污水處理廠污泥減量技術(shù)

污水處理廠污泥減量技術(shù)1.1污泥減量化研究意義我國工業(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，但它一直存在一個最大的弊端，那就是在運行過程中會產(chǎn)生大量的剩余污泥。剩余污泥通常含有相當量的有毒有害物質(zhì)及未穩(wěn)定化的有機物，如果不進行妥善的處理與處置，將會對環(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（biochemicalOxygenDemand，五日生化需氧量）會產(chǎn)生大約15?100L的剩余污泥，用于處理或處置剩余污泥的費用約占污水處理總費用的25%?65%［1］。隨著一些新環(huán)境法的頒布和實施，對污水處理要求的深度和廣度都大幅增加，必然會導(dǎo)致剩余污泥的產(chǎn)量越來越大，顯而易見，污泥的處理與處置將成為環(huán)境領(lǐng)域的一大難題。目前對剩余污泥的處理與處置，存在有效性和經(jīng)濟性兩方面的問題，首先，尚無一種可以推而廣之同時對環(huán)境無污染的有效方法，常用的污泥處置方法有農(nóng)業(yè)利用、填埋、焚燒和投放遠洋等⑵，但這些處置方法無一例外地都存在弊端。如污泥中重金屬的含量通常超過農(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⑵。此外，污泥中還含有病原體、寄生蟲卵等，如果農(nóng)業(yè)利用不當，將對人類的健康造成嚴重的危害。填埋處置容易對地下水造成污染，同時大量占用土地。焚燒處置雖然可以使污泥體積大幅減小，且可滅菌，但焚燒設(shè)備的投資和運行費用都比較大⑶。投放遠洋雖然在短期內(nèi)可以避免海岸線及近海受到污染，但其長期危害可能非常嚴重，因此，已被世界上大多數(shù)國家所禁用［1］。其次，各種污泥處理與處置方法需要的資金巨大，如在歐美，污泥處理基建費用占污水處理廠總基建費用的比例高達60?70%囹。隨著人們環(huán)保意識的增強，世界各國對于污泥排放所制定的標準越來越嚴格，這也將進一步加大污泥的處置費用和難度。剩余污泥的處理和處置不僅給污水處理廠帶來沉重的負擔，而且也成為各國政府和民眾密切關(guān)注的問題。因此，解決剩余污泥問題已迫在眉睫。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?shù)拇胧┦固幚硐嗤康奈鬯a(chǎn)生的污泥量降低的各種技術(shù)，顯而易見，污泥減量化技術(shù)有著顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。1.2國內(nèi)外污泥減量技術(shù)的研究進展目前用于污泥減量化的技術(shù)主要有三類，一類是基于細胞溶解（或分解）一隱性生長的污泥減量技術(shù);第二類是增加系統(tǒng)中細菌捕食者的數(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)或生物方法促進解偶聯(lián)代謝，造成能量泄漏，從而使生物生長效率下降。這些方法都有各自的優(yōu)缺點，現(xiàn)將各類技術(shù)介紹如下：1.2.1基于隱性生長的污泥減量技術(shù)隱性生長是指細菌利用衰亡細菌所形成的二次基質(zhì)生長，整個過程包括了溶胞和生長⑸。圖1-1表示傳統(tǒng)的細胞衰減模式，圖1-2表示細胞衰減的溶解再生長模式。這就需要利用各種溶胞技術(shù)，使細菌迅速死亡并分解為基質(zhì)再次被其他細菌所利用，從而使細胞殘留物減少。促進細胞溶解。在傳統(tǒng)模型中，可以認為是增大了細胞衰減速率，這樣可以降低剩余污泥的產(chǎn)量。目前有幾種方法促進微生物的細胞溶解:降低污泥負荷比例（提高污泥濃度）、增加污泥齡、提高溫度改變工藝運行操作方式的方法；采用臭氧、堿、酸等化學(xué)處理方法；以及超聲波或機械破碎分解等物理處理方法。這幾種方法既可單獨使用，又可綜合使用。

北京建筑工程學(xué)院曹秀芹等人［6］在活性污泥系統(tǒng)中采用超聲波處理剩余污泥。超聲波通過交替的壓縮和擴張產(chǎn)生空穴作用，促進微氣泡的形成、擴張和破裂，壓碎細胞壁、釋放細胞內(nèi)所含的成分和細胞質(zhì)。細胞溶解加快，從而達到污泥脫水和減量。結(jié)果表明，在聲能密度0.25?0.50W/ml范圍內(nèi)，經(jīng)過1?30min的超聲波處理，系統(tǒng)表觀產(chǎn)率顯著下降，剩余污泥產(chǎn)量可以減少20%?50%左右，同時污泥沉降性能得到改善，但活性污泥系統(tǒng)的出水水質(zhì)略有下降。日本學(xué)者Yasui等［7］早在1990年就率先提出了臭氧與傳統(tǒng)活性污泥工藝結(jié)合的污泥減量技術(shù)，工藝流程如圖1-3,即在常規(guī)的活性污泥工藝中，增加一套臭氧處理裝置，把部分回流污泥引入臭氧處理器中，污泥經(jīng)過臭氧處理后再返回到曝氣池中，達到污泥和污水雙重處理的功效。在此工藝中，剩余污泥的消化與污水處理在同一個曝氣池中同時進行。工藝分成兩個過程，一個是臭氧氧化過程，另一個是生物降解過程。試驗表明，當曝氣池中臭氧的日投量為10mg（以每克MLVSS計）時，剩余污泥產(chǎn)量減少50%。Sebustien［8］等采用氯來進行污泥量的研究，整個工藝類似臭氧化工藝。結(jié)果表明，當氯的投加量為133mg/g?MLSS?d時，污泥產(chǎn)量減少了65%。但氯化處理會產(chǎn)生比較差的污泥沉淀性以及出水中溶解性COD（ChemicalOxygenDemand，化學(xué)需氧量）的明顯增加，此外，氯化過程中會產(chǎn)生三氯甲烷等具有危害性的副產(chǎn)物，這些給此技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用帶來一定的挑戰(zhàn)。AbbassM等對高濃度溶解氧與污泥產(chǎn)量關(guān)系進行了小試研究，結(jié)果表明，當溶解氧從1.8mg/L增加到6.0mg/L時，剩余污泥產(chǎn)生量從0.28mgMLSS/mgBOD5下降到0.2mgMLSS/mgBOD5oMason和Hamer［10］采用混合高溫細菌種群，研究了細胞溶解產(chǎn)物的最適消化條件。面包酵母作為唯一的有機碳源懸浮于無機鹽培養(yǎng)基中，連續(xù)向反應(yīng)器提供這種培養(yǎng)基，改變溫度和供氧量，細胞溶解和生物降解的最佳條件是60°C、氧氣限制、5天停留時間，污泥可減少52%。降低污泥負荷、增加污泥齡等可以使微生物的細胞溶解。Stall和Sherrard［11］報道，當污泥齡從2d增加至18d時剩余污泥產(chǎn)量下降60%，但COD去除率不變。Wunderlich^］等人報道，在高純氧活性污泥系統(tǒng)中，當污泥齡從3.7d增到8.7d時，污泥產(chǎn)量從0.38mg/mgCOD降至0.28mg/mgCOD。1991年，在膜生物反應(yīng)器處理生活污水的小試中，Chaize和Huyard首次研究了膜生物反應(yīng)器對污泥產(chǎn)率的影響。在污泥停留時間為50d和100d時，污泥產(chǎn)量大大減少，他們認為這是低污泥負荷比值和較長污泥齡的結(jié)果。膜生物反應(yīng)器處理生活污水的中試研究表明，當污泥濃度高達40?50g/L和污泥完全截留時，幾乎不產(chǎn)生污泥。我國學(xué)者楊造燕［13］利用膜生物反應(yīng)器，將污泥全部截留在反應(yīng)器內(nèi)，使得反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度很高，污泥負荷底，且污泥泥齡很長，出水水質(zhì)很好，污泥自身氧化，減少剩余污泥產(chǎn)量，甚至達到無剩余污泥排放。1.2.2基于微型動物捕食的污泥減量技術(shù)此類技術(shù)是利用微型動物對污泥捕食?；钚晕勰嗵幚磉^程是水體自凈過程的模擬與人工強化，是一個人工生態(tài)系統(tǒng)，其中一般包括細菌、原生動物和輪蟲、線蟲、寡毛類、昆蟲幼蟲等后生動物［14］。污水中的溶解性有機污染物首先被細菌消耗，處于不同狀態(tài)的細菌，又被不同種類的微型動物所捕食，形成復(fù)雜的食物鏈（細菌一原生動物一后生動物）關(guān)系。眾所周知，由于低效的生物轉(zhuǎn)換，能量在從低營養(yǎng)級（細菌）向高營養(yǎng)級（原生動物和后生動物）的傳遞中發(fā)生損失，從生態(tài)學(xué)角度看，系統(tǒng)中存在的食物鏈越長，傳遞中的能量損失就越大，那么用來合成生物體的能量就越少，所以減少生物量的一個方法是根據(jù)生態(tài)原理，在食物鏈中極大地促進捕食細菌的生物體生長。原生動物是活性污泥中最常見的細菌捕食者，可分為游離型、爬行型和附著型三種，約占生物體總量的5%U5］，其中70%的原生動物是纖毛蟲，后生動物通常為線蟲和輪蟲。纖毛蟲類原生動物被認為是出水水質(zhì)良好的指示生物，在污水處理系統(tǒng)中原生動物和后生動物的存在是生物種群健康成熟的標志U6］。目前，利用微型動物捕食作用進行污泥減量的手段17］主要包括直接接種微型動物和兩段式工藝兩種。直接接種微型動物是在常規(guī)污水處理系統(tǒng)中培養(yǎng)微型動物（如在傳統(tǒng)活性污泥法或膜一生物反應(yīng)器的曝氣池中培養(yǎng)微型動物）。我國的瞿小蔚等［18］采用兩段式膜生物反應(yīng)器作為原生動物的哺育系統(tǒng)，培養(yǎng)富含原生動物的污泥，然后將其定期接種于普通活性污泥中，污泥產(chǎn)率由0.02kg泥/kgCOD減小至-0.47kg泥/kgCOD,同時污泥絮凝沉降性能得到改善，系統(tǒng)的COD去除率、硝化率得到提高，出水懸浮物濃度得以降低。Rensink等人[19]則是利用蠕蟲來減少剩余污泥量，在對比試驗中，沒有蠕蟲的反應(yīng)器污泥產(chǎn)率系數(shù)是0.4gMLSS/gCOD，而接種蠕蟲的反應(yīng)器污泥產(chǎn)率系數(shù)0.16gMLSS/gCOD，減量效果是明顯的。清華大學(xué)錢易等人[20]利用紅斑瓢體蟲來減少剩余污泥產(chǎn)量，結(jié)果表明，污泥產(chǎn)率系數(shù)與紅斑瓢體蟲密度成負相關(guān)，剩余污泥減量效果達到39%?58%，此外，紅斑瓢體蟲的存在有利于改善污泥的沉降性能，且對COD、氨氮和總磷的去除效果影響不大。所謂兩段法[21]，第一段為分散細菌培養(yǎng)階段（分散培養(yǎng)反應(yīng)器），促進分散細菌生長的同時達到對污水中有機物的降解。其目的是在細菌高速降解有機物的同時不形成菌膠團，其固體停留時間要小于細菌的世代時間；第二階段為捕食階段（捕食反應(yīng)器），促進原、后生動物的生長。在第二階段中為了保持一定量的原、后生動物的生長，要求污泥齡長于水力停留時間。該階段可以利用生物膜法工藝或膜一生物反應(yīng)器達到要求。兩階段法中第一階段使細菌能夠在分散的狀態(tài)下更有效地降解有機物。Lee和Welander等人[22][23]用兩段式工藝處理人工合成污水，結(jié)果表明，第二段（懸浮載體生物膜反應(yīng)器）中的污泥產(chǎn)量顯著減少，比第一段的污泥量少60%?80%；總污泥產(chǎn)量為0.15?0.17g[TSS]/g[COD]。此后，他們進一步研究了兩段式工藝對紙漿和造紙廢水的處理，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量（0.01?1.23g[TSS]/g[COD]）明顯比傳統(tǒng)活性污泥工藝（0.2?0.4g[TSS]/g[COD]）少。Ghyoot等人[24]還對不同組合的兩段式系統(tǒng)（第二段為傳統(tǒng)活性污泥工藝或淹沒式膜生物反應(yīng)器）進行了比較，結(jié)果表明，由于膜生物反應(yīng)器中微型動物含量比傳統(tǒng)活性污泥工藝多，在相同的污泥停留時間和污泥負荷條件下，膜生物反應(yīng)器一兩段式系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量比傳統(tǒng)活性污泥工藝一兩段式系統(tǒng)少20%?30%；同時在膜生物反應(yīng)器一兩段式工藝中，由于大量微型動物對硝化細菌和聚磷菌的過度捕食，使得出水的氮、磷濃度高。1.2.3基于解偶聯(lián)的污泥減量技術(shù)細菌氧化底物所獲得的能量不用于合成細胞本身［25］,即ATP（ade-nodine5,-triphosphate，腺苷三磷酸）不隨底物被氧化的同時大量合成或者合成以后迅速由其他途徑釋放，正常情況下，生物的分解代謝和合成代謝是由腺苷三磷酸和腺苷二磷酸之間的轉(zhuǎn)化而聯(lián)系在一起的，即分解一定的底物，將有一定比例的生物體合成。但在特殊情況下，底物被氧化的同時ATP不大量合成或者合成以后迅速由其他途徑釋放?？傮w上使得細菌的分解代謝和合成代謝不再由ATP的合成與分解反應(yīng)偶聯(lián)在一起，這樣細菌在保持正常分解底物的同時，自身合成速度減慢，表觀產(chǎn)率系數(shù)降低，從而達到降低污泥產(chǎn)量的目的。微生物解偶聯(lián)生長有以下五種情況［26］可能發(fā)生：影響生長的物質(zhì)存在（投加化學(xué)物質(zhì)如解偶聯(lián)劑等）、過剩能量存在、在過渡時期生長（好氧一沉淀一厭氧工藝）、在不適宜的溫度下生長（提高溫度）、有限制性基質(zhì)（生長因子限制：如氮源的限制）。解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)［27］是該物質(zhì)通過與H+的結(jié)合，降低細胞膜對H+的阻力，攜帶H+跨過細胞膜，使膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度降低。降低后的質(zhì)子梯度不足以驅(qū)動ATP合酶合成ATP，從而減少了氧化磷酸化作用所合成的ATP量，氧化過程中所產(chǎn)生的能量最終以熱的形式被釋放掉［27-29］。Low等人［30］報道在實驗室規(guī)模的活性污泥系統(tǒng)中，當加入對硝基酚后生物量的產(chǎn)生可減少49%，當對硝基酚濃度達120mg/L時無剩余污泥產(chǎn)生。合肥工業(yè)大學(xué)柳會雄［31］等人采用序批式活性污泥反應(yīng)器試驗研究了解偶聯(lián)劑2,4-二氯酚的污泥減量化效果。當2,4-二氯酚的濃度在1?5mg/L時能有效的減少剩余污泥產(chǎn)率，而不影響污水處理效果。在厭氧、好氧交替改變的環(huán)境下，微生物的表觀產(chǎn)率系數(shù)減少。這是因為好氧微生物在底物過量的好氧段所產(chǎn)生的ATP不能立即用于合成代謝，而是在底物缺乏的厭氧段作為維持能被消耗。好氧一沉淀一厭氧工藝流程見圖1-4。好氧一沉淀一厭氧工藝是在傳統(tǒng)活性污泥工藝的污泥回流過程中進行厭氧消化，為微生物提供了一個好氧一厭氧交替改變的環(huán)境，從而達到降低污泥產(chǎn)量的目的。Westgarth等［32］采用好氧一沉淀一厭氧工藝，成功地抑制絲狀菌的生長，可減少一半的剩余污泥產(chǎn)量。Chudoba和Cadeville［33］比較了好氧一沉淀一厭氧工藝和傳統(tǒng)活性污泥工藝的污泥產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)在好氧一沉淀一厭氧工藝中的污泥產(chǎn)率比傳統(tǒng)活性污泥工藝減少了20?65%，而且SVI(污泥容積指數(shù))值大大低于傳統(tǒng)活性污泥工藝，即好氧一沉淀一厭氧工藝可提高活性污泥的沉降性能。我國的朱振超等人甲］采用好氧一沉淀一兼氧活性污泥工藝，使上海錦綸廠廢水處理站的剩余污泥達到零排放。張全等人［35］采用好氧一沉淀一微兼氧活性污泥工藝，污泥量由80%減少為15?20%。系統(tǒng)基本上可作到無污泥排放。鋅、銅等重金屬是蛋白質(zhì)的沉淀劑，可以使酶蛋白失活，從而抑制微生物的呼吸?；钚晕勰辔⑸镌谥亟饘俚淖饔孟?，呼吸作用受到抑制，產(chǎn)率也會相應(yīng)的減少。Alberto等［36］在1991年研究了鋅和銅對活性污泥生長方式的影響，研究表明當鋅的質(zhì)量濃度大于5mg/L時，污泥產(chǎn)量開始下降，10mg/L時，產(chǎn)量下降達15%；而當銅的質(zhì)量濃度為10mg/L時，產(chǎn)量下降了58%。Chen"］發(fā)現(xiàn)通過提高SO/XO(即m(COD)/m(MLSS))比值可以使微生物發(fā)生過剩能量解偶聯(lián)，大幅度降低污泥產(chǎn)率。降低污泥二次處理費用，但是，這種工藝由于曝氣時間短，所以處理效果相對較差。1.3各種減量化技術(shù)的優(yōu)缺點抑制劑解偶聯(lián)的污泥減量化技術(shù)由于投加的金屬離子會一定程度上抑制生化反應(yīng)，降低處理效率。因此還要合理控制金屬離子含量。過剩能量解偶聯(lián)這種工藝由于曝氣時間短，所以處理效果相對較差，比較適用于對出水水質(zhì)要求不高的污水處理。好氧一沉淀一厭氧活性污泥工藝不僅能減少剩余污泥量，還能改善污泥沉降性能。但目前對于好氧一沉淀一厭氧活性污泥工藝的污泥減量化研究主要集中在處理高濃度有機廢水，對于低濃度有機廢水的研究目前還未見相關(guān)報道。解偶聯(lián)劑的最大優(yōu)勢是不需要對現(xiàn)有污水處理工藝作大的改進，只需增設(shè)投藥裝置即可，但在實際應(yīng)用中存在以下問題：所投的藥在較長時間后由于微生物的馴化而被降解，從而失去解偶聯(lián)作用；當加入解偶聯(lián)劑后，雖然污泥的產(chǎn)量降低了，但從物質(zhì)守恒角度看，需要更多的氧去氧化未能轉(zhuǎn)化成污泥的有機物，從而使得供氧量增加；對投加解偶聯(lián)劑的費用還需要作比較，由于在污水中的濃度需要維持在4?80mg/L，用量也是驚人的；解偶聯(lián)劑在實際應(yīng)用中的最大弱點是環(huán)境安全性問題。解偶聯(lián)劑通常是較難生物降解或?qū)ι镉休^大毒性的化合物，使得生物對解偶聯(lián)劑的降解不完全，這將會給水處理帶來新的污染。臭氧處理回流污泥可能存在以下問題：氮和磷的去除效果不好；出水懸浮物濃度要稍高于傳統(tǒng)活性污泥法(約2?15mg/L)；不排泥條件下，污泥中重金屬的含量和傳統(tǒng)活性污泥法相比，有一定增加；為了保證曝氣池中生物對二次基質(zhì)的利用，需要增加曝氣量。雖然從運行成本角度來講，氯化優(yōu)于臭氧化工藝，但是由于與臭氧相比，氯是一種相對弱的氧化劑，投加量大約是臭氧的7~13倍；此外，氯化過程中會產(chǎn)生三氯甲烷等具有危害性的副產(chǎn)物，這些給此技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用帶來一定的挑戰(zhàn)。超聲污泥消化技術(shù)在實現(xiàn)污泥減量的同時能改善污泥的沉降性能，但該技術(shù)由于停留時間較長，對設(shè)備要求高，投資較大，而且?guī)碓肼曃廴尽３暡ǖ淖饔檬艿揭后w許多參數(shù)的影響，如溫度、黏度、表面張力等。此外，超聲波與各種液體的接觸時間，探針的幾何形狀和材質(zhì)也是超聲波應(yīng)用的限制因素。膜生物反應(yīng)器污泥處理技術(shù)可行且處理效果好，可以大大節(jié)省費用。但是，生物膜法存在