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国内污泥减量的研究进展 自己粘出来的 大家共同研究
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国内污泥减量技术的进展概况 污水生物处理中产生的大量的剩余污泥通常含有相当量的有毒有害物质及未稳定化的有机物,如果不进行妥善的处理与处置,将会对环境造成直接或潜在的污染。而目前对剩余污泥的处理与处置,存在有效性和经济性两方面的问题:首先,尚无一种可以推而广之同时对环境无污染的有效方法;其次,各种污泥处理与处置方法需要的资金巨大,如在欧美,污泥处理基建费用占污水处理厂总基建费用的比例高达60%-70%。而另一方面,随着城市生活污水处理量和处理率的增加,污泥产生量也将急速增加。目前我国城市污水年排放量已经达到414 亿m3 ,二级处理率达到15% ,污泥产生量大约为1500万t/a(按含水率97%计),预计到2010年污泥产量将为现在的五倍。显而易见,污泥的处理与处置将成为环境领域的一大难题。污泥减量技术正是在这一背景下应运而生的。所谓污泥减量技术,是指在保证污水处理效果的前提下,采用适当的措施使处理相同量的污水所产生的污泥量降低的各种技术。 以下将对国内近年来多种污泥减量技术的研究现状和进展情况进行介绍： 1 强化隐形生长 细胞溶解会释放细胞物质到水中，形成可被细胞重新利用的自底基质（autochonous substrate）。微生物利用自底基质生长称为隐性生长（cryptic growth），利用各种物理化学方法促进细胞溶解，加强基质二次利用，强化隐性生长即可减少污泥量。 1.1 物理法 1.1.1 热处理 利用加热加速细胞溶解。 1.1.2 超声波 利用超声波技术降解污水中的污染物，是近年来发展起来的一种新型水处理技术。在超声波作用下，液体中将产生大量空化气泡，瞬间破灭时产生极短暂的强压力脉冲，在气泡周围微小空间内形成局部热点，产生高温（5000 K）、高压（100 MPa）和具有强烈冲击力的微射流，可以压碎细胞壁、释放细胞内含物。常见的超声波设备有探头式反应器与槽式反应器，前者适合试验研究，后者适宜于大规模生产。超声波在水中产生的各种效应受频率影响较大，低频时（<100 kHz）机械效应较好，高频时化学效应较强。 丁文川、龙腾锐等，在试验中测定了0～5 min、0～30 min两个时间序列, 0.03 W/mL、0.05 W/mL和0.1W/mL三个能量水平超声波作用对剩余污泥的摄氧速率、溶解性COD、溶解性总氮和总磷的变化。结果表明,低强度超声波对污泥作用分为两个阶段:第一个阶段发生在0～4 min,主要是作用在污泥絮体层面,表现为污泥絮体中SCOD、TN和TP溶出;第二个阶段对污泥生物体产生影响,微生物活性加强, OUR、TN和TP都有较大增长。[2] 曹秀芹等，在活性污泥系统采用超声波处理剩余污泥以考察污泥减量效果及其对系统处理效果的影响。结果表明:在声能密度0. 25～0. 50W /mL范围内,经过1～30 min的超声波处理,系统表观产率显著下降,剩余污泥的产量可以减少20%～50%左右。同时发现,污泥的沉降性能指标SV I有所下降,而污泥的稳定性有所提高,活性污泥系统的出水水质略有不同程度的下降。[3] 张光明等在SBR反应器中长期运行污泥减量工艺。研究表明当回流比2 ∶14 ,超声条件为25 kHz ,1.6 W/mL ,15 min 时,污泥产量为82.4 mg/(L •d) ,比未处理污泥系统污泥产量减少58. 8 %。系统的沉降性能并没有受到影响,出水CODCr 已经达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918 —2002) 二级标准。由于超声后磷释放能力增强,出水磷略高。回流比3∶14 ,超声条件为25 kHz ,1 W/ mL ,10 min 时,几乎不产生污泥。 1.1.3 机械压力 利用压力溶胞的原理，将机械压力应用于回流污泥的回流系统，压破细胞壁，释放出细胞内所含的物质。如将这种方法应用于活性污泥的内源呼吸阶段，能减少剩余污泥的产量，使二沉池污泥减少50%，还能减少丝状菌的种群，改善污泥的沉降性能和污泥的脱水性能。 1.2 化学法 1.2.1 臭氧 在各种污泥减量方法中,臭氧氧化法具有效率高、能耗低的特点,并能实现污水处理厂的污泥零排放。 王琳等采用复合生物反应器,对应用臭氧氧化实现污泥减量进行了研究。2个相同的复合生物反应器平行运行,1个作为对照系统,1个作为氧化系统。反应器内装有半软性填料,投加量为10 %。曝气池中悬浮污泥浓度为1500 mg/L 左右,生物膜浓度为2000 mg/L 左右。试验结果表明,随着臭氧氧化污泥比例的增加,污泥表观产率系数也随之降低,当臭氧投量为0. 05 g O3/ gSS ,每天氧化的污泥分别为反应器内污泥的10 % ,20 % ,30 %时,污泥表观产率系数分别减少28. 2 % ,44. 9 % ,75. 8 %。虽然随着污泥氧化比例的增大,氧化系统出水CODCr略有增加,但氧化系统仍能保持其生物处理能力, CODCr去除率在92 %以上;2 个系统之间氨氮的去除率相差不大,氧化系统的硝化能力基本没有受到臭氧氧化的影响。【5】 王琳等还针对淹没生物膜法(SBF)和污泥臭氧化各自在污泥减量方面的优点,提出了化学臭氧化和复合生物膜法相结合的污泥减量工艺,并对臭氧化对SBF 运行效能的影响进行了实验研究。通过2 个并行的SBF系统污泥臭氧化结果进行对比,结果显示臭氧化能够显著降低系统的污泥产率(01043 kg/ kg ,较不加臭氧化的SBF系统下降了76 %) ,同时不对硝化和有机物的去除作用产生明显的影响,系统出水水质良好。 周健等采用臭氧和超声波对AB法中A段污泥减量效能进行了对比试验研究。结果表明: (1)将相当于传统A段剩余污泥量的污泥,进行2 h臭氧接触氧化后,再回流至A段反应器,其平均污泥产率系数为0.0328 kgMLSS/kg COD•d;(2)采用超声波对A段进水作用0.5 h,其平均污泥产率系数为0.0246 kgMLSS/kg COD•d。A段采用上述2种方法减量后几乎无剩余污泥产生,同时对A段反应器中的污泥活性和出水水质的影响较小,从经济上考虑臭氧法具有优势。[7] 1.2.2 氯气与二氧化氯 利用氯气进行污泥减量的原理和臭氧相同，即利用其氧化性对细胞进行氧化，促进溶胞。氯气虽然比臭氧便宜，但有以下缺点：（1）污泥沉降性能恶化（2）出水COD增加（3）污泥产生气泡。最重要是氯气能够和污泥中的有机物产生反应，生成三氯甲烷（THMs）等致癌物质，这是一个不容忽视的问题。 李欣等通过静态对比试验对二氧化氯对污泥的溶胞作用进行了研究,结果表明二氧化氯对活性污泥具有溶胞作用,二氧化氯最佳投加量在10.0 mg/ g 干污泥左右,反应时间应控制在40 min 以上。 1.2.3 酸碱 酸或碱的作用是在抑制细胞活性的同时，使细胞壁溶解释放细胞内物质，使其能够容易被其他活性污泥所利用。相同pH条件下，NaOH的溶胞效果优于KOH；H2SO4的效果优于HCl,碱的效果要优于酸。碱-热处理污泥（pH为10，60○C,20 min）,细胞溶解最稳定，污泥量是常规活性污泥法的38%～43%。 2. 生物捕食 污水为微生物提供了理想的生存和增殖介质，污水中存在由多钟多样的微生物组成的复杂的食物链和生态系统。原生动物和后生动物在食物链的最高端，它们捕食细菌，将污泥转化为能量、水和二氧化碳，如将传统活性污泥法加以改进，创造适合原生动物和后生动物生长的环境，促进他们对细菌的捕食，就可使污泥量减少。 2.1 接种微型动物 梁鹏等在活性污泥反应器中引入红斑螵体虫以考察其生长条件和对剩余污泥的减量效果及对系统处理效果的影响。结果表明, SRT为15～34 d 时对红斑螵体虫的长期生长没有影响;进水COD 负荷< 0. 6 mg/ (mgVSS•d) 时红斑螵体虫可大量出现。不同SRT和进水负荷条件下的污泥产率系数与反应器中的红斑螵体虫密度成负相关,对剩余污泥的减量比例为39 %～58 %。红斑螵体虫的存在有利于改善污泥的沉降性能,且对COD 、氨氮、TP 的去除效果影响不大。 魏源送等考察了一种新型寡毛类蠕虫反应器(由游离型蠕虫生长区和附着型蠕虫生长区组成) 处理排放剩余污泥的效果,在反应器中接种颤蚓,与没有接种颤蚓的反应器相比,颤蚓的存在和生长可导致显著的污泥减量效果。整个试验期间,反应器(接种颤蚓) 的平均污泥减量效果为57 % ,远高于对照反应器。蠕虫生长可改善污泥的沉降性能,但对污泥粒径影响不大。高浓度NH4+ —N 对蠕虫有毒害作用,会抑制蠕虫的生长。蠕虫生长对硝化过程没有影响,但会导致一定程度的氮、磷释放。 吴敏等用蚯蚓污泥稳定床处理剩余污泥,装置分三层,表层为污泥投加区,中层为蚯蚓床区,下层为滤液排除区。污泥床填料采用具有高度透气度,高透水性的混合型惰性载体。其所用的污泥稳定床的表面尺寸为1.0 m ×1.0 m ,蚯蚓床区高度10cm～15cm。投加经驯化培养的爱胜蚯蚓(4 kg ,10 000 余条) ,每天处理污泥40 L/d～60 L/d ,污泥负荷为0.28 kg/ m3•d～0. 42 kg/ m3•d ,COD负荷为0.32 kg/ m3•d～0. 48 kg/ m3•d。对滤出液的分析表明SS的除去率为99. 1 %～99.4 % ,COD 去除率为89.5 %～92.1 %。剩余污泥经蚯蚓床处理之后转化为增殖的蚯蚓和蚓粪。 艾恒雨等通过中式分析了以减量化为目的的微型动物捕食系统中活性污泥的特性，结果表明，细菌分散培养段的悬浮污泥浓度比原生动物捕食段约高15%，比大型微型动物捕食段约高40%；微型动物的捕食作用在减少剩余污泥产率的同时，可以提高悬浮污泥的沉降性能约36%，轮虫可作为该系统污泥沉降性能的指示生物；低底物浓度下，大型微型动物的不是活动可以增强污泥的活性。 2.2 两段法 第一阶段为分散细菌阶段，目的是促进分散细菌的生长。该阶段的反应器是恒化器，关键设计参数是水利厅刘时间等于固体停留时间，水利厅刘时间必须足够长以避免冲走分散细菌，又必须足够短以防止细菌结团和捕食者的生长。第二阶段为捕食者阶段，目的是促进原生动物和后生动物的生长，特点是污泥龄较长，该阶段的反应器可以是活性污泥或膜生物反应器。两段法可以处理多种类型的废水，但存在两点不足：（1）污泥矿化程度增加使得好氧量增加，曝气费用上升；（2）营养物的释放影响出水水质。 王宝贞等人将两段法应用于番禺祁新村污水处理厂(处理量为8 000 m3/ d) ,自1998 年5 月投产以来没有剩余污泥产生,实现了污泥的零排放。 翟小蔚等人采用两段式膜生物反应器作为原生动物哺养系统,培养富含原生动物的污泥,再将其定期接种于普通活性污泥中,削减了剩余污泥并使污泥的絮凝沉降性能得到改善,系统的COD 去除率、硝化率得以提高,出水悬浮物浓度得以降低。 3 微生物强化与酶投加 微生物总是优先利用水中的溶解性有机物，然后才降解难溶的有机物，在降解难溶的有机物时，微生物分泌细胞外酶分解难溶的有机物。微生物强化，基于天然系统的微生物并非都是最有效的微生物，或以需要的浓度存在。通过选择性投加微生物菌株或经基因改进的微生物菌株进入系统，增加系统中细菌的浓度和代谢活性。 酶可以使污水中的大分子化合物分解成小分子化合物，释放出结合氧。这些简单的化合物容易被多钟微生物利用，有利于细菌的多样性，并能提高细菌的活性和繁殖能力，而且有利于形成大量高等的光合作用生物体，由此又为污水提供了大量的溶解氧。 4 代谢解偶联 代谢是生物化学转化的总称，分为分解代谢和合成代谢。微生物学家认为，正常情况下，生物的分解代谢和合成代谢是由腺苷三磷酸（ATP）和腺苷二磷酸（ADP）之间的转化而联系在一起的。细胞产量和分解代谢产生的能量直接相关，但在某些条件下，如存在质子载体、重金属、异常温度和好氧-厌氧交替循环时，底物被氧化的同时ATP不大量合成或者合成以后迅速由其他途径释放，即分解代谢和合成代谢解偶联（uncoupling）,解偶联有能量解偶联和物质解偶联两种方式。Sroutamer认为在一下五种情况下可能导致微生物解偶联生长发生：（1）存在影响ATP合成的物质；（2）存在过剩能量（高SO/XO条件）（3）非稳态生长（OSA工艺）；（4）在不适宜的温度下生长；（5）有限制性基质的存在。其中前四种通过能量解偶联实现污泥减量，第五种是通过物质解偶联实现污泥减量。 朱振超和刘振鸿等人采用好氧—沉淀—兼氧活性污泥工艺使上海锦纶厂废水处理站的剩余污泥达到零排放。张全等人采用好氧—沉淀—微氧活性污泥工艺使污泥量由80 %减少为15 %～20 % ,系统基本上可做到无污泥排放. 叶芬霞等在活性污泥工艺的污泥回流途径中引入一个污泥缺氧池,形成好氧2沉淀2缺氧(OSA) 工艺。比较研究了污泥在缺氧池中不同的停留时间(5.5、7.6、11.5 h) 的3 种OSA 工艺对剩余污泥的减量化效果。结果表明,3 种工艺的剩余污泥量分别比传统活性污泥工艺降低33.24 %、22.99 %和13.80 %。通过比较了8种解偶联剂，最终选择3 ,3′,4′,52四氯水杨酰苯胺( TCS) 作为解耦联剂,研究了其对污泥减量化的效果以及对基质去除效能和污泥性能的影响，并且与OSA工艺联用。 张斌等采用单因素试验和正交试验的方法分别研究了城市污水污泥减量OSA工艺中解偶联池中污泥浓度(MLSSj ) 、污泥在解偶联池反应时间( tj ) 、解偶联池温度( Tj )对污泥减量效果的影响,发现增加解偶联池污泥浓度或延长污泥在解偶联池的反应时间或增加解偶联池温度都将导致解偶联池ORP线性下降,且污泥表观产率系数Yobs与ΔORP或各因素之间分别遵循Yobs = - 0. 000 7ΔORP + 0. 452, Yobs = 0. 384-0. 026 5MLSSj - 0. 001 55 tj - 0. 002 38 Tj + 0. 001 32 tj •Tj。通过对比试验的方式进一步验证了城市污水处理系统的污泥减量效果,结果表明在进水负荷在0. 42 kg COD /KgMLSS•d-1 ,解偶联池中温度为40 ℃、污泥浓度为11 g/L、停留时间为11 h时,OSA工艺的污泥产率比普通活性污泥法低58%。 |
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