（环境工程专业论文）基于生物淋滤的城市污泥调理技术.pdf

基于生物淋滤的城市污泥调理挫术 摘要 近年来，我国的污泥产量逐渐增加，并将在未来的一段时间内快速增 加。城市生活污水处理厂剩余污泥体积庞大、成分复杂制约着污泥减量 化和资源化。剩余污泥含水率很高，使得活性污泥体积庞大，给活性污 泥的处理处置带来了巨大的挑战，所以改善污泥脱水势在必行。研究指 出污泥脱水是一昂贵的过程，而且人们对其理解严重缺乏。污泥的处理 和处置费用占据整过污水处理过程费用的3 5 5 0 。因此，城市污泥的处 理和处置已经变成污水处理过程中一个严重的环境问题。 采用生物淋滤f e n t o n 氧化联合使用工艺对城市污泥进行了调理研究。 利用氧化硫硫杆菌将还原性硫氧化成硫酸使污泥体系的p h 降低，以满足 f e n t o n 试剂对p h 的要求。研究结果表明，在固定单质硫投量为3 9 l 的 条件下，污泥p h 降至2 5 约需2 0 d 。生物淋滤显著改善了污泥的脱水性 能，污泥比阻从处理前的6 4 5 1 0 1 0 s 2 g 下降到2 0 5 1 0 1 0 s 2 g ，降低了7 0 ， 但污泥仍属难脱水污泥。此外污泥稳定性也得到了- 定程度的提高。生 物淋滤f e n t o n 氧化联合调理城市污泥的最佳h 2 0 2 f e 2 + 、h 2 0 2 和f e 2 + 投 量、反应时间分别为2 、4 9 l 和2 9 l 、6 0 m i n ，经过生物淋滤一f e n t o n 氧 化联合处理后的污泥属易脱水污泥，其污泥比阻、s v 和泥饼含水率分别 从6 4 5 1 0 1 0 s 2 g 、9 7 0 、9 1 4 2 下降至3 5 6 1 0 8 s z g 、5 9 0 、7 9 4 7 。 经处理后污泥的稳定性得到较大程度的提高，污泥v s s 减少率为4 1 9 3 。 此外，生物淋滤f e n t o n 氧化联合调理后，污泥沉降性能与污泥脱水性能 之间存在一定的联系，在生物淋滤f e n t o n 氧化联合调理污泥过程中，当 反应时间在6 0 m i n 以内，s v 随着污泥比阻的减小而减小：但当反应时间 超过6 0 m i n 后，s v 则随着污泥比阻的减小而增加。 采用生物淋滤聚合氯化铝( p a c ) 与聚丙烯酰胺( p a m ) 联合使用工 艺对城市污泥进行了调理研究。研究结果表明，投加亚铁离子能明显加 快污泥生物淋滤速率；f e s 0 4 7 h 2 0 投量为8 9 l 时，污泥p h 降至2 约k 1 5 d 。生物淋滤显著改善了污泥的脱水性能，生物淋滤后使污泥比阻从 6 4 5 1 0 1 0 s 2 g 降到1 4 5 1 0 1 0 s 2 g ，降低了7 7 5 2 ，但污泥仍属于难脱水 污泥。回调淋滤污泥p h 至6 ，投加p a c 及p a m 对淋滤污泥进行强化调 理。结果表明，单独使用p a c 与p a m 的最佳投量分别为2 0 0 m g l 和。 5 0 m g l ：联合使用p a c 与p a m 时，p a c 与p a m 的最佳投量分别为1 0 0 m g l 和2 5 m g l ，污泥比阻和滤饼含水率分别为2 0 2 1 0 8 s 2 g 和7 4 8 1 ，i ) ：q 硕l j 学位论文 属于易脱水污泥。与单独使用p a c 与p a m 相比，p a c 与p a m 联合使用 调理污泥费用低、处理效果好。 关键词：城市污泥；生物淋滤；f e n t o n 氧化；p a c ；p a m ；污泥比阻；泥 饼含水率；v s s 减少率；污泥沉降性能 m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea m o u n to ft o t a ls l u d g eg e n e f a t e di nc h i n ah a sr i s e n d r a m a t i c a l l y ， a n dt h i st r e n di se x p e c t e dt o i n c r e a s em a n yf o l d si nt h e c o m i n gt i m e s e w a g es l u d g ei nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sa l w a y sh a s t h ep r o s p e r i t i e so fh u g ev o l u m ea n dc o m p l e xc o m p o s i t i o n s ，w h i c hp l a ya n e g a t i v er o l ei nv o l u m er e d u c t i o na n dr e s o u r c eu l t i l i z a t i o n s e w a g es l u d g e c o n t a i n sah i g hw a t e rc o n t e n tw h i c hl e a d st oah u g ev o l u m ea n db r i n g s a d i f f i c u l tt a s kt 0u s s l u d g ed e w a t e r i n gh a sb e e np o i n t e do u ta s t h em o s t e x p e n s i v ea n d l e a s tu n d e r s t o o dp r o c e s s t h et r e a t m e n ta n dd i s p o s a l 0 f e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g ea c c o u n tf o r3 5 5 0 o ft h ee n t i r eo p e r a t i n gc o s to f w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s t h e r e f o r e ，e x c e s sa c t i v a t e ds l u d g et r e a t m e n t h a sb e c o m eas e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m i nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t s b i o l e a c h i n g f e n t o n0 x i d a t i o nw a su s e dt 0c o n d i t i o ns e w a g es l u d g e i n t h i ss t u d y ，d e p e n d i n go nt h es u l f a t ep r o d u c t i o no fr i d 6 口c f z z “sf i l f d d 石f d 口聆s t or e d u c es l u d g es y s t e mp ht om e e tt h er e q u i r e m e n to ff e n t o nr e a c t i o n ， d i f f e r e n th 2 0 2 f e 2 + d o s a g e sa n df e n t o nr e a c t i o nt i mew e r ea l s ou s e d t o i n v e s t i g a t e t h e d e w a t e f a b i l i t y o fe x c e s sa c t i v a t e d s l u d g e t o o p t i m i z e r e a c t i o nc o n d i t i o n s0 fb i o l e a c h i n g f e n t o n0 x i d a t i o n s p e c i f i cr e s i s t a n c et 0 f i l t r a t i o n ( s r f ) ，s l u d g es e t t l i n gp r o p e r t y ，v s sr e d u c t i o na n dt h em o i s t u r e c o n t e n to fs l u d g ec a k ew e r eu s e dt oe v a l u a t et h ei m p r o v e m e n to fd e w a t e r i n g p r o p e r t yi ne x p e r i m e n t a lp r o c e s s e s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tw i t haf i x e d s u l f u rp o w e rd o s a g eo f3 9 l ，t h eb i o l e a c h i n gl a s t e d2 0 dt od e c r e a s et h e s l u d g ep h a b o u t2 5 b i 0 1 e a c h i n gs i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h e s l u d g e d e w a t e r a b i l i t yw i t has p e c i f i cr e s i s t a n c et of i l t r a t i o n ( s r f ) f e d u c t i o no f 7 0 f r o m6 4 5 1 0 1 0 s 2 gt o2 0 5 1 0 1 0 s 2 g ，b u tt h eb i o l e a c h e ds l u d g ew a s s t i l ld i f f i c u l tt ob ed e w a t e r e d a tt h es a m et i m e ，t h es t a b i l i t yo fs e w a g e s l u d g ew a si m p r o v e d t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h ed e w a t e r a b i l i t yw a s i m p r o v e dw i t hi n c r e a s i n gt h ea m o u n t so fh 2 0 2a n df e 甜i nac e r t a i nr a n g e i nt e r m so fs r fv a l u ef o re c o n o m i c a lp o i n to fv i e w ，t h eo p t i m a lh 2 0 2 f e 二， r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o n so fh 2 0 2a n df e 2 + w e r e2 ， 4 9 l a n d 2 9 l ， r e s p e c t i v e l y ， a n dt h e o p t i m u m r e a c t i o nt i m ew a s6 0 m i n a t 0 p t i m a l c o n d i t i o n s ，s l u d g eb e c a m ce a s y t od e w a t e r ， s r f ， s va n dt h em o i s t u r e c o n t e n to fs i u d g ec a k ec h a n g e df r o m6 4 5 1 0 1 0 s 2 g ，9 7 0 a n d9 1 4 2 t o 3 5 6 1 0 8 s 2 g ，5 9 o a n d7 9 4 7 ，r e s p e c t i v e l y ；t h es t a b i l i t y o fs l u d g ew a s a l s 0i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l ya n dt h ef e d u c t i o no fv o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s ( v s s ) w a su pt o4 1 9 3 f u n h e r m o r e ，i nt h eb i o l e a c h i n g 。f e n t o no x i d a t l o n p r o c e s s ，al o ws vv a l u eo fs l u d g ew i n r e s u l ti nh i 曲d e w a t e r a b i l i t yo f s l u d g ew h e nr e a c t i o nt i m ei s l e s st h a n6 0 m i l l ；o nt h ec o n t r a r y ，w h e nt h e r e 矗c t i o nt i m ei sb e y o n d6 0 m i n ，t h eh i g hd e w a t e r a b i l i t ym e a n sah i g hs v v a l u e ，w h i c hm a yb ef e s u l t e df r o mt h er e d u c t i o no fs l u d g ep a r t i c l e s i z e b i o l e a c h i n g d u a lp o l y a l u m i n u m c h l o r i d e( p a c )a n dp o l y a c r y l a m i d e ( p a m ) a d d i t i o nw a su s e dt o c o n d i t i o ns e w a g es l u d g e t h er e s u l t ss h o w e d t h a tf e s0 4 7 h 2 0a d d i t i o no b v i o u s l yi m p r o v e dt h eb i o l e a c h i n gr a t ew i t ha f i x e ds u l f u rp o w e rd o s a g eo f3 9 l ；w h e nt h ef e s 0 4 7 h 2 0d o s a g ew a s8 9 l t h eb i o l e a c h i n gl a s t e d1 5 dt od e c r e a s et h es l u d g ep hb e l o w2 b i o l e a c h i n g s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h es l u d g ed e w a t e r a b i l i t yw i t has p e c i f i cr e s i s t a n c e t of i l t r a t i o n ( s r f ) r e d u c t i o no f7 7 5 2 f f o m6 4 5 1 0 1 0 s 2 gt o1 4 5 1 0 1 0 s 2 g ， b u tt h eb i o l e a c h e ds l u d g ew a ss t i l ld i f f i c u l tt ob ed e w a t e r e d a f t e ra d 】u s t l n g t h eb i o l e a c h e ds l u d g ep h t o 6 ， p a ca n dp a mw e r eu s e d t 0e n h a n c e c o n d i t i o n i n go ft h eb i o l e a c h e ds l u d g e t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h eo p t i m a l d o s a g ew a s2 0 0 m g lf o rp a c o r5 0 m g lf o fp a mw h e ns i n g l ec h e m l c a lw a s u s e d w h e np a ca n dp a mw e r ed u a l l yu s e d ，t h eo p t i m a ld o s a g eo fp a ca n d p a mw a s1 0 0 m g la n d2 5 m g l ，r e s p e c t i v e l y ；s r fa n dm o i s t u r e o fs l u d g e c a k er e d u c e dt o2 0 2 1 0 8 s 2 g a n d7 4 8 1 ， r e s p e c t i v e l y ， s h o w i n gg o o d d e w a t e r a b i l i t yo ft h et r e a t e ds l u d g e a n dp a m ，t h ed u a lu s eo fp a ca n d c o s ta n db e t t e rc o n d i t i o n i n ge f f e c t c 0 m p a r e dw i t ht h es i n g l eu s eo fp a c p a ms h o w e dt h ea d v a n t a g e s0 fl o w e r k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ；b i o l e c h i n g ；f e n t o n o x i d a t i o n ；p a c ；p a m ； s p e c i f i cr e s i s t a n c et of i l t r a t i o n ( s r f ) ；t h em o i s t u r ec o n t e n t o fs l u d g ec a k e ；v s sr e d u c t i o n ；s l u d g es e t t l i n ga b i l i t y v 硕 ? 学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 插图索引 菌种培养和驯化过程中p h 变化2 5 生物淋滤过程中p h 变化2 6 h 2 0 2 投量对酸化污泥比阻和滤饼含水率的影响2 7 h 2 0 2 f e 2 + 投量对酸化污泥比阻和滤饼含水率的影响2 8 反应时间对酸化污泥比阻和滤饼含水率的影响2 9 污泥脱水性能与v s s 减少率之间的关系图3 0 污泥脱水性能与污泥沉降性能之间的关系图3 2 菌种培养和驯化过程中p h 变化3 7 f e s 0 4 7 h 2 0 投量对生物淋滤速率的影响3 8 p a c 投量对淋滤污泥脱水性能的影响3 9 p a m 投量对淋滤污泥脱水性能的影响4 0 d ( 基于生物淋滤的城市污泥调理技术 附表索引 表1 1 不同污水处理工艺的污泥产量2 表1 2 城市污水处理厂污泥的基本性质2 表1 3 代表性污泥的含水率4 表1 4 污泥含水量率及其状态4 表1 5 污泥中的有机物含量4 表1 6 我国城市污水处理厂污泥肥分表4 表1 7 污泥中重金属的成分及含量5 表2 1 供试污泥的基本性质2 4 表2 2 淋滤污泥的基本性质2 6 表2 3f e n t o n 氧化和生物淋滤f e n t o n 氧化处理污泥基本性质3l 表3 1 供试污泥的基本性质3 5 表3 2 淋滤处理污泥的基本性质3 8 表3 3p a c 与p a m 联合使用对淋滤污泥脱水性能的影响4 1 x 硕i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 城市污泥的现状、理化性质与处理利用 1 1 1 城市污泥现状 废水处理目前常用的方法有物理法、化学法、物理化学法和生物法。 但无论那种方法都或多或少的产生沉淀物、颗粒物和漂浮物等，统称为 污泥。为防止水污染，现在我国大部分城市都建设了相当数量的集中式 城市生活污水处理厂。但是由于技术、环境、经济和法律等多方面的原 因的限制，先前建设的一批污水处理厂没有找到好的污泥处理处置的方 案，污泥的处理处置已经成为目前世界范围内污水处理过程中一个关键 的问题1 1 2 j 。 随着世界各国城市进程的加快和生活质量的提高，城市工业废水和生 活污水的排放量日益增多，污泥产量迅速增加。同时我国正在以前所未 有的速度发展和扩大城市污水和工业废水的处理，于此产生了大量的污 泥。剩余污泥具有含水率高，体积庞大的特点【3 l ；而且其有机质含量也 非常之高，高达7 0 ，与此同时，含有大量的寄生虫卵、病菌、细菌及 重金属等，容易腐烂产生臭味1 4j ：此外，多种持久性有机物以及内分泌 干扰物均在城市污泥中检测出，这些独有的性质增加了污泥的毒性的同 时也增加了污泥的处理难度【弘7j 。据相关资料统计，目前美国所累积的干 污泥总量已达1 0 0 0 万t ，欧洲各国总计达到6 6 0 万t ，日本为2 4 0 万t 左 右【引，根据世界均值每人年2 5 k g 干固体量估算，目前国际上认为中国大 陆干污泥总产量约为每年3 0 0 0 万t l 引。污泥数量如此巨大，如得不到妥 善处理，其中的有害成分如有机物、重金属、致病微生物等将对环境造 成更为严重的二次污染，成为影响城市环境卫生的一大公害。再来考察 一下各国处理污泥的成本，美国都会区处置每吨干燥后的无害污泥要花 费1 0 0 0 16 0 0 元人民币，日本东京约为3 0 0 0 元人民币，而北欧地区则已 达到4 8 0 0 元人民币【9 1 。一般情况下，城市污水处理厂的污泥处理处置费 用约占整个污水处理厂运行费用的3 5 。6 5 【l o 】。污泥处理费用相当之高， 而且有上升趋势，世界各国迫切需要开发技术来妥善处理污泥。我国污 水处理技术相对国外起步晚、技术落后，因此我国更应该努力开发新进 的污泥处理技术以实现污泥的稳定化、无害化、减量化和资源化发展。 城市污水处理过程中产生污泥的量和性质主要受到进水水质以及处 基于生物淋滤的城市污泥涮理技术 理工艺运行状况的影响。各种不同污水处理工艺过程产生的污泥量见表 1 1 1 1 1 l 。 表1 1 不同污水处理工艺的污泥产量( 干污泥污水，g m 3 ) 1 1 2 污泥的分类与理化性质 1 1 2 1 污泥的分类 城市污水污泥的分类方法较多，但现在世界上以及国内主要的分类方 式如下所示： ( 1 ) 按污泥成分可以分为：以有机物为主要成分的污泥，初沉池和 二沉池的沉淀物均属污泥；以无机物为主要成分的称沉渣。 ( 2 ) 按污泥的来源分为：初次沉淀池污泥，剩余活性污泥，腐殖污 泥，消化污泥以及化学污泥。 ( 3 ) 按处理方法和分离过程分为：沉淀污泥及生物处理污泥。 1 1 2 2 污泥的性质指标 污泥的理化性质主要包括：含水率、挥发性固体和灰分、可消化程度、 湿污泥比重与干污泥比重、污泥肥分、有害物质等。城市污水处理厂污 泥是以有机物为主，理化特性随处理方式的不同而变化，相关数据分别 列于表1 2 1 6 中。 城市污水处理厂的污泥主要来源是初沉池污泥和剩余活性污泥。相关 研究表明我国城市污泥中有机物含量较低，而氮、磷、钾的平均含量较 高；此外，我国城市污泥热值相对较高。城市污水处理厂污泥的基本理 化性质见表1 2 。 2 硕f j 学位论文 表1 2 城市污水处理厂污泥的基本性质 ( 1 ) 含水率 含水率是污泥最重要的物理性质，它决定了污泥体积。一般认为，污 泥中所含水分大致分为空隙水、毛细水、吸附水和内部水。污泥含水率 是指在一个大气压、1 0 5 0 c 左右或在减压情况下于一定温度下干燥至恒重 后污泥的失重。污泥含水率一般都很高，比重接近于1 。几种有代表性的 污泥含水率及其状态见表1 3 、1 4 0 ( 2 ) 有机物含量 有机物含量是污泥最重要的化学性质，同时决定了污泥的热值与可消 化程度，通常是有机物含量越高，污泥热值也高，可消化性也越好。污 泥中有机物通常用挥发性固体( v s s ) 表示，其近似地等于有机物含量； 另两项相关的重要指标是挥发性有机酸( v f a ) 和矿物油。 ( 3 ) 可消化程度 污泥中的有机物，是消化处理的对象。一部分是可被消化降解的；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。用可被消 化程度表示污泥中可被消化降解的有机物数量。 ( 4 ) 湿污泥比重与干污泥比重【1 2 】 湿污泥重量等于污泥所含水分重量与干固体重量之和。湿污泥比重等 于湿污泥重量与同体积的水重量之比值。干污泥比重等于干污泥重量与 同体积的水重量之比值。 确定湿污泥比重和干污泥比重，对于浓缩池的设计、污泥运输以及后 续处理，都有使用价值。 ( 5 ) 污泥肥分 污泥中含有大量植物生长所需的肥分、微量元素及土壤改良剂。污泥 中的有机物含量见表1 5 。由表可知，污泥中有机物含量较多。有机物可 3 以用来改善土壤颗粒的渗透性、通透性和聚集性，提高保水性能和保肥 能力，是良好的土壤改良剂。我国城市污水处理厂各种污泥所含肥分见 表1 6 【4 ，12 1 。 表1 3 代表性污泥的含水率 含水率污泥状态 表1 6 我国城市污水处理厂污泥肥分表 4 坝f j 掌1 进论文 ( 6 ) 污泥脱水性能与可压缩性 可压缩性反映了污泥机械脱水的难易程度，常用指数污泥比阻( s r f ) 或是毛细吸水时间( c s t ) 评价污泥的可压缩性与脱水性能【”l 。布滤是 最常用的污泥脱水方法。衡量污泥脱水性能的研究常着眼于污泥过滤的 难易，即滤速的快慢。 ( 7 ) 有害物质含量 城市污水污泥富集了污水中5 0 8 0 的重金属含量【“】。所以，了解污 泥中重金属的种类和含量对城市污泥进行合理的处理处置的必要前提。 重金属是指金属密度大于5 0 的种元素。我国部分污水处理厂产生的污 泥中重金属含量见表1 7 【15 1 。 表1 7 污泥中重金属的成分及含量( m g k g 干泥) 项目 c uz np bc dc f n i h g a s 曲阳污水厂 3 5 03 7 4 0 9 9 50 8 51 5 86 4 8 1 2 25 6 8 龙华污水厂 1 0 11 3 7 0 0 9 5o 1 91 1 31 7 30 1 91 5 1 北郊污水厂 1 5 82 4 6 71 0 82 5 2 2 1 94 4 69 2 53 3 4 大垣沙污水 1 2 2 53 3 9 41 2 0 2 5 61 5 5 06 9 3 11 9 65 7 1 2 滨河污水厂1 7 1 91 9 4 52 1 02 3 71 95 r 一 2 9 5 一 西安污水厂 6 0 5 82 8 0 33 7 41 3 1 4 2 32 6 62 3 72 3 8 吴淞污水厂 2 2 61 4 97 2 7 0 1 03 7 46 5 21 1 22 3 2 闵山污水厂 1 1 91 0 9 07 6 51 6 75 3 4 3 2 22 1 67 1 0 美国( 均值) 8 0 017 0 05 0 0 1 05 0 08 061 0 按我国1 9 8 4 年颁布的农用污泥污染物控制标准( g b 4 2 8 4 8 4 ) ( 附 录b ) ，对国内城市污泥重金属含量的相关统计分析表明，我国城市污泥 中重金属元素平均含量最高的是锌，超过国家标准5 5 ，接着的是铜、 铬、汞、砷。锌的含量如此之高，这与我国城市大量使用镀锌管道有密 切的关系【1 6 】。 ( 8 ) z e t a 电位与水力特性 z e t a 电位( z e t ap o t e n t i a l ) 表示污泥的表面特性，常用来预测胶质的 稳定性。但是污泥性质不仅相同，稳定性仅仅是影响污泥脱水性能的一 个因素，污泥容易脱水说明污泥拥有较高的z e t a 电位，然而较高z e t a 电 位并不能说明较好的脱水性能。 污泥是塑性流体，其水力特性主要是指流动性与可混合性，受诸多因 素的影响，但主要的还是受粘度的影响。 5 幂f 字物淋滤的城市污泥调理技术 1 1 3 污泥的处理利用的一般技术 污水污泥处理处置是污水处理中的重要组成部分，其处理程度的好坏 是评价污水处理状况的重要标准。我国，污泥处理费用约占污水处理厂 总运行费用的2 0 5 0 ，发达国家污泥处理投资约占总投资的5 0 7 0 ，由 此看出，我国的污泥处理处置处于相对滞后状态。所以污泥处理时污水 处理系统的重要组成部分，必须予以充分重视。 1 1 3 1 污泥的处理 污泥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、资源化原则。污泥处理方法众多，但基本的污泥处理方 案大致有【4 ，1 2 l ： ( 1 ) 生污泥一浓缩一消化一自然干化一最终处置 ( 2 ) 生污泥一浓缩一自然干化一堆肥一最终处置 ( 3 ) 生污泥一浓缩一消化一机械脱水一最终处置 ( 4 ) 生污泥一浓缩一机械脱水一干燥焚烧一最终处置 ( 5 ) 生污泥一湿污泥地一最终处置 ( 6 ) 生污泥一浓缩一消化一最终处置 其中生污泥是指未经消化处理的污泥，第( 1 ) 、( 3 ) 、( 6 ) 方案，以 消化处理为主体，消化过程产生沼气可作为能源利用；第( 2 ) 、( 5 ) 方 案是以堆肥农用为主，该方案采用的条件是当污泥适合作为农用肥料以 及附近有农、林、牧或蔬菜基地时采用；第( 4 ) 方案是以干燥焚烧为主， 一般情况是当污泥不适于进行消化处理或不符合农用条件，或是受到污 水处理厂用地面积的限制等地区时采用。 决定污泥处理工艺时，不仅要考虑环境效益、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比较，根据当地实际情况和国家 的法律法规做出适宜的决定处理污泥。 1 1 3 2 污泥的综合利用技术 污泥的综合利用主要分为农肥利用、建筑材料利用等【1 2 1 。污泥的最终 处置与利用需要综合考虑社会、经济、政治等多项因素，然后再做出合 理的、经济的决定。 ( 1 ) 农肥利用 污泥土地利用是一种积极有效且安全的处置方式。我国是发展中国 家，又是农业大国，污泥农用处置是一种符合国情的首选方法【1 7 】。污泥 作为肥料施用时必须符合三个要求：第一，满足卫生学要求，即不得含 6 硕i j 学位论史 有病菌、寄生虫卵与病毒；第二，污泥所含重金属离子浓度必须符合我 国农林部制定的农用污泥标准( g b4 2 8 4 - 8 4 ) ( 见附录b ) ；最后是总 氮含量不能太高，否则浓度太高会使作物枝叶疯长而倒伏减产。 ( 2 ) 污泥堆肥 污泥经过高温堆肥进行生物发酵后，将有机物转化为较为稳定的腐殖 质，即将污泥与调理剂及膨胀剂在一定条件下进行好氧堆沤。污泥堆肥 是是农业利用的有效途径。堆肥方法有污泥单独堆肥，污泥与城市垃圾 混合堆肥两种。 ( 3 ) 制造建筑材料 过去生产建材都可以用污泥焚烧灰作为原料，近年为了充分利用污泥 污泥，就直接利用污泥作为原料进行生产。目前这方面技术已开发成功， 主要的运用包括一下几个方面：可制备生化纤维板、制备生态水泥、制 各轻质陶粒、制备微晶玻璃以及污泥砖以及地转等建筑材料。 ( 4 ) 污泥燃料化 污泥燃料化技术是一种合适处理所有污泥，能利用污泥中的有效成 分，实现其减量化、无害化、稳定化和资源化的污泥处理技术。污泥经 干化、干燥后，可以用煤裂解的工业方法，将污泥裂解制成可燃气、焦 油、苯酚、丙酮、甲醇等化工原料。 1 2 生物淋滤的主要机理及影响因素 1 2 1 生物淋滤定义和机理 生物淋滤是国际上近年兴起的一项非常有前景的金属浸提技术，即利 用化能自养型的嗜酸性硫杆菌的催化氧化与作用，将还原性硫氧化成硫 酸以降低污泥体系的p h ，同时难溶重金属从固相溶出进入液相，再经过 污泥脱水以达到去除重金属的目的【2 8 _ 2 1 1 。 目前，应用最广泛的生物淋滤细菌是氧化亚铁硫杆菌 ( z 弦厂，d d 石f d 口，l s ) ，其次是氧化硫硫杆菌( r f j l f o d x f d 口厅s ) 1 20 1 。这些硫杆 菌属于严格的好氧化能自养菌，对溶解性的低分子量有机物十分敏感， 但是能耐受高浓度的重金属离子。 不同硫杆菌属的酸化能力存在着很大的差异。根据其产酸能力可以分 为：微嗜酸硫杆菌和嗜酸硫杆菌【2 扪。此外，不同的硫杆菌由于其活动能 力和代谢机制等不同，对污泥中重金属的溶出效果也有很大差别。一般 而言，嗜酸硫杆菌比嗜中性硫杆菌菌或是微嗜酸硫杆菌淋溶重金属效果 好。 7 生物淋滤菌种通过氧化作用将还原性基质氧化成硫化物以获得生长 所需的能量，在此过程中，污泥体系的p h 下降，氧化还原电位o r p 上 升，改变了污泥体系的氧化还原环境和酸碱度。在这种环境下，有利于 重金属从固相中溶出进入液相。这便是生物淋滤的实质。研究者根据硫 杆菌氧化还原性硫的方式，将其分为直接生物淋滤和间接生物淋滤【2 3 ，24 1 。 因为金属硫化物表面具有较强的吸附能力，其可以吸附硫杆菌分泌的物 质，然后再利用细胞内特有的氧化酶_ 系统直接氧化金属硫化物，同时产 生h + ，污泥体系p h 下降，氧化还原电位升高，即直接生物淋滤。在这 种条件下，污泥中的重金属逐渐由有机质结合态转化为游离的离子态， 生成可溶性的硫酸盐。此外，间接生物淋滤主要是通过氧化亚铁硫杆菌 得以实现。其间接淋滤机理主要是通过其代谢产物一硫酸高铁，与金属 硫化物产生氧化还原作用使得金属以硫酸盐形式溶解出来生物淋滤后， 污泥p h 下降到2 0 左右，这又大大促进了污泥中重金属的溶解。 1 2 2 生物淋滤的影响因素 影响生物淋滤过程的影响因素有许多，一般包括污泥浓度和种类、微 生物种类、p h 和氧化还原电位( 0 r p ) 、底物、0 2 浓度和c 0 2 浓度、温 度、抑制因子、处理时间、f e 3 + 浓度等。其中，p h 和氧化还原电位( 0 r p ) 对生物淋滤过程的影响更为明显。 1 2 2 1 污泥浓度和种类 从经济的角度看，采用高浓度污泥进行生物淋滤有利于降低运行成 本。但是由于污泥具有良好的缓冲性能，且浓度越高，对p h 的缓冲性能 越好，因而淋滤过程中污泥体系p h 下降也越困难；同时，高浓度污泥中 含有的抑制因子也相应增加。因此，选择适宜污泥浓度对生物淋滤过程 是非常重要。 t y a g i 等【2 5 l 研究了不同污泥浓度进行生物淋滤过程中p h 的变化情况， 结果表明，污泥浓度 2 0 9 l 时，污泥体系在开始阶段出现了p h 上升的 现象，这主要是因为污泥体系具有较强的缓冲性能。在几天后，由于硫 杆菌的大量繁殖，污泥体系p h 开始逐渐下降。s r e e k r i s h n a n 等1 2 6 】研究了 7 7 0 9 l 污泥浓度对生物淋滤过程的影响，结果表明p h 下降速率随着污 泥浓度的提高而下降。方迪等【2 7 】对制革污泥研究表明，用于生物淋滤的 污泥浓度应在2 6 。 1 2 2 2 微生物种类 不同硫杆菌由于其活动能力和代谢机制等不同，使得生物淋滤的效果 8 硕l ：学位论文 也有差别。现在一般用于生物淋滤法的硫杆菌主要分为两类，即以硫酸 亚铁为底物的氧化亚铁硫杆菌和以还原性硫为底物的氧化硫硫杆菌 【2 8 ，29 1 。这两种硫杆菌对污泥中重金属的溶出效果都较好，且均能有效地 降低污泥体系p h 、提高o r p 、促进f e 2 + 和还原硫快速氧化。 t y a g i 等【3 0 】研究表明，用硫杆菌产生的生物淋滤效果依次为：氧化亚 铁硫杆菌联合氧化硫硫杆菌 氧化亚铁硫杆菌。此外，d o n a t i 等【3 1 】经研究 发现，氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌的混合菌种对重金属的溶出效果 并不比纯种菌要好。 1 2 2 3p h p h 是生物淋滤过程中的最重要参数之一。污泥体系p h 的降低表明生 物淋滤过程的启动，体系p h 降低的越快，说明生物淋滤速率越快。 j a i n 等【3 2 】发现污泥中至少存在两类嗜酸程度不同的硫杆菌即弱嗜酸 性硫杆菌和强嗜酸性硫杆菌。一般情况下，弱嗜酸性的硫杆菌会首先增 殖，将p h 降到一定程度，强嗜酸性的硫杆菌才逐渐增殖，p h 进一步下 降。 s r e e k r i s k n a n 等【2 6 】研究表明不同起始p h 对污泥中重金属的溶出速率 和生物淋滤速率均有影响，但是并不影响最终的重金属去除效率。 1 2 2 4 氧化还原电位 氧化还原电位( o r p ) 也是污泥生物淋滤过程的最关键的影响因素之 一，其反应了污泥系统的氧化能力。氧化还原电位和p h 存在密切的关系， 一般而言，p h 越低，氧化还原电位越高。从化学角度看，溶液和矿物表 明的电位差越大，有利于重金属的浸出。对于间接淋滤机制而言，只有 在高o r p 和低p h 时，重金属的去除效率才可能较高。氧化还原电位直 接影响污泥中的溶解氧浓度和硫杆菌的生长情况，进而影响污泥p h 的下 降速率和重金属的去除效果。 1 2 2 5 底物 污泥中存在的还原性硫和亚铁量甚少，不能满足大量硫杆菌的生长繁 殖。因此，在进行生物淋滤的时候，需要额外投加充足的底物作为硫杆 菌的能源物质进行生长代谢。不同底物对生物淋滤过程中重金属的淋滤 效果也有差异，一般情况下，对污泥中重金属的淋滤效果依次是：硫酸 亚铁 单质硫 硫代硫酸盐【3 们。 此外，外加还原性硫的利用率可评判其作为底物的效率和脱毒污泥的 性能。经生物淋滤后，残余在污泥中的还原性硫在土地利用时会被氧化 9 幂卡乍物讲滤的城i lj 行化调胖设木 成硫酸盐，即所谓的“后酸化作用 【33 1 。一些研究表明，污泥生物淋滤 过程产生的s 0 4 2 的来源是外加的还原性硫，并非污泥自身的还原性硫 【3 引。t y a g i 等【3 5 ，3 6 】研究发现f e s 0 4 7 h 2 0 和s 粉配合使用的淋滤效果比以 其中一种单独作底物的效果好。 1 2 2 60 2 和c 0 2 浓度 生物淋滤过程的硫杆菌属化能自养型好氧菌，因此，在生物淋滤过程 中需要充足的氧气和无机碳源。随着生物淋滤过程的进行，污泥体系的 p h 逐渐下降，此时污泥体系的溶解氧量为下降。因此，必须采取适宜的 措施以增加污泥体系的含氧量以确保硫杆菌正常生长和维持高活性。 c 0 2 是流感菌生长和繁殖的唯一碳源f 23 1 。由于污泥中有机质在淋滤过 程中被降解会产生足够的c 0 2 ，因此污泥生物淋滤时不必补给额外的 c 0 2 。 1 2 2 7 温度 任何微生物都有其最适宜的生长繁殖的温度，硫杆菌也不另外。温度 对硫杆菌的影响的实质是影响其新陈代谢，进而影响其生长繁殖、生物 淋滤过程中的重金属的溶出效果以及酸化速率。许多研究表明，生物淋 滤利用的硫杆菌的最适宜温度在3 5 。c 左右，但是也得根据实际情况考虑 和实验以确定最佳的淋滤温度。 1 2 2 8 抑制因子 对污泥淋滤具有抑制作用的因子主要有重金属离子、水溶性有机物 等。重金属阳离子可使蛋白质变性：重金属阴离子以硫氰酸盐的抑制作 用最强。水溶性有机物，特别是小分子有机酸对硫杆菌有毒害作用。此 外，硫杆菌自身的代谢产物也对其生长有抑制作用。这些抑制因子常常 会起协同作用，但是有时也会有拮抗作用。 1 2 2 9 其它因素 生物淋滤过程的影响因素众多，除以上主要的因素外，还有许多影响 因素。如不同操作方法、污泥回流比、表面活性剂的含量等等。 1 2 3 生物淋滤工艺流程 在实际应用或连续运行的工艺设计中，开始时常采用以下5 个步骤： ( 1 ) 污泥( 含固率2 1 0 ) ； ( 2 ) 添加能量物，如f e s 0 4 7 h 2 0 ( 5 2 0 9 l 污泥) 、元素硫( 5 1 0 9 l 污泥) ： 1 0 硕 ：学位论文 ( 3 ) 污泥回流( 回流比1 0 2 0 ，v v ) ，搅拌并在好氧条件下培养数 天至数周； ( 4 ) 脱毒污泥压滤脱水； ( 5 ) 脱水污泥经石灰中和后施入土地。 在实际工程中，气浮式反应池必须配有曝气装置，以提供好氧条件。 1 3 城市污泥调理技术 污泥的共同特点是组分复杂，变异性大，水分含量高，这无疑增加了 很多处理上的困难，目前，污泥脱水已成为污泥处理及处置流程中一个 非常重要的过程，通过减少污泥体积来节省后续运输、填埋、焚烧等的 处理成本具有重大意义。而在污泥脱水中，污泥调理是很重要的一环。 由于污泥颗粒的特殊絮体结构及高度亲水性，使其包含的水分很难被脱 除，污泥调理可以改变其特性，增进污泥脱水性、杀菌和促