生物污泥的減量化研究

1、一、污泥減量化研究的意義一、污泥減量化研究的意義我國(guó)工業(yè)廢水的處理大多采用活性污泥法，它具有基建投資省、處理效果好的優(yōu)點(diǎn)，但它一直存在一個(gè)最大的弊端，那就是在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥。剩余污泥通常含有相當(dāng)量的有毒有害物質(zhì)及未穩(wěn)定化的有機(jī)物，如果不進(jìn)行妥善的處理與處置，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成直接或潛在的污染。在傳統(tǒng)活性污泥法中，每降解1kgBOD5(biochemical Oxygen Demand，五日生化需氧量)會(huì)產(chǎn)生大約15100 L的剩余污泥，用于處理或處置剩余污泥的費(fèi)用約占污水處理總費(fèi)用的25%65%。隨著一些新環(huán)境法的頒布和實(shí)施，對(duì)污水處理要求的深度和廣度都大幅增加，必然會(huì)導(dǎo)致剩余污泥

2、的產(chǎn)量越來(lái)越大，顯而易見(jiàn)，污泥的處理與處置將成為環(huán)境領(lǐng)域的一大難題。 目前對(duì)剩余污泥的處理與處置，存在有效性和經(jīng)濟(jì)性兩方面的問(wèn)題，首先，尚無(wú)一種可以推而廣之同時(shí)對(duì)環(huán)境無(wú)污染的有效方法，常用的污泥處置方法有農(nóng)業(yè)利用、填埋、焚燒和投放遠(yuǎn)洋等，但這些處置方法無(wú)一例外地都存在弊端。如污泥中重金屬的含量通常超過(guò)農(nóng)用污泥重金屬最高限量的規(guī)定，尤其是現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，使污泥中重金屬含量和有毒有害物質(zhì)增加，大大降低了農(nóng)用的可能。此外，污泥中還含有病原體、寄生蟲(chóng)卵等，如果農(nóng)業(yè)利用不當(dāng)，將對(duì)人類的健康造成嚴(yán)重的危害。填埋處置容易對(duì)地下水造成污染，同時(shí)大量占用土地。焚燒處置雖然可以使污泥體積大幅減小，且可滅菌，但

3、焚燒設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用都比較大。投放遠(yuǎn)洋雖然在短期內(nèi)可以避免海岸線及近海受到污染，但其長(zhǎng)期危害可能非常嚴(yán)重，因此，已被世界上大多數(shù)國(guó)家所禁用。 其次，各種污泥處理與處置方法需要的資金巨大，如在歐美，污泥處理基建費(fèi)用占污水處理廠總基建費(fèi)用的比例高達(dá)6070%。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，世界各國(guó)對(duì)于污泥排放所制定的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，這也將進(jìn)一步加大污泥的處置費(fèi)用和難度 剩余污泥的處理和處置不僅給污水處理廠帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)，而且也成為各國(guó)政府和民眾密切關(guān)注的問(wèn)題。因此，解決剩余污泥問(wèn)題已迫在眉睫。污泥減量技術(shù)正是在這一背景下提出的，所謂污泥減量技術(shù)，就是在保證污水處理效果的前提下，采用適當(dāng)?shù)拇胧┦固幚硐?/p>

4、同量的污水所產(chǎn)生的污泥量降低的各種技術(shù)，顯而易見(jiàn)，污泥減量化技術(shù)有著顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 二、污泥減量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展二、污泥減量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 活性污泥工藝是應(yīng)用最廣泛的處理生活污水和工業(yè)廢水的方法, 但是它的一個(gè)主要缺點(diǎn)是污泥產(chǎn)量大, 典型的產(chǎn)泥率是0.5%。由于污泥中含有重金屬和病原體, 對(duì)人和生物的健康有危險(xiǎn), 限制了污泥的土地利用, 而可用土地也在逐漸減少, 污泥的最終處置越來(lái)越困難, 這使人們開(kāi)始重視能減少污泥產(chǎn)量的處理工藝。最理想得方法是在污水處理過(guò)程中, 同時(shí)減少泥的產(chǎn)量, 而又不影響工藝的效果。污泥減量技術(shù)是指在保證污水處理效果的前提下, 采用適當(dāng)措施使處

5、理相同量污水所產(chǎn)生污泥量降低的各種技術(shù)。過(guò)去的常規(guī)處理現(xiàn)在的技術(shù)改進(jìn)將要實(shí)現(xiàn) 三、污泥減量化的幾種工藝三、污泥減量化的幾種工藝 目前用于污泥減量化的技術(shù)主要有三類，一類是基于細(xì)胞溶解(或分解)隱性生長(zhǎng)的污泥減量技術(shù)；第二類是增加系統(tǒng)中細(xì)菌捕食者的數(shù)量，是模擬自然生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈原理進(jìn)行的污泥減量化技術(shù)；還有一類是采用化學(xué)或生物方法促進(jìn)解偶聯(lián)代謝，造成能量泄漏，從而使生物生長(zhǎng)效率下降。 1 解偶聯(lián)技術(shù) 1.1解偶聯(lián)活性污泥工藝 大部分細(xì)菌從氧化磷酸化獲得ATP ,在這個(gè)過(guò)程中,電子通過(guò)電子運(yùn)輸系統(tǒng)( ETS) 從高能量水平的電子源(底物) 轉(zhuǎn)移至最終電子受體(氧氣) 。按Mitchell 的觀

6、點(diǎn),直接利用由電子運(yùn)輸建立的質(zhì)子梯度分子被稱為質(zhì)子ATP 酶泵,它可被迫逆向運(yùn)行。如果正向運(yùn)行,泵可利用ATP 水解釋放的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)質(zhì)子穿過(guò)膜,但在產(chǎn)生ATP 的胞內(nèi)系統(tǒng)中,泵也可在由電子運(yùn)輸產(chǎn)生的質(zhì)子梯度的作用下反向驅(qū)動(dòng)。已知這種氧化磷酸化的化學(xué)滲透機(jī)制能被有機(jī)質(zhì)子載體有效地解偶聯(lián),如2 , 4 - 二硝基苯酚(dNP) 、對(duì)- 硝基苯(pNP) 、五氯酚( PCP) 和3 ,3,4,5 - 四氯水楊酰苯胺( TCS) 。在有機(jī)質(zhì)子載體存在下大部分底物被氧化為二氧化碳,而不是用于生物合成,所以在解偶聯(lián)活性污泥工藝中污泥產(chǎn)率很低。 基于上述原理,許多研究的重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)解偶聯(lián)工藝以減少剩余污泥產(chǎn)

7、生。Low 等人 報(bào)道在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的活性污泥系統(tǒng)中,當(dāng)加入pNP 后生物量的產(chǎn)生可減少49 % ,當(dāng)pNP 濃度達(dá)120 mg/ L 時(shí)無(wú)剩余污泥產(chǎn)生。應(yīng)當(dāng)指出,大部分有機(jī)質(zhì)子載體是非生物性的,對(duì)環(huán)境可能有毒,故應(yīng)用要相當(dāng)謹(jǐn)慎。TCS 是這些解偶聯(lián)劑中最安全可靠的,已被廣 泛用做肥皂、樹(shù)脂、香波等的配料。Cook 和Russell發(fā)現(xiàn),在含微生物的培養(yǎng)物中,大部分底物通過(guò)能量解偶聯(lián)氧化,而不是通過(guò)生物合成。在活性污泥的分批培養(yǎng)基中,Chen 等人也報(bào)道了在TCS 濃度為0. 8 mg/ L 時(shí)污泥生長(zhǎng)率下降了78 % ,但對(duì)底物去除動(dòng)力學(xué)并沒(méi)有重大影響。 可以確信,解偶聯(lián)生物化學(xué)過(guò)程的能量消耗

8、是一種減少活性污泥產(chǎn)生的有效途徑。Okey 和Stensel報(bào)道了由有機(jī)質(zhì)子載體誘導(dǎo)的能量解偶聯(lián)在Phoenix 和Arizona 污水處理廠的工業(yè)化運(yùn)用,此技術(shù)的負(fù)效應(yīng)是對(duì)氧氣的需求增大。純氧曝氣工藝和代謝解偶聯(lián)技術(shù)的聯(lián)合對(duì)于剩余污泥減量化將是一種創(chuàng)新而有效的生物技術(shù)。 1.2 高S0 /X0 比率 在高S0 /X0 (COD /生物量) 條件下, 存在過(guò)剩能源, 由于微生物在分解代謝中產(chǎn)生ATP 的速率要大于在合成代謝中消耗的速率。引起合成代謝和分解代謝的解偶聯(lián), 機(jī)理有兩種解釋: 1) 積累的能量通過(guò)粒子在細(xì)胞膜兩側(cè)的傳遞削弱了跨膜電勢(shì), 隨后發(fā)生氧化磷酸化解偶聯(lián); 2) 生物體內(nèi)部新陳

9、代謝途徑中減少了糖酵解的過(guò)程。但是高S0 /X0 要求值大于8, 而實(shí)際生活污水S0 /X0 值是0.01 0.13 mgCOD /mgMLSS, 所以高S0 /X0 條件下的解偶聯(lián)技術(shù)還不能用于實(shí)際的污水處理。 1.3 改進(jìn)活性污泥系統(tǒng)解偶聯(lián) 好氧- 沉淀- 厭氧(OSA) 是一種改進(jìn)活性污泥系統(tǒng), 在污泥回流過(guò)程中插人厭氧池。使好氧微生物在好氧段所產(chǎn)生的ATP在底物缺乏的厭氧段被消耗不能用于細(xì)胞合成, 從而降低污泥產(chǎn)量。Chudoba報(bào)道應(yīng)用OSA工藝污泥產(chǎn)量范圍是0.13 0.29 kg SS/kgCOD去除, COD、P去除率和污泥沉淀性能有所提高。而Saby則在氧化池中加入膜, 通過(guò)

10、試驗(yàn)認(rèn)為厭氧池氧化還原電位(ORP) 是控制參數(shù), 當(dāng)ORP在-250 mV時(shí)污泥產(chǎn)量比+ 100 mV時(shí)減少35% 。 2 隱性生長(zhǎng) 隱性生長(zhǎng)是指細(xì)菌利用衰亡細(xì)菌所形成的二次基質(zhì)生長(zhǎng)，整個(gè)過(guò)程包括了溶胞和生長(zhǎng)。圖1-1表示傳統(tǒng)的細(xì)胞衰減模式，圖1-2表示細(xì)胞衰減的溶解再生長(zhǎng)模式。這就需要利用各種溶胞技術(shù)，使細(xì)菌迅速死亡并分解為基質(zhì)再次被其他細(xì)菌所利用，從而使細(xì)胞殘留物減少。促進(jìn)細(xì)胞溶解。在傳統(tǒng)模型中，可以認(rèn)為是增大了細(xì)胞衰減速率，這樣可以降低剩余污泥的產(chǎn)量。目前有幾種方法促進(jìn)微生物的細(xì)胞溶解：降低污泥負(fù)荷比例(提高污泥濃度)、增加污泥齡、提高溫度改變工藝運(yùn)行操作方式的方法；采用臭氧、堿、酸等

11、化學(xué)處理方法；以及超聲波或機(jī)械破碎分解等物理處理方法。這幾種方法既可單獨(dú)使用，又可綜合使用。 2.1 生物反應(yīng)器 膜生物反應(yīng)器可以將生物污泥全部截留在反應(yīng)器內(nèi), 延長(zhǎng)了污泥停留時(shí)間, 由于污泥齡長(zhǎng), 能夠使原生動(dòng)物和后生動(dòng)物穩(wěn)定存在, 形成較長(zhǎng)的微生物生態(tài)鏈, 使污泥達(dá)到自身氧化降解, 因而剩余污泥產(chǎn)量少, 甚至可以達(dá)到無(wú)剩余污泥排放。Rosenberger研究了膜生物反應(yīng)器后發(fā)現(xiàn)在15 23 g/ l高污泥濃度和0.07 kgCOD ( kgMLSS) - 1 d-1低F /M比率的試驗(yàn)條件下, 可以達(dá)到污泥產(chǎn)量的零排放。 吳敏等運(yùn)行蚯蚓生物反應(yīng)器發(fā)現(xiàn), 當(dāng)水力負(fù)荷為5.3 6.6 m3 /

12、 (m2 d) 時(shí), 蚯蚓生物反應(yīng)器對(duì)生物膜污泥揮發(fā)性懸浮固體(VSS) 降解率為86.67% 96.20% , 蚯蚓的增殖和糞的積累在長(zhǎng)期的生態(tài)循環(huán)中并不明顯。劉宏波等研究了自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器, 利用蠕蟲(chóng)減少污泥產(chǎn)量, 發(fā)現(xiàn)能夠污泥濃度控制在4 000 mg/ l左右, 并改善污泥的沉降及脫水性能。 2.2 合建式曝氣池 此工藝是在常規(guī)活性污泥工藝( CAS) 中直接培養(yǎng)或接種原、后生動(dòng)物。梁鵬等在合建式曝氣池中接種紅斑瓢體蟲(chóng), 發(fā)現(xiàn)污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)的相對(duì)減量值為39% 58% 之間, 污泥沉降性能良好, 同時(shí)對(duì)COD氨氮和TP的去除效果沒(méi)有明顯影響。白潤(rùn)英等在合建式曝氣池中接種卷貝, 發(fā)

13、現(xiàn)卷貝對(duì)污泥的相對(duì)減量約為40% , 絕對(duì)減量為37.5 mgVSS/ (L*d), 對(duì)COD、氨氮和總磷的去除不會(huì)產(chǎn)生影響,對(duì)污泥沉降性能也影響不大。 2.3 臭氧處理 臭氧是強(qiáng)的化學(xué)氧化劑, 可以氧化細(xì)胞壁、細(xì)胞膜, 使破壞膜內(nèi)脂蛋白和脂多糖, 導(dǎo)致細(xì)胞溶解、死亡, 并且氧化污泥中不容易水解的大分子物質(zhì), 成為可以被生物利用的無(wú)機(jī)物, 同時(shí)部分污泥被臭氧直接氧化成CO2, NO32, H2O等無(wú)機(jī)物, 從而使污泥減量。Yasui等研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)臭氧化回流污泥量是剩余污泥量的3.3倍, 臭氧投量為0.015 kgO3 /kgSS時(shí), 基本上達(dá)到了剩余污泥的零排放。王嶸等將臭氧通入SBR反應(yīng)器

14、中進(jìn)行同步臭氧氧化。發(fā)現(xiàn)當(dāng)臭氧投加量從零增加到0.04 O3 /gSS時(shí)污泥產(chǎn)率從0.45 gSS/gSCOD減少到-0.04 g SS/gSCOD; 對(duì)水水質(zhì)沒(méi)有顯著影響。 污泥臭氧化減量技術(shù)很容易和現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合使用, 經(jīng)臭氧化后的污泥回流至反應(yīng)器中能提高系統(tǒng)的反硝化能力, 并改善了污泥的沉降性能, 但是存在自處理成本高, 出水水質(zhì)變差, 特別是出水中N、P含量高等問(wèn)題, 限制了應(yīng)用。 2.4 超聲波 超聲波降解污泥主要利用聲波的能量。在液體中產(chǎn)生空化作用, 形成大量空化氣泡, 瞬間破滅時(shí)產(chǎn)生高溫( 5000 K)、高壓( 500 104 ), 同時(shí)液體中會(huì)產(chǎn)生剪切力很高的射流

15、( 40 km /h) , 可以壓碎細(xì)胞壁、釋放細(xì)胞內(nèi)含物。超聲波可以提高沼氣產(chǎn)率, Clark研究發(fā)現(xiàn)在15 d的發(fā)酵時(shí)間下, 超聲波預(yù)處理2d可以提高沼氣產(chǎn)量61% , 而在12 d發(fā)酵時(shí), 幾乎沒(méi)有變化。 而曹秀芹等發(fā)現(xiàn)在聲能密度0.25 0.50W /ml范圍內(nèi), 處理1 30m in, 剩余污泥產(chǎn)量可以減20% 50% 左右。目前, 關(guān)于污泥超聲減量化的研究主要在于超聲條件對(duì)促進(jìn)污泥厭氧和好氧減量化的影響, 以及超聲對(duì)污泥的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的影響, 對(duì)動(dòng)力學(xué)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)有待進(jìn)一步研究。 2.5 堿解 在污泥厭氧消化前向污泥中投加堿進(jìn)行預(yù)處理可使固體有機(jī)質(zhì)溶解, 并且消化過(guò)程中的

16、產(chǎn)氣量以及對(duì)有機(jī)碳和VSS的去除率也隨之提高。楊潔等研究了污泥堿解的預(yù)處理方法, 發(fā)現(xiàn)在投堿量為1 gNaOH /gTS的情況下, 揮發(fā)性懸浮固體的分解率可達(dá)62.05% 。Rocher等研究比較了熱處理、酸、堿對(duì)細(xì)胞溶解的影響, 發(fā)現(xiàn)在pH = 10和60 時(shí), 經(jīng)過(guò)20min, 污泥產(chǎn)率是常規(guī)工藝的38% 43% 。 3 其它減量方法 3.1淹沒(méi)式生物膜法 通過(guò)在污水反應(yīng)池中投加填料, 利用在填料上生長(zhǎng)的生物膜進(jìn)行污泥減量處理。王寶貞等在設(shè)計(jì)使用了淹沒(méi)式生物膜曝氣池生物工藝, 在運(yùn)行一年中沒(méi)有剩余污泥的產(chǎn)生和排放。仉春花和肖仲斌等進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 發(fā)現(xiàn)可以較好的降低污泥產(chǎn)量。 3.2 二氧

17、化氯氧化 其原理與臭氧相似, 通過(guò)強(qiáng)氧化作用破壞細(xì)胞并氧化污泥。傅金祥等試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)每g干污泥投加10.0mgClO2 能使活性污泥處理系統(tǒng)1個(gè)月不排泥, 但是出水色度、濁度、COD有所升高。 3.3 接種酶或生物制劑 接種嗜熱酶或者生物制劑, 與原有的活性污泥結(jié)合進(jìn)行處理。趙維納等在剩余污泥中接種了嗜熱菌的馴化種泥, 發(fā)現(xiàn)在65 , 處理120 h后, TSS和VSS的最大溶解率可分別提達(dá)31.94%和48.04% 。李俊等使用MCMP生物制劑在某污水廠進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)后, 系統(tǒng)運(yùn)行6個(gè)月沒(méi)有外排污泥。 4剩余污泥減量化可能產(chǎn)生的負(fù)面影響 剩余污泥的減量化可以降低污泥處理與處置的費(fèi)用，提高運(yùn)行效

18、率和降低污泥處置的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等，但也可能產(chǎn)生其他一些經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行和環(huán)境問(wèn)題，必須加以考慮。 4.1污泥的沉降性能 傳統(tǒng)混合曝氣工藝?yán)缁钚晕勰喙に?，要求污泥絮體具有良好的沉降性，以保證出水質(zhì)量和濃厚的回流污泥，提高曝氣池中的污泥濃度。污泥種群動(dòng)力學(xué)和表面化學(xué)極大地影響了反應(yīng)器的這些運(yùn)行性能。污泥沉降性的改變是與微生物中絮體形成細(xì)菌和絲狀菌之間的平衡相關(guān)。胞外多聚體的和陽(yáng)離子濃度也與沉降性有關(guān)。采用污泥減量化技術(shù)可能對(duì)不同種類生物的生長(zhǎng)速率影響不同，從而改變種群動(dòng)力學(xué)。種群動(dòng)力學(xué)的改變反過(guò)來(lái)也可能對(duì)污泥的沉降性產(chǎn)生不利影響，如凝絮能力差、絲狀菌繁殖導(dǎo)致污泥膨脹。因此對(duì)混合微生物種群進(jìn)行脅迫作用時(shí)，必

19、須謹(jǐn)慎對(duì)待以確保出水質(zhì)量和工藝的運(yùn)行效能不至于受到影響。 4.2需氧量 降解廢水中的污染物為呼吸產(chǎn)物的過(guò)程，在減少污泥處置量的同時(shí)增加了對(duì)氧氣的需求量。其增加的能源費(fèi)用必須加以考慮。 4.3營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除 污泥產(chǎn)率的下降將導(dǎo)致污水中氮去除量下降，因?yàn)槲鬯械牟糠值赝癁槲勰?。同理，?xì)胞物質(zhì)的進(jìn)一步代謝也將向水體釋放氮素。因此，污泥的減量化技術(shù)可能因污泥的同化作用，而使其他一些物質(zhì)從污水中去除率下降(如含氮化合物和磷)。這些物質(zhì)的排放將導(dǎo)致受納水體的富營(yíng)養(yǎng)化和脫氧。出水可能需三級(jí)處理,而三級(jí)硝化過(guò)程還將進(jìn)一步增加對(duì)氧氣的需求量。 污泥產(chǎn)量的不斷增加給其后續(xù)處理處置帶來(lái)了沉重壓力, 污泥的減量化是解決污泥出路的最佳處置方法。各種的污泥處理方法各有利弊。目前這些污泥減量化技術(shù)的機(jī)理和參數(shù)還需要進(jìn)一步研究, 出水質(zhì)量還有待提高, 隨著這些問(wèn)題的逐步解決, 污泥減量工藝將得到更廣泛的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn): 1 Metcal,f Eddy1Wastewater engin eering: