（环境科学专业论文）污水处理厂污泥酸性发酵实现挥发酸产量最大化实验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 作用的最佳范围内，污泥v s 去除率在6 2 4 2 5 4 2 ；污泥产酸 发酵的最佳工艺条件即污泥投配比为1 0 ，温度为2 2 。c ，搅拌方式 为每6 0 m i n 搅拌1 0 m i n ，发酵1 3 d 时，污泥的最大产酸量为 0 1 7 2 9 v f a g ，v s 去除率为2 1 5 8 。 关键词：污水处理厂污泥，酸性发酵，生化产酸势，挥发性脂肪酸 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo n t h em a x i m u mp r d u c t 【o no fv r d u r i n ga c i d o g e n s i so fs l u d g ef r o m 冈m a b s t r a c t t h er e g u l a t i o no fa c i d o g e n i s i so fs l u d g ef r o mw a s t ew a t e rt r e a t m e n t p l a n t ( w w t p ) w a ss t u d i e di na l a b s c a l ee x p e r i m e n t t h ee f f e c to fs o m ef a c t o r ss u c ha st h ec h a r a c t e r i s t i co fi n o c u l a t e d a n a e r o b i cs l u d g e ，t h eu s eq u a n t u mo fc h c l 3 ，o r i g i n a lp h ，t h ea d d i t i o no f m i c r o e l e m e n ta n dt h ev a r i e t yo fs l u d g eo nt h eb i o c h e m i c a la c i d o g e n i c p o t e n t i a l ( b a p ) o fs l u d g ew e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es l u d g ew h i c hw a sn o ti n o c u l a t e dw i t h a n a e r o b i cs l u d g eh a sb e t t e ra c i d o g e n i ce f f i c i e n c yt h a nt h a to fs l u d g e i n o c u l a t e dw i t ha n a e r o b i cs l u d g e t oi n h a b i tt h ep r o d u c t i o no fm e t h a n e g a sa n dt oa c h i e v et h em a x i m u mp r o d u c t i o no fv o l a t i l ef a t t ya c i d ( v f a ) ， c h c l 3w a sa d d e da si n h a b i t a t o ra n dt h eo p t i m a lq u a n t u mi s0 0 3 m m a d j u s t i n gt h eo r i g i n a l p ha n da d d i n gm i c r o e l e m e n th a dn o te m i n e n t e f f e c to nt h eb a po fs l u d g e w h e nt h ef e r m e n t a t i o nt i m eo fs l u d g el i e s f r o m13t o2 8d a y s ，t h ev o l a t i l ef a t t ya c i dc o m p o s i t i o ni n v o l v e da c e t i c 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 a c i d ，p r o p i o n i ca c i da n db u t y r i ca c i d ，a n dt h em o s ti m p o r t a n tv f aw a s a c e t i ca c i d t h r o u g ht h eb a pe x p e r i m e n t ，w ec o u l dc o n c l u d et h a tw h e n3 9 w a s t e w a t e rs l u d g ew a si n v e s t i g a t e d ，t h em a x i m u mp r o d u c t i o no fb a p w h i c hi s0 2 9 8 0 9 v f m g v sc a r lb ea c h i e v e du n d e rf o l l o wc o n d i t i o n ：t h e q u a n t u mo fc h c l 3a n db a c l 2w a s0 0 3 r a ma n d2 m mr e s p e c t i v e l y , t h e t e m p e r a t u r el i eb e t w e e n2 2a n d2 8 。c ，t h em i x i n gr a t ew a s1 8 0 r r a i n d u r i n gt h eb a t c ht e s to fa c i d o g e n i s i so fs l u d g e ，t h es e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o rw a su s e d a no r t h o g o n a l e x p e r i m e n ti n v o l v e dt h e a d d i t i o n a l p r o p o r t i o n o f s l u d g e ，t e m p e r a t u r e ，m i x i n gi n t e n s i t y w a s o p e r a t e d t of o u n dt h eo p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o nf o ro b t a i nt h e m a x i m u mp r o d u c t i o no fv f a b a s e do nt h ed a t af r o ms e r i e so f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h ec h a n g eo fp ha n do r pw e r ei nt h eo p t i m a l r a n g eo fa c i d o g e n e s i so fw a s t e w a t e rs l u d g e t h er e m o v a lr a t eo ft h ev s i nt h es l u d g ew a s1 7 0 3 2 4 2 5 t h e o p t i m a lc o n d i t i o nw a s s t u d i e dt h a tt h ea d d i t i o np r o p o r t i o no fs l u d g ew a s1 0 ，t h et e m p e r a t u r e w a s2 2 。g ，t h em i x i n gi n t e n s i t yw a sm i x i n gf o r1 0m i n u t e sd u r i n g6 0 m i n u t e s u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h em a x i m u m p r o d u c t i o no fv f aw a s 0 1 7 2 9 v f m g v sa f t e r1 3d a y sf e r m e n t ，a n dt h er e m o v a lr a t eo ft h ev s i nt h es l u d g ew a s2 1 5 8 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e y w o r d s ：s l u d g ef r o m 彬嘲a c i d o g e n e s i s ，b i o c h e m i c a l a c i d o g e n i cp o t e n t i a l ( b a p ) ，v o l a t i l ef a t t ya c i d ( v f a ) 5 声明 y9 7 9 3 7 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：立蔓丑舡 日期：鱼型l l 韭一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 叠里聋一 盔枣 日期_ 建! 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1 研究课题的提出及意义 1 1 1 污泥处理处置的必要性 废水生物处理的实质是将水中的有机污染物变成不溶性的固体( 污泥) 或 无害的气体，从而达到净化水的目的。但产生的污泥中含有大量的有毒有害物 质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合成有机物及重金属离子等，若不加处 理或处理不当，会传播疾病、污染土壤和作物并通过生物链转移至人类。 污泥的集中堆置，不仅严重影响堆置地附近的环境卫生状况，可能使污染 物由表面径流夹带和向地下径流地渗透引起更大范围的水体污染问题。当然， 污水厂污泥的陆上堆积和水体排放还会引起侵占土地空间、导致水体过度( 加 速) 淤积等环境生态问题【1 】。 因此，污泥不经妥善处理而任意排放和堆置，必将对周围环境造成严重的 污染，使已建成的污水厂不能充分发挥其消除环境污染的作用；此外，污泥中 还有植物营养素( 氮、磷、钾) 、有机物及水分等物质，如果合理利用将会变废 为宝。故污泥需要及时处理与处置，以便达到如下目的： ( 1 ) 使污水处理厂能够正常运行，确保污水处理效果； ( 2 ) 使有毒有害物质得到妥善处理或利用； ( 3 ) 使容易腐化发臭的有机物得到稳定化处理； ( 4 ) 使有用物质能得到综合利用，变害为利。 总之，污泥处理的目的是使污泥减量、稳定、无害化及综合利用【2 。 与废水处理技术相比，我国污泥处理技术还相对落后，很大程度上制约了 废水处理设施的建设和环境污染状况的改善。随着城市污水处理普及率逐年提 高，污泥量也以每年1 5 以上的速度增长碍】。随着资源短缺危机的加剧，人们 不得不寻找新的资源。污泥由于含有大量的有机物、营养元素( 氮、磷等) ，受 太原理工大学硕士研究生学位论文 到了越来越多的关注。如何解决污泥对环境的污染问题，使其化废为宝，是环 境工程界的一个重要课题。 1 1 2 污水处理厂碳源的需求 污水处理厂中，碳源是影响生物脱氮除磷工艺运行效果的重要因素。 1 生物脱氮工艺对碳源的需求 在生物反硝化系统中，反硝化菌可以利用碳源作为电子供体，n 0 3 一和n 0 2 一 作为电子受体，在无氧或低氧条件下，将n 0 3 一和n 0 2 一还原成氮气，同时达到去除 有机物的效果。由此可见，碳源是反硝化过程所不可少的一种物质。 这个过程可以用下述反应式表示： n 她”+ 3 h ( 电子供给体有机物) 卜1 2 n 2 + h 2 0 + o h n 0 3 + 5 h ( 电子供给体有机物) 1 2 n 2 + i - t 2 0 + o h 。 由上述反应式可以看到，生物反硝化过程需要提供足够数量的有机物( 碳 源) ，保证一定的碳氮比才能使反硝化反应顺利完成，从而达到高的脱氮效率。 如果污水中的有机污染物足以满足反硝化反应的需要时，可以不补充碳源。 如果污水中碳源有机物含量不够时，无机物氢、s 2 - 等也可作为反硝化反应的电 子供体，微生物通过内源呼吸消耗原生质进行内源反硝化： c s h t n 0 2 + 4 n 0 3 一+ 5 c 0 2 + n i i 3 + 2 n 2 + 4 0 h 一 由于细胞物质的减少，减少了反硝化细菌的数量，污水处理中需提供必要的 外碳源，反硝化的碳源物质有城市和工业废水中的碳源有机物，也可以补充投加 甲醇、乙醇或乙酸等含碳有机物【4 】。 若碳源不足，而不加以补充的话会引发很多问题。 上海焦化总厂于19 9 2 年建造了采用反硝化一硝化工艺的生物脱氮处理站一 座，设计处理水量7 2 0 0 m3 d ，进水c o d8 0 0 m g l ，n h 4 n2 0 0 r n g l ，并补充外碳 源甲醇残液2 4 0 m 3 d 。其实际处理水量为6 3 0 0 m 3 d ，进水c 0 胁一般在4 0 0 7 0 0 m g l 2 _ 间，b o d 在3 0 0 4 5 0 m g l 之间，n h 4 - n 在1 0 0 2 0 0 m g l z 间，而甲 醇残液的补充量在多数情况下接近于零调试运行。经过处理站处理后，氨氮可以 达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 。但是，c o d 并不能达标】。 引起这一问题的主要原因是原废水的碳源不足，碳氮比偏低。当碳氮比较高 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 或有适量的甲醇残液作为补充碳源时，出水n t g - n 较低，约在1 0 m g r l v a 下，出水 c o d 也较低，约为1 0 0 m g l 2 e 右；当碳源不足又无补充外碳源时，出水n i - h - n 较 高，可达1 0 0 m g l 2 e 右，甚至更高些。当碳源比较充足时，n 0 2 - n 对出水c o d 的影响很少；而当碳氮比较低又无补充外碳源时，n 0 2 - 一n 对出水c o d 的影响较 大，n 0 2 一一n 形成的c o d 占出水总c o d 的3 0 4 5 左右。 同时，由于碳源不足，反硝化反应不能很好进行，故未能产生碱度以作为硝 化反应的碱源，至使目前处理站的碱耗量远远大于原设计的需碱量，实际加碱量 为碳源充足时的2 3 7 倍。 可见，对于高浓度含氨氮废水，若反硝化段碳源不足，将大大增加生产运行 费用。 2 生物除磷工艺对碳源的需求 在生物除磷系统中进水碳源是一个很重要的问题。 生物除磷靠具有过量积聚磷用于生长的聚磷菌( p a o s ) 来实现埘。聚磷菌在 厌氧条件下吸收挥发性脂肪酸嘲，并将其运输到细胞内，同化成胞内碳源存贮物 ( p h b ) ，同时将细胞原生质中聚合磷酸盐t p o l y p ) 的磷释放出来，提供能量；在 好氧条件下，聚磷菌( p a o s ) 以聚磷的形式存贮超出生长需求的磷量，通过p h b 的氧化代谢产生能量，用于磷的吸收和聚磷的合成，能量以聚磷酸高能键的形式 捕积存贮，磷酸盐从液相中去除。因此原水中易降解有机物的浓度( 碳源) 将直接 影响磷的去除。 生物除磷工艺所去除的磷都储存在聚磷菌体内，以剩余污泥的形式从系统中 去除污水中的磷。 1 a 是保证聚磷菌生长的必要底物，作为p a o 的碳源，v f a 能够被其利用来 直接除磷，b a m a r d 7 的研究表明，去除l m g 的磷需要7 9 m g 的v f a ，而且可通过 增加 a 来达到使出水磷含量保持在低于0 2 0 3 m g l 的水平。显然，v f a 在生 物除磷过程中起着重要作用。研究表明，短链的v f a 已经被发现是聚磷菌的主要 基质。在生物除磷工艺中，进水中v f a 的含量及其在厌氧段中通过其他有机基质 转变而来的v f a 合 量能否满足聚磷菌合成足够的p h b 所需的量，是影响聚磷菌释 磷及吸磷效果的一个不可忽视的控制要点。 由于聚磷菌真正能利用的是v f a ，因此当进水碳源成为生物除磷的限制因素 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 时，为了提高进水b o d 5 中v f a s w 量，可以利用产酸菌的发酵分解作用，在蒋水 进入生物处理流程之前设置酵解池，进行酸性发酵。污水中最初的v f a 量和通过 发酵形成的v f a 量，对于提高生物除磷是一个重要的因素f 8 ，利用污水中含有的 潜在的v f a 总量可以较好的衡量污水生物除磷的可行性和判断生物除磷的效率。 a b u g h a r a r a h 和r a n d a l l 在生物除磷中加入甲酸、乙酸、丙酸、异丁酸、正 丁酸、异戊酸和正戊酸等7 种有机酸，并研究了它们对处理效果的影响唧。试验 结果表明，除了甲酸以外，其它有机酸的加入都引起了大量的磷释放，都被生物 除磷所利用，乙酸的加入引起了磷的最大量释放。 乙酸盐也能够较好的刺激聚磷菌的厌氧释磷，在原水、，f a s 较少和厌氧释磷速 率较慢的情况下可适当投加乙酸盐作为碳源，以促进聚磷菌的释磷过程【1 0 】。 另外在生物除磷工艺调试运行期间，尤其是在污泥培养期闻，若进水b o d 5 长期处于1 0 0 m g l 以下时，常采用投加外部碳源的方法，增加进水b o d 5 浓度，但 是投加的外部碳源应富含v f a ，否则难以取得较好的培养效果。这一点在王小郢 污水厂得到证实【l ”。 可见，碳源对生物除磷工艺有着很大的影响，尤其是v f a s 的含量。保持生物 除磷系统中有足够的碳源也成为污水处理厂的一项重要的任务。 3 硫酸盐生物还原系统对碳源的需求 硫酸盐生物还原系统中，硫酸盐还原细菌( s r b ) 还原硫酸盐的过程中需要 供应碳源有机物，s r b 可以利用乙酸、丙酸、丁酸和一些长链脂肪酸等作碳源n 2 1 。 国外许多学者曾进行过糖蜜、初沉池污泥以及剩余污泥发酵提供碳源有机物为硫 酸盐还原菌利用的研究工作【13 1 ，也有研究者进行过垃圾发酵产酸作为s r b 碳源的 实验研究【l4 】。 v f a 可直接被s r b 降解，若系统中存在能形成短链脂肪酸的发酵细菌，则与 s r b 能完成一个完整的厌氧降解“生物链”口5 1 。按v f a 被氧化程度的不同，可分 为完全氧化和不完全氧化两种形式。当发生不完全氧化时s r b 本身就是一种产 乙酸菌，它利用产酸菌的某些中间产物，如丙酮酸、乳酸等进一步降解为乙酸， 使产酸类型向乙酸型发展，有利于后续的产甲烷过程。若厌氧体系中h 2 分压不断 升高，会引起有机酸特别是丙酸的积累，利用丙酸的s r b 对其进行代谢和消耗后， 有利于厌氧反应器的稳定运行。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 3 污水处理厂污泥酸性发酵提供碳源 很多的污水处理厂采用反硝化、硫酸盐还原、脱氮除磷等工艺进行废水处 理，在这些工艺的运行中，为保证其达到高的去除效率，往往需要外碳源的投 加，这势必会增加污水处理厂的运行费用，因此，寻找廉价的外加碳源已成为 降低处理成本的关键所在。 在污水处理中，剩余活性污泥是城市污水生物处理过程中产生的废弃物， 它的产生量非常之高，它的处理与处置问题日益受到关注，因此有必要将剩余 污泥进行资源化处理。 对污水厂污泥进行处理处置时，要对其自身的有用成分引起高度的重视， 若能够加以利用不但能变废为宝，还能实现污水厂的循环运行，减少开支，增 强处理效率。剩余污泥中含有丰富的有机物质如蛋白质、多糖类和脂肪类等【1 “， 将这些有机物转化为可利用的能源是一种资源回收利用的有效途径，如热能、 液体燃料、特殊的化学制品等旧。 将乘0 余污泥用生物方法进行处理，不仅可以减少污泥量，酸化过程产生的 可溶性有机物可作为微生物的能量和碳源物质【l ”。例如产生的有机酸，它本身 有很高的利用价值。短链挥发性脂肪酸( v f a ) 尤其是乙酸，在增强生物磷的 去除( e b p r ) 方面起主导作用1 9 】。 现有的污泥厌氧处理大多是采用产甲烷发酵的方式。在此过程中，污泥 发酵产酸是其中的一个中间阶段。若能稳定控制在产酸阶段，则可以在处理污 泥的同时获取廉价碳源。所以，剩余污泥生物转化为有机酸是一种很有前途的污 泥处理方法。 因此，对污水处理厂的污泥进行酸性发酵研究具有重要的意义。 1 2 研究目的及研究内容 对于污泥的酸性发酵，我们所关注的是如何能更多更有效的获得挥发性脂 肪酸( v f a ) 。 课题研究污泥厌氧酸性发酵的产酸规律，研究产酸过程中p h 值、氧化还 原电位( o r p ) 的变化，研究目的在于寻求一种有效途径来实现剩余污泥高效、 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 稳定地进行产酸反应，并考察了产酸发酵的影响因素，从而确定挥发酸产量最 大化的最佳工艺条件。 研究内容包括： 1 污泥生化产酸势( b i o c h e m i c a la c i d o g e n i cp o t e n t i a l ，b a p ) 实验 ( 1 ) 接种厌氧污泥对污泥b a p 的影响； ( 2 ) c h c l 3 的投加量对污泥b a p 的影响； ( 3 ) 起始p h 值对污泥b a p 的影响； ( 4 ) 微量营养元素的添加对污泥b a p 的影响； ( 5 ) 不同污泥的b a p 比较。 2 污泥批量运行实验 ( 1 ) 研究污泥投配比、温度、搅拌方式对产酸量的影响，以这三个影响因 素作为因子进行污泥酸性发酵正交实验，从而找到使挥发酸产量最大 的工况条件； ( 2 ) 考察污泥酸性发酵过程中p h 值、氧化还原电位( o r p ) 的变化及v s 的去除率。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 污泥分类、性质 第二章文献综述 2 1 1 污泥分类 污泥一般指介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵输送，但它很难通过 沉降进行固液分离。悬浮物浓度一般在o 5 5 ，低于此浓度常称为泥浆。 由于污泥的来源及水处理方法不同，产生的污泥性质不一，污泥的种类很多， 分类比较复杂，目前一般可按以下方法分类脚3 。 1 按来源分 污泥主要有生活污水污泥、工业废水污泥和给水污泥。 2 按处理方法和分离过程分 污泥可分为沉淀污泥( 包括物理沉淀污泥、混凝沉淀污泥、化学沉淀污泥) 及生物处理污泥( 包括剩余污泥、生物膜法污泥) o 随着废水普及二级处理，目 前一般废水处理厂的污泥大都是沉淀污泥和生物处理污泥的混合污泥。 3 按污泥的成分和某些性质分 污泥可分为有机污泥和无机污泥，亲水性污泥和疏水性污泥。 生活污水处理产生的混合污泥和工业废水产生的生物处理污泥是典型的有 机污泥，其特性是有机物含量高( 6 0 一8 0 ) ，颗粒细( o 0 2 o 2 r m n ) ，密度 小( 1 0 0 2 一1 0 0 6 k g ? m - 3 ) ，呈胶体结构，是一种亲水性污泥，容易管道输送，但 脱水性能差。 混凝沉淀污泥、化学沉淀污泥以及沉砂池产生的泥渣大都属无机污泥，以 无机物为主要成分的无机污泥往往被称为沉渣。它的特性是有机物含量少、颗 粒粗、密度大、含水率低，一般呈疏水性，容易脱水、但流动性差，不易于使 用管道输送。 4 按污泥在不同处理阶段分 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 污泥在污水处理中不同阶段可分为生污泥、浓缩污泥、消化污泥( 熟污泥) 、 脱水污泥、干化污泥、干燥污泥等。 2 1 2 污泥的性质指标 用于表示污泥性质的主要指标 2 1 有： 1 污泥含水率 污泥中所含水分的重量与污泥总重量之比的百分数成为污泥含水率。污泥 的含水率一般都很高，比重接近于i 。 污泥的体积、重量及所含固体物浓度之间的关系可用式( 2 - 1 ) 表示： 兽：争：塑磬：鲁( 2 - 1 ) 1 0 0 巧彬一曰q 式中p l ，v 1 ，w 1 ，c 1 一一污泥含水率为p l 时的污泥体积、重量与固体物浓度； p 2 ，v 2 ，w 2 ，c 2 一一污泥含水率变为p 2 时的污泥体积、重量与固体物浓 度。 式( 2 - 1 ) 适用于含水率大于6 5 的污泥。因含水率低于6 5 ，体积内出 现很多气泡，体积与重量不再符合式( 2 - 1 ) 关系。 2 挥发性固体和灰分 挥发性固体能够近似地表示拷泥中有机物含量，又称为灼烧减量；灰分则 表示无机物含量，又称为固定固体或灼烧残渣。挥发性物质和灰分物质的含量 以它们对污泥总干重的百分数来表示。 3 可消化程度 污泥中的有机物是消化处理的对象。污泥中一部分是可消化降解的( 或称 可被气化、无机化) ；另一部分是不易或不能被消化降解的，如脂肪、合成有机 物等。常用可消化程度来表示污泥中可被消化降解的有机物数量。 4 污泥肥分 污泥中含有大量植物生长所必需的肥分( 氮、磷、钾) 、微量元素及土壤改 良剂( 有机腐殖质) o 5 污泥重金属离子含量 污泥中重金属离子含量决定于城市污水中工业废水所占比例及工业性质。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 污水经二级处理后，污水中重金属离子约有5 0 以上转移到污泥中。因此污泥 中的重金属离子含量一般都较高。 2 2 污泥处理处置的基本方法 目前对污泥的处理与处置还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6 0 一7 0 【2 2 j 。 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4 1 4 亿m 3 ，二级处理率达到1 5 ，污泥产生量大约为1 5 0 0 万讹左右( 按含水率9 7 计) 。按照我国城市污 水处理厂的建设规划，到2 0 1 0 年，我国城市污水的处理量和处理率都将增加， 污泥年产量也将相应增加到现在的5 倍【2 3 1 。就环境、经济、工艺方面而言，污 水处理产生的污泥的处置将成为环境污染控制领域的一个主要问题【2 4 】。 2 2 1 污泥处理处置的一般原则 污泥的处理处置与其他固体废物的处理处置一样，都应遵循减量化、稳定 化、无害化的原则。为达到此目的，通过种种装置的组合，构成各种污泥处理 处置的工艺。 1 减量化 所谓污泥的减量化技术，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阎。 污泥的含水率高，体积很大，不利于贮存、运输和消纳，减量化就显得十 分重要。 污泥的体积随含水率的降低而减小，且污泥呈现的性质何状态也有很大变 化，如含水率在8 5 以上的污泥可用泵输送；含水率为7 0 7 5 的污泥呈柔 软状；6 0 6 5 含水率的污泥几乎成为固体状态；3 4 一4 0 时已成可离散 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 状态；1 0 1 5 的污泥则呈粉末状态。 因此可根据不同的污泥处理工艺和装置，以及污泥含水率的高低，来要求 确定合适的减量化程度。 2 稳定化 由于污泥含水率高，易腐烂、有恶臭，加之其中的病原菌和寄生虫对操作 者的危害，故在污泥资源化过程中进行稳定化处理是必要的。 其目的是去除污泥中所含的臭味物质，减少污泥中致病菌的数量。污泥稳 定化方法主要分为生物方法、化学方法及物理方法等，生物稳定方法最常用。 3 无害化 污泥中含有大量病原菌、寄生虫卵及病毒，易造成疾病大面积传播。肠道 病原菌可随粪便排出，并进入废水处理系统。 研究表明，加到污泥悬浮液中的病毒能与活性污泥絮体结合，因而在水相 中残留的相当少。污泥中还含有多种重金属离子和有毒有害的有机物，这些物 质可从污泥中渗滤出来或挥发，污染水体和空气，造成二次污染。 因此污泥处理处置过程必须考虑无害化原则。 综上所述，污泥处理处置时，应将各种因素结合起来，综合考虑，杜绝不 确定因素对环境可能造成的冲击和某些污染物在不同介质之间的转移，对环境 整体而言，要具有安全性和可持续性。 2 2 2 污泥处理处置的基本工艺流程 污泥处理处置的方法很多，基本的处理处置工艺可分为以下几类： ( 1 ) 浓缩一前处理一脱水一好氧消化一土地还原； ( 2 ) 浓缩一前处理一脱水一千燥一土地还原； ( 3 ) 浓缩一前处理一脱水一焚烧( 或热分解) 一灰分填埋； ( 4 ) 浓缩一前处理一脱水一干燥一熔融烧结一做建材； ( 5 ) 浓缩一前处理一脱水一干燥一做燃料； ( 6 ) 浓缩一厌氧消化一前处理一脱水一土地还原； ( 7 ) 浓缩一蒸发干燥一做燃料； ( 8 ) 浓缩一湿法氧化一脱水一填埋。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 决定污泥处理工艺时，不仅要从环境效益、社会效益和经济效益全面权衡， 还要对各种处理工艺进行探讨和评价，结合城市发展情况及当地气候条件等实 际情况进行综合考虑后选定。 2 2 3 污泥的处理及处置技术 1 污泥的处理技术 ( 1 ) 污泥的浓缩 污泥脱水的对象是颗粒间的空隙水，污泥浓缩的目的在于降低污泥中的水 分，缩小污泥的体积，减少消化池的容积和加温污泥所需热量，为脱水、利用 与处置创造条件，但仍保持其流体性质。 浓缩后污泥含水率若仍高于9 0 ，可以用泵输送。污泥浓缩的方法主要有 重力浓缩法和气浮浓缩法两种。 ( 2 ) 污泥的调质 调质或调理是为了提高污泥浓缩和脱水效率，改变污泥的理化性质，使凝 聚力增强，颗粒变大。它是污泥浓缩和脱水过程中不可缺少的工艺过程。 ( 3 ) 污泥的稳定 污泥稳定是污泥处理中重要一环，污泥稳定可以减少各种病原体、消除气 味、减少液体和固体的数量以及抑制污泥的腐化。 目前用于污泥稳定化的主要技术有氯氧化、石灰稳定、热处理、厌氧消化、 两相厌氧消化等。 国际上污泥稳定化处理的总的方向是以厌氧消化为主，欧美、日本、原独 联体等国家和地区采用厌氧消化处理污泥已占所产污泥两的一半以上。中国城 市污水处理厂污泥处理起步较晚，2 0 世纪8 0 年代中期才开始建设城市大型污 水厂，污泥处理采用的也是中温厌氧消化，主要先进技术和设备都是引进的。 近十多年来，中国城市污水厂的污泥处理技术和某些单项专用设备有较大 发展，积累了不少中温厌氧消化技术方面的经验。 氯氧化 氯氧化法就是利用高剂量的氯气将污泥化学氧化。通常氯气直接加入贮存 在密封反应器内的污泥中，经过一段时间反应后脱水。 太原理工大学硕士研究生学位论文 石灰稳定 在石灰稳定中，将足够数量的石灰加到处理的污泥中，将污泥的p h 值提高 到1 2 或更高。高p h 值所产生的环境不利于微生物的生存，则污泥就不会腐化、 产生气味和危害健康。 热处理 在热处理的连续过程中，污泥在压力容器内加热至2 6 0 。c ，压力达到 2 7 5 m p a ，经短暂的时间进行实质性的稳定过程和调理过程，使污泥处于不加化 学药剂而能固体脱水的状态。当污泥经受高温和高压时，热的作用使污泥释出 结合水，最终形成固体凝结物。此外，污泥热处理过程中，还使蛋白质水解， 使细胞破坏，并放出可溶性有机化合物和氨氮。 热处理实际上是强化了污泥的液化、水解步骤嘲。在热处理过程中，固体 有机物先液化，同时污泥中的脂肪、碳水化合物和蛋白质进一步水解：脂肪水 解成甘油和脂肪酸；碳水化合物水解成小分子的多糖，甚至单糖；蛋白质水解 成多肽、二肽、氨基酸、氨基酸进一步水解成系列饱和或未饱和的低分子有机 酸、氨及二氧化碳。随着温度的提高，污泥的水解速度和水解程度增大，低分 子有机物和有机酸浓度增大，因此，经过热处理的污泥更容易厌氧消化。同时， 热水解处理的产物可以作为反硝化反应的碳源物质吲。 污泥厌氧消化 污泥厌氧消化，即在无氧的条件下，凭借兼性菌及专性厌氧菌降解污泥中 的有机污染物，使污泥中有机物最终矿化成一些无机物和气体。 经过厌氧消化后，污泥的体积显著减小，一般情况下，呈黑色颗粒状结构， 易脱水、性质稳定。 污泥好氧消化 污泥的好氧处理是在延时曝气活性污泥法的基础上发展起来的。 污泥进行好氧消化时，消化池内的微生物一般生长于内源代谢期，通过该 法处理，使污泥中多数有机物被最终转化成c 0 2 和h 2 0 等。 两相厌氧消化 两相厌氧消化是近年发展起来的一种高效稳定的新型污泥处理工艺，它将 产酸相和产甲烷相分别在不同的生长环境内进行，形成各自的相对优势，以便 太原理工大学硕士研究生学位论文 提高整个消化过程的处理效率、反应速度及稳定性。 两相厌氧消化工艺的基本原理口8 1 是：厌氧过程中两大类菌群，即产酸菌群和 产甲烷菌群，它们在营养要求、生理代谢、繁殖速度和最适环境条件等方面，都 存在很大的差异，在单相厌氧消化工艺中，两大类菌群在一个反应器内，不利于 充分发挥各自的最佳活性。两相厌氧消化工艺则将产酸和产甲烷过程分离，使两 类菌群分别在各自适宜的生态环境下生长繁殖，能显著提高活性。 g h o s h 等人1 成功地采用两相厌氧消化工艺处理了d u p a g e 污水处理厂的剩余 活性污泥，处理效率高，且克服了长期困扰该厂的污泥消化起泡现象。另外，g h o s h 等人还研究了造纸厂污泥的常温两相厌氧消化，发现此工艺效能和高温单相消化 相近，但甲烷含量和能量回收比后者高。 ( 4 ) 污泥的脱水 污泥浓缩主要是分离污泥中绝大部分空隙水。但污泥经浓缩之后，其含水 率仍然很大，呈流动状态，体积庞大，且易腐败发臭，不利于运输和处置，给 后续处理带来相当大的困难。 因此需要进行污泥的脱水处理来降低污泥的含水率。 污泥的脱水主要是将污泥中的表面吸附水和毛细水分离出来，这部分水分 只占污泥中总含水量的1 5 2 5 ，但经过脱水以后，污泥呈固体状态，体积 减少为原来的1 1 0 以下，大大降低了后续处理的难度。 脱水后污泥可利用物质的含量会有所增加( 如农用的肥分、焚烧的热值等) ， 且利于污泥的后续处置和利用。 常用的脱水方法有自然干燥和机械脱水两种。 ( 5 ) 污泥的热干燥 污泥热干燥处理技术因操作灵活，可根据污泥的量最终处置要求来调节干 污泥的含固率等优点，受到人们的广泛关注。 目前，相当多的国家已在污泥处理中采用热干燥技术。 根据介质是否与污泥相接触，线性的污泥热干燥技术可以分为两类：直接 热干燥技术和间接热干燥技术。 ( 6 ) 超声波技术处理污泥 为了克服传统污泥厌氧消化工艺存在的消化速率慢、停留时间长等缺点， 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 相继出现了机械破碎、超声波、碱处理、酶法等预处理方法”o 。”】。 超声波技术主要用于医疗诊断、清洗、探伤等领域。 目前，人们已认识到超声波在引用水、污水及污泥处理中具有的巨大应用 势。但是，由于在理论和技术上还存在许多问题，如频率、溶解气体和悬浮物 对空化作用的影响；反应器优化设计；超声波设备的经济性、可靠性和寿命等， 使超声波技术在环境工程中的应用方面还处于初期阶段。 在国外，超声波技术作为一种新的水处理技术已有大量实验室的基础研究 成果，并有部分进入实际应用；而在国内，这方面开展的工作还非常有限，有 待进一步的研究和运用。 ( 7 ) 湿式氧化法处理污泥 湿式氧化法( w o 法) 是一种物理化学法。该技术是在高温高压条件下，使 液相中的高浓度难降解的有毒有害物质得到氧化降解或去耐蚓。其特点是反应 快、适应性强、抗冲击负荷、去除效率高等。 1 9 5 8 年，h u r w i t z 等【3 捌在探索大芝加哥区污水处理厂污泥处置途径的过程中， 首先提出了湿式氧化是一项有效的技术。 l f s o 蚰e r 等人 3 6 1 1 9 7 7 年研究应用湿式氧化技术处理美国s p e e dw a y 和t e r r e h a n t e 两个污水厂的污泥，实验结果表明，两个厂的污泥经湿式氧化处理后悬浮 冈q 体浓度分别提高3 4 & 倍和6 1 倍，污泥体积缩小近8 0 以上。上清液中氨氮、总 氮和重金属浓度都有增加。 1 9 8 8 年f r i e d m a n 等人 3 ”的研究表明，湿式氧化可减少污泥体积达9 6 以上。 可见，湿式氧化法处理污泥是一种有效的方法。其处理的污泥一般是经浓 缩后的污泥( 含水率9 6 ) ，在液态下加热加压，并通入压缩空气，使有机物 被氧化去除，从而改变污泥结构与成分，使脱水性能大大提高。 ( 9 ) 超临界水氧化法处理污泥 超临界水氧化法( s c w o ) 是处理有机废水废物的一种新型技术，它具有 十分突出的潜在优势。这种方法可以彻底全面地处理污泥，能够实现工业清洁 化生产，有着广泛的应用前景。 目前用超临界水氧化法处理各种废物的研究越来越受到重视，已经试验的 可去除的有害物质有苯、多氯联苯、硝基苯、氰化物、酚类、重金属等。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着高温高压技术地日臻完善和有关的热力学及超临界水化学反应动力学 和机理等方面研究的深入，将对超临界水氧化法处理污水污泥的势的了解会越 来越深刻，应用也会更普及。 2 污泥的处置技术 城市污泥的处置途径有很多，土地利用、卫生填埋、焚烧和海洋消纳是许 多国家常用的方法。 这些方法的选择会因国家情况的不同而有很大差异，一般来说，各国对于 污泥处置方式的选择是根据本国的地理环境、经济水平、技术措施、交通运输、 城市建设等因素而确定的，而且会随着公众认识的提高、兴趣和环保意识的改 变而发生变化。 ( 1 ) 土地利用 要利用污泥中的营养元素，最简单最常用的方法就是污泥的直接农用。污 泥的土地利用是一种积极有效且安全的污泥处置方式。污泥的土地利用在我国 已经有超过2 0 年的历史。 所谓的污泥直接农用，尽管可能使污泥中一定量的植物养分被利用，但其 他的污染物却可能借此进入食物链威胁人类健康，以及渗入该生态体系的地下 水体，引起难以控制的污染传播问题。 ( 2 ) 土地填埋 污泥的土地填埋始于2 0 世纪6 0 年代，是在传统填埋的基础上，从保护环 境角度出发，经过科学选址和必要的场地防护处理，以严格的管理制度和科学 的工程操作来加以实施的污泥处置方法。 该技术的基本方式是城市污泥经过简单的灭菌处理后，直接倾倒于低地或 谷地制造人工平原。它的好处3 8 1 是投资少、容量大、见效快，通过将污泥与周 围环境的隔绝，可以最大限度地避免污泥对公众健康和环境安全造成威胁，既 解决了污泥出路问题，又可以增加城市建设用地，故成为大多数西方国家主要 地污泥处置方法之一。可以预测，在未来一个时期内填埋仍然是我国主要的污 泥处置方式。 然而，土地填埋也存在许多问题，污泥中含有的有毒有害物质经雨水的浸 蚀和渗漏会污染地下水，引发一定的健康问题。因此，现在在欧美国家该方法 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 受到了限制。 ( 3 ) 污泥焚烧 污泥焚烧的优势在于可以迅速和较大程度地使污泥达到无害化和减量化， 其产物为无菌、无臭的无机残渣，含水率为零，且在恶劣的天气条件下不需要 存储设备。 近年来焚烧法由于采用了合适的预处理工艺和焚烧手段，达到了污泥热能 的自持，并能满足越来越严格的环境要求和充分地处理不适宜于资源化利用地 部分污泥。目前应用最广的焚烧设备是流化床焚烧炉，当污泥的含水率达到3 8 以上时就可不需要辅助燃料直接燃烧，污泥焚烧在日本和欧美较为普遍， 日本有6 1 的污泥采用焚烧处理。 它的缺点是，污泥中的重金属会随着烟尘的扩散而污染空气，残余灰烬也 富含朽染物，再进行填埋处置也易造成环境污染，且焚烧成本是其它工艺的2 4 倍。 ( 4 ) 水体消纳 水体消纳城市污泥是一种方便、经济地处置方法。它一般不需进行严格地 无毒无害化处理，也不需要脱水就可直接排入水体。 但污泥进入水体后，其中地有毒有害物会溶入水环境，最终导致水生环境 恶化，对海洋生态系统和人类食物链造成威胁。 因此对于采用水体消纳来处理污泥的这种方法，要针对污水处理厂处理的 污水性质来有选择的进行。 2 3 污泥资源化技术 近年来，污泥处理处置的理论在不断发生变化，从原来的单纯处理处置逐 渐向污泥有效利用，实现资源化方向发展。根据世界各国污泥处理技术发展的 趋势和我国相关政策的导向，资源化必将成为我国未来污泥处理的主流。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 1 传统的污泥资源化技术 1 污泥的堆肥化 污泥中含有大量的有机物和丰富的氮、磷等物质，农用具有良好的积极效 益和社会效益。污泥堆肥技术利用好氧的嗜温菌、嗜热菌的作用，将污泥中有 机物分解，并杀灭传染病菌、寄生虫卵与病毒，提高污泥肥分，使植物养分更 有利于植物的吸收。目前采用方法有静态和动态堆肥两种h ”。 2 污泥的燃料化 ( 1 ) 污泥的沼气化 污泥厌氧消化产生的沼气以甲烷为主要成分。沼气主要用于动力和工业方 面。以沼气为燃料发电是大多数污水处理厂采取的沼气利用形式。 对大、中型一级污水处理厂，沼气发电所提供的电能不仅可满足厂内的动 力和照明用电，还有盈余；对于二级污水处理厂，为了提高能量的利用率，可 将发电机与鼓风机房合建在一个动力站内，鼓风机由气体发动机直接驱动，沼 气产生的6 0 以上的动力可直接利用，其余部分转换成电能后还可供其它动力 设备使用。 沼气的工业利用即将沼气作为化工生产原料利用，其中的可行途径包括用 沼气通过热氯化法生产四氯化碳；沼气加氨和氧，合成氢氰酸，再经过醇化和 酯化，可合成有机玻璃树脂。 ( 2 ) 污泥的液化 污泥直接热化学液化处理技术，可以追溯到1 9 1 3 年德国人e b e r g i u s 进行 的高温高压加氢，从煤或煤焦油得到液体燃料的试验。 1 9 8 0 年以后，美国首先将该技术的工艺框架应用于污泥处理。它可使污泥 中有机质的4 0 以上