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12

2017.05

活性污泥處理處置新技術

行業之窗

"摘要:活性污泥法工藝廣泛應用于城市生活污水的處理,而其產生的剩余污泥處理處置問題愈發凸顯??偨Y國內外文獻和研究成果,論述了剩余污泥對環境的影響以及處理處置新興工藝,綜述了其國內外處置現狀和處理方式,并展望了污泥處理處置的發展。
關鍵詞:活性污泥法;剩余污泥;新興工藝;處理處置
Activated sludge treatment and disposal technology
Li Li-qiao, Xiao Zhu-tian,Ma Han-di,Mo xue-feng
(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
Abstract: Activated sludge process is widely used in municipal wastewater treatment, sludge treatment and disposal of their produce increasingly prominent. Summarize the literature and research results at home and abroad, discusses the impact on the environment as well as sludge treatment and disposal of emerging technology, review the status and disposition of its domestic approach, and look forward to the development of the construction waste disposal.
Key Words: sludge treatment, activated sludge process,development of the waste disposal
引言
活性污泥法廣泛應用于城市生活污水處理,但在污水處理過程中也會產生大量剩余污泥,由于污泥含水率高,有惡臭,且含有毒化學物質和病原微生物,若不加以控制,勢必造成第二次污染。目前國際國內的主要控制手段包括剩余污泥的減量化、無害化處理以及資源化再利用。處理方式表現在如下幾個方面:農用 填埋、焚燒、水體消納等。據1996 年報道,世界上12 個發達國家的污泥處理中,農用占45.3%,填埋占3%,焚燒占10%,排海占6%[1]。但農用的缺點是:若長期使用,污泥中重金屬離子,有毒有機物會積累并影響人體健康。因此發達國家都對其使用制定了嚴格的農用標準,而填埋占用大量土地,花費大量運輸費用有時還會出現滲出嚴重污染的液體及臭氣現象,甚至污染地下水源,滲出的氣體主要是甲烷,易引起火災和爆炸[2]。對于焚燒污泥,其投資大,管理復雜,焚燒前必須脫水;費用較高;焚燒時易產生二氧化硫、二噁英等氣體污染空氣。重金屬也能隨煙塵擴散[7 ]。排海易造成海洋污染,對海洋生態系統和人類食物鏈構成威脅,并且也沒從根本上解決環境問題。因此美國于1990年禁止向海洋中傾倒污泥,歐盟也于1999 年開始禁止此方法。我國政府已于1994 年初接受了三項國際協議,承諾于1994 年2月20日起不再在海上處理工業廢物和污水污泥[4 ]。因此,目前國際國內尚無一套完善處理剩余污泥的方法,仍有待進一步研究。
1.剩余污泥處理處置現狀
目前,世界上許多國家已不再將污泥作為無用的廢棄物而簡單處置并丟棄。在全球普遍倡導的可持續發展戰略的影響下,污泥作為一種可以回收、利用的資源與能源的載體,對它們的處理與處置正朝著無害化、減量化、穩定化、資源化的方向發展。
1.1國外處理處置方法
1.1.1.歐美發達國家
歐盟各成員國所采用的污泥處理、處置方法差別很大,其中采用填埋方法處置污泥的比例最低為8%(英國),最高為90%(希臘、盧森堡);農業利用的比例最低為10%(希臘、愛爾蘭),最高為60%(法國);焚燒比例最低為1%(意大利),最高為24%(丹麥);僅有3個圍家采用填海處置方法,比例最低為1%(西班牙),最高為35%(愛爾蘭)[5]。以德國為例,污水廠污泥被劃分為固體廢棄物類,近十多年來其填埋比例也大幅下降,焚燒比例則明顯升高(相關的法律和法規也推介污泥焚燒技術)。德國的污泥處置情況見圖1.

生物固體中含有大量的氮、磷、鉀及其他有益的微量元素,并富含有機物質,因此適當的回用可改善上壤質量,提高農作物的產量,減少土壤腐蝕。生物固體可通過焚燒、表面處置、填埋等方法回用,或者作為土壤改良劑回用。但焚燒處理費用昂貴,填埋和表而處置不能從根本上解決問題,所以作為土壤改良劑就成為美國、加拿大等的首選的污泥處理方法。美國、加拿大,采用三等級質量系統,把生物固體分門別類地應用于農業上地,相關處理過程非常相似,如對病原菌的限制等。加拿大對其他污染物的控制也日趨嚴格。這兩個國家都在擴大研究項目,主要針對處理過程中二噁英、呋喃在污泥抗菌劑中的聚集、病原菌的再生和繼續生長以及處理過程中的臭氣等疑難問題。
1.1.2日本韓國處理現狀
兩國共同的特點是經濟發達,人口密度大,土地資源稀缺。所以主要的處理處置方法是焚燒、熱十化、填海轉向堆肥、焚燒灰分利用[1]。
日術早在20年前就開始采用最先進的熱干化和污泥焚燒處理方法,韓國則一直將大量的污泥(77%)填海處理。由于熱干化和污泥焚燒處理的能耗極高,且為滿足嚴格的尾氣排放標準,進一步導致處理成本提高,所以日奉已轉向制定新的污泥管理政策,這將對污泥的安全排放起到重要作用。韓國將從2008年開始禁止污泥填海處理,而現行法律又不容許在農業土地上使用污泥堆肥產生的肥料,因此韓國也在尋求新的污泥處理方法。
焚燒灰分在韓國也具有較好的應用前景,目前已有17家水泥廠采用污泥焚燒灰分作為水泥的主要原料。熱干化和焚燒處理將會成為韓國污泥處理不得不采用的最后手段,只不過技術研發的重點是怎樣使污泥產量最小化。韓國也在嘗試把污泥作為蚯蚓飼料,把混凝劑與污泥的混合物作為一種保護性地表層,利于植被生長,以防止在斜坡而造成過分的水土流失現象。
1.2我國的處理處置現以狀
我國處理方法方式填埋、農業使用為主,阻機械脫水、消化為輔。
2007年2月建設部批準《城鎮污水處理廠污泥泥質》(CJ 247—2007)為城鎮建設行業產品標準,定于2007年10月1日開始實施。該標準填補了我國關于城鎮污水處理廠的污泥處理無單獨標準的空白?!冻擎偽鬯幚韽S污泥泥質》總的原則是“城市污水處理廠污泥應本著綜合利用、化害為利、保護環境、造福人民的原則進行妥善處理和處置”。對污水處理廠巾的污泥處理要求比以前更加嚴格,要求污泥含水率必須小于80%。為保證這一目標的實現,現用“基本控制項目和限值”與“選擇性控制項目和限值”兩部分標準取代了原有的不規范標準?!盎究刂祈椖亢拖拗怠睅в袕娭菩?,污泥含水率必須小于80%,但小注重處理過程;“選擇性控制項日利限值”是針對各地區經濟發展狀況不同而有選擇地選取污泥檢測的項目,而并非指污泥農用應采取的指標。同時,對于新建、改建、擴建的城鎮污水處理廠污泥還要達到“糞大腸菌群值”、“細菌總數”兩個指標。該標準將污泥處理工藝流程分為3個等級,即一級處理(污泥一自然干化一污泥利用)、二級處理(污泥一濃縮一消化一脫水一污泥利用)、三級處理(干燥/干化一焚燒一灰分利用);并規定現有城鎮污水處理廠中污泥處理工藝流程要以二級處理為起點,或進行污泥三級處理;無法達到標準的污水處理廠要進行改建、擴建,并要求污泥逐步從機械脫水轉向干燥或焚燒處理。估計到2020年,我國干污泥的產量將會達到800× 104 t/a,并且隨著大城市化和城市集群區域的發展,我國污泥處理最終將走向干燥或焚燒這樣的三級處理。
2.污泥處理處置新工藝
2.1國內污泥要解決的問題
1)國家政策和行業專家一致認為土地利用是污泥處置的發展方向,但是在我國各地推進不下去。
2)厭氧消化技術從全世界范圍來看,是污泥處理的首選技術,業界也公認是節能減排的優秀技術,卻在我國始終推廣不力。
3)焚燒作為污泥處置的三大技術之一,如今仍然無法“去妖魔化”
4)環保部要求出廠污泥需脫水至含水率50%以下,導致高干脫水臨時性的處理方式被普及,是否阻礙了行業其他技術的發展
據估算,目前我國城市污水處理廠每年排放的污泥量(干重)大約為130萬噸,而且年增長率>10%,特別是在我國城市化水平較高的幾個城市與地區,污泥出路問題已經十分突出。如果城市污水全部得到處理,則將產生污泥量(干重)為840萬噸,占我國總固體廢棄物的3.2%所以,急需推廣剩余污泥處理處置技術。另外,采用什么樣的工藝技術,應該以各地區實際情況作為依據,主要考慮以下兩點:
1)把污泥處理處置作為污水處理系統的非常重要的環節,給予巨大投入,使污染治理能劃上一個完整的句號,這是成熟的污水處理思路;
2)不同國家和地區因地制宜地采取了適合各自國情的污泥處理處置技術路線,主要考慮因素為產業結構、土地資源、城市化程度等。
2.2污泥熱水解技術
2.2.1工藝原理
污泥厭氧消化可以回收沼氣、有效殺滅病原菌、實現污泥的穩定化和減量化,因此厭氧消化技術在世界各國得到廣泛應用.厭氧消化時,污泥在微生物的作用下要經歷水解、產酸及產甲烷三個階段.污泥大部分有機物在微生物細胞內,由于微生物細胞壁和細胞膜的天然屏障作用,其它活的微生物細胞所分泌的水解酶對這部分有機物進行水解的速率低,因此水解是污泥厭氧生化降解的控制性步驟。由于污泥水解速率低,傳統的厭氧消化存在消化速率低、停留時間長(20~30d)、處理效率低(揮發性固體VS的去除率30%~40%)等不足.為了克服傳統污泥厭氧消化工藝存在的消化速率慢、停留時間長、處理效率低的缺點,相繼出現了許多新的處理工藝,其中污泥熱水解法是一種比較成熟的工藝。
熱處理(Theraml hydrolysis ) 是一種高效的污泥預處理技術,通過熱水解處理后,污泥中的微生物絮體解體,細胞破碎,當中的有機物質(如蛋白質、脂肪、碳水化合物)釋放出來進一步水解,從而使污泥的物理化學性質相應發生變化。
污泥的熱處理包括固體物質的溶解及絮體的破碎過程和有機物的水解過程。通常溫度較高時,這兩個過程同時發生;反之,可能只發生固體物質的溶解。污泥的熱處理又可以細分為以下4個過程:污泥絮體結構的解體、污泥細胞破碎和有機物的釋放、有機物的水解和美拉德反應.
2.2.2工藝特點
1)改善污泥的脫水性能
2)提高污泥的厭氧消化性能。在20 世紀70 年代以前, 對于污泥熱水解后水解液而言, 由于含有高濃度的有機物, 通常是采用長時間的曝氣處理, 處理費用高。隨后的研究發現,熱水解能有效提高污泥的厭氧消化性能, 提高后續厭氧消化系統的有機物去除率、增大甲烷的產氣量,也能顯著改善污泥的脫水性能, 污泥經過熱水解、厭氧消化處理后再離心脫水可得到固體含量為40%~ 50% 的泥餅, 大大減少了污泥的體積。經過近20 年的研究, 熱水解、厭氧消化工藝開始工業化應用。1997 年挪威的Cambi 公司將其開發的Cambi 工藝成功地用于挪威Hammer 污水處廠。
3)獲取反硝化所需的碳源。污泥熱水解后的水解液中含有較豐富的C1 ~C5 揮發性脂肪酸, 因此將污泥水解液作為碳源用于反硝化脫氮系統可以節約外加碳源的費用, 同時由于污泥熱水解后脫水性能得到改善而利于脫水減量。
4)實現污泥減量。熱水解不僅可以實現污泥的細胞溶解, 而且污泥熱水解后形成的中間產物更適合作為微生物生長的基質, Rocher 等研究表明: 污泥在pH 值為10 和熱水解溫度為60攝氏度的條件下處理20 min 時細胞溶解和生物降解最穩定, 污泥產率是常規活性污泥法的38% ~ 43%。
2.2.3 污泥熱水解的特點
污泥進行熱水解處理,可以使消化池獲得更高的可揮發性固體(VSS)去除率,并可使最終污泥干固體含量提高,從而實現污泥質量和體積的雙重減量。若不對污泥進行熱水解預處理,消化污泥經聚合物投加后離心脫水,其干固體含量可達22%;而經過熱水解預處理的污泥再進行消化反應,消化污泥經聚合物投加后離心脫水,其干固體含量可達30%~32%。經傳統中溫厭氧消化工藝,總懸浮顆粒物(TSS)去除率為20%~25%;而經熱水解預處理和中溫厭氧消化的污泥,TSS去除率可達43%。TSS去率提高意味著污泥質量減量化的提高。通過熱水解預處理和中溫厭氧消化后,污泥VSS去除率可達45%~48%。一般情況下,采用傳統的厭氧消化工藝處理的污泥,VSS去除率約為28%~30%。應用熱水解預處理和中溫厭氧消化工藝的沼氣含量較傳統中溫厭氧消化工藝提高40%~50%。
2.2.4工藝應用
1997 年,挪威的Cambi 公司首先開發出用于市場的“熱水解-厭氧消化”工藝(稱之為Cambi 工藝)。Cambi 的熱水解工藝(THP)是用高壓蒸汽對市政和工業污泥及生物質廢物厭氧消化的預處理工藝。運用熱水解(THP)技術使消化池容量負荷翻番,增加沼氣產量,產生脫水性能好、無病原體及穩定的生物固體產品,不論是最終產品直接運用于農業,還是干燥后做肥料或生物燃料, 都節約了運輸成本和能源成本。
2.3 超臨界水氧化技術
2.3.1 概述
超臨界水氧化是一種高效的處理有機廢水和廢物的氧化技術,受到國內外的高度重視。水的臨界溫度和壓力分別是374.3℃和22.05MPa,在此溫度和壓力之上的水則處于超臨界狀態。超臨界水氧化(Supercritical Water Oxidation,簡稱SCWO)是以超臨界水作為反應介質與有機物發生強烈的氧化反應,生成CO2、H2O、N2和無機鹽類等無毒小分子化合物[6]。超臨界水具有特殊的性質,空氣、氧氣和有機物在超臨界水中可以任意比例互溶,形成均相。氧氣在超臨界水中與水生成HO•、O•和•HO2等自由基,與有機物發生氧化反應[7]。
2.3.2 ?SCWO工藝原理
有機廢物SCWO氧化反應,是基于自由基反應機理,該理論認為·HO2是反應過程中重要的自由基,在沒有引發的情況下,自由基由氧氣攻擊。
最弱的C—H鍵而產生:
RH+O2—R·+OH· ? ?(1)
RH+HO2—R·+H2O2 ? ? (2)
過氧化氫進一步分解成羥基:
H2O2+M—2HO· ? ? ?(3)
(M為均質或非均質界面),羥基具有很強的親電性,幾乎能與所有的含氫化合物作用:
RH+HO—·R·+H2O ? ? ? ? (4)
(1)、(2)、(4)式中產生的自由基(R·)能與氧氣作用生成氧化自由基,后者能進一步獲取氫原子生成過氧化物:
R·+O2— ROO·
ROO·+RH—ROOH+R·
過氧化物通常分解生成分子較小的化合物,這種斷裂迅速進行直至生成甲酸或己酸,最終轉化成二氧化碳和水[8]。
在超臨界條件下,物理性質的變化使超臨界水表現得類似于一個中等強度的極性有機溶劑。因此,超臨界水能與非極性物質如戊烷、己烷、苯、甲苯等有機物完全互溶;而無機物質特別是鹽類,在超臨界水中的溶解度很低[9]。在此狀態下,水的特性與有機物相同,界面消失,超臨界水的氧氣溶解度也大大提高,實現了完全混合,有機物與氧氣能夠自由反應,反應速度得到了急劇提高。即使是難分解性有機物,也可以幾乎100%分解[10]。
正是由于這些特性,使有機物在超臨界水中的氧化反應在均相條件下進行,反應過程不受傳質限制,反應徹底迅速,使超臨界水成為有機物氧化的理想介質。
2.3.3 SCWO工藝流程
城市污泥和氧化劑(空氣、氧氣、雙氧水等)分別通過高壓泵打人預熱器,使城市污泥和氧化劑加熱達到超臨界溫度,然后進入SCWO反應器,通過氧化反應后,城市污泥被徹底氧化分解。出反應器的流體經冷卻、減壓處理后,經過氣液分離器將反應產生的氣體和液體分別排出或收集進行分析檢測。超臨界水氧化法反應器主要有連續式和間歇式兩種[12],因此超臨界水氧化法主要分為兩種,即連續式超臨界水氧化法和間歇式超臨界水氧化法。目前較為常用的是連續式反應器。國外學者Modell[13,14]提出的連續式SCWO法廢水污泥處理工藝流程如圖6所示。廢水和污泥混合后和氧氣經過加壓、預熱進入SCWO反應器,有機物在極短的時間內被氧化分解,然后液、氣經分離后分別排放,從而達到污泥處理的目的。該工藝一般可分成7個主要步驟: 進料制備及加壓、預熱、反應、鹽的形成和分離、冷卻和能量熱循環、減壓和相分離、流出水的清潔。

反應前首先設定反應的溫度、壓力,通過氧氣和不同含水率的污泥在設定溫度和壓力下的熱力學數據,計算所需污泥量及氧量。在向高壓釜內加入計算量污泥后,用氮氣吹除反應釜和管線內的空氣及殘余污泥,吹掃5 min之后封閉高壓釜及管線閥門,最后關閉氮氣,盡量減小空氣中的氧對實驗結果的影響。當釜內溫度、壓力達到設定要求的時候,由高壓手動計量泵快速泵入所需雙氧水溶液,在反應時間達到后,放出反應物,經冷卻器、氣液分離器后,液相產物流入收集瓶內,計量取樣以便隨后進行分析,氣相產物則通過上部流出[15]。
2.3.4研究進展
多年來,廢水的處理過程中產生的污泥一直是水處理技術的難點。通常污泥采用填埋法、焚燒法、熱解法進行處理,但填埋法導致污泥中有害微生物傳染疾病,該方法占用一定的填埋空間;焚燒法對空氣帶來很大污染,熱解法會產生油等二次污染物。采用超臨界水氧化法處理污泥可以解決以上問題,在溫度為370-650℃,壓力為22-26MPa下,污泥處理率達到99.8%以上,最終產物為二氧化碳和水。
昝元峰等[16]研究指出,臨界水氧化污泥能達到較大的減量效果和實現無害化,最終排放液的COD<10 mg/L;反應液中的懸浮固體和揮發性懸浮固體等均為零;泥沙和金屬鹽沉積于反應器內,達到了良好的分離效果和穩定金屬離子的作用。荊國林等[17]用SCWO處理油田含油污泥,用過氧化氫做氧化劑,實驗結果表明:超臨界水中的氧化反應能有效去除含油污泥中的原油,去除率可達95%,反應停留時間、反應溫度、反應壓力是影響含油污泥中原油去除率的重要因素,隨反應溫度、反應停留時間和反應壓力的增加,含油污泥中的原油去除率增加。
美國德克薩斯州建成世界上第一座商業化運行的超臨界水氧化法污泥處理裝置,其每天處理量高達9.8噸干污泥,污泥中有機物的氧化會釋放足夠的熱量用以預熱回流污泥,并供工廠車間需要的蒸汽和熱水[18,19]。Modell.M.用SCWO處理造紙污泥,結果表明大約80%—90%的污泥固體被超臨界水氧化破壞,總有機碳(TOC)破壞率為99.1%—99.3%,總有機鹵化物(TOX)的破壞率為99.91%—99.94%,說明SCWO對二惡英的破壞率很高。
2.3.5 ?SCWO的優缺點分析
超臨界水氧化技術的優勢有以下幾點:
(1)處理效率高,在適當的溫度、壓力和較短的停留時間下,有毒有害物質去除率達到99.99 %以上;
(2)超臨界水氧化法是在高溫高壓下進行的均相反應,反應速率快,停留時間短,平均停留時間小于1 min,因此反應器結構簡潔,體積小,占地面積??;
(3)不產生二次污染,二氧化碳等清潔產物不需要進一步處理,并且無機鹽可從水中沉淀分離出來,處理后的污泥廢水可以完全回收利用,節約了資源和能源;
(4)若被處理廢水中的有機物濃度在1 %~2 %,就可以依靠氧化反應過程中產生的熱量來維持反應所需的熱能,不需要外界供給熱量,若污染物濃度較高,反應能放出更多的氧化熱,這些熱能可以回收再利用;
(5)從經濟學角度考慮,超臨界水氧化法處理廢物年操作維修費較低,單位成本較低,具有較大的工業應用價值[20,21]。
超臨界水氧化技術存在的問題有以下幾點:
(1)高腐蝕速度,選擇反應釜的材質極難。超臨界水具有強的腐蝕性,尤其在苛刻的高溫、高壓以及含有高濃度溶解氧的條件下,反應產生的活性自由基與礦物酸或某些鹽類物質加劇了設備的腐蝕[22]。
(2)鹽沉積,無機物溶解度減小,誘發工程堵塞,連續運轉難。超臨界水氧化過程中的鹽主要來自兩類,一是為中和反應產生的酸,往往在進料中添加堿,這樣就生成了鹽""另外廢水中也含有一定濃度的無機鹽""這些在室溫下具有良好的溶解度的無機鹽,在超臨界水的環境下溶解能力急劇下降,形成沉淀并析出,這些沉積的鹽往往會堵塞管路,影響傳熱,嚴重的會導致反應器的炸裂。
(3)初期投資費用較高。
2.3.6小結
超臨界是氧化法處理有毒難降解有機廢水具有突出的優勢,一些西方國家己經建成中試或工業裝置。但由于超臨界水氧化技術的條件極其苛刻,其工業化應用目前的材料和技術還較難滿足,許多方面的研究還有待進行。隨著對反應器設計的日臻成熟,以及耐壓、耐蝕材料的研制成功,SCWO法必將因其本身所具有的突出優勢和應用前景而得到快速發展。
2.4臭氧氧化工藝
2.4.1工藝簡介
臭氧氧化污泥減量技術將生物與化學處理技術相結合,既能發揮傳統活性污 泥法的特長,又結合臭氧的強氧化性特點,有效的降解污泥,經濟、實用,便于操作管理,防止污水處理出現二次污染,實現經濟效益和環境效益的統一[23]。
污泥臭氧氧化原位減量工藝一般由污泥臭氧化破解系統和污水生物處理系統組成,并隨著污水生物處理系統的不同呈現不同的工藝形式,但無論哪種工藝形式其核心均是基于污泥隱性生長理論,即當微生物以其自身細胞溶解產物為底物重復新陳代謝時,細胞衰減速率增大,剩余污泥產量下降[24]。
一般的臭氧氧化法的處理流程如圖8的所示,部分活性污泥回送至污泥線, 或者從曝氣槽放出,與臭氧反應后,再將其循環回送?;钚晕勰嘣诔粞跛?,受到強氧化作用,使得其分解成生物可降解有機物,在曝氣槽中進行循環作用。即曝氣槽是將污水與污泥同時處理,在生物先導法的排水處理設備中,處理污泥的脫水機和焚燒爐就成為不必要的設施。因此,曝氣槽的負荷只是增加了經處理后 的污泥部分,而作為排水處理設備的整體卻還是水處理廠的一個簡單的流程[25]。
2.4.2工藝原理
污泥臭氧氧化分解過程分為三個階段[24]:
1.污泥絮體表面破壞期,此時污泥絮體形態和結構基本保持完整,固體物質并不減少。在臭氧投量為20mg·g-1TS時就可以在污泥上清液中觀察到有少量的高分子物質和陽離子釋放,證明了污泥絮體表面的EPS首先受到臭氧攻擊。
污泥絮體結構解體,原來包裹在污泥絮體內部的微生物細胞喪失保護屏障,完全暴露在臭氧的攻擊之下,其強大的氧化能力使微生物細胞失活、死亡并溶解,從而呈現碎片狀態。
2.污泥絮體結構破壞期,通常在臭氧投量大于45mg·g-1TS時發生。此階段作為污泥絮體骨架之一的絲狀菌對臭氧極為敏感,首先死亡,菌絲斷裂,污泥 絮體結構開始松散,污泥絮體周圍的胞外聚合物及構成污泥絮體骨架的陽離子 脫離污泥固相進入污泥上清液,污泥粒徑變小,污泥固體物質開始減少。
3.污泥微生物細胞溶解期,隨著臭氧投量的增加,污泥絮體結構解體,深藏在污泥絮體內部的微生物受到臭氧的攻擊,部分死亡,細胞壁破壞,細胞內物 質釋放,污泥上清液中高分子聚合物及陽離子顯著增加,污泥粒徑持續變小,顏 色變淺,污泥固體顯著減少。
2.4.3工藝總結
Sakai[26]將臭氧氧化技術應用于日本的Shima污水處理廠4450m3/d的城市污 水活性污泥處理系統中。當臭氧投加量為0.034kg/kgSS、處理污泥量為預計剩余 污泥量的4倍時,可以做到剩余污泥的完全減量。經過5個月無剩余污泥排放的運行,進水中30%的無機物在污泥中有一定的積累,但沒有觀察到惰性有機物的積累。出水水質除SS比未經臭氧處理時高2~15mg/L,其余指標均無明顯變化。
在工程應用中發現,在出水水質沒有顯著惡化的情況下,這種工藝能做到污泥的零排放。臭氧氧化出水TOC比常規活性污泥法略高,進水中的無機物在污泥中有一定的積累。
但是由于臭氧氧化工藝設備成本高,運行成本高,臭氧利用率低。該工藝難以在城市污水污泥處理中廣泛應用。但臭氧氧化工藝將污泥氧化提高了進水可生化性,對于很多工業污水的處理十分有利。因此,臭氧氧化工藝是適用于工業污泥處理的污泥處理工藝。
2.5超聲減量工藝
2.5.1工藝簡介
超聲波破解是指在較高的聲強作用下,特別是低中頻(低于1MHz)范圍內, 超聲波會在水相中產生大量的壽命約為0.1µs的空化穴,其在爆炸瞬間產生短暫的強壓力脈沖,并于氣泡周圍的微小空間內形成局部高溫、高壓點,這種高溫高壓會引起一系列物理化學效應,數微秒后,該熱點以109 K/s的速率迅速冷卻。在冷卻過程中,產生強大的沖擊波與高速射流,微小氣泡的爆炸可以產生高強的水力剪切力,從而將微生物的細菌壁破解,所以超聲波法是一種破解污泥的有效方法,同時也可加速污泥水解速度。超聲波處理用于污泥回流系統時,可強化細胞的可降解性,減少污泥的產量;用于污泥脫水設備時,有利于污泥脫水和污泥 減量[27]。
2.5.2臭氧-超聲聯用工藝
臭氧作為強氧化劑,廣泛用于飲用水和污水處理,近年來也成為污泥減量化 的重要手段;然而臭氧的利用率低,運行成本較高,如何提高其利用率成為研究熱點。超聲波也因其低能耗、高效率的高級氧化特性成為污泥溶胞研究熱點。將臭氧、超聲波這兩種具有代表性的溶胞工藝結合,具有理論依據和應用前景。
超聲波-臭氧聯用技術的工藝步驟如圖。經過試驗研究[28],聯合技術對污泥的破解效果大于單獨臭氧氧化降解效果。超聲波強化臭氧污泥破解效果主要是由于超聲的空化和機械破解作用,一方面加強了O3的傳質速率和分解速率 ; 另一方面促進了O3分解產生自由基,如羥基自由基,具有更強的氧化能力。
超聲波-臭氧的聯合使用相比各自單獨使用的污泥破解效果好。污泥濃度越 大,聯合技術的處理效果越顯著 。在臭氧和超聲波的作用下,不僅將污泥破解, 而且將難降解的有機物氧化為易降解有機物,提高其可生化性。把破解的污泥回流到生物反應系統中,被微生物二次利用,可達到污泥減量的目的。
2.5.3工藝總結
超聲破解方式對污泥進行處理有以下三個特點。一是利用超聲波破解污泥物質結構中相當數量的微生物細胞壁 ,使細胞質和酶得 以釋放胞內物質作為自產底物供微生物生長,即利用隱性生長的原理,從而提高生物系統的降解效率,減少系統的污泥產量; 二是將被釋放出來的細胞質作為補充碳源從厭氧段進入好氧系統,不但提高脫氮除磷的效果,而且為后段的好氧過程提供更多的碳源,使硝化和反硝化同時進行,提高整個生物系統去除COD的能力;三是將常規工藝中難降解的物質轉化為易降解物質,提高生物降解率,減少剩余污泥量。
超聲污泥減量技術可以降低污泥處理與處置的費用,有效防止剩余污泥對環境的二次污染,是一種經濟、有效、環保的新型污泥減量技術,是將來污泥減量化研究的重要發展方向。超聲波與其他處理工藝結合處理污泥,對污泥減量能發揮出更大的作用。隨著對剩余污泥處理要求的不斷提高,超聲波污泥減量技術具有更廣的發展空間,將會帶來可觀的經濟效益與環境效益。
2.6蚯蚓生物濾池工藝
2.6.1工藝簡介
蚯蚓生物濾池是根據蚯蚓具有提高土壤通氣透水性能和促進有機物分解轉化等生態功能而設計,集物理過濾、吸附、好氧分解和污泥處理等功能于一身,利用濾料截留、蚯蚓和微生物的分解利用污水及污泥中的有機物和營養物并具有促進含氮物質的硝化與反硝化作用[29,30],是一種生態型污水污泥同步處理新技術。
蚯蚓生物濾池工藝起初作為處理污水的一項工藝[31],主要應用于處理水量較小以及農村生活污水中。近年來,發展出利用其工藝特點處理生活污泥的應用,實驗效果好,因其針對性強而有廣闊的發展空間。
2.6.2工藝原理
蚯蚓生物濾床中的微生物以污水中膠體態和溶解性有機物為食料而生存繁殖,并在載體或填料顆粒表面形成生物膜;蚯蚓以濾床中的生物膜作為營養源,經吸收消化和分解利用實現污泥的減量化和穩定化。蚯蚓在濾池生物處理系統中與微生物存在著協同共生的作用,蚯蚓糞對微生物的生長和繁殖也提供了良好的生存基質。在覓食過程中蚯蚓上下運動,對填料起到了疏松作用,使之保持良好的通氣環境,有利于污染物的進一步降解。
從生態學角度講,系統食物鏈越長,能量損耗就越多,用于生物體合成的能量就越少[32]。所以可通過延長系統食物鏈來實現污泥減量化:在傳統污水生物反應器中引入蚯蚓這一物種,延長和擴展了反應器中原有食物鏈,系統中微生物以污水中的有機污染物為食料,蚯蚓則生長在濾料表層0.5-20.0cm之間,以污水中懸浮物和生物污泥為食料。通過微生物和蚯蚓的協同共生作用,使污水得以凈化,并形成以蚯蚓糞為主的少量穩定污泥,同步實現污泥的減量化與穩定化[33,34]。
2.6.3工藝特點
與普通工藝使用的濾池相比,蚯蚓生物濾池的特點主要提現在以下四個方面:
1)采用現代生態設計理念,在生物過濾器中引進適合的蚯蚓種類,延長和擴展了原有微生物的代謝鏈。蚯蚓具有吞食有機質、提高土壤通透性、與微生物協同作用和促進有機物的降解等生物學功能,可以提高濾料的空隙率,促進污水中有機物的降解,并清除濾池中可能出現的污泥堵塞現象和減少污泥的產量,從而提高濾池的處理能力和處理效率。
2)蚯蚓對有機物的強化分解使系統可以采用小粒徑濾料,大大改善了生物處理效果。一般蚯蚓生物濾池采用輕質、高比表面積和大孔隙率的球形陶粒濾料,其表面堅硬多微孔,內部孔網交錯,吸附和截污能力強,增大了系統的微生物量,同時增強了生物活性。
3)通過蚯蚓吞食有機質、與微生物協同作用和促進有機質的降解等生物學功能,以及高比表面積陶粒濾料的選擇,蚯蚓生物濾池具有更高的有機負荷承受能力和水力負荷耐受力,有利于提高裝置的處理能力,減小占地面積。
4)由于較高等生物物種——蚯蚓的引入,延長和擴展了生物食物鏈,使其污泥產率較普通生物濾池又有所減小,而且污泥穩定性高,有利于污泥的后續處置處理。
2.6.4國外研究進展
蚯蚓生物濾池最早由智利大學的Jose Toha教授于1992年提出[35],世界上第一座用于處理生活污水的蚯蚓生物濾池由Marcel Bouche于1995年建立。該濾池處理的生活污水經格柵和沉沙處理后直接進入濾池,出水清澈,除氮磷濃度過高外,其他水質指標可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB-18918--2002)的一級B排放標準。有研究表明,在水力負荷為1.0m3/(m2.d)時,對BOD5和SS的去除率達90%以上,對氮和磷的去除率也分別在80%和70%以上。
近幾年,蚯蚓生物濾池技術在法國和智利的發展較快,并得到了推廣應用。如在Melipilla、Peumo、Teno、Claret等地建立的蚯蚓生物濾池已用于生活污水的處理,運行效果良好;在智利Agricola LecheraCHILOLA公司和TenoAgrozz公司分別建設了用于處理奶制品和番茄制品生產廢水的蚯蚓生物濾池,于1991年開始運行。
利用蚯蚓生物濾池同步處理污水和污泥是目前的主要研究方向。Tayor等[36]采用有機固體廢物作為蚯蚓過濾器濾床處理生活污水,考察了濾床高度對COD、BOD、氨氮、總凱氏氮、硝態氮和磷的去除影響及規律。Li等[37]采用木屑和混有蚯蚓養殖物料的蚯蚓生物濾池處理養豬場廢水,取得了一定的效果,同時可以獲得較優秀的堆肥產品。
2.6.5國內研究進展
1998年同濟大學引進蚯蚓生物濾池處理技術,并在上海曲陽水質凈化廠進行了實際運行研究。參照法國Combaillaux試驗場的蚯蚓生態濾池,設計了長為1.0m、寬為1.0m、高為1.5m的實驗裝置,見圖11。該裝置由濾池上部的布水器、中部的生態蚯蚓濾床和下部的排水區三部分組成,填料床厚度為0.6m左右,采用赤子愛勝蚓。

? ? ? ? ? ? ?圖11. 蚯蚓生物濾池結構示意圖
該工藝處于“厭氧水解-高負荷生物濾池-蚯蚓生物濾池”組合工藝末端,保證出水水質,減量穩定污泥[38]。 實驗對蚯蚓生物濾池工藝的影響因素進行了探究,包括使用石英砂、陶粒兩種不同的濾料,以及4種不同的進水工況。得出的結論如下:污泥減量率可達38.20%-48.20% 系統污泥減量化的總體效果與蚯蚓對污泥的消減效率正相關;溫度是影響消減效率的重要因素,系統溫度在23-28℃時效率最高;水力負荷不宜過大,否則會使水流對蚯蚓的沖擊作用增強,影響其正常生命活動及消減效率;濾料也是影響消減效率的重要因素,陶粒相比石英砂效率更高。污泥減量化效果更好。 同時,蚯蚓生物濾池的懸浮固體濃度(SS)減量率、揮發性懸浮固體濃度(VSS)減量率分別可達到49.5%-55.6%和60.0%-63.2%,比普通生物濾池提高了14.4%-21.7%和22.3%-26.4%。
2.6.6發展前景
除了應用在現今已經較成熟的城鎮污水處理流程上,蚯蚓生物濾池還可以在農村污水處理以及更先進的污泥處理上得到應用。我國農村分布廣、數量多,相比于城市其污水日均排放量小,缺乏完善的污水收集系統。此外,經濟實力相對較弱,無法配備污水處理、運行管理的專業技術人員,使得農村污水處理技術無法套用成功的城市生活污水處理技術。蚯蚓生物濾池工程造價和運行費用低,除污效能高,占地面積小,可實現污水、污泥的同步處理,減少后續污泥的處置處理相關費用等。而蚯蚓生物污泥處理技術就是從生態角度出發,通過人工強化生態系統富集與擴散、合成與分解、拮抗與協同等多種自然調控作用,利用蚯蚓和微生物的協同作用來實現污泥的減量化、穩定化、無害化和資源化的目的。目前利用蚯蚓生物率航次處理剩余污泥的實驗室研究已取得了一定的進展,將該項污泥處理技術進行應用推廣,考察其在實際環境中的運行是下階段的研究重點。
2.6.7小結
蚯蚓生物濾池因其工作原理和特點而賦予鮮明的技術和經濟特色,經過多年的相關研究,目前對蚯蚓生物濾池的應用已涉及小城鎮污水處理、農村生活污水處理和污泥處理等多個方向,并取得了一定的研究成果。由于蚯蚓生物濾池具有工程造價低、運行費用低、管理要求低、占地面積小、二次污染少、資源化程度高等特點,符合可持續發展方向,具有鮮明的“生態平衡”和“環境友好”技術特色,因此在今后的小城鎮和農村生活污水、污泥處理中有著廣闊的發展前景。
3.總結與展望
污泥的處理和再利用技術是多方面的,采取何種方式要綜合考慮多方因素 在兼顧環境效益,社會效益的前提下,提高其經濟效益,要遵循穩定化、無害化、 減量化、資源化的原則。對污泥處理與處置而言,從剩余污泥產生的源頭上做文章.以預防為主要手段對污泥進行減量化處理,是污泥處理的必然發展趨勢,也是污水廠降低運行成本、徹底解決污泥處置難的必然發展方向。但污泥減量化技術在我國還不完善,存在著許多亟待解決的問題,這需要開發高效、低耗污泥減量技術,且需對目前現有技術進一步加以完善、優化,以最終實現在水廠中全面應用。文中介紹的污泥處理處置新工藝,就是以上述原則為目標,實現最終的最大化利用。

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