（市政工程专业论文）蚯蚓生态滤池污泥减量化与稳定化效果的研究.pdf

摘要 摘要 本论文在查阅大量国内外相关文献的基础上，通过试验工况对蚯蚓生态滤 池的污泥减量化和稳定化效果进行研究，并对影响污泥处理效果的主要影响因 素进行了较为系统的分析，为该技术的工程设计和处理运行提供工艺设计参数 和运行管理经验。此外，通过污泥比阻实验和c s t 实验考察了蚯蚓滤池处理前 后污泥脱水性能的改善情况。最后从污泥有机组成角度分析蚯蚓滤池处理前后 污泥性质的变化，并通过与常规污泥处理工艺的比较归纳出蚯蚓生态滤池在污 泥处理方面的技术经济特色。 本论文的主要研究结论归纳如下： 1 蚯蚓生态滤池对污泥的处理具有一定的减量化效果。试验工况中，蚯蚓 滤池日进水s s 浓度在2 0 - - - 4 0 m g l 之间，污泥减量率约为4 0 - - 5 0 。此外， 蚯蚓滤池对污泥进行减量化处理的同时，能够改善污泥沉降性能和出水水质， 并且不需增加额外的供氧费用。 2 蚯蚓生态滤池对污泥的处理还具有一定的稳定化效果。试验工况中，蚯 蚓滤池进泥v s s s s 在6 0 - - - 7 0 之间，处理后污泥的v s s s s 在4 0 - - - 5 0 之 间，v s s 减量率约为5 0 - - 6 5 。 3 蚯蚓滤池的污泥处理效果与滤料性质、滤池温度、蚯蚓有机负荷、滤池 水力负荷等因素有关。通常情况下陶粒滤料中污泥的处理效果优于石英砂滤料， 但在高强度降雨等恶劣天气条件下，石英砂滤料抗冲击能力优于陶粒滤料。试 验工况研究发现，当滤床温度为2 5 c 左右，蚯蚓有机负荷为3 5g v s s k g 蚯蚓d 左右，水力负荷为4 8m 3 m e d 时，蚯蚓滤池的污泥处理能够取得较好的效果。 4 蚯蚓滤池处理后污泥的含水率为9 6 - - - 9 7 ，与浓缩后的污泥相当，可 取消污泥浓缩处理单元，从而简化常规的污泥处理工艺流程。并且处理后污泥 的脱水性能也明显改善，不需进行调理，就可通过简单的方式进行脱水处理。 5 蚯蚓滤池在促进污泥中有机物降解的过程中，具有促进氮、磷循环的作 用，使污泥中的总氮总磷向速效氮速效磷转化。处理后污泥性质稳定，不再散 发恶臭气味，具有较高的土地利用价值。 6 本工艺与常规污泥处理工艺相比，具有“三低二少一高 技术特色，即 工程造价低，运行费用低，管理要求低，占地面积少，二次污染少，资源化程 摘要 度高。适合我国中小城镇现有的经济和社会条件，符合可持续发展需要，技术 经济竞争优势、社会及环境效益显著，具有良好的实际应用前景。 关键词：污泥稳定化污泥减量化污泥脱水污泥养分组成 u a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hw a sc a r r i e do u to nt h eg r o u n do fm a n yf o r e i g na n dd o m e s t i c l i t e r a t u r e s ：o nt h eb a s i so ff i v er u n n i n gc o n d i t i o n s ，t h es l u d g er e d u c t i o na n d s t a b i l i z a t i o no ft h ee a r t h w o r me c o f i l t e rw e r es t u d i e da n ds y s t e m a t i ca n a l y s i sw a s m a d eo nt h ed o m i n a n ti n f l u e n t i a lf a c t o r sw h i c hc o u l dp l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h e s l u d g et r e a t m e n t 1 1 1 er e s e a r c hf i n d i n g sc o u l ds u p p l yd e s i g np a r a m e t e r sa n d e x p e r i e n c eo fr u n n i n ga n dm a n a g e m e n tf o rt h ep r o j e c td e s i g n ，t r e a t m e n ta n dr u n n i n g o ft h ee a r t h w o r me c o f i l t e rt e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，t h ep r o p e r t yo ft h es l u d g e d e w a t e r i n gw a ss t u d i e db ys t u d y i n gt h es p e c i f i cr e s i s t a n c ea n dc s to f t h es l u d g e b e f o r ea n da f t e rt h et r e a t m e n to fe a r t h - w o r me e o - f i l t e r i nt h ee n d ，t h ep r o p e r t y c h a n g eo ft h es l u d g eb e f o r ea n da f t e rt h et r e a t m e n to fe a r t h w o r me e o - f i l t e rw a s a n a l y z e di nl i g h to ft h eo r g a n i cc o m p o n e n to ft h es l u d g e t h et e c h n o l o g i c a la n d e c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es l u d g et r e a t m e n tb ye a r t h - w o r me e o - f i l t e rw e r e c o n c l u d e da r e rc o m p a r i n gw i t hr e g u l a rs l u d g et r e a t m e n tm e t h o d s n em a i nr e s e a r c hf i n d i n g so ft h er e s e a r c hc o u l db ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： le a r t h - w o r me c o - f i l t e rp l a y e dar o l ei nt h et r e a t m e n to f s l u d g er e d u c t i o nt oa c e r t a i nd e g r e e i nt h er u n n i n gc o n d i t i o n s ，t h ed a i l yi n f l u e n ts sc o n c e n t r a t i o n so ft h e e a r t h - w o r me e o - f i l t e rw e r er a n g i n gf r o m2 0 - 4 0 m g la n dt h er e d u c t i o nr a t ew a s r a n g i n gf r o m4 0 t o5 0 m o r e o v e r , t h ep r o p e r t yo fs l u d g es e t t l i n ga n de f f l u e n t q u a l i t yc o u l db eb e t t e r e dw i t h o u te x t r ae x p e n d i t u r ef o ro x y g e ns u p p l yb e s i d e st h e r e d u c t i o n t r e a t m e n to ft h es l u d g ea f t e re a r t h - w o r me c o - f i l t e r 2e a r t h w o r me c o f i l t e rc o u l ds t a b i l i z et h es l u d g et os o m ed e g r e e i nt h e r u n n i n gc o n d i t i o n s ，t h ev s s s so ft h es l u d g eb e f o r et h et r e a t m e n to fe a r t h - w o r m e c o f i l t e rw a s6 0 7 0 a n da f t e rt h a tw a s4 0 5 0 a n dt h er e d u c t i o nr a t ew a s 5 0 6 5 31 1 1 et r e a t m e n te f f i c i e n c yo fe a r t h w o r me c o - f i l t e rw a sr e l a t e dw i t ht h e p r o p e r t yo ff i l t e rm a t e r i a l ，f i l t e rt e m p e r a t u r e ，o r g a n i cl o a d i n gr a t ea n dh y d r a u l i c l o a d i n go ft h ef i l t e re t c g e n e r a l l y ，t h et r e a t m e n te f f i c i e n c yo fc e r a m i ca g g r e g a t ew a s l s u p e r i o rt ot h a to fq u a r t zs a n d ；h o w e v e r , i nt h es i t u a t i o no fh i g hr a t eo fr a i n f a l l ，t h e r e s i s t a n c et os h o c ko fq u a r t zs a n dw a sb e t t e rt h a nc e r a m i ca g g r e g a t e i tw a sf o u n d t h a tg o o dr e s u l to ft h es l u d g et r e a t m e n tb ye a r t h - w o r me c o - f i l t e rc o u l db e a t t a i n e d ，w h e nt h e 姆m p e r a t u r ew a sa r o u n d2 5 1 2 ，t h eo r g a n i cl o a d i n gr a t ew a s 3 5 9 v s s k ge a r t h w o r m da n dt h eh y d r a u l i cl o a d i n gw a s4 8 m m 2 d 4c o m p a r e dw i t ht h ec o n d e n s e ds l u d g e ，t h es l u d g ec o n d e n s a t i o nr e a c t o rc o u l d b er e m o v e ds o 舔t os i m p l i f yt h er e g u l a rt e c h n o l o g i c a lf l o w ，b e c a u s ea f t e rt h e t r e a t m e n to f e a r t h - w o r me c o f i l t e r ，t h ew a t e rc o n t e n to ft h es l u d g ew a s9 6 9 7 i n a d d i t i o n , t h ed e h y d r a t i o np r o p e r t yc o u l db eb e t t e r e da f t e rt r e a t m e n ta n dd e h y d r a t i o n c o u l db ec a r r i e do ni nas i m p l ew a yw i t h o u tc o n d i t i o n i n g 5t h ee a r t h - w o r me c o - f i l t e rc o u l dp r o m o t en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc y c l e m a k i n gt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mt n ，t pt or e a d i l ya v a i l a b l en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s d u r i n gt h ec o u r s eo fb o o s t i n gt h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e r a f t e rt h et r e a t m e n t , t h es l u d g eb e c a m es t a b l ea n da v o i d i n ge m i t t i n gs t i n k i n gs m e l lw i t hh i 曲v a l u eo f a g r i c u l t u r eu s e 6c o m p a r e dw i t hr e g u l a rt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，t h ee a r t h w o r me c o f i l t e rw a s d i s t i n c tf o ri t sc h a r a c t e r i s t i c so f t h r e el o w ，t w ol e s s ，o n eh i 【曲” v i zl o w c o n s t r u c t i o np r i c e ，l o wr u n n i n ge x p e n d i t u r e ，l o wm a n a g e m e n tr e q u i r e m e n t ，l e s sl a n d u s e ，l e s ss e c o n d a r yp o l l u t i o na n dh i 【g hr e s o u r c eu s e i tw a sa d a p t a b l ef o r t h ee c o n o m i c a n ds o c i a lc o n d i t i o n so ft h es m a l lt o w n si nc h i n aa n ds u i t a b l ef o rt h er e q u i r e m e n to f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dc o m p e t e n ti nt h et e c h n o l o g i c a la n de c o n o m i ca s p e c t s w i t hr e m a r k a b l es o c i a la n de n v i r o n m e n t a lp r o f i t sa n db r i g h tp r o s p e c to fp r a c t i c a lu s e k e y w o r d s ：s l u d g es t a b i l i z a t i o n ；s l u d g er e d u c t i o n ；s l u d g ed e w a t e r i n g ；t h en u t r i e n t c o m p o n e n to fs l u d g e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：班勺幻勿 4 叼年多月7 g1 3 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在多年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 私怨 渺1 年弓月f 矿日 学位论文作者签名：姚矗习汐 口声哆月，g 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：班t 钩勿 印年乡月厂g 日 第l 章引言 1 1 课题研究背景 第1 章引言 1 1 1 污泥的定义、分类及性质 污泥又名污水污泥，是污水处理过程中形成的副产物，是一种由有机残片、 细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。美国环保署对污泥 的早期定义是指污水处理过程中产生的固体、半固体或液体残留物【1 1 。1 9 9 5 年， 世界水环境组织( w w o ) 为了准确反映绝大多数污水污泥具有重新利用价值，将 “污水污泥一( s e w a g es l u d g e ) 更名为“生物固体 ( b i o s o l i d s ) ，其确切含义为： “一种能够有效利用的富含有机质的城市污染产物。其突出的特点是强调“生 物固体”的资源化利用，这在一定程度上标志着人们对污水污泥处理与处置观 念的转变和成熟。但这种定义在其准确性和安全性上还存有一些争议。为了进 一步提高污泥利用的科学性和安全性，美国国家研究委员会( u s n l 犯) 将“生物 固体”的定义重新修订为：经过处理过的、符合5 0 3 号文件中土地利用标准或其 他类似标准的污泥1 2 j 。从对污泥定义不断修正的过程中，可以看出人们对污泥的 认识正在不断的深化与完善。 污泥的种类较多，分类比较复杂，一般可以按以下方式分类： ( 1 ) 按来源可分为生活污水污泥和工业废水污泥。 ( 2 ) 按污泥产生过程可分为沉淀污泥( 包括使用化学药剂沉淀下来的污泥) 和生物处理污泥( 包括剩余污泥，生物膜污泥) 。 ( 3 ) 按污泥成分和性质可分为有机污泥和无机污泥、亲水污泥和疏水污泥。 ( 4 ) 按污泥不同处理阶段可分为生污泥、浓缩污泥、消化污泥和脱水污泥。 污水处理过程中产生的污泥是一种含水率高( 液态污泥含水9 7 ，脱水污泥 含水8 0 左右) ，呈黑色或黑褐色的流体状或泥饼状物质，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。污泥中的有机物主要有油 脂、蛋白质和碳水化合物等；无机物则有各种金属化合物及无机酸盐。生污泥 约含6 5 的有机物和3 5 的无机物；消化污泥则含5 5 的有机物和4 5 的无机物【3 l 。 第l 章引言 污泥的理化指标主要包括：含水率、总氮、总磷、有机质含量、p h 值、c n 比、重金属含量、有机污染物含量、病原体类别及数量、挥发性固体( v s s ) 、生 物可降解组分( b d m ) 等，具体如表1 1 所示f 4 。5 1 。 表1 1 污泥的主要理化指标 项目指标具体内容备注 一般性质含水率、p h 值 营养成分总氮、总磷、有机质含量 沙门氏杆菌、蛔虫卵、大肠埃希菌、 病原体奇异变形杆菌、肺炎克雷伯菌、产酸 参照g b 4 7 8 9 - 9 4 中的 微生物学检验标准 性质指标 克雷伯菌、产碱普罗威登斯菌等 参照g b 5 0 8 5 - 1 9 9 6 浸 重金属c u 、z n 、c d 、c r 、p b 、n i 、a s 等 提、a a s i c p 等测试 多环芳烃( p a d - l s ) 、多氯联苯( p c b s ) 、 有机污染物邻笨二甲酸酯( p e s ) 、氯苯( c b s ) 、胺g c m s 、h p l c 等测试 类、酚类、有机酸等 挥发性固体( v s s ) 、c n 比、生物可 考查指标 降解组分( b d m ) 以及矿物油含量 1 1 2 传统污泥处理技术 污泥来源于各种污水，不可避免的含有各种有毒有害的物质，如重金属、 有机污染物等，并且污泥性质极不稳定，容易腐化并伴有恶臭产生。大量未经 处理的污泥任意堆放和排放都会对环境造成严重的污染。如果将未经处理的污 泥利用到农业上，污泥中的重金属会污染土壤和作物。此外污泥中还含有大量 致病菌、寄生虫卵，如处理不当，会造成疾病的传播，严重危害人类健康。 因此污泥必须在进行最终处置之前进行处理，主要有以下三个方面：( 1 ) 通过污泥的减量化，减少污泥体积和数量，以降低污泥处理和最终处理的费用； ( 2 ) 通过污泥的稳定化，将易腐败的部分有机物分解转化，大大降低恶臭并方 便运输和最终处置；( 3 ) 通过污泥的无害化，有效杀灭病原体，控制污泥中重 金属含量，去除部分有毒有害有机物，提高污泥的卫生指标。 为了达到以上目的，污泥处理过程中经常单独或综合使用的方法有：污泥 浓缩、污泥稳定、污泥干化与脱水。典型的污泥处理系统的基本单元操作及其 方法见表1 2 i o j 。 2 第l 章引言 表1 2 污泥的处理目的与单元操作方法 处理目的单元操作 浓缩 重力式、气浮式、离心式、反渗透式、蒸发式 消化厌氧、好氧 脱水重力式、真空式、毡式、离心式、加压式 干化自然式，回转炉式，多段炉式，气流式，流动床式 污泥浓缩是使污泥的含水率、污泥体积得到一定程度的降低从而降低污泥 的后续处理设施的基本费用和运行费用。污泥浓缩主要是去除污泥中游离的水 ( 也称间隙水) 。经浓缩后的污泥近似糊状，仍保持流动性。 常规污泥消化包括厌氧消化和好氧消化。厌氧消化是在无氧条件下，依靠 各种兼性及专性厌氧细菌降解有机污染物，分解的主要产物为甲烷、二氧化碳 和水。污泥厌氧消化能达到较高的稳定程度，由于消化过程中不需供氧，相对 好氧消化而言耗能少，同时又能产生沼气能源，是一种能效较高的处理技术。 厌氧消化还具有一定的存贮污泥的功能同时致病菌灭活率较高；但是污泥厌氧 消化过程的进展速率缓慢，要求较长的污泥泥龄。加之污泥处理系统包含沼气 存储利用、沼气搅拌、污泥热交换等一系列子系统，致使处理工艺复杂，投资 较高，占地面积大，运行管理要求较高，适用于大中型污水厂。好氧消化是使 大部分污泥处于内源呼吸状态，通过兼性及好氧细菌作用使有机物矿化的过程。 与厌氧消化相比，消化温度相同时，好氧消化所需时间较短，有机物去除率高。 好氧消化具有丰富实践经验，投资较低，操作简单；但需要提供足够的氧气， 动力费用较高，不能回收能源，而且不能有效杀灭污泥中的病原菌体，最终脱 水后的污泥从卫生角度尚不能用于农业利用，一般适用于中小型污水处理厂。 污泥的干化与脱水包括自然干化、机械脱水和热处理干化。自然干化是一 种比较古老、简便、经济的污泥脱水方法，主要依靠渗透、蒸发和撇除三种方 式脱除水分。有污泥干化床和污泥塘两种类型。它们都是利用自然力量而将污 泥干化，适用于气候比较干燥，占地不紧张以及环境卫生条件允许的地区。机 械脱水般有板框压滤机、带式压滤机和转筒离心机。板框压滤机一般为间歇 操作、基建设备投资较大、过滤能力较低，但由于其滤饼的含固率高、滤液清 澈、固体物质回收率高、调理药品消耗量少等优点，得到一定程度的应用。带 式压滤机工艺的开发主要是合成有机聚合物发展的结果，具有能连续生产、机 器制造容易、操作管理简单、附属设备较少等特点，在国内外的污泥脱水中得 到了广泛应用。但由于我国的合成有机聚合物价格昂贵，致使带式压滤机的运 3 第1 章引言 行费用较高。污泥的离心脱水技术是利用离心力使污泥中的固体和液体分离。 离心机械产生的离心力场可以达到一般用于沉淀的重力场的1 0 0 0 倍以上，远远 超过了重力沉淀池中由于重力所产生的重力加速度。这样就可以在很短的时间 内，使污泥中很细小的颗粒与水分离。此外，与其它脱水技术相比，离心脱水 技术具有处理量大、基建费用少、占地少、工作环境佳、操作简单、自动化程 度高等优点，特别重要的是可以不投加或少投加化学调理剂。缺点是动力费用 较高。它和带式压滤机均是目前使用较多的污泥脱水设备。热处理干化是通过 加热污泥，蒸发污泥中的水分，使之完全干化的过程。系统通过热气直接或间 接对脱水污泥进行加热，使污泥含水率降至1 0 左右，同时有效杀灭污泥中的 致病菌。由于处理过程中只是将污泥中的水分蒸发出来，污泥中有机物含量高， 营养成分充足，可应用于园林绿化或农业。热处理干化工艺占地面积小，污泥 减容效果非常明显，对环境影响小；但工艺投资较高，与其他几种污泥处理工 艺相比，仅次于污泥焚烧。 1 1 3 我国污泥处理存在的问题及发展方向 我国污泥的产量快速增长，但与此同时，污水处理厂污泥的处理普遍存在 以下问题l7 引： 1 对污泥处理不够重视，同时污泥处理难度增加。长期以来，国内外对污 水处理技术给予了更多的关注，处理工艺日益成熟。但由于经济、设计、管理 等诸多方面的原因忽视了污泥处理的重要性，同时污泥的成分日益复杂，污泥 中存在大量人工合成难生物降解的有机物、重金属、病原微生物等，使污泥处 理难度增加。 2 随污水处理排放标准的提高，污泥处理产生新的问题。为防止水体富营 养化的发生，污水处理不仅要进行有机物的去除，而且要进行n ，p 等无机营养 物的去除，同时为满足污水回用需进步去除污水中的污染物质。随着这些处 理功能的拓展，污泥量随之增加，而且生物除磷脱氮工艺要考虑污泥处理处置 中氮、磷的返回负荷，如德国脱氮除磷工艺运行情况表明，污泥处理返回的氮 量可达进水含氮量的2 0 ，返回的磷量可达进水含磷量的6 0 9 6 ，具体返回负荷大 小与污泥处理工艺有关，这对污泥处理提出了新的要求。 3 污泥处理基建投资大，运行费用高，处理效率低。在我国污水处理厂中， 4 第l 章引言 传统的污泥处理工艺处理费用昂贵，约占污水处理厂总运行费用的2 0 - - 5 0 ， 投资约占污水处理厂总投资的3 0 - - ，4 0 。我国的污泥处理技术严重滞后，现有 的污水处理设施中，污泥处理工艺和配套设施极不完善，有污泥稳定处理设施 的不到2 5 ，处理工艺和配套设备完善的不到1 0 。目前我国污泥的处理大多 采用厌氧消化，其前期一次性投资大，而且还有工艺负荷低、安全性要求高、 运行管理难度大、运行经验缺乏等问题。使得部分运行管理水平较低的污水处 理厂索性将消化池闲置，造成很大浪费。 4 大量小型污水处理厂的污泥问题亟待解决。随城市化建设步伐的加快， 大量新建住宅小区、经济技术开发区远离市区，污水近期难以排入市政管道集 中处理，因此不得不分散、就近建设大量小型污水处理厂。此外，随着我国城 镇化建设的快速发展，小城镇污水集中处理设施的建设呈现高速增长的态势。 如果这些小型污水处理厂的污泥不能得到妥善处理，势必对当地环境造成影响。 污泥的处理处置越来越困难，已成为污水处理厂设计、运行中必须优先考 虑的主要环节。对污水处理厂来说，只有污水污泥两部分都能合理妥善的处理， 才能达到污染控制和清洁生产的目的。若将“清洁生产刀的理念运用到污水处 理，把污水处理看成生产过程，这种生产的原料是污水，产品是达标合格的出 水，而在生产过程中产生的废物( 污染物) 就是污泥。清洁生产中一个很重要的 思想就是源头控制，即在生产过程中尽可能的少产生污染物质，进而降低这些 污染物质的处理费用和对环境的危害。对于污水处理厂来说，就是在污水处理 过程中，尽可能减少污泥的产量，提高污泥的稳定化和无害化程度，以降低污 泥的后续处理处置费用并为污泥资源化利用提供条件。 1 1 4 蚯蚓生态滤池工艺的研究进展 蚯蚓生态滤池( e a r t h w o r me c o t y p i cf i l t e r ) 是上世纪末在法国和智利发展起 来的一项新型污水生态处理技术。这项技术是根据蚯蚓具有提高土壤通气透水 性能和促进有机物的分解转化等生态功能而设计的。蚯蚓生态滤池集物理过滤、 吸附、好氧分解和污泥处理等功能于一身，利用蚯蚓分解和利用污水和污泥中 的有机物和营养物质、并具有促进含氮物质的硝化与反硝化作用【9 - 1 0 1 。滤床内少 量增殖的蚯蚓可作为农牧业饲料，而产生的蚯蚓粪中含有较丰富的有机物和氮、 磷、钾等营养成分，可作为微生物的食料或作为高效农肥和土壤改良剂使用】。 5 第1 章引言 由于蚯蚓生态滤池具有污水和污泥同步处理的功能，可取消常规的污泥浓缩、 污泥消化等处理单元，使污水厂工艺流程大幅度简化。因此具有鲜明的“生态 平衡和“环境友好的技术特色【1 2 1 。 世界上第一座用于污水处理的蚯蚓生物滤池于1 9 9 5 年由法国农业科学院土 壤动物生态学家m a r c e lb o u c h e 建立。蚯蚓生态滤池技术开始应用时，污水经过 简单预处理后直接进入蚯蚓生态滤池。法国南部的c o m b a i l l a u x 污水处理站采用 蚯蚓生态滤池处理生活污水，处理水量为1 2 o m 3 d ，蚯蚓滤池水力负荷0 9 5 1 6 m 3 m 2 d 。1 9 9 8 年，同济大学中法先进科技合作项目“利用蚯蚓生态系统处 理污水技术研究”在曲阳水质净化厂进行了蚯蚓生态滤池处理城镇污水试验， 工艺流程见图1 1 。 叫粗、细格栅卜- 叫沉砂池卜_ 叫蚯蚓生态滤池卜_ = ； 图1 1 蚯蚓生态滤池直接处理城镇污水工艺流程 同济大学于1 9 9 7 年引进这项技术，先后在上海曲阳水质净化厂和上海竹园 污水处理厂进行了实际运行研究，并在引进技术及国内试验的基础上，开发了 具有自主知识产权的厌氧水解一高负荷生物滤池一蚯蚓生态滤池组合处理工 艺。该工艺充分利用系统中各处理单元先后对污水中各类污染物质进行针对性 较强的高效处理，既能够使处理系统出水水质保持较好的水平，又能够对污泥 进行稳定化、减量化处理。具有处理流程简单，运行管理方便，不易堵塞和抗 冲击负荷，污泥产量少，基建投资省和运行能耗低等优点，尤其适和我国中小 城镇污水处理厂的运行管理要求。该组合工艺流程见图1 2 。 啦旧蔻h 桑解螽h 蹴h 生戮p 图1 2 厌氧水解一高负荷生物滤池一蚯蚓生态滤池组合处理工艺流程 1 2 研究思路、内容及意义 1 2 1 研究思路 6 第1 章引言 利用蚯蚓对污泥进行处理的出发点是保持污水处理这一人工生态系统的平 衡，使能量流动和物质循环保持稳定。在处理中建立相对稳定的生态平衡系统， 有利于物质和能量的正常转化。从生态学角度看，当系统中食物链越长，能量 损失越多，可用于合成生物体的能量就越少，最终形成的总的生物量就越少。 从蚯蚓的生理学角度看，蚯蚓体内具有丰富的酶系统，使得被吞食的物质经过 2 3 小时体内酶的作用就形成了高度融合的有机无机复合肥蚓粪，并且能将丰 富有益微生物和酶类附着在蚓粪上，同时也能将部分无机态n 、p 、k 及矿物微 量元素转化为易被植物吸收利用的有效营养元素；此外，随食物进入体内的病 原真菌及大部分细菌被杀死，只有真菌的孢子和部分细菌仍保持活力，这些存 活在肠道内的多样微生物又促进了蚯蚓对有机物的同化吸收作用。因此，在废 水生物处理系统中引入蚯蚓并强化其对细菌的捕食作用，延长了食物链，防止 物质在整个食物链中的某一部分过度累积，并充分利用了蚯蚓与微生物菌群的 共生增效作用，实现污泥的减量化、稳定化处理。在此理论指导下，研究设计 的厌氧水解一高负荷生物滤池一蚯蚓生态滤池组合处理工艺，在对污水污染物 质进行高效低耗处理的同时，对污泥处理也取得了很好的减量化、稳定化效果。 本课题拟结合污泥减量化稳定化方面的相关知识，借鉴已有的蚯蚓生态滤池工 艺的研究成果，对该组合工艺中蚯蚓生态滤池对污泥的处理效果进行研究，为 其以后的实际工程应用提供依据。 1 2 2 研究内容 本课题在已有中试研究成果的基础上，研究示范工程条件下蚯蚓生态滤池 对污泥的处理效果，主要包括以下几个方面： 1 蚯蚓生态滤池污泥减量化效果的研究； 2 蚯蚓生态滤池污泥稳定化效果的研究； 3 蚯蚓生态滤池污泥处理效果影响因素的研究( 包括滤池温度、水力负荷、 蚯蚓有机负荷、滤池填料选择的影响) ； 4 低温条件下，蚯蚓生态滤池运行稳定性及污泥处理效果的研究 5 蚯蚓生态滤池处理前后污泥脱水性能的研究； 6 蚯蚓生态滤池处理前后污泥养分组成的研究； 7 蚯蚓生态滤池技术经济效益以及应用前景的分析。 7 第l 章引言 1 2 3 研究目的及意义 随着我国中小城镇建设的迅速发展，城镇污水处理的发展趋势是数量越来 越多，分布越来越广，规模更趋小型化。厌氧水解一高负荷生物滤池一蚯蚓生 态滤池组合处理工艺作为一种新兴的污水和污泥同步处理技术，具有工程造价 低，运行费用低，管理要求低，占地面积少，二次污染少，资源化程度高等技 术经济优势，尤其适和我国中小城镇污水处理厂的运行管理要求，有着极为广 阔的应用前景。本课题针对该组合工艺中蚯蚓生态滤池污泥处理效果进行研究， 分析各因素对污泥处理效果的影响，为该技术的工程设计和处理运行提供工艺 设计参数和运行管理经验，探索一种适合我国中小城镇污水污泥处理的新技术。 本课题将为我国中小城镇污水厂的污泥处理处置提供示范作用，具有十分明显 的学术价值和实际应用前景。该课题研究的理论意义及应用价值可归纳如下： 1 传统城市污水处理厂污泥处理费用昂贵，运行管理复杂，处理效率低。 本课题针对中小城镇污水处理厂的特点，研究开发一种经济有效的污水污泥同 步处理技术，在对污水进行有效处理的同时，实现对污泥的减量化稳定化处理。 2 污泥是放错位置的资源，蚯蚓生态滤池对污泥进行处理后，污泥的稳定 化无害化程度大大提高并含有较为丰富的营养成分，实现了从污染物向有价值 资源物的跨越转变，改变人们对待污泥的传统观念。 3 蚯蚓生态滤池将清洁生产的理念应用到污水处理过程中，延长了生物滤 池处理系统的食物链，将为我国中小型污水厂的污水和污泥处理提供科学借鉴。 1 3 示范工程的设计及试验条件 1 3 1 设计规模及依据 本课题在上海友联竹园污水处理厂设计、建造和运行一套处理水量为 5 0 m 3 d 的中试示范工程。其设计依据为： 1 上海市城市水环境质量改善技术与综合示范项目厌氧水解高负荷生 物滤池和蚯蚓生态滤池组合工艺研究专题研究合同； 2 8 一1 0 ) 远远大于实际活性污泥法处理污水( f m = 0 0 5 - - - 0 1 ) 。而且， 在高s d x o 条件下所产生的微生物不完全代谢产物还将使出水有机物浓度增加， 不能满足城市污水厂出水的要求。 3 改变污泥所处环境( o s a ) 通过交替改变污泥所处的厌氧、好氧环境，可以对微生物的生长造成影响， 1 3 第2 章蚯蚓生态滤池污泥减量化效果的研究 从而降低污泥的产率系数。o s a ( o x i c s e t t l i n ga n a e r o b i c ) 工艺的基本原理是在常 规活性污泥工艺的污泥回流中形成一个厌氧段，使细菌在好氧环境所获a t p 不 能立即用于细胞合成，而是在厌氧段作为维持细胞基本生命活动的能量被消耗。 研究表明o s a 工艺的污泥减量效果比较明显：污泥龄为5 天时，污泥表观产 率系数由0 2 8 - - - 0 4 7 减少到0 1 3 - - - 0 2 9 ，减少5 0 左右。污泥在经过厌氧段后 的a t p 量是未经厌氧时a t p 产量的6 0 - - 一7 0 左右。同时，由于o s a 的流程与 除磷的流程相似，有利于除磷菌的生长，对磷的去除优于传统活性污泥法1 2 5 之7 】。 o s a 工艺主要应用在进水有机物浓度较高的条件下。如果进水的有机物浓 度较低，则o s a 工艺的污泥产率系数和常规活性污泥法相差不大。同时，由于 o s a 法的水力停留时间较长( 是常规活性污泥法的两倍) ，使得在较低有机物浓 度下的处理和常规活性污泥法相比没有优势。 4 其他解偶联技术 其他使微生物处于解偶联生长状态的技术有升高温度、提高盐浓度和提高 供氧量等。 提高温度也能够影响微生物的新陈代谢，从而获得较低的污泥产率系数。在 温度升高后，微生物首先提高的是分解有机物的能力，而在合成代谢方面却没有 随之提高到相应水平，分解有机物增多而获得的能量并没有完全用于合成，从这 一点看微生物发生了解偶联生长。s e n z e 等人实验得到，在2 3 时污泥表观产率 系数是0 3 5 ，而当温度升高到4 0 8 c 时，降为0 0 1 2 8 】。升高温度对污泥减量的原 因不仅仅是解偶联所引起的，还与升高温度对细菌的选择、原生动物等对细菌捕 食的增强和微生物自身氧化速率的提高有关。在实际污水处理中，提高温度实 现污泥减量的不可行性也是明显的，因为提高温度所需要消耗很大能量。 高盐浓度下( n a c ! 浓度1 0 3 0 9 l ) 微生物的呼吸速率将受到影响。提高细 胞内外n a + 浓度差，使得细胞必须提供额外能量用于维持体内n a + 浓度水平以满 足正常的生理活动的需要，这就需要消耗部分用于合成的a t p ，从而降低污泥的 表观产率系数1 2 9 。但长期处于一定浓度的n a c i 溶液中，细菌将被驯化，使得污 泥减量效果降低。可以考虑利用n a c i 冲击负荷对细菌新陈代谢造成影响来防止 细菌被驯化1 3 0 】。 提高供氧可以加快细菌氧化有机物的速率，使其产生的a t p 量增加。这样， 也可能使得细菌由于a t p 合成酶在a t p 浓度较高时对a t p 进行水解，形成质子 的无效循环，发生解偶联生长【2 5 1 。研究表明【2 5 1 ，溶解氧从2 m g l 增加到6 m g l ， 1 4 第2 章蚯蚓生态滤池污泥减量化效果的研究 污泥产量将减少2 2 。但是，其中有1 0 的作用是由于增大曝气量而使得污泥 絮体变小从而使得氧传质速率增高的结果。这样，由于氧浓度的增加实现微生 物解偶联生长而使污泥产量减少就只有1 2 。 2 1 2 通过溶胞强化细菌自身氧化速率 通过强化细菌的隐性生长也可以达到污泥减量的目的。所谓隐性生长是指 细菌利用衰亡细菌所形成的二次基质生长，整个过程包含了溶胞和生长【3 。利用 各种溶胞技术，使细菌迅速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用，如图 2 1 所示。左边表示传统的细胞衰减模式，右边表示细胞衰减的溶解再生长模式。 促进细胞溶解，在传统模型中可以认为是增大了细胞衰减速率，这样可以降低污 泥的产量。 c o d 去除 溶解性基质 c o d 去除 细胞生长 水解、形成 二次基质 生物量 颗粒态基质ll 细胞残留物 图2 1 细胞衰减传统模式( 左) 和溶解再生长模式( 右) 示意图 通常情况下，活性污泥系统中自产底物的提供是有限的，需要人工强化， 也就是采用物理、化学和生物的方法加速细胞的溶解，达到污泥减量的目的。 常用的物理方法有球磨机匀浆、高压匀浆、超声波匀浆和高温等 3 2 】。化学方法 由于会把化学物质导入水中，可能造成新的污染，它的选用要谨慎。臭氧导入 水中不会造成新的污染，并且作为电子受体有助于污染物的降解，因此目前只 有选用臭氧的报道。但利用臭氧处理污泥可能存在以下问题【3 3 】：( 1 ) 氮和磷的去 除效果不好；( 2 ) 出水s s 浓度要稍高于传统活性污泥法；( 3 ) 不排泥条件下，污 泥中重金属的含量和传统活性污泥法相比，有一定增加；( 4 ) 为了保证曝气池中 微生物对二次基质的利用，需要增加曝气量。生物方法，可以投加能够分泌胞外 酶的细菌，也可以直接投加酶制剂或抗菌素对细菌进行溶胞。酶一方面能够溶解 细菌的细胞，同时还可以使不容易生物降解的大分子有机物分解为小分子物质， 1 5 第2 章蚯蚓生态滤池污泥减量化效果的研究 有利于细菌利用二次基质。投加的细菌可以从消化池中选取，也可以从溶菌酶方 面考虑，甚至包括特殊的噬菌体和能分泌溶菌物质的真菌。但是在污水处理中投 加酶制剂或是抗菌素在经费上不太现实。以上三种溶胞技术( 物理、化学、生物) 并不是截然分离的，可以联合应用。如：将热处理和生物溶菌作用联合在日本已 经处于现场试验阶段，而碱+ 热处理则能提高处理效犁3 4 1 。 根本上讲，污泥经过这些处理并不会完全溶解。但这些处理能不同程度地 粉碎污泥絮体，破坏细胞壁，使原生质体失去保护，易被其它微生物利用；同 时水中的颗粒态基质也部分转化为溶解性基质。隐性生长强化一般都把剩余污 泥经过上述的某种处理后，重新打回到曝气池中。因此，需要在系统中增加一 个剩余污泥的处理装置，其工艺流程如图2 2 所示。 图2 2 溶胞减量污泥常用流程 2 1 3 利用微型动物对污泥减量化的研究 微型动物的概念是一个模糊的界定。在水处理领域，习惯把原生动物和一些 体型较小的后生动物( 如轮虫、线虫、大型无脊椎动物如环节纲的蚯蚓和软体动 物等) 称之为微型动物。根据生态学的有关知识，能量在食物链中传递时，相邻 两级之间的效率只有约1 0 ，即捕食者只能储存其捕捉到的食物所含能量的 1 0 ，其余9 0 则散失掉了1