污泥減量新工藝探討

1、污泥減量新工藝探討活性污泥法是目前應(yīng)用最廣泛的污水生物處理工藝， 但會(huì)產(chǎn)生 大量剩余污泥 " 對(duì)普通活性污泥法來(lái)說(shuō)，初沉池產(chǎn)生的污泥量約為污 水處理量的 0.2%0.3%（污泥含水率為 95%97%，） 二沉池排出的剩余 活性污泥量約為污水處理量的 1%2%污（ 泥含水率為 99.4%99.6%）" 從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始， 各種污泥減量化技術(shù)得到了迅速發(fā)展， 目前 可能應(yīng)用于實(shí)踐的新型污泥減量工藝主要有兩段式好氧生物反應(yīng)器 1 、投加解耦聯(lián)劑、好氧 -沉淀-厭氧工藝、回流污泥溶胞工藝等。1 投加解耦聯(lián)劑微生物正常情況下的分解代謝和合成代謝通過(guò)腺苷三磷酸 （ATP）

2、 和腺苷二磷酸（ADP）之間的轉(zhuǎn)化耦聯(lián)在一起，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(shí)， ATP 不大量合成或者合成以后迅速由其他途徑釋放， 這樣細(xì)菌在正常分解 底物的同時(shí)，自身合成速度減慢 "投加解耦聯(lián)劑是實(shí)現(xiàn)這種代謝解耦 聯(lián)的方法之一。解耦聯(lián)劑通常為脂溶性小分子物質(zhì)且一般含有酸性基 團(tuán)，其作用機(jī)理是通過(guò)與H啲結(jié)合降低細(xì)胞膜對(duì)H+勺阻力，攜帶H+ 跨過(guò)細(xì)胞膜， 使膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度梯度降低。 降低后的質(zhì)子濃度梯度 不足以驅(qū)動(dòng)ATP合成酶合成ATP從而減少了氧化磷酸化作用所合成 的量，氧化過(guò)程中所產(chǎn)生的能量最終以熱的形式被釋放掉， 從而降低 剩

3、余污泥產(chǎn)生量。Starand 等2 比較了 12 種解耦聯(lián)劑，試驗(yàn)結(jié)果表明三氯苯酚 （TCP）最有效。在試驗(yàn)開(kāi)始階段， 投加的傳統(tǒng)活性污泥工藝中污泥產(chǎn)率是不 投加的50%但80d后隨著反應(yīng)器內(nèi)TCP水平的降低，污泥產(chǎn)率增加。 Chen等3研究了 3, 3' , 4' , 5-四氯水楊酰苯胺（TCS）在活性污泥法 中的減量效果。當(dāng)TCS投加量為0.8/時(shí)污泥產(chǎn)率減少40%而且沒(méi)有 影響底物的去除效率。 當(dāng)達(dá)到 1.2mg/l 時(shí)，沒(méi)有影響到大腸桿菌個(gè)體 大小和細(xì)胞分裂，但大腸桿菌的ATP含量和干密度有所減少。謝敏麗 等4比較了 4種解耦聯(lián)劑 （對(duì)氯酚、間氯酚、間硝基酚和鄰硝基酚

4、）， 結(jié)果表明間氯酚在減少污泥產(chǎn)率方面是最有效的， 同時(shí)對(duì)污水的處理 效果影響較小，當(dāng)間氯酚的濃度為 20mg/l 時(shí)污泥產(chǎn)率下降了 86.9%， 對(duì)的去除率下降了 13.2%。投加解耦聯(lián)劑減量剩余污泥的最大優(yōu)勢(shì)是不需要對(duì)現(xiàn)有污水處 理工藝做大的改進(jìn)， 只需增設(shè)投藥裝置即可。 但有關(guān)氧化磷酸化解耦 聯(lián)的機(jī)理還有許多不明之處， 需要結(jié)合生物化學(xué)、 分子生物學(xué)以及毒 理學(xué)方面的方法和理論作進(jìn)一步研究。 目前解耦聯(lián)劑在實(shí)際應(yīng)用中存 在以下問(wèn)題 : 投加的解耦聯(lián)劑在較長(zhǎng)時(shí)間后由于微生物的馴化而被 降解，從而失去解耦聯(lián)作用 ; 加入解耦聯(lián)劑后雖然污泥的產(chǎn)量降低 了，但需要更多的氧去氧化未能轉(zhuǎn)化成污泥的有

5、機(jī)物， 從而使供氧量 增加; 目前試驗(yàn)中投加解耦聯(lián)劑的量一般在 1100/，用量很大，需 要對(duì)運(yùn)行費(fèi)用作深入分析 ; 解耦聯(lián)劑通常是較難生物降解或?qū)ι?有較大毒性的化合物， 微生物對(duì)解耦聯(lián)劑的降解不完全有可能導(dǎo)致潛 在的環(huán)境安全問(wèn)題。2 好氧- 沉淀- 厭氧工藝好氧-沉淀-厭氧工藝 (OSA，Oxic-Settling-Anaerobic) 也是基于 代謝解耦聯(lián)理論的污泥減量工藝。 其基本原理是， 在常規(guī)活性污泥法 的污泥回流過(guò)程中設(shè)置一個(gè)厭氧段， 使微生物交替進(jìn)入好氧和厭氧環(huán) 境，細(xì)菌在好氧階段所獲ATP不能立即用于合成新的細(xì)胞，而是在厭 氧段作為維持細(xì)胞生命活動(dòng)的能量被消耗。 微生物分解

6、和合成代謝相 對(duì)分離，而不像通常條件下緊密耦聯(lián)，從而達(dá)到污泥減量的效果。工 藝示意圖見(jiàn)圖 1。圖1 工藝示意圖Chudoba等發(fā)現(xiàn)OSA工藝比傳統(tǒng)活性污泥工藝污泥產(chǎn)率降低20%65%SVI值(60ml/g)也比傳統(tǒng)活性污泥工藝的(200ml/g)低，即 OSA工藝可改善污泥的沉降性能。同時(shí)，由于 OSA勺流程和除磷工藝 流程相似，有利于除磷菌的生長(zhǎng)，對(duì)磷的去除優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥法。也有研究者認(rèn)為OSA系統(tǒng)污泥減量的原因不僅僅是能量解耦聯(lián)，Chen 等發(fā)現(xiàn)在OSA系統(tǒng)中，當(dāng)厭氧池中氧化還原電位 (ORP)保持在 -250mV時(shí)，剩余污泥減量50%對(duì)出水沒(méi)有影響且污泥的沉降性能更 好; 他通過(guò)試驗(yàn)比

7、較了能量解耦聯(lián)、捕食者生長(zhǎng)、微生物促進(jìn)有機(jī)質(zhì) 溶解和污泥腐化破解等因素的影響， 認(rèn)為厭氧池中污泥腐化破解是促 進(jìn)OSA系統(tǒng)污泥產(chǎn)生量減少的主要原因。國(guó)內(nèi)朱振超等 采用好氧- 沉淀-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(dá)到零 排放。在傳統(tǒng)活性污泥工藝中， 污泥產(chǎn)量隨著污泥負(fù)荷增加而增加， 但 在OSA工藝中污泥產(chǎn)量反而下降，而且OSA還可以改善污泥的脫水性 能，增加除磷能力，因此OSA工藝可以應(yīng)用在進(jìn)水有機(jī)物濃度較高的 條件下，具有較廣闊的發(fā)展前景。OSA工藝的不足是水力停留時(shí)間較 長(zhǎng)(是常規(guī)活性污泥法的兩倍 ) ，而且需要設(shè)置厭氧段， 增加了基建費(fèi) 用和占地面積。3 回流污泥溶胞工

8、藝根據(jù)污水生物處理工藝中微生物的代謝特性污水中的有機(jī)物一 部分被微生物分解提供其生命活動(dòng)的能量， 最終代謝為二氧化碳和水 分等; 另一部分用來(lái)增殖，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為新的生物體。如果增長(zhǎng)的 生物體可以作為微生物的底物并重復(fù)上述代謝過(guò)程就可以減少污泥 的產(chǎn)生量。微生物基于自身細(xì)胞溶解形成的二次基質(zhì)的生長(zhǎng)方式稱之 為隱性生長(zhǎng) (Cryptic growth 或 Death-regeneration) 。隱性生長(zhǎng)過(guò) 程包括溶胞和生長(zhǎng)，其中污泥細(xì)胞自身的解體是污泥降解的限速步 驟，可以利用各種物理、化學(xué)和生物方法加速這一步驟。這種方法在 工程上便于實(shí)現(xiàn)，只要在回流污泥管路上增加溶胞系統(tǒng)即可。物理溶胞方法主

9、要包括加熱 ! 機(jī)械破碎、超聲破解等，其能耗較 高，而且需要專門(mén)的設(shè)備， 此外污泥菌體破解后，細(xì)胞壁碎片等生物難降解物進(jìn)入污水中會(huì)引起出水中 CODSS有所增加問(wèn)，同時(shí)由于系 統(tǒng)排泥量減少， 如果單位排泥中的氮磷含量保持不變， 出水中的氮和 磷會(huì)增加。化學(xué)溶胞方法包括臭氧溶胞、過(guò)氧乙酸溶胞、氯氣溶胞等，其中 臭氧研究最多。臭氧可以破壞細(xì)胞壁、細(xì)胞膜而使蛋白質(zhì)、多聚糖、 脂肪、核酸等從細(xì)胞中釋放出來(lái)。 Kamiya 等9 發(fā)現(xiàn)間歇式臭氧氧化效 果優(yōu)于連續(xù)式，間歇式操作時(shí)臭氧投加量為 9.011.0mg/(gSSd) 即可 使污泥減量 50%，而要達(dá)到同樣的減量效果，連續(xù)式操作所需的臭氧 投加量為

10、30 mg/(gSSd).金瑞洪等何利用SBR和污泥臭氧化及回流裝 置組成污水處理系統(tǒng)，在當(dāng)臭氧投加量為 0.0gO3/gSS 且污泥回流量 為0.4l/(l.d) 時(shí)，污泥觀測(cè)產(chǎn)率可接近零，而且系統(tǒng) COD去除率、 污泥沉降性能無(wú)明顯變化。 利用氯氣對(duì)污泥進(jìn)行減量的原理和臭氧相 同，Saby等在氯的投加量為133mg/gMLSS寸，污泥產(chǎn)生量減少了 65% 但是污泥沉降性能惡化，同時(shí)出水含量增加。過(guò)氧乙酸 (PAA)具有和 臭氧相似的強(qiáng)氧化效果， 而且價(jià)格低廉， 產(chǎn)物無(wú)毒，易被微生物代謝， 0.01%PAA溶液和污泥反應(yīng)6h后，基本上不殘留PAA和H2O,其處理 后的污泥混合液具有較好的生物

11、可降解性?；瘜W(xué)溶胞方法的缺點(diǎn)是 : 投藥增加了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用， 而且對(duì)設(shè)備有一定的腐蝕作用 ; 系 統(tǒng)去除氮磷的效果不好，出水 SS濃度略高于傳統(tǒng)活性污泥法，污泥 沉降性能可能惡化 ; 長(zhǎng)期無(wú)污泥排放時(shí)， 污泥中重金屬含量和傳統(tǒng) 活性污泥法相比有一定增加 ; 為了保證曝氣池中生物對(duì)回流基質(zhì) 的利用，需要增加曝氣量， 相應(yīng)的動(dòng)力費(fèi)用會(huì)增加 ; 溶胞過(guò)程有可能產(chǎn)生其他有機(jī)污染物， 如氯氣能夠和污泥中的有機(jī)物產(chǎn)生反應(yīng)， 生 成三氯甲烷（THMs）等氯代有機(jī)物，這是不容忽視的問(wèn)題。生物溶胞方法是通過(guò)投加能分泌胞外酶的細(xì)菌或酶制劑和抗菌 素對(duì)細(xì)菌進(jìn)行溶胞。 酶一方面能夠溶解細(xì)胞， 同時(shí)還可以使不容易生

12、物降解的大分子有機(jī)物分解為小分子物質(zhì)， 有利于細(xì)菌對(duì)二次基質(zhì)的 利用"投加的細(xì)菌可以從消化池中選取，也可以從溶菌酶方面考慮， 甚至包括特殊的噬菌體和能分泌溶菌物質(zhì)的真菌。 雖然生物溶胞方法 環(huán)境友好，但是酶制劑或抗菌素費(fèi)用昂貴。4 結(jié)語(yǔ)污泥產(chǎn)生量的不斷增加給其后續(xù)處理處置帶來(lái)了沉重壓力， 而且 不恰當(dāng)?shù)奶幚磉€會(huì)造成二次污染，因此源削減是污泥處理的首要原 則。新型污泥減量工藝的應(yīng)用可以在保證污水處理效果的前提下大幅 減少污泥的產(chǎn)生量， 從而實(shí)現(xiàn)污水處理的可持續(xù)發(fā)展。 然而這些工藝 的機(jī)理和參數(shù)還有待于進(jìn)一步研究，出水質(zhì)量還有待于進(jìn)一步提高， 隨著這些問(wèn)題的逐步解決，污泥減量工藝將得到更

13、廣泛的應(yīng)用。污泥熱干化在美國(guó)的應(yīng)用在美國(guó)東岸和西岸的污泥處理情況不盡相同。 西岸的閑置土地較多，填埋的成本較低，污泥填埋處置的比例仍較高；東岸則由于填埋 成本非常高， 且污泥無(wú)法就近農(nóng)田利用， 所以人們?yōu)榱松a(chǎn)出適合市 場(chǎng)銷售的污泥產(chǎn)品選擇了熱干化。污水處理廠將污泥熱干化制成顆粒 肥，既可裝袋出售也可運(yùn)往佛羅里達(dá)州的肥料廠和柑橘園。 隨著傳統(tǒng) 肥料市場(chǎng)對(duì)污泥肥的逐漸認(rèn)同和相關(guān)產(chǎn)銷條例的出臺(tái)， 熱干化作為污 泥處理利用的手段日益受到歡迎。1熱干化的應(yīng)用污泥熱干化設(shè)備在北美的應(yīng)用情況見(jiàn)圖 1 : 1。圖1北美污泥干化設(shè)備日處理雖污泥熱干化在美國(guó)的迅速發(fā)展始于 20世紀(jì)90年代，且污泥熱干 化設(shè)備的

14、使用基本集中于美國(guó)的東岸地區(qū)。 熱干化設(shè)備僅用于生產(chǎn)干 固體，無(wú)論其最終出路是填埋還是市場(chǎng)銷售， 那些用于降低污泥含水 率、最終污泥被焚燒的設(shè)備并未包括在內(nèi)。2熱干化技術(shù)的進(jìn)展：雖然污泥熱干化早于20世紀(jì)40年代已有應(yīng)用，但真正成熟地大 規(guī)模應(yīng)用于市政污泥處置是在 90年代，在此之前多數(shù)的干化設(shè)備是 為處理工業(yè)污泥設(shè)計(jì)的。相對(duì)于工業(yè)污泥而言，市政污泥中的水分較 難蒸發(fā)，污泥易粘結(jié)，在干化過(guò)程中存在粘結(jié)相，濕污泥不穩(wěn)定、儲(chǔ) 存時(shí)易消化產(chǎn)生沼氣， 干污泥和粉塵可燃、 給生產(chǎn)和儲(chǔ)存帶來(lái)自燃和 爆炸等安全隱患。經(jīng)過(guò) 10 年的不斷改進(jìn)，其設(shè)備性能也逐步得到完 善。2.1 直接加熱干燥技術(shù)在 1995

15、年以前投入使用的 18 套設(shè)備中，有 9 套采用直接加熱轉(zhuǎn) 鼓式干燥工藝，其中主要是由 E nviro Grop研發(fā)的ESP工藝。ESP 工藝的設(shè)備包括一個(gè) 3 通道式轉(zhuǎn)鼓干燥器、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐和干泥返混系 統(tǒng)（ 包括篩網(wǎng)和粉碎機(jī)用于篩分和粉碎大顆粒，并將粉塵送回進(jìn)料口 與脫水污泥混合 ） 。在返混過(guò)程中干污泥顆粒起著“晶核”的作用， 濕污泥包裹在干泥顆粒外面形成大顆粒，并將進(jìn)料的含水率降到 30%-40%直接克服了污泥的粘結(jié)。由于只是外層的濕泥需要干燥， 所以污泥的干燥性能得到改善，可得到穩(wěn)定的球形顆粒產(chǎn)品。ESP工藝將熱風(fēng)導(dǎo)入轉(zhuǎn)鼓，蒸發(fā)污泥中的水分并帶走干顆粒。由 于ESP系統(tǒng)的熱風(fēng)量大，尾氣

16、熱氧化除臭處理的費(fèi)用使污泥干化費(fèi)用 增加，這使人們逐漸將興趣轉(zhuǎn)向間接加熱系統(tǒng)， 后者的風(fēng)量只需能把 水蒸氣帶出干燥器即可，因而尾氣量要小得多。該時(shí)期的 18 套設(shè)備 中有6套間接加熱系統(tǒng)，其中只有 1套（Baltimore Back River的Seghers 干燥設(shè)備 ）帶有干料返混系統(tǒng)，其余 5 套在實(shí)際運(yùn)行中都遇 到了由于污泥的粘結(jié)導(dǎo)致干燥器內(nèi)部磨損嚴(yán)重和難以生產(chǎn)出顆粒產(chǎn) 品的問(wèn)題，有 3 套不久就停產(chǎn)了。2.2 尾氣循環(huán)技術(shù)1995年 1999年使用的 17套設(shè)備中有 8 套為直接加熱轉(zhuǎn)鼓式干 燥器，其中有5套采用了氣體循 環(huán)再用技術(shù)（由Andritz公司和Swiss Combi公司引

17、入美國(guó)），另外3套采用了專利設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓 ，可增加干 泥中的營(yíng)養(yǎng)成分（BER工藝）。盡管BER工藝的經(jīng)濟(jì)可行性尚待論證， 但以上這些技術(shù)都強(qiáng)有力地促進(jìn)了熱干化技術(shù)的發(fā)展。氣體循環(huán)技術(shù)是將80%-85%勺尾氣送回?zé)犸L(fēng)爐，其余的經(jīng)再生 熱氧化器（RTO）處理后排放。新鮮空氣和回用氣流首先通過(guò)冷凝器（熱 氣流被冷卻而新鮮空氣被預(yù)熱 ） ，再經(jīng)過(guò)水洗塔除去 其中的水蒸氣、 粉塵和可冷凝的揮發(fā)性物質(zhì)后返回?zé)犸L(fēng)爐，這樣尾氣量就大大減少 了。氣體循環(huán)回用的另一個(gè)好處是使轉(zhuǎn)鼓中的氧氣含量保持在10%以下，這是一個(gè)非常重要的安全參數(shù)。由于該技術(shù)的引入，原先間接加 熱系統(tǒng)尾氣處理量少的技術(shù)優(yōu)勢(shì)被大大削弱了。 早期的

18、ESP設(shè)備也進(jìn) 行了技術(shù)改造，加裝了氣體循環(huán)裝置。該時(shí)期同樣值得注意的是適用于中小型污水處理廠的間接加熱 回轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)， 另外還有兩種將機(jī)械脫水和熱干化連成一體 的技術(shù)，它們是由 Dry Vac Enviromental andTWI 開(kāi)發(fā)的真空過(guò)濾帶 式干燥系統(tǒng)和Humboldt開(kāi)發(fā)的離心脫水干燥系統(tǒng)。2.3 蒸氣為熱源技術(shù)該時(shí)期值得注意的是以蒸氣為熱源的 4套流化床干燥設(shè)備。 由于 4套流化床都帶有干料返混系統(tǒng)，所以其產(chǎn)品的性狀與轉(zhuǎn)鼓式干燥器 是相似的。該時(shí)期的 11套設(shè)備中仍有 4套為轉(zhuǎn)鼓式干燥器，由此看 來(lái)該技術(shù)仍將繼續(xù)扮演重要角色， 同時(shí)它也在向設(shè)備精、 處理量大的 方向發(fā)展

19、。在美國(guó)Jacksonvill FL 的新項(xiàng)目中計(jì)劃安裝產(chǎn)生蒸氣能 力達(dá)7mVh的直接加熱式轉(zhuǎn)鼓DDS70這將比美國(guó)現(xiàn)有最大干燥設(shè)備 的處理能力還要大1/4。位于Shamokin PA的由Weston公司開(kāi)發(fā)的Kvaemer干燥設(shè)備也值得關(guān)注，因?yàn)樗鼘⑹堑谝惶讕в懈闪戏祷煜到y(tǒng)的間接加熱式美國(guó)設(shè) 備。干料返混系統(tǒng)已能成功生產(chǎn)出可以包裝上市銷售的生物固體產(chǎn) 品。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，預(yù)計(jì)將有越來(lái)越多的干燥設(shè)備（包括間接加熱式）， 會(huì)采用干料返混系統(tǒng)來(lái)改善最終產(chǎn)品的性狀。3干化污泥的土地利用在污泥處置中土地利用很有潛力。1993年美國(guó)環(huán)保署制訂了 USEP503條例，規(guī)范了污泥的土地利用（見(jiàn)表1）。該條例除

20、限制了 農(nóng)用污泥中有害重金屬的含量外，還將污泥分成要求嚴(yán)格的A級(jí)和較 寬松的B級(jí)。表1美國(guó)對(duì)農(nóng)用污泥中重金屬含量的限制:3 B級(jí)A級(jí)施用量土壤重金屬(mg/kg)(mg/kg)kg/(hm2 a)(mg/kg)As75412.0Cd89391.9513Cr330001200150Cu4430015007550 140Pb8403001550 300Hg57仃0.851 1.5Mo7575Ni4204202130 75Se100365Zn75002800140150300USEP503中還對(duì)應(yīng)用B級(jí)污泥的作物收成時(shí)間作了相應(yīng)的規(guī) 定，A級(jí)污泥則無(wú)此限制，而且可施用于花園、草地。在美國(guó)污泥干化后基本都作土地利用，現(xiàn)在有 10%的耕地在施用 污泥肥：4：