（环境工程专业论文）臭氧高效复合菌污泥减量新技术研究.pdf

眺湫学位论文 y6 5 4 4 0 0 臭氧一高效复合菌污泥减量新技术研究 环境工程专业 研究生：洪荷芳指导老师：李正山 目日i 城市污水处理厂大多采用活性污泥法降解c o d 、b o d ，技术成熟，但是 由于该方法的工艺过程中因微生物增殖而排出大量剩余污泥。这种污泥浓缩性 差，需经分离、稳定、消化、脱水等处理过程，最终用于填埋、焚烧或农业利 用。污泥中的有毒有害物质直接影响人体健康和安全，对环境造成二次污染， 污泥处理费用高，因此完全有必要进行污泥减量方面的研究。 奉论文采用臭氧一高效复合菌系统对污泥减量新技术进行研究。重点研究污 泥浓度和臭氧量对污泥减量效果的影响；污泥回流比和高效复合菌对污泥减量 效果和水质的影响；以及臭氧氧化污泥减量的机理。 研究结果表明，采用臭氧一高效复合菌系统实现污泥减量在理论上是j 下确 的，在实际上是可行的。污泥经过臭氧氧化，菌胶团变得疏松，丝状菌网状结 构被挤压破坏，密度降低，细胞量明显减少，细胞质溶出，细胞内部结构遭到 破坏；污泥浓度和臭氧量均会影响污泥减量效果，并且存在最佳污泥浓度和臭 氧量。当s v = 4 0 ，0 1 = 2 0 l h 时，污泥去除率最高，达到6 7 9 5 ，此时臭氧量为 0 1 5 9 0 ，g m l s s ，污泥浓度随时问的变化关系为： s 一3 2 0 9 6 0 e 一0 1 4 2 8l 其中：s m l s s 浓度，m g l ：e 指数常数；t 时间，h 。 臭氧一高效复合菌污泥减量系统能够连续循环。当污泥回流比r = o 1 时，能有效 地达到污泥去除效果。未投加高效复合菌时出水c o d 。略超出污水处理厂二级出 水水质标准，此时0 ，量为0 2 4 9 0 ；g m l s s ：而投加高效复合菌时出水c o d 。能够 达到国家二级出水水质标准，此时魄量为0 2 3 9 0 ：。g m i 。s s 。n h ：，一n 浓度和浊度达 到国家一级排放标准。 瓮，4 器目黧 7 盖义霹耀 p q r 1 人学硕【学位论文 臭氧一高效复合菌污泥减量新技术对于解决污泥问题具有理论和实际指导 意义，对指导 程设计具有重要的参考价值。 关键词：臭氧高效复合菌污泥减量活性污泥法 婴型盔鲎堡：! 兰焦丝：! j ! ； 一 n e w t e c h n o l o g ys t u d y o f s l u d g e r e d u c t i o nw i t h o z o n e e f f e c t i v ec o m p o s i t eb a c t e r i a e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t eh o n gh e f a n gs u p e r v is o tl iz h e n g s h a n a b s tr a c t a t p r e s e n tm u n i c i p a ls e w a g e t r e a t m e n tp l a n t sr e d u c ec o da n db o d u s i n g a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sm o s t l y b u tm u c he x c e s ss l u d g ei sp r o d u c e di nt h e p r o c e s sb e c a u s e o f m i c r o b e b r e a d i n g t h i sk i n do f s l u d g e c a l lc o n d e n s e d p o o r l ya n d i su s e df o r c o v e t i n g , b u m i n g a n d a 酣c u l t u r e a f t e rp a r t i n g ，s t a b i l i z a t i o n ，d i g e s t i o na n d d e h y d r a t i o n t h et o x i c a n t ，i n j u r a n tw i l ld o h a r mt oh e a l t ha n ds a f e t y , c a np o l l u t et h e e n v i r o n m e n to n c em o r e ，a n di ti se x p e n s i v et ot r e a t i ti sn e c e s s a r yt os t u d y an e w p r o c e s so f s l u d g e r e d u c t i o n t h e s i ss t u d i e dt h en e wt e c h n o l o g yo fs l u d g er e d u c t i o n 埘t i lo z o n e - e f f e c t i v e c o m p o s i t eb a c t e r i a , f r o me f f e c to f s l u d g e c o n c e n t r a t i o na n do z o n ed o s a g eo ns l u d g e r e d u c t i o n ，s l u d g ec i r c u m f l u e n c e r a t ea n de f f e c t i v ec o m p o s i t eb a c t e r i ao ns l u d g e r e d u c t i o na n dw a t e rq u a l i t ya n dt h et h e o r yo fs l u d g er e d u c t i o nw i t ho z o n a t i o n s t u d i e ss h o w n t h a t ，i tw a sc o r r e c tt h e o r e t i c a l l ya n df e a s i b l ep r a c t i c a l l y a f t e r o z o n a t i o n ，z o o g l e ab e c a m el o o s e ，f i l o s e aw a sb r o k e n ，t h ea m o u n t o fc e l lw a s d e c r e a s e d e v i d e n t l y , c y t o p l a s m w a sd i s s o l u t e da n dt h ei n n e rf i a m e w o r kw a s d e s t r o y e d s l u d g e c o n c e n t r a t i o na n do z o n ed o s a g ea l s oa f f e c t e dt h es l u d g er e d u c t i o n a n dt h e r ew a sb e s tv a l u e w h e ns v = 4 0 ，0 2 = 2 0 l h r a t eo f s l u d g er e d u c t i o nw a s h i g h o r e a c h i n g6 7 9 5 a n d0 3 = 0 1 5 9 0 3 g m l s s t h e r e l a t i o no f s l u d g ec o n c e n t r a t i o n a n d t i m ew a s s = 3 2 0 9 6 0 e - 0 1 4 2 8 t ， i nw h i c h ，s _ s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，m 【g l ，e - 一i n d e xc o n s t a n t ，t t i m e ，h v t l 川大学颁上学位论文 t h e s y s t e mo f o z o n e e f f e c t i v ec o m p o s i t eb a c t e r i ac o u l dc i r c u l a t ew e l l w h e ns l u d g e c i r c u m f l u e n c er a t ew a s o 1 s l u d g ew a s r e d u c e d e f f e c t i v e l y c o d e ，w e n tb e y o n d 2 “o s t a n d a r do f s e w a g et r e a t m e n tp l a n ta l i t t l ei nw a t e r q u a l i t yw i t h o u te 能c t i v e c o m p o s i t eb a c t e r i a ，w h i l e0 3 = 0 2 4 9 0 d g m l s s a n dc o d e ，c o u l d r e a c h2 0 4s t a n d a r d o f s e w a g e t r e a t m e n t p l a n t i nw a t e r q u a l i t y w i t he f f e c t i v ec o m p o s i t eb a c t e r i a , w h i l e 0 3 - o 2 3 9 0 3 g m l s s n h 3 一n a n dc o n c e n t r a t i o n o f p a r t i c l e sr e a c h e d1 ”s t a n d a r do f s e w a g e t r e a t m e n tp l a n t t h e r ei ss i g n i f i c a n c et os t u d yn e w t e c h n o l o g yo fo z o n e e f f e c t i v ec o m p o s i t e b a c t e r i at or e d u c es l u d g ei nt h e o r ya n d p r a c t i c e i tc a r ls u p p l yr e f e r e n c ea n dg u i d ef o r e n g i n e e r i n gd e s i g n k e y w o r d so z o n ee f f e c t i v ec o m p o s i t eb a c t e r i a s l u d g er e d u c t i o n a c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s 婴业查兰婴圭堂垡望苎 1 前言 目前城市污水处理厂大多采用活性污泥法降解废水c o d 、b o d ，并同时进行 脱氮、除磷处理。但由于活性污泥法工艺过程中因微生物增殖而排出的剩余污 泥量过多，与化学污泥相比，这种剩余污泥的浓缩性较差，需经分离、稳定、 消化、脱水等处理过程，最终用于填埋、焚烧或农业利用。但是污泥中的重金 属以及有毒有害物质直接影响人体健康和环境安全。而且污泥填埋容易造成地 下水等二次污染问题“。此外，在污泥处理过程中，往往使用了脱水剂等化学 药品来增加脱水效果，污泥处理费用高，对环境和经济发展造成很大压力。据 统计“，目前我国城市污水年排放量为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 万吨左右。用现阶段常规污泥处理系统( 不包括最终处置) 建造大中型污水处理厂的污泥处理工程所花费的资金，约占二级处理厂全部费 用的4 0 ，这对于我国目前的经济发展是一笔巨大的负担。 总之，我国目前污泥处理以填埋为主，新技术发展缓慢。污泥的处理和处 置成为环境领域的一大难题。因此寻找一种经济、实用，实现污泥的减量化、 资源化、无害化的处理技术势在必行。特别是污泥的减量化技术尤为重要。 1 1 污泥处理技术现状 目前常用污泥处置方法见表1 1 嘲。 表1 1 常用污泥处理和处置方法 处理方法 土地填埋 焚烧 制作建材 海洋处置 农田利用 运行成本低 应用情况 但需有大面积可供填埋的土地，易造成地f 水污染 可靠有效，但基建投资和运行费用较高 制作砖、瓦、水泥原料、路面和路基材料等 用丁二沿海城市，易对海洋环境造成污染 用作农肥，但需控制重金属、有毒有害物质和难降解的具有生物积 累性的化台物对农作物的危害 无论进行污泥利用还是填埋处置，污泥处理的最终目的与其他废弃物的处 理一样，都是以减量化、无害化、资源化为原则。 婴型查兰堡兰焦堡兰 1 1 1 卫生填埋 污泥的卫生填埋开始于2 0 世纪6 0 年代。3 ，目前已经发展成为一项比较主 要的污泥处置技术。该技术是在传统污泥填埋基础上经过科学选址和必要的场 地防护处理，具有严格管理制度的工程操作方法。污泥填埋基本类同于城市垃 圾填埋，基本方式是污泥经过简单的灭菌处理，直接倾倒于低地或谷地。污泥 填埋对前期的污泥处理技术要求较低，一般进行消化减容即可。污泥卫生填埋 的优点是投资少、容量大、见效快，但需占用大量面积的场地，运输费用高， 地基需做防渗处理以免造成地下水污染，而且污泥中带有大量病菌易造成环境 二次污染。污泥填埋不能最终避免环境污染，只是延缓了污染时间，所以近年 来污泥填埋处置所占比例越来越小。 i 1 2 焚烧 焚烧是较彻底的污泥处理方法，该方法主要可分为两类：一类是将脱水污 泥直接用焚烧炉焚烧，另一类是将脱水污泥先干化再焚烧。污泥焚烧要求污泥 具有较高的热值，因此污泥一般不需进行消化处理。污泥焚烧所需的热量，主 要靠污泥中含有的有机物燃烧产生的热能。当污泥不符合卫生要求，有毒物质 含量高，不能作为农副业利用时，或污泥自身的燃烧热值较高，可以自燃并可 利用燃烧热量发电时，可采用焚烧来处理污泥。焚烧的优点是可以迅速和较大 程度地使污泥减容，能满足越来越严格的环境要求和处理不适宜于资源化利用 的部分污泥。但是污泥焚烧所需的基建投资和运行费用较高，并且焚烧会产生 大量的烟尘，产生严重的大气污染。而烟气处理更在技术上和经济上提出挑战。 1 1 3 农田利用 污泥的农田利用很早就得到应用。污泥中含有丰富的各种微量元素c a 、m g 、 z n 、c u 、f e 等，能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物生长。但是污泥 中也含有大量病原菌、寄生虫( 卵) 、以及铬、汞等重金属和多氯联苯、放射性 核素等难降解的有毒有害物质，若不经过无毒无害化处理，容易导致土壤t 葶水 体的二次污染，存在一定风险，造成环境危害。 2 四川大学硕十学位论文 1 2 污泥减量技术研究进展 污泥减量技术，就是在相同量的污水处理过程中，保证污水处理效果的前 提下，降低污泥产生量的各种技术。 1 2 1 超声污泥消化 德国科学家对超声污泥消化进行了中试研究。4 “。超声波通过交替压缩和 扩张作用产生空穴作用，促进微气泡形成、生长和破裂，压碎细胞壁，释放出 细胞内所含的成分和细胞质，细胞溶解加快，从而达到污泥脱水和减量。但是 该技术停留时间较长，对设备要求高，投资较大，而且带来噪音污染。超声波 的作用受到液体许多参数的影响，如：温度、黏度和表面张力等。此外，超声 波与各种液体的接触时间，探针的几何形状和材质也是超声波应用的限制因素。 1 2 2 湿式氧化法 湿式氧化法( w o 法) 是一种物理一化学法，在3 0 0 。c ，3 0 m i n 和一定压力下 用来处理剩余污泥，总c o d 可以去除8 0 ，m l s s 可以去除7 0 以上，该技术适用 于大、中型污水处理厂。1 。部分可溶性有机物被氧化成c 0 ：和h 。o ，剩余有机物 在临界条件下很难被氧化，最终产物以乙酸的形式存在。w o 法处理城市污水厂 活性污泥十分有效，但由于该方法需在高温高压下运行，设备复杂，运行和维 护费用高。 1 2 3 厌氧消化和热干燥法 厌氧消化利用厌氧微生物的分解作用，使污泥中的有机物分解并趋于稳定。 消化过程中可以回收能源，但消化后的污泥含水率较高，需进一步脱水。污泥 热干燥法是利用热和压力破坏污泥的胶凝结构，并对污泥进行消毒杀毒。这种 方法减少了污泥的体积，干燥后的剩余污泥能够成为农用肥料。污泥热干燥法 的最大缺点是初期投资费用和每日所需能量的费用过高。将两种方法结合起来， 在干燥之前对部分污泥进行厌氧消化，并将热空气用过热蒸汽代替来干燥污泥， 可以实现能源互补，投资和用于干燥能量耗费上的费用将大大减少，但是整个 系统设备复杂，初期投资大。 叫川大学硕士学位论文 1 2 4 蚯蚓生态滤池 蚯蚓生态滤池利用在滤床中建立的人工生态系统，对城市污水中的污染物 通过蚯蚓和其他微生物的协同作用进行处理。蚯蚓能破坏污泥的含脂块状结构， 生成一种适于作植物生长营养物的蚯蚓肥料。波兰的一些工厂利用蚯蚓处理污 泥，得到一种无气味、象腐殖质的含有高营养值的蚯蚓肥料。1 。该技术效率高、 能耗少，不产生二次污染，但是占地面积大，受气候、地形和土壤的限制。 1 2 5 污泥制油 世界上第一座商业规模的澳大利亚p e r t h 污泥制油厂采用专利技术 e n e r s l u r g e 工艺。1 。在必需的大气压、缺氧、4 5 0 的条件下，通过热化学方 法，污泥中硅酸铝和重金属发生催化气相转化反应，污泥转变成油、炭、气和 水。该工艺已成功地用于处理市政污泥、造纸、鞣革、羊毛洗涤污泥等。该技 术具有一定的商业价值，但是由于需要在高温高压的条件下进行，对操作人员 和设备要求高。 1 2 6 涡流熔炉处理污泥 有资料表明。，日本e b a r a 公司开发了涡流熔炉系统处理市政污泥，通过干 燥、熔化( 主要部件：涡流式熔炉) 和烟道气处理等过程，污泥中无机组分在 1 3 0 0 1 4 0 0 。c 下熔化，释放的热能和熔渣得到利用。该技术既处理了污泥，又实 现了资源回收再利用，但是设备投资大，不易操作运行。 1 2 7 c a m b i 工艺 由p u r a c 开发的c a m b i 工艺( 同时实现污泥减量和生物气产生) 通过水解 过程( 包括均匀混合、预热、水解和闪蒸) 使污泥中的有机成分得到溶解，用 于生物降解，即厌氧消化，促进了生物气产量的产生，脱水污泥的总固体含量 达3 0 4 0 ，可直接进行焚烧。挪威奥斯陆以北的h a m a r 建立了c a m b i 工艺污水 处理厂。1 ，通过水解、厌氧消化、化学回收和烘干等过程，污泥产生量减少9 3 。 但该技术设备复杂，运行投资高，经济上带来较大负担。 4 四川大学硕士学位论文 1 2 8 生物膜法 由于膜生物反应器( 船r ) 的高截留率并将浓缩液回流到生物反应器中，使反 应器中具有很高的微生物浓度和相对较低的污泥负荷，并有很长的污泥停留时 间，使有机物大部分被降解。杨造燕利用膜生物反应器。1 ，将污泥全部截留在反 应器内，使得反应器内污泥浓度很高，污泥负荷低，且污泥泥龄很长。出水水 质很好，污泥自身氧化，减少剩余污泥产量，甚至达到无剩余污泥排放。膜生 物反应器污泥处理技术可行且效果好，可以大大节省日常运行费用，目前生物 膜法的最大问题是膜的堵塞和膜材料价格“。 1 2 9 投加酶 酶投加在污水处理厂的进水管中，改变污水中微生物种群的生长环境，产 生二氧化碳，有助于改善一沉池的出水性能。同时由于光合生物和好氧生物的 生长也改变了系统的生态，使好氧混合系统在高污泥泥龄、高混合液浓度和较 低的溶解氧下工作，取消了污泥消化设备。在美国已有许多生物处理系统应用 投机酶的方法来控制嗅味、过程的效率和污泥减量”1 。 1 2 1 0 污泥减容化技术 污泥减容化技术用污泥作为内能源，将其消灭在废水处理系统中，从而减 少污泥的体积。该装置用于厌氧消化初期的酸化阶段，污泥停留时间短，反应 池容积小，使用常规的完全混合式活性污泥处理系统就可以完成。目前该技术 在国内外都得到广泛的研究，并成功的应用于化工、纺织等领域污水处理的剩 余污泥处置之中。污泥减容化技术只是对污泥进行浓缩，减少了污泥的容积， 但不能从根本上减少污泥产生量。 综上所述，污泥处置问题已经成为环境问题的一大热点。为避免污水处理 厂剩余污泥对环境造成的二次污染，各国政府和研究机构对污泥的最终处置问 题非常重视，并根据各国情况制定出了污泥处置的法规和具体方案。据调查资 料统计。川，国外污水处理厂污泥主要采用农田利用、填埋、焚烧、投海等方式 处黄或利用。一些国家的污泥处置及利用情况见表1 2 。 婴型查兰堕圭兰堡笙塞 表1 2 一些国家的污泥处置及利用情况 国家填埋( )焚烧( )农田利用( )其他( ) 德国 美国 日本 英国 法国 5 5 3 5 3 5 1 6 5 3 1 5 1 5 5 5 5 2 0 2 5 4 9 9 5 l 2 7 5 1 l 2 8 o 从表l - 2 可阻看出，目前发达国家的污泥处置中填埋、农田利用及焚烧占 很大比例。由于污泥处置的基建费用及运行费用较高，很多污水处理厂把污泥 处置放在二期工程。有些污水处理厂即使有污泥处置设施，也很少运转使用， 导致污泥处置仍以传统的填埋方法为主。污泥的农田利用率很低，适宜填埋的 土地也越来越少，运往更远的地方填埋需消耗更高的运输费用。 与此同时，各国也在竞相研究新型污染轻、能耗低、快捷高效的新型污泥 处置方式。我国的污泥处爱系统受经济条件制约，还刚刚起步，发展较为缓慢， 与国外先进国家相比尚有很大差距，填埋仍然是最主要的污泥处置方式，而且 多数采用混合填埋，因此迫切需要寻求新的、有效的污泥处理处嚣方法。 1 3 臭氧在环保方面的应用 人类发现臭氧己经有1 0 0 多年的历史，臭氧技术是一种既吉老又崭新的高 级氧化技术。臭氧先后被用于空气净化、污水消毒、微污染物氧化和颗粒强化 去除等方面。2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，随着高效臭氧发生器高频高压 电晕法的实际应用，臭氧技术的应用和产业规模得到迅速发展。臭氧在环保方 面的应用主要有： ( 1 ) 在饮用水处理中的应用 水源中的有机污染物主要来自于动植物残骸的腐败分解、工矿企业排放的 废水以及人类生产生活排放的污水。污染物的种类包括腐殖酸、木质磺酸、合 成洗涤剂等有机负荷，它们分别以悬浮、胶体和溶解性离子三种形式存在于水 中。采用传统的混凝、过滤处理只能去除大部分悬浮、胶状物质，加氯氧化则 容易产生二次污染。臭氧的氧化能力很强，反应快，能就地生产、就地使用， 6 婴型查兰堡主兰竺丝苎 一 原料易得，使用方便，不产生二次污染。臭氧广泛应用于水处理中，同时能有 效去除铁、锰等金属离子，去除色度，控制臭味，去除合成有机化合物，去除 颗粒和藻类。1 8 9 3 年世界上第一家臭氧饮用水处理装置在荷兰出现“3 。目前 世界上已有1 0 0 0 多座水厂采用臭氧处理“1 。该技术在欧洲的一些自来水厂基 本上得到普及，从2 0 世纪7 0 年代开始，我国上海、北京等也相继开展了相关 研究和应用工作“2 。“1 。 ( 2 ) 在污水处理中的应用 在城市污水处理方面，主要是利用臭氧消毒来降低生化需氧量浓度和化学 需氧量浓度，氨的氧化以及色、营养物质和悬浮固体的去除“”。在工业废水处 理方面，臭氧已被开始用于电镀废水中氰化物的氧化，纺织工业废水中染料的 脱色处理和炼油废水中酚类化合物的去除。臭氧在碱性条件下的湿式催化氧化 过程是一种有效处理含氨氮废水的技术，既可以作为含有机物又含无机污染物 废水的预处理，也可以在废水深度处理后进一步降解废水中的污染物，废水中 的氨氮最终氧化产物为n o ；o 臭氧还可以氧化分解生产芳香族氟化物排放废水中 的苯胺、硝基苯等有机污染物。美国、日本、德国等发达国家已经进行了相当 数量的研究和采用“2 “1 。我国清华大学、鞍山静电技术研究设计院等单位进行了 臭氧处理印染废水和城市生活污水方面的研究，取得了一定的成果“3 1 “1 。 ( 3 ) 其他应用 臭氧除用于饮用水、污水处理外，还作为氧化剂、催化剂和精制剂应用于 化工、石油、造纸、纺织和制药、香料工业：作为除臭剂在食品加工杀菌净化、 易腐食品贮藏防腐保鲜、医疗卫生、家庭消毒净化与化工等方面得到广泛应用。 日本、德国、法国等均有相关研究和应用“2 。“1 。目前臭氧发生器体积越来越小， 能耗越来越低，电能转化率逐渐增高，产率越来越高，臭氧发生器控制和监l 钡4 的自动化程度逐渐增高，应用范围逐渐增广，同时产业发展也进一步加快。 1 4 臭氧氧化污泥减量技术 1 4 1 臭氧氧化污泥减量意义 污泥减量化技术是在2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥进行处置的新概念， 是在对剩余污泥资源化基础上进一步提出的要求。污泥减量化与减容化有着本 质区别。减容化是通过降低污泥的含水率来缩小污泥的体积，而污泥中生物周 四川大学顾，j ：学位论文 体量几乎不变。减量化则主要依靠降低微生物产率以及利用微生物自身内源呼 吸进行氧化分解，通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理系统向外排放 的生物固体量达到最少，从根本上、实质上减少污泥排放量“”。 臭氧氧化污泥减量技术将生物与化学处理技术相结合，既能发挥传统活性 污泥法的特长，又结合臭氧的强氧化性特点，能有效的降解污泥，经济、实用， 便于操作管理，有远期效益。污泥减量化的研究适应了污水处理系统实现良性 运行、防止污水处理出现二次污染，使污水治理更具有环境效益的需要。臭氧 氧化与其他污泥减量技术的比较见表1 3 ”，。 表1 3 臭氧氧化污泥减量与其他污泥减量技术的比较 污泥产率污泥减量 方法 ，、 优点缺点 ( k g v s s k g b o d )( ) 常规活性污泥法0 。6 - 0 8 技术较成熟并褥剩余污泥产量多 到广泛应用 生物膜法0 ，4 5 中、高温好氧生物氧0 0 5 0 1 3 化 蚯蚓生物滤池 原生动物、后生动物 微生物生艮解偶联 投加酶 臭氧氧化 z 5 5 0 没有副产物， 直接简单 9 5 1 0 0 不投入额外能量 6 0 8 0 运行成本低， 没有副产物 需建立投加装置 4 0 - 1 0 0 污泥减量的同时 可促进难降解有 机物降解 污泥可完全减量 能量需要大 微型动物的数量 和种类控制较难 解偶联剂的环境 安全性问题 酶的成本高 设各投资大 1 4 2 国内外研究和发展现状 日本早在1 9 9 0 年前后就开始了臭氧氧化污泥减量技术的研究m ，并且已成 功开发了活性污泥工艺和臭氧氧化进行污泥减量的联台工艺。y a s u i 和 四j i i 大学硕上学位论望 s h i b a t a 通过污泥与臭氧接触，来促使细胞溶解，达到了污泥减量的效果。据报 导。6 ”1 ，日本的s h i m a 污水处理厂应用臭氧氧化技术处理污泥，运行9 个月没有 剩余污泥产生。经臭氧处理，i 3 污泥可在曝气池内被微生物无机化，剩余2 3 又被再生成活性污泥微生物。某制药厂的工业废水处理采用该工艺“，约有4 年未排泥，减少运行成本2 5 。国外有关资料表明“2 “，该工艺也用于造纸领域 的污水处理，臭氧消耗量与处理污泥的比为0 ，0 1 5 9 0 ，g v s s 。 我国在臭氧氧化污泥减量技术方面的研究还刚刚起步，哈尔滨工业大学的 王琳和王宝贞丌展过相关研究，并进行报导2 1 。他们主要从污泥组分、污泥分 解方式和污泥产量等方面进行研究，并进行小试试验。结果表明，利用臭氧氧 化技术进行污泥减量是可行的。在臭氧氧化过程中，污泥中的蛋白质含量减少 接近9 0 ，s v i 值较平稳，污泥沉淀性能良好。而污泥浓度和臭氧量对污泥减量 效果的影响以及臭氧氧化过程机理未见报导，因此完全有必要进行进一步深入 研究。 1 4 3 本论文研究工作及意义 本论文采用臭氧高效复合菌系统对污泥减量技术进行了理论分析和试验 研究，并着重考虑了污泥浓度、臭氧量以及污泥回流比和高效复合菌对污泥减量 和c o d c r 去除的影响。试验研究表明，采用臭氧氧化法实现污泥减量在理论上是 正确的，在技术上是可行的。污泥浓度和臭氧量均对污泥减量效果产生影响， 并且，存在最佳污泥浓度和臭氧量。在连续试验中，在合适的污泥回流比下， 投加高效复合菌能达到较好的污泥减量效果，出水水质c o d 。，达标。 臭氧一高效复合菌污泥减量技术为探索新型污泥减量技术具有理论和实际 指导意义，对指导工程设计具有重要的参考价值。 9 些坐查堂堕主堂竺堡兰一一 2 理论分析 2 1 臭氧的物理化学性质 臭氧( 0 0 是氧的同素异形体，分子量是4 7 9 9 8 又称富氧。常温常压下， 低浓度的臭氧是无色气体，当臭氧浓度达到1 5 时，臭氧是呈淡紫色的具有鱼 腥味的气体，密度2 1 4 4 k g m 3 ，约为氧气的1 6 倍。臭氧具有极强的氧化能力， 其主要物理性质表现在以下几个方面： l 溶解度 臭氧在水中的溶解度比纯氧高1 0 倍，比空气高2 5 倍。温度、气压以及水 中污染物质的性质和含量是影响水中臭氧溶解度的主要因素。当温度为o 。c ，大 气压力为7 6 0 m m h g 时，臭氧在水中的溶解度为0 6 8 9 l 。常压下，2 0 时臭氧在 水中的浓度与在气相中的平衡浓度之比为0 2 8 5 9 l 。臭氧气体穿过气、水间界 面向水中传递是个动态平衡过程，其传递能力主要与气液两相中的传递系数、 气水接触面积以及气液问的浓度差有关。 2 分解 通常条件下，臭氧不稳定，在常压下容易自行分解为氧气并放出热量。臭 氧在空气中的分解速度与臭氧浓度和温度有关。温度和浓度越高，臭氧分解速 度越快。臭氧在水溶液中的分解速度比在气相中的分解速度快得多，而且强烈 受氢氧根的影响。p h 值越大，臭氧分解速度越快。在2 0 * ( 2 下的纯水中，臭氧分 解半衰期为2 0 r a i n ，同时臭氧分解产生的氧气增加了水中的溶解氧浓度，是一种 高效的无二次污染的氧化剂。 3 氧化性 臭氧是一种强氧化剂，具有很高的氧化还原电位，仅仅低于氟。臭氧氧化 还原电位和其他氧化性物质的氧化还原电位比较如表2 1 所示“。臭氧氧化还 原电位与p h 值有关。研究结果表明“”2 ”，当p h 值为5 6 - 9 8 ，水温o - 3 96 c 时， 臭氧的氧化效力不受影响。臭氧的杀菌力强，反应速度快，在工业废水处理中， 能氧化多种有机物，臭氧化产物为醛和酸。臭氧之所以表现出强氧化性，是由 于分子中的氧原子具有强烈的亲电子或亲质子性，臭氧分解产生的新生态氧原 子具有很高的氧化活性。臭氧氧化法具有以下优点： ( 1 ) 臭氧可以在生产现场制造，不需要储运环节，操作方便安全； ( 2 ) 臭氧氧化作用强，反应速度快，对微生物、细菌、病毒都有良好的 l o 四川大学硕士学位论文 灭活和致死作用，同时可氧化降解其他难处理污染物质； ( 3 ) 水中剩余臭氧能很快自然分解为氧气，增加水体的溶解氧； ( 4 ) 臭氧氧化比较彻底，不用调节水中p h ，水中不增加有毒有害物质 不存在二次污染。 表2 1 氧化还原电位比较 4 毒性和腐蚀性 高浓度臭氧是有毒气体，对眼睛和呼吸器官具有强烈的刺激作用。具氧具 有腐蚀性，与之接触的容器、管路等都应采用耐腐蚀材料或作防腐处理，因此 对设备要求相对较高。 2 2 臭氧氧化反应机理 在水溶液中，臭氧同化合物的反应有两种方式：臭氧分子直接进攻和臭氧 分解形成的自由基反应2 ”。臭氧在水溶液中的两种反应机理如图2 i 。 吁的0 3 _ j k 卜m 4 m o x i d直接臭氧化反应 i o h - j r 或赋 ，瓣麻 基团反应 图2 1 臭氧在水溶液中的反应机理 ( 与如和0 h 发生反应的物质，产物分别为m o x i d 和r t s i ：o h 的食腐者，副产物为中) 婴业奎堂堡主兰竺望苎 臭氧的直接反应和臭氧分解产生的基团反应比较，直接反应具有选择性， 反应速度慢；间接反应没有选择性，o h 电位高( p = 2 8 v ) ，反应能力强，反应 速度快，可以引发很多链反应，使有机物彻底分解。反应过程可用下式表达“”： 直接反应：污染物+ o 。呻产物或中间物 间接反应：污染物+ h o - - 产物或中间物 臭氧与有机物的反应大致可以分成三类： a )打开有机物的不饱和键，发生加成反应，形成臭氧中间产物，并进 一步分解形成醛、酮等羰基类化合物和h 2 0 ：； b )与芳香族化合物发生亲电反应，形成醌，或打开芳环，形成带有羰 基的脂肪族化合物； c )与不饱和芳香族或脂肪族化合物或某些特殊基团发生亲核反应。 臭氧的高氧化能力在环境工程方面的应用都涉及处于气相的臭氧同液相中 的一种或多种成分的反应。臭氧同液相中的任何物质反应之前，都必须穿过两 相问的界面。这种从一相到另一相的传递是通过扩散和对流质量迁移进行的， 其步骤包括：臭氧通过气相向气液相问界面的扩散；跨过界面向液相边界迁移； 随后向主体溶液内传递。溶解的臭氧量由于分解或与液相扩散出来的组分反应 而被消耗摔。a s t a r i t a 将化学传质过程分为三种主要方式踟：气相迁移控制的， 液相迁移控制的或化学反应速率控制的。由于臭氧仅略溶于水溶液，臭氧从气 相迁移到界面的阻力可以忽略不计。因此这一过程主要受溶解臭氧的分子扩散 以及在界面和液相边界之间附近的化学反应控制。在反应区内，层流特性占优 势，而涡流扩散也重要。一旦臭氧到达相界，就通过涡流扩散被带入紊流液体 内。臭氧在液相中被水吸收是个包括扩散和所吸收臭氧分解不可逆化学反应的 传质过程，水溶液中的组分可以从液相主体扩散到界面处，同那里溶解了的臭 氧反应，反应产物可以往回扩散到液相主体，若是挥发性的，也可穿透进入气 相。此外，臭氧化学反应也可以在臭氧已扩散跨过相界面后在主液流中发生。 由气液反应理论1 ，在臭氧溶解于处理水发生2 缓不可逆反应时，臭氧在水中 的溶解过程可以用图2 2 表示。 四川大学硕士学位论文 叫i i 曦 j i 图22 1 伴有慢速化学反应的溶解过程 ( k t 。2 k ，” 气相 气液 液相 主体界面主体 兰人 i l i i i i 图2 2 2 伴有快速化学反应的溶解过程 ( k l 。4 k i ，3 ) 图2 2 臭氧在水中的溶解 ( 图中，g ：气相臭氧浓度：c ：气液界面臭氧浓度：c ：液相臭氧浓度：k 、k ”、k mk 。，分剐曼 氧溶解于水的过程中臭氧消耗过程的相关动力学常数) 当水溶液为纯水( 不含有与臭氧发生反应的物质) 时，臭氧在水中的溶解 是完全的物理吸收，如图2 2 i 中的( 1 ) 物理吸收过程；如果水溶液中含有能 慢速消耗臭氧的物质，臭氧溶解过程如图2 ，2 。1 中的过程2 、3 所示；如果水中 含有能快速消耗臭氧的物质，臭氧溶解过程为如图2 2 2 的过程4 、5 所示。 2 3 臭氧氧化污泥减量原理 近年来有关研究表明”，与好氧一沉淀一厌氧工艺( o s a ) 类似，臭氧氧化处 理法就是在传统活性污泥法工艺中增加一套臭氧处理装置，把部分或全部回流 污泥引入臭氧处理器中，利用臭氧的强氧化性，溶解、氧化污泥中有机成分， 再返回至曝气池进行循环作用，达到废水、污泥双重处理的功效。这种将通常 的活性污泥法与臭氧处理联合使用的新技术即o z o n a t i o n - a c t i v a t e ds l u d g e 和 a s p - o z o n a t i o n 系统也被称为“生物先导法“。臭氧氧化污泥减量系统流程如 图2 3 ( a ) ( b ) 所示o “”+ “”。3 9 3 。该工艺并不是把污泥全部用臭氧氧化成可生 物降解的成分，而是使曝气槽内具有一定比例的污泥，进行臭氧连续循环处理， 即曝气槽是将污水与污泥同时处理。在生物先导法的排水处理设施中，处理污 泥的脱水机和焚烧炉成为不必要的设施。因此曝气槽的负荷只是增加了经臭氧 氧化处理后的污泥部分。臭氧氧化污泥减量处理效果与污泥循环率即污泥回流 塑型墨堂堡土兰些丝苎 一 比有关。若臭氧处理污泥循环率过低，会产生剩余污泥，反之，若循环率过高， 曝气槽内的污泥减少，活性污泥的处理可能无法进行。臭氧氧化的效果和臭氧 量以及臭氧和污泥接触反应的时间( 污泥循环速度) 有关。 污水一困斗叵蓝卜圆叶出水 tl 回流污泥 图2 3 ( a ) 传统活性污泥法 污水一囡叫固_ 团一燃 图2 ，3 ( b ) 臭氧氧化污泥减置技术系统 图2 3 传统活性污泥法与臭氧氧化污泥臧置技术流程比较 用臭氧对污泥进行处理，细胞被杀死，细胞壁被破坏，细胞质溶出，便于 生物分解，提高了污泥( 细菌) 的可生物分解性”3 。经试验表明“”“，臭氧与 细胞进行反应时并非使细菌无机化，主要是使菌体外的多糖类及细胞壁成分等 难于或不可生物降解的有机物转化为易生物降解的分子。与臭氧化同时发生的 曝气作用增加了水中的溶解氧浓度，增加的可生物降解有机物同溶解氧在臭氧 处理后的水中相遇，从而增加生物活性，去除更多的有机物和进行氨的硝化。 2 4 臭氧一高效复合菌污泥减量 臭氧是一种十分活泼的氧化剂，它可与污泥中的化合物发生直接或间接反 应，这两种反应是同时进行的。在传统的活性污泥法中，联合臭氧一高效复合菌 系统，在适宜的臭氧量下可实现污泥减量。在活性污泥法污水处理的曝气过程 中投加高效复合菌，有利于污泥的降解和污水c o d c r 的去除。部分或全部活性 污泥在臭氧反应器中被臭氧氧化，污泥中微生物细胞得到溶解，大部分微生物 在臭氧反应器中被杀灭或被氧化为有机质，提高了污泥的可生化降解性，这些 1 4 婴业查兰婴主兰堡堡苎 由臭氧氧化而来的有机质在随后的生物处理中被降解，污泥产量降低a 2 5 污泥浓度和臭氧量对污泥减量效果的影响 在臭氧氧化污泥减量过程中，污泥浓度会对污泥减量效果带来影响。污泥 浓度越低，臭氧与污泥的接触面积越大，有机物能够得到更好的分解。反之， 污泥浓度越高，臭氧与污泥的接触面积越小，对有机物的分解作用也越小。细 胞自然死亡和分解造成的污泥减少速率与有活力的细胞数量成正比，即 r ：。= k 。x ，。式中r 。为因细胞死亡和分解引起的污泥减少速率，g ( l h ) ；k 。消耗 系数，d ；x 。活性污泥浓度，g l 。由上式可知，提高反应器中污泥浓度，即活 性细胞浓度x ，相应增高，或创造不利条件促进细菌死亡和分解( 即消耗系数i ( d 升高) ，都有利于污泥产量的减少n “。 臭氧量也会对污泥减量效果带来影响。利用臭氧对污泥进行氧化时，可以 选择不同的臭氧量，从而实现经济有效的污泥减量效果。随着臭氧量的增加， 污泥减量效果增加。有报导显示，存在臭氧量临界值。“。本论文研究了污泥浓 度和臭氧量对污泥减量效果的影响以及臭氧氧化污泥减量的机理。 删川大学硕士学位论文 3 研究方法 3 1 原料 3 1 1 生活污水和剩余污泥 生活污水和剩余污泥取自于成都市某污水处理厂初沉池出水和回流污泥。 3 1 2 臭氧 臭氧采用杭州荣欣电子设备有限公司生产的c h y f - 3 a 型模块组合式臭氧发 生器产生，氧气源为含量9 4 - 9 8 的工业用氧。 3 1 3 高效复合菌 高效复合菌为北京、上海、西安、沈阳、成都、深圳等十余个城市污水处 理厂的污泥和污水中分离、筛选、培养而得的由1 1 个属3 3 株菌组成的高效复 合菌，含有细菌、放线菌、霉菌和酵母菌等。 3 2 试验仪器、装置及分析方法 3 2 1 试验仪器 试验仪器及说明见表3 1 。 1 6 些型叁竺竺兰堡丝兰 一一 墨! ：! 堕墅堡量墨望堕 3 2 2 试验装置 试验装置如图3 1 所示。 1 7 列川大学硕，i 。学位论文 3 ( l ) 曝气池 ( 5 ) 沉淀池 ( 2 ) 二沉池 ( 3 ) 沉淀池 ( 6 ) c h y f 一3 a 型臭氧发生器 ( 4 ) 玻璃反应器 ( 7 ) 上业氧气瓶 图3 1 臭氧一高效复合菌污泥减量系统 玻璃反应器长3 3 c m ，宽3 3 c m ，高6 0 c m 。并采用4 ) 2 5 曝气砂头作为臭氧扩 散装置。在连续反应过程中，曝气池、二沉池、沉淀池以及玻璃反应器体积均 为2 l 。采用9 4 9 8 的工业氧气作为臭氧产生气源，氧气出口压力为 0 0 5 0 1 m p a 。 3 2 3 分析方法 试验分析方法见表3 。2 。 壅! ：! 鎏矍坌堑查鎏一 c o i ) t 。 s vm l s s p i fn i l ：, 一n 浊度 ( m g l )( ) ( m g l ) 快速密闭 催化消解法 d o ( m g l ) 沉淀法过滤法 比色法 纳氏试剂分分光光溶解氧仪 篓燮些婆一 j 8 婴型奎兰堡主兰垡堡苎 3 。3 研究方法 为保证活性污泥的物理和生化性质，试验中按c ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：l 的比例向 活性污泥中加入适量葡萄糖、( n 地) ：s 0 4 和k 2 h p o 。，并且每同换水一次，每次换水 量为反应器容积的1 3 ，同时用4 0 n a o h 溶液调节p h 6 5 - 8 0 ，保持溶解氧 3 - 5 m g l 。 试验研究过程分四部分组成： ( 1 ) 臭氧氧化污泥减量 该试验主要研究臭氧氧化污泥减量技术的可行性。通过改变臭氧氧化反应 器中的污泥浓度和臭氧量，研究污泥浓度、臭氧量对污泥减量效果的影响以及 水质的变化情况。 ( 2 ) 高效复合菌及生长条件研究 本试验研究高效复合菌及其生长条件，以及在活性污泥法中高效复合菌降 解c o d 。，