解。
2.2剩余污泥的碱解发酵
2.2.1水解酸化液的制备与预处理
常用的碱性药剂为NaOH 和Ca(OH)2。从经济效益上来看，选择NaOH 作为水解酸化液的预处理药
剂。取剩余污泥，ρ（MLSS ）为10000mg/L以上，用NaOH 将污泥的pH 值调至10.0，其质量浓度为500mg/L
2.2.3分析项目及方法
实验的分析项目及采用方法见表2。
22
表2
指标温度
环
分析项目及方法
分析方法直接测量直接测量称重法称重法
过硫酸钾氧化紫外光分光光度计
纳氏试剂分光光度计酚二磺酸比色法氧化亚锡还原钼蓝法
境科技
2014年6月
同济大学实验室对TOC 的分析与荆马河污水厂
设备仪器温度计
的实验室对COD 的分析数据都表明：碱解发酵的发酵效果要明显好于常规发酵。
pH 值MLSS MLVSS TN NH 3－N NO 3-N TP
pH 仪
烘箱，电子天平马福炉，电子天平
3.1.2确定最佳反应时间
为确定荆马河污水处理厂的剩余污泥最佳发酵时间，将最佳发酵时间在3d 与6d 之间进行比较，通过多组反复实验得出，碱解发酵时间定在3d 发酵液中COD 的含量较高。
有研究表明，进入反应器的污泥在反应器内的平均停留时间（HRT ）升高到12h 时，VFA 的浓度和产率都逐渐升高，当HRT 为15h 时，乙酸和丙酸为主要的VFA 。不同时间段内碱解发酵的效果见表4。
表4
试验批次第1组第2组第3组第4组
·L -1不同时间段内碱解发酵COD 的质量浓度mg
发酵3d 后
发酵6d 后
DR2800分光光度计DR2800分光光度计DR2800分光光度计DR2800分光光度计
3实验结果及分析
3.1剩余污泥的碱解发酵条件对比实验
3.1.1碱解厌氧发酵与常规发酵的对比实验
在厌氧条件下，当pH 值调为碱性时，可使污泥
中的生物易降解有机物的80％以上转化为可溶性
[1**********]40
[1**********]
COD ，可溶性COD 中又有约67％转化为有机酸，有
机酸的产量是不调pH 值时的4倍左右。以下实验数据中均以COD 的量来推算发酵液中VFA 的含量。
参考同济大学实验室数据，将荆马河污水厂的剩余污泥按照2种发酵方式观察TOC 的变化情况，见图
3.1.3确定合适的污泥浓度
污泥中的有机组分主要以固态形式存在于微生物细胞和胞外聚合物中。这些物质通过水解成为小分子可溶性物质，增加了污泥液相中SCOD 的浓度。有研究表明，污泥质量浓度为15000mg/L时，同时具有较高的SCOD 溶出量和溶出率。
对此，通过多组反复试验，不同污泥浓度的剩余污泥厌氧发酵后的各项指标情况见表5。由表5可知，COD ，NH 3-N ，TP 浓度随MLSS 浓度的增加呈上升趋势。
表5
试验批次第1组第2组第3组
1。从图1很容易看出碱性发酵产生的有机物远远大于
常规发酵。对于碱性发酵，第1～3d ，TOC 呈线性增加；第2阶段为第2～8d ，TOC 变化呈现Monod 曲线型；第3阶段为第8天后，TOC 又有所增加[4]。
2500
不调pH 值pH 值=10
2000
·ρ(T O C ) /（m g L -1）
1500
不同浓度的剩余污泥厌氧发酵后的指标
ρ(MLSS)[***********]00
·mg L -1
1000
ρ(COD)[1**********]40
ρ(NH3-N) 11.222.133.839.0
ρ(TP)3.004.024.685.92
500
246810第4组
t /d
图12种发酵方式下TOC 的变化情况
在此基础上，通过多组试验得出对比数据见表
3.2反硝化对比实验
3.2.1反硝化实验数据
酸化液中的有机碳在反硝化过程中可以分为易被反硝化菌利用的有机碳和难被反硝化利用的有机碳，酸化液投加量越大，易于被反硝化菌利用的有机碳含量就越多。
对不同类型的碳源进行分析，确定在同等COD 含量下，进行2组反硝化对比试验。对比醋酸钠作为碳源时反应器内NO 3--N 的去除率，上清液作为碳
3，碱解发酵3d 后产生的COD 的含量要明显高于常
规发酵。
表3
试验批次第1组第2组第3组第4组
不同发酵方式下COD 的质量浓度分析
试验前
常规发酵
·mg L -1
碱解厌氧发酵
25353233
4190134269
[1**********]40
第27卷第3期肖思海等污水处理厂内碳源利用的研究
23
源时反硝化发酵液的NO 3--N 的去除率稍低，在35%左右。但是，从费用上分析，在上清液的COD 含量达到较高数值时将反硝化发酵液作为碳源经济利益较好[5]。
SCOD 的变化以及NH 3-N 、正磷酸盐的释放情况，可知在碱解的最佳pH 值设为10，最佳的发酵时间设
为3d ，同时保证剩余污泥具有较高的污泥浓度时得到的水解酸化液体中富含的VFA 较多，适合作为内碳源使用。
（2）利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生含高浓度碳源的上清液作为系统补充碳源，替代了外碳源的投加，在解决碳源不足问题的同时实现污泥的减量，系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的资源化利用。
（3）从经济效益上分析，使用剩余污泥碱解发酵后可以减少购买醋酸钠的费用，但同时也会增加碱性药剂的费用。单纯从去除TN 的经济效益分析中可以看出，按荆马河污水厂二期运行状况计算，1年可以节省约70万元的药剂费用。
4经济效益分析
4.1碳源分析
4.1.1醋酸钠的用量及费用
根据荆马河二期工程运行情况计算，目前日均处理水量3.5万t ，进水ρ(COD)为150～200mg/L,
ρ(NH3-N) 为25～30mg/L,ρ(TN)为35～40mg/L,未加碳源时出水ρ(TN)约为17mg/L，需要去除2～3mg/L左右的NO 3--N 才能保证出水TN 达标。所需要投加的醋酸钠为1t/d，1t 醋酸钠的COD 质量浓度约为450000mg/L，费用为2300元/t。
每日购置醋酸钠所需费用：M =2300元。4.1.2发酵液的用量及费用
（1）碱性药剂的用量及费用
采用发酵实验数据中COD 质量浓度为1040mg/L的发酵液作为分析对象，计算得出：
要达到出水达标排放所需要的发酵液的用量为
5.2建议
（1）实际污水处理工艺中，脱氮和除磷是密切联系的。研究结果表明上清液回用引入P 对系统TP 的去除影响较大，当P 发生积累时，也可能影响到脱氮。建议在进一步研究中，在污水处理工艺中增加除磷阶段。
（2）由于采用反应器小试试验与实际处理工艺存在一定的差距，建议上清液回用试验可进行更大规模的试验研究，以提供接近于实际情况的数据，也有助于更为精确的确定发酵池的建造规模及运行动力设备的选型。
（3）在碱解药剂的分析上仅对工业碱NaOH 进行了分析，为达到降低生产成本、节约能耗的目的，建议寻找性价比更高的碱性药剂，如生产废液、废料作为碱解的药剂。
Q =432.7T 。
按照NaOH 单价为600元/t，计算得出：
每日购置NaOH 所需费用：M NaOH =129.8元。（2）运行电耗
按照设置1台4kW 的推流器计算，每日的电费为M 电=80元。
（3）其他费用
由于此次实验属于反应器小试试验，无法精确计算出发酵池的容积，所以暂不计算发酵池建设投资与运行动力设备投资。
（4）发酵液的总费用（仅药剂与电力费用）
M 总=209.8元
醋酸钠与发酵液的经济效益分析见表6。
表6
碳源类型醋酸钠（55%）
发酵液
[参考文献]
[1]马启翔，杨建军，卢立栋. 渭河流域陕西段城镇污水处理厂提标
改造状况调查与问题分析[J].环境科技，2013,26(6)：64-66.
费用/元
醋酸钠与发酵液的经济效益分析
·ρ(COD)/（mg L -1）
[2]李[3]任
昂，李健，李
燕，徐玉洁．双良型双泥系统处理低碳源城市军，马文瑾，等. 酸化液对反硝化速率的影响研
4500001040
2300209.8
废水性能研究[J].环境科技，2013,26(5)：46-51. 究[J].中国给水排水，2010，26(7)：5-8.
由表6可知，从经济效益上分析，使用发酵液作为碳源的费用要明显低于直接使用醋酸钠的费用，日节省费用在2000元左右（以荆马河厂二期为例计算）。
[4]袁光环，周兴求. 伍健东. 酸-碱处理对剩余污泥水解酸化的
影响[J].环境工程报，2013，7(3)：1145-1150.
[5]曹艳晓，龙腾锐，傅婵媛，等. 剩余污泥碱解上清液作为反硝
化碳源的回用量实验研究[J].土木建筑与环境，2010，32(1)：
5结论与建议
5.1结论
（1）通过比较各种影响污泥在水解酸化过程中
125-130.
（责任编辑
刘立娟）
第27卷第3期2014年6月
环境科技
Environmental Science and Technology
Vol．27No ．3Jun ．2014
污水处理厂内碳源利用的研究
肖思海1，
（1. 徐州市环境监测中心站，
汪
江苏
莉2
徐州
2. 徐州核瑞环保投资有限公司，
摘
要：
江苏
221006；徐州221004）
利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生的高浓度有机酸作为系统内碳源，在解决进水碳源不足的同时实现
污泥的减量，系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的资源化利用。确定了碱解的最佳pH 值为10、碱解最佳的发酵时间为3d 时，同时保证剩余污泥具有较高的污泥浓度时得到的水解酸化液体中富含的VFA 较多，完全可以替代外加碳源。结合荆马河污水处理厂运行实践，分析剩余污泥碱解发酵上清液作为污水厂内碳源的可行性。关键词：
剩余污泥；
碱解；
厌氧水解酸化；
上清液；
反硝化脱氮
中图分类号:X7文献标识码:A 文章编号:1674-4829（2014）03-0020-04
Experiment and Research of Carbon Source Utilization of Sewage Treatment Plant
XIAO
Si-hai 1，
WANG Li 2
(1.XuzhouEnvironmental Monitoring Center Station ，Xuzhou 221006,China;
2.Xuzhou herui Environmental Protection Investment Co. ，Ltd. ，Xuzhou 221004,China)
Abstract:Sludge containing high concentrations of organic acid production in the anaerobic hydrolysis acidification
phase was used as the carbon source in the system to alleviate the lack of carbon source in the inlet water and reduction of sludge. The use of carbon source in the system had also realized the resource utilization for residual sludge. When the alkaline pH solution was 10, fermentation time was 3d, meanwhile ensuring a high concentration of the residual sludge, the concentration of VFA was higher in the hydrolysis acidification liquid, which was a sufficient substitute for the external carbon source. Combined with the operation practice of Jingma River Sewage Treatment Plant, the feasibility of using residual sludge alkaline fermentation supernatant as carbon sources in sewage plant was analyzed.
Key words:Residual sludge; Alkaline hydrolysis; Hydrolysis acidification; Supernatant; Denitrification.
0引言
随着我国水污染治理工作不断深入，强化污水
问题。通过调研，对国内相关科研院所及大学实验室在内碳源研究的情况[2]有一定的了解，利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生的含高浓度碳源，作为系统补充碳源，在解决碳源不足问题的同时可实现污泥的减量，系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的资源化利用。
对此，结合一些关于污泥碱解发酵的研究结果，就剩余污泥碱解发酵上清液的制备环境与方法以及上清液作为荆马河污水处理厂内碳源的可行性进行分析。
厂的脱氮除磷效果，执行更加严格的排放标准，是未来我国改善水环境的必然选择。国内多数执行一级A 标准的污水厂运行中主要难题是TN 达标困难，其主要原因是进水碳源不足，尤其是可降解的溶解性有机物不足，直接影响了生物除磷效果及对TN 的去除率[1]。为了满足达标排放往往不得不考虑采用外加碳源的方式，强化反硝化，实现对TN 的去除，而投加外碳源会大大增加污水处理厂运行费用。以荆马河污水处理厂二期工程为例，2012年投加醋酸钠的费用，达到污水处理厂总药剂费用的70%。寻找性价比高的碳源，降低运行费用，是荆马河污水厂急需解决的
收稿日期：2014-3-22
从事环境监测和科研工作。
修回日期：2014-04-21
1反硝化脱氮与厌氧水解酸化的基本原理1.1反硝化脱氮的原理
废水生物脱氮处理过程是：在好氧条件下，通过好氧硝化菌的作用，将废水中的NH 3-N 氧化为
作者简介：肖思海（1969-），男，江苏沛县人，本科，高级工程师，主要
NO 2--N 或NO 3--N ，然后在缺氧条件下，利用反硝化菌将NO 2--N 和NO 3--N 还原为N 2，从废水中逸出。反
第27卷第3期肖思海等污水处理厂内碳源利用的研究
21
硝化原理是：反硝化菌利用有机物作为电子供体，酸化则是一类典型的发酵过程。这一阶段的基本特征是微生物代谢产物主要为各种有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）。污泥厌氧发酵产生的短链脂肪酸（特别是乙酸和丙酸）被认为是强化生物脱氮除磷过程中最易于利用的碳源。
NO 2--N 或NO 3--N 作为电子受体，进行缺氧呼吸，将NO 3-－N 和NO 2-－N 还原成N 2。反硝化过程受DO 、温
度、pH 值、碱度以及微生物抑制物的存在等环境条件的影响，而反硝化过程的进行和反硝化速率更大程度上取决于碳源的种类；尤其是适宜的碳氮比，是保证有效反硝化反应的必要条件。
反硝化是生物脱氮工艺去除TN 的关键环节，而碳源的充足与否将决定缺氧对NO 3--N 的去除效率。反硝化速率的快慢与碳源的浓度和种类有关。酸化液中含有较多易降解的小分子有机物，是生物反硝化的有效碳源。
反硝化是一个耗碳、产生碱度同时去除NO 3-－N 的过程，理论上还原1mg 的NO 3-－N 需要消耗8.67mg 的易降解COD [3]。
2剩余污泥发酵方案的确定
一般认为污泥厌氧发酵过程中不溶性有机物和高分子有机物（如脂肪、多糖、蛋白质和核酸）水解为溶解性有机物（如氨基酸和脂肪酸）的过程是污泥厌氧发酵的限制性步骤。热、化学、热-碱、超声波等多种预处理方法，都可促进污泥水解酸化，有利于后续厌氧消化。
碱处理是通过调节pH 值对污泥进行处理的化学法。pH 值是影响污泥厌氧水解酸化效果的重要因素之一。研究表明，在碱性（pH 值为9.0,10.0,11.0）条件下，溶解性化学需氧量（SCOD ）和挥发性脂肪酸（VFA ）溶出量都明显增多，碱性条件下的污泥厌氧发酵效果较好，且pH 值为10.0条件下没有CH 4产生，会积累更多的有机酸。
影响水解速度与水解程度的主要因素包括有机质颗粒的大小、pH 值、温度以及有机质的组成等。
实验结果表明碱解发酵后剩余污泥絮体逐步破解，溶解程度加强，较利于水解产酸。
1.2厌氧水解酸化机理
厌氧消化是在厌氧条件下，利用兼性菌及专性厌氧菌，使有机物经液化、气化而分解成稳定物质的过程。厌氧消化分为3个阶段。第1阶段是在水解与发酵菌作用下，使碳水化合物、蛋白质、脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及CO 2，H 2等；第2阶段是在产氢产酸菌的作用下，将第1阶段的产物转化成H 2，CO 2和乙酸；第3阶段是甲烷化过程，即通过产甲烷菌的作用，生成CH 4。
污泥的厌氧水解酸化是控制反应条件，使污泥的厌氧消化仅进行到第2阶段，类似于2相厌氧消化中的产酸相。在废水生物处理中，水解指的是有机物（基质）进入细胞前，在胞外进行的生物化学反应。
表1
指标浓度范围
泥温/℃
2.1试验材料及方法2.1.1剩余污泥及性质
剩余污泥取自荆马河污水处理厂A 2/O工艺剩余污泥储存池，剩余污泥的性质见表1。
徐州荆马河污水处理厂污泥初始性质
·SVI /（mL g -1）
·ρ（MLSS ）/（mg L -1）
·ρ（COD ）/（mg L -1）
·ρ（NH 3-N ）/（mg L -1）
·ρ（TP ）/（mg L -1）
pH 值ω(有机物)/％43~60
SV /％80~92
14.0~15.77.18~8.5060~6611078~200025~350.1~3.80.72~1.45
由表1可知，剩余污泥中的无机物含量比较高，这就加大了利用剩余污泥发酵产酸的难度，因为从传统意义来说，有机物高的剩余污泥发酵可以产生相当量大的VFA 。
左右。
2.2.2剩余污泥的碱解发酵的实验装置
进行剩余污泥碱解发酵的实验装置采用1000
mL 的烧杯作为反应器，密封，使发酵体处于厌氧状
态，为防止污泥沉淀，增加了磁力搅拌装置，保持污泥处于完全混合状态。搅拌速度为200～350r/min，在反应器内进行短期水解。
2.2剩余污泥的碱解发酵
2.2.1水解酸化液的制备与预处理
常用的碱性药剂为NaOH 和Ca(OH)2。从经济效益上来看，选择NaOH 作为水解酸化液的预处理药
剂。取剩余污泥，ρ（MLSS ）为10000mg/L以上，用NaOH 将污泥的pH 值调至10.0，其质量浓度为500mg/L
2.2.3分析项目及方法
实验的分析项目及采用方法见表2。
22
表2
指标温度
环
分析项目及方法
分析方法直接测量直接测量称重法称重法
过硫酸钾氧化紫外光分光光度计
纳氏试剂分光光度计酚二磺酸比色法氧化亚锡还原钼蓝法
境科技
2014年6月
同济大学实验室对TOC 的分析与荆马河污水厂
设备仪器温度计
的实验室对COD 的分析数据都表明：碱解发酵的发酵效果要明显好于常规发酵。
pH 值MLSS MLVSS TN NH 3－N NO 3-N TP
pH 仪
烘箱，电子天平马福炉，电子天平
3.1.2确定最佳反应时间
为确定荆马河污水处理厂的剩余污泥最佳发酵时间，将最佳发酵时间在3d 与6d 之间进行比较，通过多组反复实验得出，碱解发酵时间定在3d 发酵液中COD 的含量较高。
有研究表明，进入反应器的污泥在反应器内的平均停留时间（HRT ）升高到12h 时，VFA 的浓度和产率都逐渐升高，当HRT 为15h 时，乙酸和丙酸为主要的VFA 。不同时间段内碱解发酵的效果见表4。
表4
试验批次第1组第2组第3组第4组
·L -1不同时间段内碱解发酵COD 的质量浓度mg
发酵3d 后
发酵6d 后
DR2800分光光度计DR2800分光光度计DR2800分光光度计DR2800分光光度计
3实验结果及分析
3.1剩余污泥的碱解发酵条件对比实验
3.1.1碱解厌氧发酵与常规发酵的对比实验
在厌氧条件下，当pH 值调为碱性时，可使污泥
中的生物易降解有机物的80％以上转化为可溶性
[1**********]40
[1**********]
COD ，可溶性COD 中又有约67％转化为有机酸，有
机酸的产量是不调pH 值时的4倍左右。以下实验数据中均以COD 的量来推算发酵液中VFA 的含量。
参考同济大学实验室数据，将荆马河污水厂的剩余污泥按照2种发酵方式观察TOC 的变化情况，见图
3.1.3确定合适的污泥浓度
污泥中的有机组分主要以固态形式存在于微生物细胞和胞外聚合物中。这些物质通过水解成为小分子可溶性物质，增加了污泥液相中SCOD 的浓度。有研究表明，污泥质量浓度为15000mg/L时，同时具有较高的SCOD 溶出量和溶出率。
对此，通过多组反复试验，不同污泥浓度的剩余污泥厌氧发酵后的各项指标情况见表5。由表5可知，COD ，NH 3-N ，TP 浓度随MLSS 浓度的增加呈上升趋势。
表5
试验批次第1组第2组第3组
1。从图1很容易看出碱性发酵产生的有机物远远大于
常规发酵。对于碱性发酵，第1～3d ，TOC 呈线性增加；第2阶段为第2～8d ，TOC 变化呈现Monod 曲线型；第3阶段为第8天后，TOC 又有所增加[4]。
2500
不调pH 值pH 值=10
2000
·ρ(T O C ) /（m g L -1）
1500
不同浓度的剩余污泥厌氧发酵后的指标
ρ(MLSS)[***********]00
·mg L -1
1000
ρ(COD)[1**********]40
ρ(NH3-N) 11.222.133.839.0
ρ(TP)3.004.024.685.92
500
246810第4组
t /d
图12种发酵方式下TOC 的变化情况
在此基础上，通过多组试验得出对比数据见表
3.2反硝化对比实验
3.2.1反硝化实验数据
酸化液中的有机碳在反硝化过程中可以分为易被反硝化菌利用的有机碳和难被反硝化利用的有机碳，酸化液投加量越大，易于被反硝化菌利用的有机碳含量就越多。
对不同类型的碳源进行分析，确定在同等COD 含量下，进行2组反硝化对比试验。对比醋酸钠作为碳源时反应器内NO 3--N 的去除率，上清液作为碳
3，碱解发酵3d 后产生的COD 的含量要明显高于常
规发酵。
表3
试验批次第1组第2组第3组第4组
不同发酵方式下COD 的质量浓度分析
试验前
常规发酵
·mg L -1
碱解厌氧发酵
25353233
4190134269
[1**********]40
第27卷第3期肖思海等污水处理厂内碳源利用的研究
23
源时反硝化发酵液的NO 3--N 的去除率稍低，在35%左右。但是，从费用上分析，在上清液的COD 含量达到较高数值时将反硝化发酵液作为碳源经济利益较好[5]。
SCOD 的变化以及NH 3-N 、正磷酸盐的释放情况，可知在碱解的最佳pH 值设为10，最佳的发酵时间设
为3d ，同时保证剩余污泥具有较高的污泥浓度时得到的水解酸化液体中富含的VFA 较多，适合作为内碳源使用。
（2）利用剩余污泥在厌氧水解酸化阶段产生含高浓度碳源的上清液作为系统补充碳源，替代了外碳源的投加，在解决碳源不足问题的同时实现污泥的减量，系统内碳源的使用也实现了剩余污泥的资源化利用。
（3）从经济效益上分析，使用剩余污泥碱解发酵后可以减少购买醋酸钠的费用，但同时也会增加碱性药剂的费用。单纯从去除TN 的经济效益分析中可以看出，按荆马河污水厂二期运行状况计算，1年可以节省约70万元的药剂费用。
4经济效益分析
4.1碳源分析
4.1.1醋酸钠的用量及费用
根据荆马河二期工程运行情况计算，目前日均处理水量3.5万t ，进水ρ(COD)为150～200mg/L,
ρ(NH3-N) 为25～30mg/L,ρ(TN)为35～40mg/L,未加碳源时出水ρ(TN)约为17mg/L，需要去除2～3mg/L左右的NO 3--N 才能保证出水TN 达标。所需要投加的醋酸钠为1t/d，1t 醋酸钠的COD 质量浓度约为450000mg/L，费用为2300元/t。
每日购置醋酸钠所需费用：M =2300元。4.1.2发酵液的用量及费用
（1）碱性药剂的用量及费用
采用发酵实验数据中COD 质量浓度为1040mg/L的发酵液作为分析对象，计算得出：
要达到出水达标排放所需要的发酵液的用量为
5.2建议
（1）实际污水处理工艺中，脱氮和除磷是密切联系的。研究结果表明上清液回用引入P 对系统TP 的去除影响较大，当P 发生积累时，也可能影响到脱氮。建议在进一步研究中，在污水处理工艺中增加除磷阶段。
（2）由于采用反应器小试试验与实际处理工艺存在一定的差距，建议上清液回用试验可进行更大规模的试验研究，以提供接近于实际情况的数据，也有助于更为精确的确定发酵池的建造规模及运行动力设备的选型。
（3）在碱解药剂的分析上仅对工业碱NaOH 进行了分析，为达到降低生产成本、节约能耗的目的，建议寻找性价比更高的碱性药剂，如生产废液、废料作为碱解的药剂。
Q =432.7T 。
按照NaOH 单价为600元/t，计算得出：
每日购置NaOH 所需费用：M NaOH =129.8元。（2）运行电耗
按照设置1台4kW 的推流器计算，每日的电费为M 电=80元。
（3）其他费用
由于此次实验属于反应器小试试验，无法精确计算出发酵池的容积，所以暂不计算发酵池建设投资与运行动力设备投资。
（4）发酵液的总费用（仅药剂与电力费用）
M 总=209.8元
醋酸钠与发酵液的经济效益分析见表6。
表6
碳源类型醋酸钠（55%）
发酵液
[参考文献]
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改造状况调查与问题分析[J].环境科技，2013,26(6)：64-66.
费用/元
醋酸钠与发酵液的经济效益分析
·ρ(COD)/（mg L -1）
[2]李[3]任
昂，李健，李
燕，徐玉洁．双良型双泥系统处理低碳源城市军，马文瑾，等. 酸化液对反硝化速率的影响研
4500001040
2300209.8
废水性能研究[J].环境科技，2013,26(5)：46-51. 究[J].中国给水排水，2010，26(7)：5-8.
由表6可知，从经济效益上分析，使用发酵液作为碳源的费用要明显低于直接使用醋酸钠的费用，日节省费用在2000元左右（以荆马河厂二期为例计算）。
[4]袁光环，周兴求. 伍健东. 酸-碱处理对剩余污泥水解酸化的
影响[J].环境工程报，2013，7(3)：1145-1150.
[5]曹艳晓，龙腾锐，傅婵媛，等. 剩余污泥碱解上清液作为反硝
化碳源的回用量实验研究[J].土木建筑与环境，2010，32(1)：
5结论与建议
5.1结论
（1）通过比较各种影响污泥在水解酸化过程中
125-130.
（责任编辑
刘立娟）