（环境工程专业论文）臭氧破解污泥的溶出机制及同步臭氧氧化对污泥减量效能的影响研究.pdf

摘要 摘要 剩余污泥处理和处置问题的日益突出使得污泥减量成为必然。在目前国内 外研究的污泥减量技术中，利用臭氧进行隐性生长的污泥减量技术由于其破解 效率高、不产生毒副作用等特点成为该方向研究的热点。臭氧具有强的杀伤力， 它能够渗入细胞壁从而破坏细菌有机体链状结构导致细菌的死亡，细胞溶解释 放有机物质到水中，而这些自产底物可重新被用于生物代谢，这样部分有机碳 的重复使用将会导致污泥产量的减少。利用臭氧对剩余污泥进行破解，可以使 污泥胞内外物质溶出进入液相，改变污泥特性，还有可能形成新的剩余污泥减 量排放处理工艺。本文利用臭氧破解活性污泥以研究臭氧破解污泥的若干基础 理论问题，并探索将臭氧直接作用在活性污泥反应器上进行同步臭氧氧化实现 污泥减量排放工艺的可能性及处理特性。 通过静态试验的方法了解了臭氧破解活性污泥的机理，并从理论上分析了 各指标溶出规律。试验结果表明：经臭氧破解后污泥液相中的s c o d 、t n 、n h 3 一n 、 有机氮、n 0 3 - - n 、t p 、蛋白质、多糖等物质随臭氧浓度和臭氧投加量的增加有 不同程度的增加，而n 0 2 - n 、总蛋白质、t o c 、p h 值、污泥s o u r 及s v i 值 则呈现下降趋势。理论分析发现，本研究中s c o d 和t n 的溶出均低于理论值， 分析是由于当微生物细胞壁破裂后，细胞质进入了液相，在液相中与臭氧直接 接触而发生化学氧化作用，部分有机物被氧化成为二氧化碳、氮气和氨气从水 中逸出；臭氧破解过程中污泥活性有较大程度的降低，s o u r 从初始的 9 9 2 m 9 0 2 g v s s h 下降到5 9 2 m 9 0 2 g v s s h ，v s s s s 从o 7 8 降低到0 6 8 ：臭氧 破解使得絮体尺寸变小、密度提高，沉降性能得到很大提高，污泥p h 值从中性 变为弱酸性。 利用二元线性回归法建立臭氧浓度和臭氧投加量对臭氧破解效率的模型可 以看出，臭氧破解污泥过程中的液相s c o d 、蛋白质、多糖的溶出和t o c 的破 解与臭氧浓度和臭氧投加量呈正比指数关系。 在前面机理分析的基础上，确定后续工艺的臭氧作用条件为臭氧浓度 3 6 6 5 m g l ，臭氧投加量o o 0 4 9 0 3 g s s 。 将臭氧直接作用于生物反应器进行隐性生长，能实现污泥的减量排放。本 试验选取s b r 和m b r 两种生物反应器作为同步臭氧氧化污泥减量的研究系统。 l 摘要 考察了各臭氧投加量下s b r 污泥减量系统的污泥浓度、污泥性能和出水水 质变化情况，并与对照系统进行对比分析。结果表明：同步臭氧氧化可以降低 s b r 系统的平均表观污泥产率，对照系统的平均污泥产率系数为 0 4 5 9 s s g s c o d ，而在臭氧投加量为0 0 1 、0 0 2 、0 0 2 5 、0 0 3 9 0 3 g s s 时的平均 产率系数分别为o 3 6 、0 2 、0 1l 、0 0 3 9 s s g s c o d ，在5 0 d 的连续运行中，对照 系统共排放约1 5 0 9 干污泥，而臭氧减量系统仅排放4 7 2 9 干污泥；臭氧氧化对 s b r 系统出水的c o d 、n h 3 - n 、t p 影响较小，在臭氧投加量小于0 0 3 9 0 3 g s s 时，去除率分别为9 2 5 、9 1 1 和8 0 5 ；臭氧氧化对污泥活性的影响较小， 在臭氧投加量小于0 0 3 9 0 3 g s s 条件下，保持了8 5 3 以上的活性；随着臭氧投 加量的增加，污泥s v i 值下降。 对反应器在臭氧投加量为0 0 3 9 0 3 g s s 时进行了3 0 天的连续运行研究。结 果表明，同步臭氧氧化可以明显减少s b r 反应器的污泥排放量，在不排泥的情 况下对照系统m l s s 增加了5 9 0 7 m g l ，而臭氧减量系统污泥m l s s 仅增加了 6 4 3 m g l 。但随着臭氧的长期投入，反应器内污泥活性下降会影响出水水质。 考察了各臭氧投加量下m b r 污泥减量效能的影响研究。发现m b r 对照系 统的平均污泥产率为0 3 2 9 s s g s c o d ，而在臭氧投加量分别为0 o l 、o 0 1 5 、0 0 2 、 0 0 2 5 、0 0 39 0 3 g s s 时，系统平均污泥产率系数分别为0 2 5 、0 1 6 、o 0 7 、0 0 2 1 、 0 0 1 6g m l s s g s c o d ，当臭氧投加量大于0 0 2 5 9 0 3 g s s 时，污泥产率系数接近 零，在5 0 d 的连续运行中，对照系统共排放1 4 3g 干污泥，而臭氧减量系统共排 放4 8 9 干污泥；臭氧氧化对m b r 系统出水的c o d 、n h 3 - n 影响甚小，充分体 现了m b r 系统的高效稳定性，但由于m b r 系统对磷的处理效果不好，因此投 加臭氧后更加重了除磷的难度；随着臭氧的加入，污泥活性下降。 在臭氧投加量为0 0 2 5 9 0 3 g s s 条件下对反应器进行了为期3 0 天的连续运行 试验。结果表明，在不排泥的情况下，m l s s 在3 0 天增加了48 6 3 m g l ；而臭 氧减量系统污泥m l s s 仅增加了3 8 0 m g l ：臭氧的加入对污泥出水水质没有很 大影响。 关键词：臭氧；破解；剩余污泥；减量排放；同步氧化 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo fe x c e s ss l u d g eh a v eb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m ， w h i c hl e a dt h es l u d g er e d u c t i o nt oan e c e s s a r y o w i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲 e f f i c i e n c ya n dn op o i s o n o u ss i d ee f f e c t ，t h eo z o n a t i o n r e d u c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do n t h el y s i sg r o w t hc a u s e dm o r ea n dm o r ec o n c e ma l la r o u n dt h ew o r l d b e c a u s eo ft h e o z o n e sh i g hs t e r i l i z i n ga b i l i t y ，i tc a nk i l lt h eb a c t e r i ab yd e s t r o y i n gt h eo r g a n i cl o n g c h a i ns t r u c t u r eo n c ee n t e r i n gt h ec e l lw a l l t h eo r g a n i cp r o d u c t sw h i c hr e l e a s e db y c y t o l y s i sc a nb er e c y c l e df o ro r g a n i s mm e t a b o l i s m ，w h i c hc a n c a u s et h er e d u c t i o no f s l u d g ep r o d u c t i o n o z o n ec a l lb ea p p l i e dt od i s i n t e g r a t et h ea c t i v a t e ds l u d g e ，i tc a n r e l e a s et h es u b s t a n c e si n s i d ea n do u t s i d ec e l l si n t ot h el i q u i dp h a s e ，a tt h em e a n w h i l e ， w h e nt h es l u d g ec h a r a c t e r i s t i c sa r et o t a l l yc h a n g e d ，ab r a n dn e ws l u d g er e d u c t i o n p r o c e s sw i l lb ee s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e r , t h eo z o n ew a sa p p l i e dt od i s i n t e g r a t et h e a c t i v a t e ds l u d g ei no r d e rt od e e p l yr e s e a r c ho ns o m eb a s i ct h e o r e t i c a lp r o b l e m sa l o n g w i t ht h ep o s s i b i l i t ya sw e l la st h ee f f i c i e n c yo fo z o n a t i o ns i m u l t a n e o u so x i d a t i o n p r o c e s s u s et h e o z o n ed i s i n t e g r a t i o nd i r e c t l yf o rt 1 1 er e a c t o rt or e a l i z es l u d g e r e d u c t i o nt a r g e t t h em e c h a n i s mo fo z o n a t i o nd i s i n t e g r a t i o nf o ra c t i v a t e ds l u d g er e d u c t i o nw a s s t u d i e db yb a t c ht e s t ，a n dt h ed i s s o l v i n gl a w so fs o m ei n d e x e sw e r ea n a l y z e d t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei n d e x e so fs o l u b l ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( s c o d ) ，t o t a l n i t r o g e n ( n d ，a m m o n i an i t r o g e n ( n h 3 - n ) ，o r g a n i cn i t r o g e n ，n i t r a t en i t r o g e n ( n 0 3 - n ) ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) ，p r o t e i na n dp o l y s a c c h a r i d ew e r ea c c o r d i n g l yr a i s e d w h e ni n c r e a s et h eo z o n ec o n c e n t r a t i o na n do z o n ed o s a g e ，o nt h ec o n t r a r y , t h en i t r i t e n i t r o g e n ( n 0 2 - n ) ，t o t a lp r o t e i n ，t o t a lo r g a n i cc a r b o n ( t o c ) ，p hv a l u e ，s p e c i f i c o x y g e nu p t a k er a t e ( s o u r ) a n ds l u d g ev o l u m ei n d e x ( s v i ) w e r e d e c l i n e do b v i o u s l y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sw a sb u i l tu p ，i tc a nf u l l yp r o v et h a tt h ed i s s o l v i n gv a l u eo f s c o da n dt nw a sl o w e rt h a nt h e o r yv a l u ed u et ot h em o s tp a r to fo r g a n i s mw a s o x i d i z e dt oc 0 2 ，n 2 ，n h 3 ， w h i c hc a l lb er e l e a s e df r o mt h el i q u i dw h e nt h eo z o n e d i r e c tr e a c t sw i t ht h ec y t o p l a s mw h i c he n t e ri n t ot h el i q u i da f t e rt h ec e l lw a l lb e c r a c k e d d u r i n gt h ew h o l eo z o n a t i o nd i s i n t e g r a t i o np r o c e s s ，t h es o u r , s v ia n dp h i i i a b s t r a c t v a l u ed e c r e a s e df r o m9 9 2 m 9 0 2 g v s s 。k 6 5 4 m l g ，6 3 8t o5 9 2 m 9 0 2 g v s s h ， 5 9 4 m l g ，5 4 2 ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 er e l a t i o n s h i pm o d e sa m o n gt h ed i s i n t e g r a t i o ne f f i c i e n c y , o z o n ec o n c e n t r a t i o n ， o z o n ed o s a g ew e r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h em e t h o do fd u a l i s t i cl i n e a rr e g r e s s i o n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e d i s i n t e g r a t e de f f i c i e n c y o f s c o d ，s o l u t i o np r o t e i n ， p o l y s a c c h a r i d ea n dt o ci n c r e a s e db ye x p o n e n t i a lf u n c t i o nw h e nr a i s e so z o n e c o n c e n t r a t i o na n do z o n ed o s a g e t h eo z o n a t i o nr e a c t i o nc o n d i t i o n sf o rf o l l o w - u pt e c h n i q u e sw e r es e l e c t e do nt h eb a s i so ft h e f o r m e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s s l u d g er e d u c t i o np r o c e s sb a s e do nt h el y s i sg r o w t hc a nb ef u l f i l l e db yo z o n e d i r e c t l yo x i d i z et ot h ea c t i v a t e ds l u d g ei nt h eb i o l o g i c a lr e a c t o r 1 1 1 es b ra n dm b r w e r es e l e c t e dt o s t u d yt h e s i m u l t a n e o u so x i d a t i o nf o rs l u d g er e d u c t i o ni nt h i s e x p e r i m e n t t h ee f f e c to fo z o n ed o s a g eo nt h ep e r f o r m a n c eo fa c t i v a t e ds l u d g er e d u c t i o ni n s b rs y s t e mw a sa l s os t u d i e d i ts h o w st h es i m u l t a n e o u so z o n a t i o no x i d a t i o nc o u l d d e c r e a s et h eo b s e r v e da v e r a g es l u d g ey i e l df r o m0 4 5 9 s s g s c o dt oo 3 6 ，0 2 ，0 1 1 ， o 0 3 9 s s g s c o dw h e nt h e o z o n ed o s a g ew a s0 o1 ，0 0 2 ，0 0 2 5 ，o 0 3 9 0 3 g s s ， r e s p e c t i v e l y d u r i n gt h e5 0d a y sp r o c e s s ，t h ec o n t r o ls y s t e md i s c h a r g e da b o u t15 0 9 d r ys l u d g e ，b u tt h eo z o n a t i o ns y s t e mc a no n l yd i s c h a r g e4 7 2 9 ；t h eo z o n a t i o n o x i d a t i o nh a dn os i g n i f i c a n t l ye f f l u e n c eo nt h er e m o v a lr a t eo fc o d ，n h 3 - na n dt p , w h i c hk e p t9 2 5 ，9 1 1 ，8 0 5 ，r e s p e c t i v e l yw h e nt h eo z o n ed o s a g ew a sb e l o w 0 0 3 9 0 a g s s ；t h es l u d g eo fo z o n a t i o ns y s t e ma l s ok e p tas u b 一8 5 3 a c t i v i t yu n d e rt h e o z o n ed o s a g eo fo 0 3 9 0 3 g s s i tp r o v e dt h a tt h es v l w a sd e c l i n e d 、析lt h ei n c r e a s i n g o fo z o n ed o s a g e s b ro z o n a t i o nu n i tr u nf o r3 0d a y sw i t h o u ta n ys l u d g ed i s c h a r g i n g ，e x c e p t s a m p l i n ga n a l y s i s ，w h e no z o n ed o s a g ew a s0 0 3 9 0 3 g s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e o z o n a t i o ns y s t e mc o u l d s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s et h es l u d g ed i s c h a r g e d u r i n gt h i s p e r i o d ，t h em l s sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d5 9 0 7 m g li nc o n t r o ls y s t e mw h i l et h e o z o n a t i o nu n i to n l yi n c r e a s e d6 4 3 m g l h o w e v e r , t h eq u a l i t yo fe f f l u e n td e c l i n e d o w i n gt ot h ed e c r e a s eo fs l u d g ea c t i v i t ya f t e rl o n go z o n a t i o nt i m e 1 1 l ee f f e c to fo z o n ed o s a g eo nt h ep e r f o r m a n c eo fa c t i v a t e ds l u d g er e d u c t i o ni n i v a b s t r a c t m b rs y s t e mw a si n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h es i m u l t a n e o u so z o n a t i o n o x i d a t i o nc o u l dd e c r e a s et h eo b s e r v e da v e r a g es l u d g ey i e l df r o m0 3 2 9 s s g s c o dt o 0 2 5 ，0 1 6 ，0 0 7 ，0 0 2 1 9 s s g s c o dw h e nt h eo z o n ed o s a g ew a s0 0 1 ，0 0 1 5 ，o 0 2 ， 0 0 2 5 9 0 3 g s s ，r e s p e c t i v e l y d u r i n gt h eo p e r a t i o nw h i c hl a s t s5 0d a y s ，t h ec o n t r o l s y s t e md i s c h a r g e da r o u n d14 3 9d r ys l u d g ew h i l et h eo z o n a t i o nu n i to n l ys l i g h t l y d i s c h a r g e d4 8 9 ；t h eo z o n a t i o no x i d a t i o nh a dn oo b v i o u s l ye f f l u e n c eo nt h er e m o v a l r a t eo fc o d ，n h a - n p h o s p h o r u si nt h em b rc o u l dn o tb er e m o v e de f f e c t i v e l y , w h i c hm a d em o r ed i f f i c u l tf o rt h eo z o a n t i o nu n i t ；t h ea c t i v i t yo fs l u d g ei no z o n a t i o n u n i td e c l i n e dv v i t ht h ei n c r e a s i n go fo z o n ed o s a g e m b ro z o n a t i o nu n i tr u nf o r3 0d a y sw i t h o u ta n ys l u d g ed i s c h a r g i n ge x c e p t s a m p l i n ga n a l y s i sw h e no z o n ed o s a g ew a s0 0 2 5 9 0 3 g s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e o z o n a t i o ns y s t e mc o u l do b v i o u s l yd e c r e a s et h es l u d g ed i s c h a r g e d u r i n gt h i sp e r i o d ， t h em l s sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d4 8 6 3 m g li nc o n t r o ls y s t e mw h i l et h eo z o n a t i o n u n i to n l yi n c r e a s e d38 0 m g l k e yw o r d s ：o z o n e ；d i s i n t e g r a t i o n ；w a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ；r e d u c t i o np r o d u c t i o n ； s i m u l t a n e o u so x i d a t i o n v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得直昌太堂或其他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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 _ 一 学位论文作者签名( 手写) ：山碑 签字日期：加莎年6 月工弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：矿年占月穆日 签- 71 11 1 ：年 月 e 1 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 剩余污泥的产生与特性 1 1 1 剩余污泥的产生现状 活性污泥法和生物膜法是污水处理中应用最广泛、最成熟的技术，全世界 大约有9 0 的污水处理厂采用该法作为核心技术。污水的二级生物处理工艺( 生 物膜法和活性污泥法) 主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质，有机 物从污水中去除过程的实质就是有机底物作为营养物质被微生物摄取、代谢与 利用的过程。这一过程的结果是污水得到净化，微生物获得能量合成新的细胞。 在稳定运行的生物处理系统中，为维持恒定的生物量，每天新增加生物细胞物 质，需要作为剩余污泥( 活性污泥法) 和脱落的生物膜排放。据有关资料表明， 污泥处理费用占污水处理厂总处理费用的2 0 5 0 1 1 ，占总运行费用的 2 5 0 0 - , 6 5 t 2 1 。污泥中的有机物、重金属与病原微生物使得污泥的处理和利用面临 着巨大的环境压力，污泥处理是比污水处理耗费更大的工程，该问题已成为所 有污水处理厂目前和今后必须面对的瓶颈问题。 西方发达国家由于工业化进程早，经济实力雄厚，所以污水处理技术先进， 处理程度较高。但是自从英国伦敦建立世界第一个污水处理厂以来，污泥处理 问题便成为市政管理的重要问题之一。随着城市人口的增长、市政服务设施的 不断完善、污水处理技术的不断提高，欧。美等发达国家的污泥产量每年大约 以5 1 0 的速度增长。1 9 9 0 年欧洲干污泥产量为1 1 0 7 1 0 4 t ，到1 9 9 9 年干污 泥产量达1 7 4 6 1 0 4 t 【3 】。到2 0 0 5 年，欧洲将建立许多新污水处理厂，一些国家 污泥产量将几乎增加3 0 0 ，由于城市污水处理要求的日益严格，欧洲城市污泥 产量预计将增加5 0 0 。1 9 9 8 年美国约产生污泥6 9 0 x1 0 4 t ，到2 0 0 5 年达 7 6 0x1 0 4 t ，预计至2 0 1 0 年将增至8 2 0 1 0 4 t 。1 9 9 4 - - - 1 9 9 9 年日本平均每年产生 污水污泥2 1 9 7 1 0 8 m 3 ，经浓缩后污泥为6 1 0 0 x1 0 4 m 3 1 4 1 。 近几年来，我国城市污水厂的建设数量将会大幅增加，剩余污泥的产生量 也会越来越大。以2 0 0 0 年为例【3 l ，2 0 0 0 年我国工业和城市生活污水排放总量为 4 1 5 1 0 8 t ，其中工业废水排放量为1 9 4 1 0 8 t ，处理率为9 4 7 ，城市生活污水 排放量为2 2 1 1 0 8 t ，处理率为2 5 。假设工业废水与生活污水处理工艺6 5 1 第1 章绪论 采用生物处理，则可得2 0 0 0 年我国产生的干污泥量约为4 2 0 1 0 4 t ，折合含水率 为8 0 的脱水污泥为2 1 0 0 1 0 4 t 。随着城市人口的增长、市政服务设施的不断 完善，预计我国城市污水量在未来2 0 年还会有较大增长，预计2 0 1 0 年污水排 放量将达到4 4 0 1 0 8 m 3 d ，则2 0 1 0 年，我国产生的干污泥量为4 4 5 4 1 0 4 t ，2 0 2 0 年污水排放量将达到5 3 6 1 0 8 m 3 d ，预计产生干污泥量为5 4 2 5 1 0 4 t 。因此，如 何经济有效地处理处置剩余污泥、减少污泥产量、使污泥快速稳定，以保证污 水处理厂的正常运行和处理效果，保护环境，变害为利，变废为宝是我们面临 的一个重要问题。 1 1 2 剩余污泥特性 剩余活性污泥主要由悬浮的污泥絮体构成，而絮体是由大量的分散微生物 细菌通过胞外聚合物( e x t r a c e l l u a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 、阳离子( 如c a 2 + ， m 9 2 + ) 和其他细颗粒架桥而组成【5 1 。胞外聚合物的两个主要来源为微生物的新陈 代谢和自溶，其主要成分为各种类型的高分子物质，如蛋白质、多糖、d n a 等 聚合物【6 j 。胞外聚合物是仅次于活性污泥微生物细胞和水分的污泥絮体第三大组 成部分【_ 7 1 ，其填充并且形成了活性污泥细菌之间的空间，形成了污泥絮体的结构， 是污泥絮体的主要组成部分，占活性污泥总有机物的比例在5 0 9 0 之间【引， 絮体中总的胞外聚合物质量占活性污泥质量的8 0 左右【9 00 1 ，被认为是决定絮凝 体物理化学性质和生物性质的关键物质】。微生物被胞外聚合物包裹或固定在 污泥絮体中【l2 1 ，为污泥微生物细胞提供了一个适应的环境，使其生长代谢。胞 外聚合物对污泥絮体的沉降性能、絮凝性能以及脱水性能均有重要影响【l 引。 污泥中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素以及多种微量元素和有机物、腐 殖质。同时也含有多种病原菌、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物。由 于污水来源，污水处理工艺及季节的不同，污泥的组成差异较大。污泥中有机 质含量随季节变化，夏低冬高【1 4 1 。表1 1 为国内外剩余污泥的主要特性【15 1 。由 表1 1 可见，污泥中有机物含量较高，一般在6 0 以上，且富含氮、磷、钾等营 养元素。 2 第1 章绪论 总固体( ) 挥发性固体占总固体( ) 碳水化合物( ) 脂肪( ) 蛋白质( ) p h n ( t s ) p ( p 2 0 5 计，灯s ) k ( k 2 0 计，t s ) 碱度( c a c 0 3 ，m g l ) 有机酸( h a c ，r a g l ) 1 1 3 污泥中水分的存在形式 污泥中的含水率很高，一般为9 6 - - - 9 9 8 ，体积很大。污泥中水分按其存在 状态共分为四种，即间隙水、毛细( 结合) 水、吸附水和内部水。 毛细 图1 1 污泥中水分存在状态 f i g 1 1s t a t u so f t h el i q u i di ns l u d g e 间隙水。被大小污泥固体包围着的间隙水，并不与固体直接结合，因而 相对容易分离。污泥中间隙水约占污泥含水量的7 0 ，只需在中间调节池中停 留几个小时，其容积就能显著减少。因此，借助于自然重力场或者机械产生的 人工力场( 采用浓缩或者气浮方式) 用较小的力可分离间隙水。 3 一 一 一 加 m ! 圣 ： m 0 8 5 4 石 2 4 2 5 巧 1 加 9 5 l 卯 乃 & 弛 & 卜 铲 卜 生 l 2 o 0 第1 章绪论 毛细( 结合) 水。在高度密集的细小污泥固体颗粒周围的水，由于产生 毛细现象，可以构成如下几种结合水： 间隙毛细结合水充满于固体与固体之间的空间的间隙毛细结合水； 楔形毛细结合水在固体颗粒的接触面上由于毛细压力的作用结合成楔 形毛细结合水： 裂隙毛细结合水充满于固体本身裂隙中的毛细水。 毛细水约占污泥总水分的2 0 。要去除毛细压力作用下的结合水，需施以 与毛细水表面张力的合力相反的作用力。例如，利用离心力( 离心分离机) 、负 压( 真空过滤机) 、电渗力或热渗力等。 吸附水。粘附在细小污泥或小颗粒表面上的水。要使胶体状颗粒的结合 水与固体分离是十分困难的，而分离吸附水则更为困难。需要采用絮凝剂辅助 进行分离，并借助于外界机械产生的较大压力差( 负压或者高压) 或者机械力 场分离毛细水和附着水。 内部水。微生物细胞内部的液体。一部分污泥被包围在微生物的细胞膜 中，间隙水、毛细水、吸附水等都是外部液体，而细胞液则是内部液体。这种 内部水与固体结合得很紧。要去除这些内部水，必须破坏细胞膜【l6 1 。而使用机 械方法难以奏效，但细胞液还是可以得到压缩的。为了去除这种内部水，可以 通过好氧或厌氧菌的作用，使细胞在污泥中进行生物分解( 好氧氧化、堆肥化、 厌氧消化) ，或采用高温加热和冷冻等措施。这时，内部水又成了外部液体的形 式。 1 2 污泥处理和处置现状及我国污泥处理处置存在问题 1 2 1 国内外污泥处理和处置现状 污泥在最终处置之前要在污水厂进行处理，以方便运输以及满足处置的要 求。例如污泥进行填埋处置，在填埋时，要求污泥的含固率不得小于3 5 ，抗 剪强度不得小于2 5 k n m 2 。此外，污泥中的有机物含量较高，为防止污泥的腐 化，必须在处置前进行稳定化【1 7 】。因此，污泥处理厂采用的工序基本上按照污 泥浓缩、稳定、脱水的流程进行。 从国内已经建成的城市污水处理厂来看，污水污泥处理工艺大体可归纳为 1 8 种工艺流程【1 3 】，如表1 2 所示。 4 第1 章绪论 国外污水处理厂也是按照浓缩、脱水、稳定的流程处理污泥，只是在各个 环节上开发了些新的技术和工艺，如超声波进行污泥消化，可缩短污泥在消化 池中的停留时间，增强污泥的稳定性；利用蚯蚓处理污泥；污泥干化技术【l9 1 ， 该技术自2 0 世纪8 0 年代末期以来在欧、美等发达国家应用广泛，例如欧盟在 2 0 世纪8 0 年代初只有数家污水处理厂采用污泥热干化设备处理污泥，但到1 9 9 4 年底已有约1 8 0 家污泥干化处理厂，并且还在逐年增加；污泥的热处理，在欧 洲未来十年内，采用热处理的污泥量将翻一番，英联邦在未来十年内污泥热处 理厂的数量将增加1 0 倍，美国自1 9 9 5 年来，设计或安装了至少2 8 座新的污泥 干化装置【2 0 】。 目前国内外污泥处置方法有： 5 第1 章绪论 卫生填埋 卫生填埋操作相对简单，投资费用较少，处理费用较低，适应性强，但是 其侵占土地严重，如果防渗技术不够将导致潜在的土壤污染和地下水污染。由 于渗滤液对地下水的潜在污染和城市用地的减少等，对处理技术标准越来越高 ( 例如德国从2 0 0 0 年起，要求填埋污泥的有机物含量小于5 ) ，许多国家和地 区甚至坚决反对新建填埋场。英国还对污泥陆地填埋征收一定的税收。 污泥农用 污泥农用投资少、能耗低、运行费用低，其中有机部分可转化成土壤改良 剂成分。这种处置方式是把污泥应用于农田、菜地、果园、林地、草地、市政 绿化、育苗基质及严重扰动的土地修复与重建等。科学合理地土地利用，可减 少污泥带来的负面效应。影响污泥农用的主要因素是重金属污染、病原体、难 降解有机物及n 、p 的流失对地下水和地表水的污染。近年来，随着污泥农用标 准( 如合成有机物和重金属含量) 日益严格的趋势，许多国家如德国、意大利、 丹麦等污泥农用的比例不断降低。 污泥焚烧 以焚烧为核心的处理方法是最彻底的污泥处理方法，它能使有机物全部炭 化，杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积；但其缺点在于处理设施投资大， 处理费用高，有机物焚烧会产生二嗯英等巨毒物质。在国内由于其一次性投资 和处理成本大、焚烧烟气需要进一步处理等问题而一直未得到应用。 污泥干化和热处理 污泥干化能使污泥显著减容，体积可以减少为原来的1 6 - 1 5 ，产品稳定， 无臭且无病原生物；干化处理后的污泥产品用途多可以作肥料、土壤改良剂、 替代能源等。由于污泥热干燥技术要求和处理成本较高，管理较复杂，所以这 项技术只在发达国家中应用较广。 污泥堆肥 由于污泥产生的环境问题和填埋技术的缺点日益突出，污泥堆肥技术引起 了，世界各国的广泛重视，成为环保领域的一个研究热点。虽然国外将污泥堆 肥处理后制成复合肥已经相当普遍，但是国内由于技术和运营经验的缺乏，国 内堆肥产品的销售并不理想。 海洋倾倒 海洋倾倒操作简单，对于沿海城市来说其处理费用较低，但是，随着生态 6 第1 章绪论 环境意识的加强，人们越来越多地关注污泥海洋倾倒对海洋生态环境可能存在 的影响。美国于1 9 8 8 年，已禁止污泥海洋倾倒，并于1 9 9 1 年全面加以禁止； 日本对污泥的海洋投弃做了严格的规定。中国政府于1 9 9 4 年初接受了3 项国际 协议，承诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不在海上处置工业废物和污水污泥。 表1 3 列出了一些国家的污泥处置现状【2 训，可以看出目前国外应用最广泛 的处置方法是土地利用、卫生填埋以及焚烧。土地利用如上文所述，随着污泥 农用标准的提高，其比例会不断减少。卫生填埋需占用大量土地，许多国土面 积不大的国家如日本等国，采用的处置技术是焚烧【2 1 1 。而焚烧技术需要耗费的 热能多，如果采用燃煤的加热方式不但耗费大量能源而且有可能使空气污染加 剧。 目前我国采用的污泥处置方法中，污泥农用约占4 4 8 ，陆地填埋约占3 1 ，其他处置约占1 0 5 ，没有处理约占1 3 7 。这些比例只反应了当前我国 的污泥处置现状。由于我国的污泥产量大部分来源于大城市，这些城市的污水 处理厂普及率较高，而我国数量众多的中小城市的污水处理厂由于技术经济的 落后，一方面污水厂的数量与城市发展不相协调，另一方面这些中小城市即使 建成了污水厂，受其经济和技术的制约，无法达到污泥农用的技术卫生要求， 绝大多数采用土地填埋的处置方式【1 7 1 。 目前我国城市污水处理厂每年排放的干污泥量大约1 3 0 1 0 4 t ，而且以大于 1 0 的速度增长。每年需要大约6 5 0 x1 0 4 m 3 的填埋库容填埋。填埋需要大面积 的场地和大量的运输。据有关部门测算，按填埋场2 5 k m 运程计算，每t 湿污泥 的运输和填埋管理费达2 5 元；同时填埋将占用大量土地，按国家规定，填埋1 t 夯实垃圾占地0 6 m 2 。同时，污泥土地填埋对污泥的力学性质要求较高地基需作 防渗处理以免污染地下水，填埋场的废气可能污染环境，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 ，给填埋场带来极大安全隐患【1 7 1 。 7 第l 章绪论 表1 3 国外一些国家的污泥产生量和处置方法 t a b l ei 3b i o m a s sp r o d u c t i o na n dr e s p o n s i b l et r e a t m e n tp r o c e s si no t h e rc o u n t r i e s 1 2 2 我国污泥处理处置存在问题 无论是在研究开发还是工程应用上，我国污泥处理处置技术均远远落后于 发达国家，无法满足国内污水处理厂处理剩余污泥的需要。在全国现有污水处 理设施中，有污泥稳定处理设施的不到1 4 ，处理工艺和配套设备较为完善的不 到1 1 0 1 3 1 。虽然污水得到一定程度的处理，但产生的剩余污泥没有得到妥善的处 理处置。由于污泥处理处置工艺复杂、建设费用高昂，不少污水处理厂往往将 其作为二期工程实施，这就更突出了我国污泥处理处置问题的严峻性。 8 第1 章绪论 1 3 污泥减量技术 污泥处理和处置面临的问题越来越紧迫，污泥减量技术就是在这种情况下 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。根据生物处理 工艺中微生物代谢特性，剩余