（环境工程专业论文）城市污水处理厂污泥的好氧消化研究.pdf

摘夏 摘要 污泥是污水生物处理中不可避免的副产物。近年来随着我国污水处理率的大 幅度提高，污泥的产量也十分巨大，且每年都在增长。如何对污泥进行合理的处 理与处置，已成为一个重要的研究课题。污泥的好氧消化是一种传统的污泥处理 技术。与厌氧消化相比，好氧消化因需曝气供氧而能耗较高，但它具有前期投资 少，运行管理方便，工艺简单，处理不容易失败等优点，因此在国外已得到广泛 的应用，尤其适用于中小型的污水处理厂。若采用高温好氧消化还可使污泥中的 病原菌得到有效的去除，得到更为安全卫生的污泥产品。在我国有众多的中小型 污水处理厂，而对污泥好氧消化的研究还是零星的，缺乏技术总结。因此，开展 此项研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 传统的污泥好氧消化技术，在应用中还存在着许多问题，如能耗较高，处理 效率低、停留时间长、运行不够稳定，对病原菌的去除效果差等。本研究针对好 氧消化中存在的一些问题，以实际污水厂的污泥为研究对象，对污泥好氧消化工 艺进行了较为深入全面的研究。对影响好氧消化的各种因素进行了论证分析。试 验采用有效容积为8 l 的有机玻璃反应器，缺氧好氧消化是通过周期性的启闭曝 气和搅拌装置，实现好氧与缺氧阶段的交替。反应器内的d o 、p h 、o r p 等采用 带有自动计数装置的在线传感仪器，来实时监测各种参数的变化。研究中温好氧 消化时，通过水浴和温控装置来维持反应所需的温度。 通过连续曝气和间歇曝气两种方法来对传统污泥好氧消化和缺氧好氧消化 进行对比。一次投加污泥后连续运行2 4 天，结果表明在中温( 3 0 ) 条件下，缺 氧好氧消化可以达到与传统好氧消化相近的有机物去除率，当进泥浓度为 1 0 4 1 4 m g l 时；v s s 的去除率基本稳定在3 2 左右，而曝气的能耗却可以减少 5 0 。缺氧好氧消化可以维持反应的p h 值在中性范围内，而且碱度的消耗也小 于传统的好氧消化。 半连续运行的污泥缺氧好氧消化采用每日进泥排泥的方式，每同投加1 次和 投加3 次的试验结果表明，多次投加可以使微生物对氧的需求较为均匀，有机物 的去除率有所提高。同时，在缺氧段投加污泥可以为反硝化反应提供碳源，有利 于上清液中氮元素的去除。 在实际的污水处理厂污泥处理工程中，由于污泥的性质、成份和浓度等各项 指标并不是一成不变的。因此，固定时间的缺氧好氧消化就不能够很好的应对污 泥性质改变，达到满意的处理效果。为了更好地对污泥的缺氧好氧消化过程进行 控制，通过在线监测反应过程中的p h 和o r p ，发现其变化的规律与反应器内污 泥中氮元素的转化具有很好的相关性，可以用来指示氮元素在不同形式间转化的 进程。可以利用这些参数实现对污泥缺氧好氧消化过程的控制，合理调节曝气和 北京t 、i k 大学t 学顺i + 学位论义 搅拌时间，达到降低能耗和节约成本的目的。对p h 和o r p 进行了导数分析， 建立了实时控制策略：当d p h d t = o ( d p h d t 由负变正) 或d 2 0 r p d t 2 = o 时，硝化反 应结束，可以停止曝气，进入缺氧反硝化阶段。当d p h d t = o ( d p h d t 由正变负) 或 d 2 0 r p d t 2 = 0 时，反硝化完成，可以停止搅拌，重新进入曝气阶段。 关键词污泥消化好氧缺氧有机物去除实时控制 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s l u d g ei st h ei n e v i t a b l eb y p r o d u c to f w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s r e c e n t l yy e a r s ，w i t ht h e r a p i dp r o g r e s so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，m o r ea n dm o r es l u d g ei sp r o d u c e d ，a n dt h ep r o d u c t i o ni s i n c r e a s i n ge v e r yy e a r h o wt ot r e a ta n dd i s p o s a lt h es l u d g ei nap r o p e rw a yh a sb e c o m eav e r y i m p o r t a n tt a s kt od o a e r o b i cd i g e s t i o nh a sb e e nu s e df o rs e v e r a ld e c a d e st os t a b i l i z et h es l u d g e p r o d u c e da tm u n i c i p a la n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s c o m p a r e dw i t h a n a e r o b i c d i g e s t i o n ，a e r o b i cd i g e s t i o nn e e d sa e r a t i o na n dc o n s u m e sm o r ee n e r g y , b u ti th a ss o m ea d v a n t a g e s o v e rt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o n ，f o re x a m p l e ，f l e x i b i l i t y , e a s yo p e r a t i o na n dl o wc o s t t h e r e f o r e ， a e r o b i cd i g e s t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e do v e r s e a s ，e s p e c i a l l yi ns m a l lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s p a t h o g e nc a nb er e d u c e dw h e nt h et e m p e r a t u r ei sh i g h t h e r ea r el a r g en u m b e ro fw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n ti no u rc o u n t r y ，w h i c ha r ev e r ys m a l l t h er e s e a r c ho fa e r o b i cd i g e s t i o nh a sb e e n d o n eb yaf e ws c h o l a r si no u rc o u n t r y , a n dn os y s t e m i cs t u d yh a sb e e nd o n es of a r i ti ss i g n i f i c a n t i nt h et h e o r i e sm e a n i n ga n di m p l e m e n tv a l u ei no ft h er e s e a r c ho na e r o b i cs l u d g ed i g e s t i o n s o m ep r o b l e m se x i s t 。i nt h ea p p l i c a t i o no fa e r o b i cd i g e s t i o n s u c ha st h ee n e r g yc o s t i s h i g h ，t h ee f f i c i e n c yi sl o w , s r tl o n g ，t h ep r o g r e s si sn o ts t a b l ea n dt h ep a t h o g e nr e d u c t i o nc a nn o t r e a c ht h ec r i t e r i o n a i m i n ga tf i n d i n gp o s s i b l es o l u t i o n sf o rt h e s ep r o b l e m s ，as y s t e m a t i cs t u d yo n a e r o b i cd i g e s t i o nw a sc o n d u c t e d a n da c t u a ls l u d g ef r o mw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( w w t p ) w a su s e di nt h i ss t u d y s o m e8 lr e a c t o r sw e r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t t h ea e r a t i o na n da n o x i c p h a s ea l t e r a t i o no ft h ea e r o b i c a n o x i cd i g e s t i o nw a sc a r r i e do nb yt u r n i n go na n do f f t h ea e r a t i o n s y s t e ma n dt h em i x e r t h ed o ，p ha n do r pc a nb er e c o r d e du s i n gt h eo n l i n em o n i t o r , s ot h e c h a n g eo fv a r i e t yp a r a m e t e r sc a nb em o n i t o r e d w a t e rb a t hw a su s e dt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e s o t h et e m p e r a t u r ec a nr e a c ha n ds t a b i l i z e da t3 0 c t h ek | kd i g e s t i o na n dt h ec o n v e n t i o n a la e r o b i cd i g e s t i o nw e r ec o m p a r e dd u r i n gt h i ss t u d y t h r o u g hb a t c ha n ds e m i c o n t i n u o u so p e r a t i o nm o d e i tc a nb ec o n c l u d e dt h a ta e r o b i cd i g e s t i o nc a n r e a c ht h es i m i l a rt v sr e d u c t i o nw h e nc o m p a r e dw i t ht h ec o n t r a d i c t i o nm e t h o p o l i ca e r o b i c t h e t v sd e s t r u c t i o ne f f i c i e n c yw a sa b o u t3 2 w h e nt h ev s sc o n c e n t r a t i o no ft h ef e e ds l u d g ew a s a b o u t10 0 0 0m g l h o w e v e r , t h ee n e r g yc o s td u et oa e r a t i o nc a nb er e d u c e dt oa b o u t5 0 i nv i e w o ft h ea e r a t i o nt i m e a l k a l i n i t yl o s sw a sl o w e ri nt h es o l e l ya e r o b i cd i g e s t i o na n dt h ep hv a l u ew a s f o u n dt ob es t a b i l i z e da tt h en e u t r a l l e v e l f i x e dt i m ea e r a t i o nc a nn o ta c h i e v et h es a t i s f i e dr e s u l t sd u et ot h ec o n c e n t r a t i o n ，c o m p o n e n t a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i cc o n t i n u o u sc h a n g ei nt h e 、v w t p i no r d e rt o c o n t r o lt h e p r o g r e s s e f n c i e n t lv t h ed o ，p ha n do r w e r em o n i t o r e do n l i n ec o n t i n u o u s l y i n t h i sr e s e a r c h ，t h e v a r i a t i o no ft h ed o ，p ha n do r pw a si n v e s t i g a t e ，a n dt h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tf o r m s o fn i t r o g e nw a so b s e r v e d i ti sf o u n dt h a tt h ec h a n g eo fp ha n do r pp r o f i l ec l o s e l yr e l a t e dt ot h e t r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e n t h ep r o f i l eo fp ha n do r p c a ns h o wt h ep r o g r e s st h et r a n s f o r m a t i o n i i i 北京t 、j p 大学t 学顺i 学化论文 o fn i t r o g e ni n d i r e c t l y t h ea e r a t i o na n dm i x i n gt i m ec a nb ed e t e r m i n e dr e a s o n a b l yt h r o u g h e f f e c t i v ec o n t r 0 1 ar e a lt i m ec o n t r o ls t r a t e g yw a sp r o p o s e da n dt e s t e db a s e do nn u m b e r so f e x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ec o n t r o ls t r a t e g yw a s ：u s i n gt h ed i f f e r e n t i a lo f t h ep ha n d o r ps i g n a lt od e t e c tt h ep o i n t so fc o n c l u s i o n so fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n d p h d t = 0 ( d p h d tf r o mn e g a t i v et op o s i t i v e ) o rd 2 0 r p d t 2 = 0i n d i c a t e dt h ee n dp o i n to fn i t r i f i c a t i o n t h e d p h d t = 0 ( d p h d tf r o mp o s i t i v et on e g a t i v e ) o rd 2 0 r p d t 2 = 0i n d i c a t e dt h es t o po fd e n i t r i f i c t i o n k e yw o r d s ：s l u d g ed i g e s t i o n a e r o b i ca n o x i cv s sr e d u c t i o nr e a l - t i m ec o n t r o l i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 塞9 国鋈 日期：2 q q 墨生垒旦2 三日 训同浆 矽奶、争- 力弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 型国装 导师签名： 办1 问浆 沙v 吕乡、力弓 第1 幸绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 随着经济的发展和社会的进步，我国的城市污水处理率有了大幅度提高，目 前全国的城市污水处理率达到了5 6 【i 】，而北京市2 0 0 8 年的污水处理率将达到 9 0 以上。在污水的生物处理中，不可避免的要产生大量的污泥。污泥的体积通 常占到所处理污水量的0 3 0 , - 0 5 。北京市每年有大约7 0 万吨的污泥需要消纳。 污泥成分复杂，它是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成 的集合体。污泥中除含有大量的水分外，还含有难降解的有机物、重金属和盐类， 以及少量的病原微生物和寄生虫卵等。污泥如果处置不当就进入环境，不仅会对 周围环境造成一定的危害，而且会造成资源和能源的浪费。因此，如何将产量大、 成分复杂的污泥，经过科学处理，使其减量化、稳定化、无害化和资源化，己成 为我国乃至全世界环境界广泛关注的课题之一【2 | 。 1 1 1 污泥的产生 污泥是经各级污水处理后产生的固形物，是污水处理厂不可避免的副产物。 当污水进入曝气池后，就开始和活性污泥接触，污水中的有机物立即吸附到活性 污泥上，污水中的这些有机高分子便被菌体分泌的胞外酶分解成分子量较低的物 质。污水中的低分子有机物可直接由菌体细胞膜的选择渗透作用摄入体内，这些 物质作为营养物质被细菌所吸收，被同化合成细菌自身的物质，使菌体不断生长 和繁殖，构成菌胶团。当活性污泥的浓度太高时，污泥便不易和净化水分离，使 出水中的b o d 增加而浑浊，而且还会造成耗氧量大，供氧不足而影响处理效果， 所以必须定期排泥，排出的这部分泥称为剩余活性污泥【3 】。剩余活性污泥是污水 生物处理过程中产生的，这些剩余活性污泥不仅被弃置不用，而且造成一定的污 染。 1 1 2 污泥的分类 污泥的种类很多，按来源分主要有生活污水污泥、工业废水污泥和给水污泥 三类。 按分离过程分，可分为沉淀污泥( o n 初沉污泥、混凝沉淀污泥、化学沉淀污 泥等) 和生活污泥( 如腐殖污泥、剩余活性污泥、生物膜法污泥等) 。城市污水处理 厂污泥主要是沉淀污泥和生活污泥的混合污泥。 按污泥的成分和某些性质可分为：有机污泥和无机污泥：亲水性污泥和疏水 性污泥。 按污泥在不同的处理阶段又可分为：生污泥、浓缩污泥、消化污泥( 亦称熟 污泥) 、脱水污泥、干化污泥等。 j 泉下2 大学t 掌坝l 学佗论义 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，萁特性是有机物含量高( 6 0 8 0 ) 、颗粒细( 0 。0 2 - 0 。2 m m ) 、密度小 ( 1 0 0 2 1 0 0 6 9 c m 3 ) ，呈胶体结构，它们系亲水性污泥1 4 l 。 1 1 3 污泥的特征 城市污水处理厂污泥主要来自初淀洼污泥和剩余活性污泥，含水率高达 9 5 - - 9 9 5 ，由有机物和无机物组成。初沉污泥正常情况下为棕褐色，发生腐 败质变为灰黑色，p h 在5 5 - , 7 5 之间，往往略偏酸性，含固率约为2 - - - 4 ， 固体物质以有机物为主，约占5 5 - - - - - 7 0 ，容易腐化发臭。剩余污泥为絮状黄褐 色，p h 在6 5 - - - 7 。5 之间，含固率约为0 5 - - 0 8 ，国体物质基本上是生物残体， 有机组分常在7 0 - - - 8 0 ，污泥龄较短的污泥极易发臭。浓缩污泥为灰黑色，p h 在6 5 - 7 5 之间。 污泥的国体物质有五部分组成：即具有活性的微生物群体，微生物自身氧化 残鼹物( 这部分物质难于降解) ，不易被微生物降解的惰性有机物质，有机物质， 容易降解的有机物质。 污泥中主要有害物质为重金属和病原微生物及有毒有机物，其中重金属是限 制污泥大规模地利磊的最重要嚣素。污泥因来源不同，成分存在定的差异， 但一般都或多或少含有一定量的重金属。这些物质若随污泥进入土壤，就可能对 环境造成一定的危害。因此，应该尽可能地减少其在污泥中的含量。未经处理的 污泥中含寿各种瘸原菌和寄生虫等，它们可以通过各种途径传播，会危害人畜健 康，也会对植被产生影响，因此是土地利用的限制因素之一。某些特种生产部门 的污水污泥中含有多环芳烃、多氯联苯等有毒有机物，这些物质常可致癌、致畸、 致突变，应严格控制。 污泥孛有机物含量随季节变化，夏低冬高。初沉漶污泥有机物浓度低于剩余 污泥，二者的混合污泥有机物含量平均5 5 左右，与发达国家的7 0 相比偏低。 污泥中有机物含量及其组分均是影响污泥消化和污泥生物能产量的主要因素。污 泥稳定化和无害化之所以受到入们重视，主要原因是污泥中含有比较丰富的有机 营养成分，容易引起污泥的腐败变质1 5 j 。 污泥不同于其它的固体废物，在于它具有以下几个特征：( 1 ) 含水率高，多 达7 0 以上，这部分水分难以焚烧，运输成本高，堆放占地面积大，直接填埋会 使填埋厂提前报废。( 2 ) 微生物、病原菌含量高，如不加处理直接施用或弃置， 可能会污染食物链。( 3 ) 恶臭污染环境，同时向大气排放温室气体。( 4 ) 超细粉末， 在热干化和处理过程中存在较大的危险。( 6 ) 含有重金属，如果不加控制施用， 可能污染土地，造成不可逆的耕地退纯。 目前，人们对污泥的危害还不够重视，污泥常常被非法取用，造成土地的重 金属超标、土地板结，人类居住环境和食物被无意中污染和破坏。 第f 节绪论 欧盟将污水厂和自来水厂污泥划为“特殊垃圾”，必须由具有资格的企业按照 规定的程序进行妥善处理，不得弃置。 1 1 4 我国污泥处理处置现状 随着我国污泥处理事业的发展，产生的污泥量也在同益增加。据统计，我国 城市污水处理厂每年要排放干污泥约2 0 万吨，以湿污泥计约为3 8 0 5 5 0 万吨， 并以每年2 0 的速度递增。在我国，污水污泥处理费用约占污水处理厂总运行费 用的3 0 - 4 0 ，投资占污水处理厂总投资的2 0 - - - 5 0 。我国污水污泥处理处置 刚刚起步，长期以来，我国存在着重污水处理，轻污泥处理的倾向。在我国己建 成的污水处理厂中，9 0 0 , 0 以上没有污泥处理的配套设施。在全国现有污水处理工 程中有污泥稳定处理设施的还不到1 4 。我国目前仅有的十几座污泥消化池中， 能够正常运行的为数不多，有些池子根本就没有运行。我国的污水处理厂中污泥 未经任何处理直接填埋的约占6 0 以上，即使在设有消化池的污水处理厂，消化 后的污泥也只是稍加脱水后就直接农用，并未作任何无害化处理，仍不符合污泥 农用卫生标准，与国外先进国家尚有较大差距。某些地方的污水虽然得到了有效 的处理，污水处理的伴生产物污泥却没有得到处理和处置。大量未经稳定处理的 污泥没有正常出路。许多城市仍然采用购地露天堆放的方法，造成了城市周围垃 圾成山、蚊蝇孳生、环境污染的状况，这些随意排放的污泥，带来了严重的环境 污染，并已经危害到人类的健康。 我国污水污泥处理过程中存在的问题主要有：( 1 ) 污泥处置率低，工艺不完 善。污泥经过浓缩、消化稳定和干化脱水处理的污水厂仅占城市污水厂的 2 5 6 8 ，不具有污泥稳定处理的污水厂占5 5 7 ；不具有干化脱水处理的污水厂 约占4 8 6 5 。这说明，我国7 0 以上的污水厂中不具有完整的污泥处理工艺。 ( 2 ) 处理技术、设备落后。当前我国有些污水处理厂所采用的污泥处理技术已经 是发达国家所摈弃的技术，其水平还停留在发达国家2 0 世纪7 0 8 0 年代的水平， 有的甚至是国外6 0 年代的水平。而且有些污泥处理技术根本不符合我国的污水 污泥特性，对所采用的技术缺乏必要的调查研究。污泥处理设施也比较落后，国 产的设备性能差、效率低、能耗高、专用设备少，未能形成标准化和系列化，所 以目前我国多采用从发达国家直接进1 3 设备的方式，这相应地提高了污泥处理的 费用，也限制了我国污泥处理技术的提高和进步。( 3 ) 污泥处理管理水平低。很 多己建成的污泥处理设施不能正常运行，除技术水平外，管理水平低也是重要原 因。( 4 ) 污泥处理设计水平低。污水污泥处理方面，我国还缺乏实践经验和设计 经验，尤其是污泥处理系统的整体水平还比较低。( 5 ) 污泥处理投资低。我国污 水污泥处理投资只占污水处理厂总投资的2 0 0 o - - 5 0 ，而发达国家污泥处理投资 要占总投资的5 0 7 0 0 0 。( 6 ) 污水污泥处置水平落后。污水厂难以找到合适的污 泥处置方法和污泥弃置场所。我国传统的污水污泥处置方式是将污泥用于农业。 北京t 业人掌t 学颂i 学位论文 但近年来由于郊县农民更加习惯于施用化学肥料以及受现行施肥方法的限制，导 致污水污泥作为农肥的出路非常不畅【6 j 。 1 1 5 国外城市污水污泥处理处置状况 对污水处理厂的污泥处理、处置的设备，发达国家在2 0 世纪6 0 年代就已经 达到先进的成套化水平，如污泥消化系统设施、污泥浓缩脱水设备、污泥干燥焚 烧设备、沼气综合利用设备、污泥高温堆肥系统装备以及污泥固化工业利用技术 与设备，2 0 世纪8 0 年代末又启用湿式氧化技术处理污泥。 为避免处理厂污泥对环境的二次污染，各国政府及研究机构对污泥的最终处 置问题十分重视并根据各国的国情制定出污泥处置的法规和具体方案。如表1 1 所示，国外污水厂污泥或用于绿化；或焚烧处理；或投海疏散；另有很少部分以 其它方式处置或利用。一般来说，污泥农用费用最低：其次为填埋方法；处置费 用最高为焚烧方法，其处置费用约为污泥农用的3 8 倍，约为污泥填埋费用的2 1 倍。由此可见，农用和污泥填埋是国外大多数国家进行污泥处置的两种主要方法。 农用和陆地填埋方案的选择很大程度上取决于各国政府有关的法律、法规和污染 控制状况，同时也与国家的大小和农业发展情况有关。许多国家，如德国、意大 利、丹麦等，污泥农用的比例不断降低，而污泥填埋的比例有增加的趋势；但也 有一些国家，如美国、英国和日本等污泥农用的比例呈增加趋势，填埋呈减少趋 势。 表1 1 某些国家城市污水污泥产出情况和处置途径 t a b l e l - 1s l u d g ep r o d u c t i o na n dd i s p o s a lm e t h o d so f s o m ec o u n t r i e s 污泥产量( 1 0 3 t a 处置途径及处理量( 1 0 3 t a 干重) 国家 人d 百万 干重) 填埋土地焚烧其他 德国 6 22 5 0 01 5 7 56 2 53 0 0 日本 1 2 21 3 6 54 0 31 4 88 9 6 1 8 英国5 71 0 7 5l7 25 4 8 5 43 0 l 意大利5 78 0 04 4 0 2 7 28 8 西班牙 3 9 3 0 0 1 5 03 03 0 9 0 荷兰 1 5 42 8 21 5 01 2 58 瑞典8 418 07 26 3 4 5 瑞士 6 41 7 01 2 05 0 丹麦 5 11 3 04 34 83 63 比利时9 9 7 5 3 8 2 173 挪威 4 17 5 3 0 4 1 4 1 1 6 课题主要研究内容 第l 币绪论 a l 污泥好氧消化的影响因素前入的研究结果表明：污泥的初始浓度、停留 时间、曝气和搅拌、温度、p h 值等诸多因素都会对污泥的好氧消化产生多方面 的影晌。研究各种因素对污泥好氧消化效果的影响，可以对污泥的好氧消化在理 论上认识的更加深入，有利于探究污泥好氧消化的深层次机理，还能根据各种因 素的不同作用，合理确定反应条件，选取最优运行参数，进行优化运行，取得更 好的处理效果。 2 污泥缺氧好氧消化的过程控制研究污泥好氧消化的过程十允复杂，是典 型的非线性、时变性和随机性过程，处理系统本身也不稳定。其变化过程无法建 立精确的数学模型，也难以利用传统的控制理论进行有效的控制。因而，它最适 合采用不依赖于数学模型的模糊控制。考察好氧消化中p h 和o r p 的变化与污 泥中氮元素的变化及各参数的对应变化关系，可以为实现过程控制的模糊控制提 供理论基础。 1 2 污泥处理处置的现有技术 l - 2 1 土地利用 l 农田利用污泥农用有直接施用和间接施用两种方式。直接施用是把未经 处理的污泥直接施用予农豳，这种方式成本低，简单易行，但却忽视了潜在的环 境问题，而且污泥未经稳定化、无害化处理，含有害成分，不利于作物的生长。 闻接施用是指污泥消化、堆肥、或制成复合肥料惹旄舅墨。污泥农用需要注意其中 所含有的重金属、病原菌、寄生虫、有机污染物等有害成分。未经稳定化、无害 化处理而滥用污泥有可能造成二次污染，进而通过食物链危害人体健康。因此污 泥必须经过稳定化、无害化处理，达到标准后方能施用于农田1 7 j 。 2 林地利用随着城市污水处理工业的不断发展，城市污水厂污泥在林地利 用方蘅的应用越来越多。污泥用于造林或成林施肥，不会威胁人类食物链，林地 处理场所又远离人口密集区，所以很安全。由于森林环境的强大影响，也由于林 地荒由往往比农圈更缺乏养料，致使瘸原微生物的存活时闽大大缩短，使过量的 n 、p 养料得以充分利用。污泥在林地上的利用，主要的问题是n 、p 等物质是 否污染地下水；木材材质是否受到影响。 3 园林绿化利用把城市污泥作为有机肥料用于城市园林绿地的建设，实现 城市废物的循环利用，不仅是有效的污泥处置途径，而且是城市绿化的要求。干 污泥和污泥堆肥用于城市绿化及观赏性植物，既脱离食物链、减少运输费用、节 约化肥，又可使花卉的开花量增加、花茎增大、花期延长；草长的更高，草坪绿 色保持的时闻更长，土壤的成分和结构都暖显改善。 4 严重扰动土壤的修复与改良严重扰动的土地包括采煤场、各种采矿作业 开采场( 包括金属矿、黏土矿、沙子的采掘场等) 、露天矿坑、因化学作业能够使 北泉1 业 ：掌。r 学何! i j 掌1 覆论义 土壤退化的地、城市垃圾场、粉煤灰堆积场以及森林采伐地等。严重扰动的土 地施用污泥堆肥后，可改善土壤结构，促进土壤熟化。乔显亮【5 j 等人以北京市朝 阳区何家坟为实验基地，使用燕由磊化污水厂的剩余污泥后发现；土壤有机质， 土壤中速效氮、磷、钾的含量盟著增加，大大提高了土壤的肥力。受损土壤往往 含有各种污染成分，如不进行土壤改良和生态修复，不仅对这些土壤本身是一季孛 浪费，而且会污染周边地区。由于这类土地一般已失去土壤的正常性质，无法直 接进行种植，施入污泥可以增加土壤养分，改良土壤特性，改善土壤结构，促进 土壤熟化。这样在促进地表植物生长的同时避开了食物链，对人类生活潜在威胁 较小，既处置了污泥，又恢复了生态环境，是一种很好的利用途径。莫测辉等对 矿上废弃地的复量进行了研究，结果表骤随污泥施用量的增加，废弃地有机质含 量提高、土壤理化性质改善、水土流失量减小【s j 。 从发展趋势看，欧美、墨本等国家将越来越重视污泥土地利用，包括农用、 林用等。但由于城市污水处理厂污泥中含有某些有毒有害物质和瘸原菌、寄生虫 等，因此污泥的土地利用应注意以下问题：( 1 ) 加强病原菌和寄生虫的控制。城 市污水厂污泥中含有大量的病原微生物和寄生虫。在污泥的应用中，它们可通过 各种途径传播，污染空气、土壤和水源，危害人畜健康。如不加控制，污泥在土 地利用方面将会产生严重的问题。常用的灭菌方法有厌氧法、空气干燥法、石灰 消毒法、加热干燥法和巴氏灭菌法等。( 2 ) 重视对污泥中重金属及有毒有机物的 控制。( 3 ) 注意盐分和氮、磷等养分的影响。一部分含盐量高的污泥会明显提高 土壤的电导率，过高的盐分会破坏养分之间的平衡，抑制植物对养分的吸收，甚 至会对植物根系造成宣接的伤害。离子之间的摧抗作用会加速有效成分如k + 、 n 0 3 。、n h 4 + 等的淋失，一般丽言，堆腿化会鹗显降低盐分，提高污泥的适用性。 1 2 2 污泥热化学处理 污泥热处理包括污泥焚烧，低温热解法和污泥熔融等处理技术。 l 焚烧法上世纪8 0 年代初，c o v e r 和g r e e n f i e l d 两人首先作了污泥燃烧化 的尝试，谴们直接把污泥 乍为原料用高级蒸发嚣脱水，制取燃料进行焚烧处理。 污泥焚烧发展到至今已经成为比较成熟的污泥处理技术，世界发达国家越来越多 的采用这种方法，邑本全国的污泥有6 2 5 都采用焚烧方法处理。污泥的焚烧设 备有多段炉、回转炉、多室焚烧炉以及流化床焚烧炉等1 7 j 。 污泥焚烧有利也有弊。焚烧优势在于可以迅速、有效地使污泥达到无菌化 和减量化的目的，其产物为无精、无臭的无机残渣，含水率为零，而且在恶劣的 天气体条件下不需存储设备。近年来焚烧法由于采用了合适的预处理工艺和焚烧 手段，达到了污泥热能的富持，：并能满足越来越严格的环境要求和充分地处理不 适宜于资源化利用的部分污泥。对于大城市，因远离填埋场造成运输费用较高时， 使用焚烧法处置可能是经济有效的。入口稠密的沿海及岛屿国家( 如墨本、新加 第1 带绪论 坡等) ，由于污泥的农嗣利用和土地填埋受到限制，加之近年来海洋排放受到强 烈反对，所以十分重视污泥焚烧技术的研究和开发。从焚烧的产物来看，于污泥 颗粒可用做发电厂燃料的掺和料，也可通过于馏提取焦油、焦炭、燃料油和燃气 等；污泥焚烧灰可做水泥添加剂、污泥转、污泥陶粒等建筑材料。 污泥焚烧的主要缺点是污泥中熬重金属会随着烟尘的扩散丽污染空气，残 余灰烬也富含污染物，在进行填埋也容易造成环境污染，而且焚烧成本是其他工 艺的2 - - 4 倍：另一方面，污泥必须保证比较低的含水率才能制作合成燃料，这 就需要提高污泥的脱水程度。从目前技术水平看，机械脱水成本比较高，自然脱 水虽然成本低，但时间长、占地面积大，而且晾晒期问的污泥腐臭气体会污染空 气。所以仅在下列情况下可戮考虑采焉污泥焚烧工艺：当污泥不符合卫生要求， i 有毒物质含量高，不能做农副业利用；卫生要求高，用地紧张的大、中城市；污 ，泥自身的燃烧热值高，可以自燃并利焉剩余热量发电；与城市垃圾混合焚烧并剩 i 用燃烧热量发电。 t 2 污泥的低温热解制油低温热解制油技术是利用污泥中有机质在加热条件 下的部分热裂解产生污泥衍生物燃料的技术。其生产工艺如图1 1 所示。 图1 - 1 污混低滠热解工艺流程圈 f i g u r e1 - 1f l o wc h a to fs l u d g ep y r o g e n a t i o na tl o wt e m p e r a t u r e 污泥经脱水、干燥后在转化反应器中产生衍生燃油和同样可燃的副产物( 如 有机碳或无机碳、不凝性气体、反应水等) ，副产物在流化床中燃烧，其尾气中 的余热可用于干燥和反应过程的加热。 影响低温热解制溜的主要反应条件有污泥种类、反应温度和反应时间，污 泥所含的金属氧化物和赫类对过程起催化作用，无需j b 力i ：i 催化剂。低温热解制油 技术有许多优点：设备较简单，无需耐高温、高压设备；能量回收率高，污泥中 的碳大约有2 3 可以油的形式回收，碳和油的总收率占8 0 以上；对环境造成二 次污染的可能性小，经评价，处理后污泥中的重会属绝大多数进入炭和油中，其 中9 0 以上被氧化固定在炭中，在以后的使用过程中会被进一步氧化达到无害 化，由于温度较低、不凝气体的产量少，可较少s 0 2 、n o x 、二恶英带来的二次 污染；与焚烧技术投资幅当或略低，运行成本仅为焚烧法的3 0 左右。 北柬r 业大学t 学坝l 掌1 讧论文 3 熔融由于污泥焚烧会产生较多的需无害处理的焚烧灰，因此人们开发出 污泥熔融技术，污泥熔融技术是将污泥干燥后，使污泥在超过焚烧灰熔点的温度 ( 通常1 3 0 0 - 1 5 0 0 。c ) 下燃烧，不仅可以宪全分解污泥中的有机物，燃尽其中的有 机成分，并使灰分在熔化状态输出炉外，经自然冷却，固化成火山岩状的炉渣。 同时，污泥熔化所形成的熔渣密度冼焚烧灰的离2 3 ，甓显地减少了灰渣的体积。 污泥中的重金属因被固定在玻璃态的熔渣中而不具有溶出活性，污泥熔化后的熔 渣可用作建材来使用。在日本、德国有多套污泥熔化装置。 污水污泥在干燥状态具有l l 1 9 m j k g 的发热量。干燥污泥所需要的燃烧 热，大部分来自炉内的高温燃烧排气，回收其中的一部分用于脱水滤饼的干燥。 污泥灰分的主要成分是s i 、a l 、f e 、p 、c a 和m g 等。决定熔点高低的嚣索是灰 分的成分比，尤其重要的指标是称为碱度的c a o 和s i 0 2 的含量比。 l 。2 。3 热千化 经浓缩、消化后的污泥含水率仍然很高，给运输和后续处理带来不便，热干 燥可使污泥的含水率大大降低。热干燥法是指利用热和压力破坏污泥的凝胶结 构，并对污泥进行消毒灭菌，同时减少污泥的含水率。现行的污泥热干燥技术可 分为两类：直接热干燥技术和闻接热干燥技术。直接热干燥技术又称对流热于澡 技术，此技术热传输效率及蒸发速率较高，可使污泥的含固率达到8 5 9 5 ， 但由于与污泥直接接触，热介质将受到污染，排出的废水和水蒸气需经无害化处 理后才能排放，旋转式热干燥器及闪热于燥器都是典型的直接热干燥装置。间接 热干燥技术中，热介质并不直接与污泥接触，而是通过热交换器将热传递给湿污 泥，使污泥中的水分得以蒸发，该技术豹热传输效率及蒸发速率不如直接干燥技 术，操作设备有薄膜热干燥器和圆盘热干燥器等。经热干燥处理后的污泥的含水 率大大降低，含水率在1 0 左右，污滋量仅仅为原来的4 5 ，丽且污泥发热量 得到提高。因此，热干燥法往往和焚烧连用，作为焚烧的前处理。缺点在于初期 投资费用高，运行能耗费用较高，一般仅用于受场地限制的设备和大型装置1 7 j 。 1 2 4 卫生填埋 。 污泥的卫生填埋嚣前已经发展成为一项比较成熟的污泥处置技术。其优点是 投资少、容量大、见效快。基本方式是城市污泥经过简单的灭菌处理，直接倾倒 于低地或谷地制造人工平原回转炉。它对前期的污泥处理技术要求较低，一般进 行消化减容或让其自然干化即可。因此它需要大蘧积的场地和大量的运输费用， 且地基需作防渗处理以免污染地下水，故近年来污泥填埋处置所占比例越来越 小，因为填埋并不麓最终避免环境污染，两只是延缓了产生时间 l m 。 脱水泥饼直接填埋本身是对资源的严重浪费，此外，还可能对填埋场造成诸 多的困难。首先填埋场一般是一层垃圾一层覆土，然后进行碾压，以确保更好的 甭1 节绪论 皇曼寰曼黧皇! 曼曼! 皇曼i i i i ii 嬲兰! ! ! ! ! 蔓燃曼! ! ! ! ! 曼燃! ! ! ! 曼曼 空间利用。污泥的含水率、高粘度经常使得碾压机械打滑甚至深陷其中，给填埋 操作带来困难。然后污泥的流变性使得填埋体易变形和滑坡，成为人为的“沼泽 地”，给填埋场带来极大的安全隐患。三是污泥的高含水率大大增加了填埋场渗 滤液的处理量，由于污泥细小，经常堵塞渗滤液收集系统和排水管，加重了垃圾 坝的承载负荷，给填埋场运行管理带来困难。清理收集系统静费鹰极为昂贵。最 后填埋资源有限，必然导致填埋成本的上升。 考虑到污泥是一种资源，一些国家开始限制污泥的矗接填埋，填埋成本的上 升，引发了人们深度处理污泥、减量和资源化的市场需求。 1 2 。5 投海 历史上，某些沿海地区采用污泥投海的方式处置污泥。利用水体消纳污泥一 般不需要进行严格的无毒无害他处理，也无需脱水便可直接排入水体，丽且容量 很大。对于靠近海岸的大型污水处理厂，这是种方便的污泥处置方法。但近年 来受到强烈反对，主要是因为其污染海洋，危害海洋生态系统，引发全球环境问 题。美国早在1 9 8 8 年就己禁止污泥投海，并于1 9 9 1 年全面施行瓣。 1 2 6 好氧堆肥 堆肥化技术2 0 世纪6 0 年代迅速发展起来的一项新的污泥生物处理技术。污 泥按一定的比例与各种秸秆、稻草、锯末、树叶等植物残体或草炭、粉煤灰、生 活垃圾等混合，借助予混合微生物群落，在潮湿环境中对多种有机物进行氧化分 解，使有机物转化为稳定的类腐殖质，用于农肥或土壤改良。现代堆肥一般采用 好氧堆肥技术，利用污泥中的好氧微生物进行好氧发酵。好氧堆腮大致分为中湿、 高温及降温腐熟三个阶段。堆肥初期有机物中的可溶性物质如单糖很快降解，释 放出部分热量，温度开始上升，嗜温菌大量繁殖，代谢旺盛，从丽导致更多的有 机物降解和热能释放。由于堆肥物质具有良好的保