（市政工程专业论文）新型内循环污泥浓缩消化反应器（STDR）研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 传统污泥处理都是将浓缩与消化分开进行，本文提出了污泥浓缩消化一体化 的新概念，并在现有的污泥浓缩消化装置基础上，借鉴现代高速厌氧反应器理论， 设计出了新型内循环污泥浓缩消化反应器( s t d r ) ，并且对其进行了初次启动试 验研究。 本文较系统地阐述了s t d r 反应器的设计方法和设计原理。s t d r 反应器的基 本设计思想是将传统重力浓缩池的功能进行拓展，使之成为既具有浓缩功能，又 具有消化功能，并且两种功能相互促进的新型污泥处理装置。 s t d r 反应器的初次启动采用次培养法。启动试验过程中，重点监测了反应 器内的p h 值、挥发性脂肪酸( v f a ) 浓度、总碱度、碳酸氢盐碱度、反应器各部 位的污泥浓度、启动过程的产气量、上清液中的污泥流失情况以及启动过程中的 v s t s 变化情况。所有监测指标都显示，启动过程反应器内的消化状况良好。 在启动试验末期，将负荷稳定在设计进泥量( 7 0 l d ，h r t = 3 1 d ) 下1 6 天， 运行了两个排泥工况，一个排泥工况为排泥量1 5 l ，另一个排泥工况为排泥量3 l 。 试验结果表明，这两个排泥工况下的排泥浓度分别达到了1 1 0 l ( 平均含水率 8 9 0 4 ) 、8 7 l ( 平均含水率9 1 2 7 ) ，有机负荷分别达到了1 0 9k g v s s m 3 d 和5 4k g v s s m 。d ，有机物分解程度分别为8 0 7 和7 1 1 。当期望排泥浓度在 8 0 0 0 e g l 时，s t d r 反应器对剩余活性污泥的减量倍数可以达到2 0 倍左右，其 浓缩效果和消化效果分别超过了传统重力浓缩池和高负荷消化池。 本文对s t d r 反应器的能耗进行了简单的分析。能耗分析显示，s t d r 反应器 的内循环能耗低于传统消化池的气体循环能耗，热量需求也略低于传统消化池。 关键词：污泥，浓缩，消化，内循环，厌氧，反应器 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t r a d i t i o n a l l y , t h es e w a g es l u d g ew a st h i c k e n e da n dd i g e s t e ds e p a r a t e l yi n t w o t a n k s ，o n ec a l l e dg r a v i t a t i o n a lt h i c k e n i n gt a n ka n do t h e rc a l l e dd i g e s t o r b u tn e w c o n c e p t w a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , t h a ts l u d g ec o u l db et h i c k e n e da n d d i g e s t e di no n e r e a c t o r , c a l l e ds l u d g e 啦c k e n i n ga n d d i g e s t i o nr e a c t o r ( s t d r ) w i t h i n t e r n a l c i r c u l a t i o n s t d rw a sd e s i g n e db a s e do nc u r r e n ts l u d g et h i c k e n i n ga n dd i g e s t a t i o n e q u i p m e n t s ，a n da l s ou s e dm o d e r na n a e r o b i cr e a c t o rf o rr e f e r e n c e ap i l o te x p e r i m e n t w a sc a r r i e do nt os t u d yt h es t d r 1 1 1 ed e s i g nm e t h o da n d p r i n c i p l ew a se x p l a i n e di nd e t a i li nt h ep a p e r t h ep r i m a r y d e s i g n i d e ao fs t d rw a st o ob r o a d e nt h ef u n c t i o no fc o n v e n t i o n a lg r a v i t a t i o n a lt h i c k e r - a n dm a k ei ti n t oan e wk i n do f s l u d g et r e a t m e n te q u i p m e n t i nw h i c h s e w a g es l u d g ec a n b ec o n d e n s e da n dd i g e s t e da tt h es a l n et i m e t h ei n o c u l a n t so fa n a e r o b i cb a c t e r i aw e r e p u ti n t ot h es t d r a to n et i m et os t a r t u p t h er e a c t o r d u r i n gt h es t a r t u p ，s o m ei n d e x e sw e r e p r i m a r i l yi n s p e c t e d ，s u c ha sp h ， v f a ，t o t a la l k a l i n i t y ( t a ) ，b i c a r b o n a t ea l k a l i n i t y ( b a ) ，s l u d g et h i c k n e s so fe a c hp a r t , g a sp r o d u c t i o n , s l u d g ew a s h - o u to f t h eu p p e re f f l u e n t ，t h ec h a n g eo fv s t s a l lo ft h e i n d e x e ss h o w e dt h a tt h ed i g e s t i n gs t a t u si nt h es t d rw a s v e r yg o o d i nt h ef i n a lt i m eo ft h es t a r t u p ，t h ef e e d i n g s l u d g el o a dw a s s t a b i l i z e df o r16d a y s i nt h ed e s i g n e da m o u n t ( 7 0 l d ，h r t = 3 1 d ) 1 1 1 ef i r s t8d a y st h ea m o u n to fd i s c h a r g e d s l u d g ef r o mt h es t d r sb o t t o mw a s1 5 l ，a n dt h eo t h e r8d a y si s3 l t h et e s tr e s u l t s s h o w e dt h a ti nt h e s et w oc a s e st h ed i s c h a r g e ds l u d g ec o n c e n t r a t i o n sw e r e u pt o 11 0 9 l ( 8 9 0 4 i nc o n t a i n i n gw a t e rr a t e ) a n d8 0 e g l ( 9 1 2 7 i nc o n t a i n i n gw a t e rr a t e ) ，t h ev s s l o a d sw e r e u p t o1 0 9k g v s s m 3 da n d5 4k g v s s m 3 正t h ev s sr e d u c el e v e l sw e r e 8 0 7 a n d7 1 1 i f t h ee x p e c t e dd i s c h a r g e ds l u d g ec o n c e n 订a t i o nw a s 8 0 1 0 0 9 l t h e s t d rc o u l dp r o d u c e2 0t i m e sd e c r e a s eo ft h es l u d g ev o l b m e , a n dt h et h i c k e n i n ga n d d i g e s t a t i o ne f f e c t so ft h es t d rw e r es e p a r a t e l yb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a lg r a v i t a t i o n a l t h i c k e n i n gt a n ka n da n a e r o b i cd i g e s t o n i na d d i t i o n a l ，t h eq u a n t i t yo f r e q u i r e de n e r g yo f s t d rw a se s t i m a t e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a te n e r g yu s e df o ri n t e r n a lc i r c u l a t i o nb yt h es t d r w a sl e s st h a n e n e r g yu s e d f o rm i x i o nb yc o n v e n t i o n a la n a e r o b i c d i g e s t o r ，a n dq u a n t i t y o fh e a t r e q u i r e dw a s a 1 s o1 e s st h a nc o n v e n t i o n a ld i g e s t o r k e y w o r d s ：s e w a g es l u d g e ，c o n d e n s a t i o n , d i g e s t i o n , i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ， a n a e r o b i c ，r e a c t o r 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 污泥问题的产生 在城市污水和工业废水处理的过程中，不可避免地会产生很多沉淀物和漂浮 物。有的是从污水中直接分离出来的，如沉砂池中的沉渣、初次沉淀池中的沉淀 物、隔油池和浮选池中的油渣等；有的是在处理过程中产生的，如化学沉淀污泥 与生物化学法产生的活性污泥或生物膜。一座二级污水处理厂，产生的污泥量约 占总处理污水量的0 3 o 5 ( 体积，以含水率9 7 计) 1 或约为污水处理量的1 2 ( 质量) 2 1 ，如进行深度处理，污泥量还可能增加o 5 1 0 倍口 。这些物质必 须及时处理与处置，才能保证污水处理厂的正常运行和处理效果，保护环境，不 造成二次污染，变害为利，变废为宝。 自从1 8 7 5 年英国伦敦建立世界上第一个污水处理厂以来，污泥处理问题便成 为污水处理过程中的伴生问题随之产生。但在工业化进程的初期，污泥产生量小， 且有充足的土地等资源可以利用，再加上人们对污泥的危害认识不足，因此污泥 问题并不是很突出。 随着城市人口的不断增长、市政服务设施的不断完善、污水处理技术的不断 提高，污泥产量也随之增长。欧美等发达国家的污泥产量以每年大约5 1 0 的 速度增长。据美国环保署估算，1 9 9 8 年全美千污泥产量为6 9 1 0 6 t ，预计到2 0 0 5 年美国干污泥产量将达到7 6 x1 0 6 t ，2 0 1 0 年将达到8 2 1 0 6 t 。也就是说从1 9 9 8 年到2 0 1 0 年，美国污泥产量将增加1 9 【4 j 。1 9 9 0 年欧洲干污泥产量为1 1 0 7 1 0 6 t ， 到1 9 9 9 年干污泥产量达1 7 4 6 1 0 6 t 。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增加近3 0 0 2 1 。 由于资源的短缺和对环境问题的日益关注，污泥的增长所引发的环境问题已 经受到人们的广泛关注。在西方发达国家，污泥管理已经成为环境管理的重要方 面之一，制定了很多相应的法规，在欧洲，污泥标准化工作已列入c e n 厂r c ( 欧洲 标准化委员会技术委员会) 3 0 8 计划 5 1 。很多西方发达国家不但在新建污水厂的同 时就可以解决好污泥问题，而且已经开始着手解决以前污泥处理过程中的遗留问 题。 随着我国经济的发展，人口的增长，城市的规模越来越大，现代化程度越来 越高。然而与此相对应，城市污水排放量逐年增加。2 0 0 2 年，全国工业和城镇生 活废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，比上年增加1 5 。其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨， 比上年增加2 3 ；城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，比上年增加o 9 t 6 1 。按照这 个趋势预测，到2 0 1 0 年，全国工业和城镇生活废水排放总量将达到4 9 5 1 亿吨， 重庆大学硕士学位论文i 绪论 2 0 2 0 年，全国工业和城镇生活废水排放总量将达到5 7 4 6 亿吨。 表1 - 1废水及主要污染物排放统计 6 1 泌 废水排放量( 亿吨)c o d 排放量( 万吨) 合计工业生活合计工业生活 j 1 9 9 83 9 5 32 0 0 51 9 4 81 4 9 5 68 0 0 66 9 5 0 1 9 9 94 0 1 11 9 7 32 0 3 91 3 8 8 96 9 1 7 6 9 7 2 2 0 0 04 1 5 21 9 4 22 2 0 91 4 4 5 07 0 4 5 7 4 0 5 2 0 0 l4 3 2 92 0 2 62 3 0 31 4 0 4 86 0 7 5 7 9 7 3 2 0 0 24 3 9 52 0 7 2 2 3 2 31 3 6 6 95 8 4 07 8 2 9 增减率( ) 1 52 3o 9- 2 7- 3 9 一1 8 注：表中数据取自( 2 0 0 2 年中国环境质量公报。 国家对环保事业的越来越重视，无论从政策法规上还是从投资力度上都在加 大。2 0 0 2 年，全国环境污染治理投资为1 3 6 3 4 亿元，比上年增长2 3 2 。其中城 市环境基础设施建设投资7 8 5 _ 3 亿元，比上年增加了3 1 8 ：工业污染源污染治理 投资1 8 8 4 亿元，比上年增加了8 o ，其中用于废水治理投资7 1 5 亿元、废气治 理投资6 9 8 亿元、固体废物治理投资1 6 1 亿元、其它治理投资3 1 0 亿元；新建项 目“三同时环保投资3 8 9 7 亿元，比上年增加1 5 8 。全国环境污染治理投资占 国内生产总值的1 3 3 。环境污染治理投资中，城市环境基础设施建设投资占 5 7 6 0 ，增长比例较大1 6 】。 城市排水系统作为重要的基础设施，这些年由于国家政策和资金的支持，得 到了很大的发展，特别是城市污水处理厂得到大规模的建设，城市污水处理率得 到大幅提高。据国家环保总局提供的数字，目前全国共建设城市污水处理厂4 5 2 座，其中二、三级污水处理厂3 0 7 座，城市排水管道约1 5 8 万公里，城市污水处 理率达到3 6 5 e ”。 我国污水处理事业的发展已经使污泥问题目益突出，从已建成的污水厂的运 行经验看，污泥的处置已经成为困扰污水厂正常运行的主要难题。污泥处理和处 置技术在我国还刚刚起步，与国外先进国家相比差距很大。在我国现有的污水处 理设施中，有污泥稳定设施的不到2 5 ，处理工艺和配套设备完善的不到1 0 吐 而且能够正常运行的为数不多，污泥直接排放造成的二次污泥很严重。我们应该 汲取发达国家污水处理事业发展过程中的经验和教训，在大规模兴建污水处理厂 的同时解决好污泥的处置问题，这样才能不走弯路，从源头上治理好污染。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 污泥处理与处置技术概述 1 2 1 污泥的定义 污泥一词本身不是一个具有确定意义的定义，在污水处理过程中污泥在不同 的处理流程中也具有不同的含义，本研究中的污泥是指污水处理过程产生的一种 含水率很高的絮状颗粒，它是由污水中的悬浮物、沉淀物、微生物、微生物所吸 附的有机物及微生物代谢活动的产物所形成的聚集体。污泥中含有大量有机质、n 、 p ，重金属含量也很高，还含有大量的病原微生物，若处理不当，会进入土地或随 雨水等进入水体引起二次污染。 1 2 2 污泥的分类和性质 污泥的分类和性质如表1 2 所示。 表1 - 2 污泥的分类和性质“ 分类依据名称描述 有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，比重较小， 含水率高且不易脱水，属于胶状结构的亲水性物质， 污泥易用管渠输送。往往含有很多植物营养素、寄生虫卵、 污泥成分致病微生物及重金属离子等。初沉池、二沉池的沉淀 物均属污泥。 以无机物为主要成分，颗粒较粗，比重较大，易脱水， 沉渣 含水率较低，易于脱水，流动性差。 指污水一级处理过程中产生的污泥，一般来自初次沉 初次沉淀污泥 淀池。 剩余活性污泥来自活性污泥法后的二次沉淀池。 污泥来源腐殖污泥来自生物膜法后的二次沉淀池。 初次沉淀污泥、腐殖污泥与剩余活性污泥经消化处理 消化污泥 后，称为消化污泥或熟污泥。 化学污泥用化学沉淀法处理污水后产生的沉淀物。 1 2 3 污泥对环境的影响 污泥有机养分含量及土地利用的价值 污泥中含有大量植物生长所必需的肥分( n 、p 、k ) 、微量元素及土壤改良剂 ( 有机腐殖质) 。n 、p 以有机态为主，可以缓慢释放，具有长效性f 2 j 。因此，污泥 具有作为生物肥料的潜质，如果处理得当，是很好的土壤改良剂和高效的生物肥 料。 我国城市污水处理厂污泥中营养物质的含量情况见表1 3 。 不同地区污水处理厂污泥的养分含量相差很大。经济不发达地区污水厂污泥中有 机质含量低，而经济发达地区污泥中有机质含量较高，我国城市污泥中有机物 ( v s s ) 含量为平均为5 5 6 0 ，而欧美等国可达7 0 8 0 ( 均指初次沉淀 池污泥) 【2 】；各地城市污泥含氮量没有明显的规律性；南方城市污水处理厂污泥中 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 含磷量普遍比北方污水处理厂高；同一地区城市污泥中钾的含量变化不大。 表1 - 3 城市污水处理厂污泥中营养物质的含量1 2 0 1 、污泥种类带有化学除磷 脱水污泥 项目、 湿污泥 的污泥 带式脱水机板框压滤机 干固体含量( ) 40 ( 1 6 1 6 )6 4 ( 1 6 1 4 )2 4 0 ( 1 2 3 6 )4 2 0 ( 2 8 7 1 ) 灼烧减量( 千固体) 3 9 5 ( 2 5 8 2 )4 0 o ( 1 9 7 2 )4 2 o ( 9 7 5 ) 2 8 2 ( 1 8 5 6 ) 总氮t n ( 干固体) 2 6 ( 0 5 1 2 3 )3 6 ( 1 7 1 0 7 )2 8 ( 1 1 5 )1 4 ( 1 0 1 8 ) 无机氮( 干固体) 1 0 ( 0 8 4 0 )1 4 ( 1 0 5 3 )1 1 ( 0 7 1 4 )0 1 ( o 0 1 o 2 ) 磷p ( 干固体) 2 0 ( 0 4 5 _ 4 )3 9 ( 1 _ 2 7 _ 4 )1 9 ( 0 5 5 5 ) 1 8 ( 0 6 5 2 ) 钙c a ( 干固体) 8 0 ( 0 5 4 0 )7 5 ( 2 2 2 7 5 )7 5 ( 1 5 1 6 8 )2 2 5 ( 8 5 6 5 ) 钾k ( 干固体) 0 2 ( 0 0 2 - - 1 4 )0 2 ( 0 0 5 1 4 )0 2 ( 0 1 1 2 )0 2 ( 0 1 1 0 ) 镁m g ( 干固体) 0 5 ( o o l 2 7 )0 ，8 ( 0 、0 2 1 3 )06 ( o 1 2 5 )0 7 ( o 卜。3 5 ) 纳n a ( 干固体) 0 5 ( 0 0 4 1 2 )0 0 4 ( 0 1 0 8 ) 注：括号外为营养物含量平均值，括号内为营养物含量范围。 对污泥土地利用的大量研究表明f 8 。1 ”，污泥中有机养分和微量元素可以明显改 变土壤理化性质、增加氮、磷、钾含量，改善土壤结构，促进团粒结构的形成， 调节土壤p h 和阳离子交换量，降低土壤容重，增加土壤孔隙和透气性，提高田间 持水量和保肥能力等，城市污水厂污泥还可以增加土壤根际生物群落生物量和代 谢强度、抑制腐烂和病原菌。 污泥对环境的污染和污泥农用的风险 1 ) 重金属污染 重金属污染是影响污泥大规模土地利用的主要因素之一。城市污水处理厂污 泥中重金属的种类和含量变化很大，无一定规律，主要取决于工业废水排入的情 况。下表是我国北京、沈阳、西安、重庆等4 4 个城市污水厂污泥中重金属含量统 计结果。 表1 - 4 我国4 4 个城市污水处理厂污泥中重金属含量统计结果2 1单位：m 班 、逗全属名称 c dc up bz i ic rn i i - i g a s 统计项目、 最大值 2 4 1 03 0 6 8 4 02 4 0 0 0 04 2 0 5 0 01 4 1 1 8 04 6 7 6 04 60 05 6 00 0 最小值 0 1 00 2 04 1 30 9 53 7 01 1 00 1 20 1 9 平均值 3 0 33 3 89 81 6 4 0 97 8 9 8 22 6 1 1 58 79 051 14 4 5 2 中国污泥标准( g b 4 2 8 4 )5 2 0 2 5 0 ，5 0 03 0 0 1 0 0 05 0 0 1 0 0 06 0 0 1 0 0 01 0 0 2 0 05 ，1 5 7 5 7 5 统计结果表明，我国城市重金属污染主要以z n 和c u 为主，其他重金属含量 较低。另据有关资料报道【1 2 1 ，我国的城市污泥重金属含量普遍低于欧美等国家。以 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 重金属的平均值进行比较，即使是含量最高的z n ，也低于瑞典城市污泥中z n 的 含量，更远远低于英国和美国。容易超标的z n 、c u 、c d 、p b 的含量比英国低9 6 、 1 3 1 、3 5 0 0 、5 8 7 ，比美国低5 2 、4 4 、8 、3 9 1 2 1 。因此，发达国家所 强调的城市污泥农用的重金属污染问题【”1 在我国并不会像人们想象的那样严重。 近年来的一些研究也表明1 1 4 】，台理的城市污泥农用并不会造成土壤和农产品的重 金属污染。 在污水处理过程中，7 0 n 9 0 的重金属元素通过吸附或沉淀而转移到污泥 中 2 1 。由于重金属在土壤中是不可降解的，所以污泥作为肥料施用时，污泥中所含 重金属大部分积存于耕作层中，重金属水溶性部分将随水进入植物的器官和细胞， 并危害植物。重金属的毒性作用的轻重程度与重金属的种类和浓度、存在形态、 土壤性质、p h 值、污泥及土壤的有机物质、铁、锰的含量及植物种类有关”。”， 各种重金属的毒性作用是相当复杂的。 2 ) 盐分污染 污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率，破坏植物养分平衡、抑制植物对 养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害，而且离子间的拮抗作用会加速有 效养分的淋失1 2 。 3 ) 病原微生物污染 污水中的病原体( 病原微生物和寄生虫) 经过处理还会进入污泥。新鲜污泥 中检测得到的病原体多达千种，其中危害较大的是寄生虫。污泥中病原体对人类 或动物的污染途径大致有4 条：a 直接与污泥接触；b 通过食物链与污泥直接接 触；c 水源被病原体污染：c 病原体首先污染了土壤，然后污染水体。污泥农用 引起的潜在疾病的流行，被认为主要与沙门氏菌和绦虫卵有关【2 】。 4 ) 氮磷等养分的污染 在降雨量较大地区的土质疏松土地上大量施用富含n 、p 等的污泥之后，当有 机物分解速度大于植物对n 、p 的吸收速度时，n 、p 等养分就有可能随水流失而进 入地表水体，造成水体的富营养化，进入地下引起地下水的污染。所以n 、p 等养 分迁移对环境影响是一个需长期监测研究的工作。最近有研究表明，污泥通过淋 洗只有少部分氮元素进入下层土体内，而大量的氮仍保留在土壤内 1 ”，因此施用 城市污泥后氮元素对地下水的影响不大。 5 ) 有害有机物污染 污水处理厂污泥中有机有害物质主要来源于化学工业，特别是与碳氯有关的 化学工业。虽然目前它们对植物的危害及植物的吸收情况尚不清楚，但这些有机 有害物质进入动物和人体后，由于会在皮下脂肪中积累，对某些器官或免疫系统 等造成损害，并有可能致癌和致畸。由于这些有害物质对环境具有高的潜在危害 重庆大学硕士学位论文1 绪论 性，所以世界卫生组织在1 9 8 4 年己将它们列入污水处理厂污染须监测的物质。 目前可确定的主要有害有机物质有：多环芳香族碳氢化合物( p a h ，p o l y c y l i c a r o m a t i ch y d r o c a r b o n ) 、多氯代联苯( p c b ，p o l y c h l o r i n a t e db i p h e n y l ) 、氯化二苯并 二嗯英( p c d d ，p o l y c h l o r i n a t e dd i b e n z o d i o x i n ) 、氯化二苯并呋哺( p c d f ， p o l y c h l o r i n a t e dd i b e n z o f u r a n ) 、有机氯农药和氯化苯、有机卤化物等 1 9 1 。 1 2 4 污泥处理与处置的目的 污泥处理与处置的目的有四个；一是稳定化，通过处理使污泥中的不稳定成 分分解，使污泥稳定化，从而避免二次污染；二是无害化，杀灭寄生虫卵和病原 微生物；三是减量化，减少污泥体积，利于后续污泥的最终处置，降低污泥处理 及虽终处置的费用；四是资源化，在处理污泥的同时实现化害为利、变废为宝。 污泥处理与处置的四个目的实际上也成为污泥处理与处置研究的方向。 1 2 5 传统污泥处理与处置的方法 传统污泥处理与处置的方法分为四个过程：污泥浓缩、污泥稳定、污泥脱水与 干化、最终处置 i + f 污泥最终处置卜_ 圈l l 传统污泥处理与处置方法 f i g u r e1 - 1c o n v e n t i o n a ls e w a g es l u d g et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lt e c h n i q u e s 垩鏖查堂堡圭兰垡笙苎! 丝笙 污泥浓缩 污泥中所含水分包括孔隙水、附着水、毛细水、吸附水。孔隙水是指存在于 污泥颗粒间隙中的水( 约占污泥水分的7 0 左右) ，其与污泥颗粒结合力相对较小， 一般通过浓缩在重力作用下可部分分离。附着水( 污泥颗粒表面上的水膜) 和毛 细水( 约占污泥水分的1 0 2 0 ) 与污泥颗粒之间的结合力较强，则需借助外 力，比如采用机械脱水装置进行分离。吸附水( 约占污泥水分的5 8 ) 为内部 水，通常只能采用干燥或者焚烧的方法去除1 2 ”。 污泥浓缩是污泥处理过程中提高污泥固体物浓度，实现污泥减量化的重要步 骤和有效方法。它可以部分分离污泥中的孔隙水，大幅减少污泥体积。污泥浓缩 的主要方法有重力浓缩、机械浓缩、气浮浓缩。 重力浓缩是目前普遍采用的最经济的污泥浓缩方式，但重力浓缩也有其缺点 和局限性。重力浓缩后的污泥含固率仍然比较低，特别是剩余污泥，一般不超过4 。随着二级生物处理工艺的不断发展，污水处理过程中所产生的污泥成分也发 生了变化，使得这些污泥变得越来越不适合采用重力浓缩。当二级处理中污水进 行硝化反应而没有进行反硝化或者不完全硝化反应，在重力浓缩池中由于长时间 的厌氧环境会使污水污泥悬浮液中的硝酸盐氮还原为氮气，大量的气泡上升影响 浓缩效果。当污水进行生物除磷时，好氧条件下吸收在污泥中的磷在浓缩池厌氧 环境下又会释放出来，进入上清液回流至污水处理系统。 机械浓缩可以使得浓缩的污泥有更高的固体物含量，并且可以避免污泥在重 力浓缩时发生的生物化学反应。机械浓缩后的污泥含固率一般可以达到4 1 0 。 目前常见的机械浓缩机有：转鼓式、螺旋式、带式、离心式等。机械浓缩的缺点 是耗能较大。 表1 - 5 几种浓缩方法的比能耗和含固浓度2 浓缩方法 污泥类型浓缩后含水率比能耗 ( ) 干固体脱除水 ( k w h ，i )( k w h t ) 重力浓缩初玑行泥9 0 9 5 1 7 50 2 0 重力浓缩剩余括性污泥9 7 9 8 8 8 lo 0 9 气浮浓缩剩余活性污泥 9 5 9 7 1 3 l2 1 8 框式离心浓缩剩余活性污泥 9 l 9 2 2 1 12 2 9 无孔转鼓离心浓缩剩余活性污泥 9 2 9 5 1 1 71 2 3 根据气泡形成的方式，气浮可以分为压力溶气浮、生物溶气气浮、涡凹气浮、 真空气浮、化学气浮、电解气浮等。在污泥处理中压力溶气气浮工艺已广泛应用 于剩余活性污泥浓缩中，生物溶气气浮工艺浓缩活性污泥也已有应用，涡凹气浮 工艺在污泥浓缩中的应用正在摸索中，其他几种气浮在污泥浓缩中的应用尚未见 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 报道 2 l l 。 几种浓缩方法的比能耗和含固浓度见表1 5 。 图1 2 显示了几种污泥浓缩法在国内所占的比例。 图i - 2 几种浓缩方法在国内所占的比例 f i g u r e1 - 2p r o p o r t i o no f s e v e r a ls l u d g ec o n d e n s em e t h o d s 污泥稳定 目前主要的污泥稳定化方法见表i - 6 。 表1 - 6 污泥稳定化的主要方法比较【纠 处理技术应用范围特点缺点 任何生物污污泥化学氧化：费用高昂：仅限于在相当于 氯氧化泥、化粪池污泥便于脱水； 0 2 m 3 s 或更小规模的处理 污泥厂 无机污泥、d h 值不利于微生物的生存，污泥稳定单位重量的污泥所需 石灰稳定有机污泥不会腐化、产生气味：要的石灰量比脱水所需要 杀死病原体的效果较好的量要大 生物污泥既是稳定过程，也是调理过程，设备的基本建设费用较高， 热处理能够不添加化学药品就迅速脱水；一般限制用于大型装置或 污泥的臭味被消除并得到消毒场地受到限制的装置 有机污泥处理费用较低；污泥难于用机械法脱水；易 厌氧消化产生的甲烷可以回收能源发生一些运转上的问题；有 臭味，池子一般要加盖。 多用于中小上层澄清液中生化需氧量的浓提供氧气的动力费用较高； 型生活污水度较低：不能回收有用的副产品：去 处理厂生物稳定的最终产物象腐植土，除寄生虫卵和病原微生物 没有气味，易于处置；的效果差。 好氧消化产生的污泥易脱水： 污泥中可以利用的基本肥效较 高； 操作管理简单： 设备费用投资较低 两相厌氧 有机污泥可同时达到对城市污泥的稳定产甲烷反应器和产酸反应 和灭菌； 器的容积比较难确定 消化 高温可缩短酸化时间 国内及国外目前常用的污泥稳定方法是厌氧消化，好氧消化和污泥堆肥也有 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 部分被采用，并且污泥堆肥正处于不断研究阶段，而热解和化学稳定方法或者是 由于技术的原因或者是由于经济、能耗的原因而很少采用。图1 3 是上述几种污泥 稳定方法在国内及欧盟所占的比例。 图1 - 3 几种稳定方法在国内、欧盟所占的比例( 2 2 1 f i g u r e1 - 3p r o p o r t i o no f s e v e r a ls l u d g es t a b i l i z a t i o nm e t h o d s 污泥脱水与干化 污泥脱水之前一般需要进行污泥调理。污泥水( 特别是附着水、毛细水及吸 附水) 与污泥固体颗粒的结合力是很强的，如果没有预先的处理，即通过化学的、 物理的或者热工的方法进行预处理，则绝大多数污泥的脱水是非常困难的，这种 污泥预先处理的过程称为污泥调理。污泥调理的目的就是改善污泥脱水的性能， 减小水与污泥固体颗粒的结合力，从而减小污泥脱水难度，加速污泥脱水过程。 污泥调理对于所有污泥，如生污泥、消化污泥都是适用的，但达到的调理效果不 同。 表1 7 采用各种污泥调理工艺时机械脱水可达到的效果1 2 0 l 序 脱水机械 带式压滤机或者离心脱水机板框压滤机 号 - - - 5 0 一般不能 污泥调理工艺方法很多，最主要的方法是化学调理和物理调理。在选择污泥 调理的方法时，最主要考虑的因素是设施的投资、运行成本等经济因素，而且必 须将浓缩、消化、调理、脱水作为一个整体来考虑2 。除此之外，还应考虑污泥 的最终处置方法或出路，如焚烧、填埋、农用等。采用不同的污泥调理工艺或者 9 重庆大学硕士学位论文绪论 方法脱水后最终产物的固体物含量、承载能力、热值、稳定效果都是不同的f 2 。 所采用的污泥调理工艺应适用于污泥脱水的方法，而且工岂简单，操作、管理方 便，安全可靠，对污泥量和污泥性质变化有较强的适用性。表1 7 说明了采用不同 污泥调理方法后污泥机械脱水可达到的效果。 污泥脱水是整个污泥处理工艺中的一个重要步骤或环节，其目的是使固体富 集、减少污泥体积，为污泥的最终处置创造条件。为使污泥液相和固相分离，必 须克服它们之间的结合力，所以污泥脱水所遇到的主要问题是能量问题。针对结 合力的不同形式，有目的地采用不同的外界措施可以取得不同的脱水效果。如： a 借助于自然重力场或机械产生的人工力场( 采用浓缩或气浮的方式( 用较 小的力分离孔隙水； b 借助于外界机械产生的较大压力差( 负压或高压) 或者机械重力场分离毛 细水和附着水； c 借助于热能分离吸附水和内部水。 一般而言，若污泥稳定状态好( 如经良好的厌氧消化) 、灼烧残量( 无机物含 量) 高、浓缩效果好，则对机械脱水是有利的。操作条件、稳定的污泥量和污泥 性质的均匀性对保证得到良好的脱水效果也是十分重要的。 污泥脱水机械主要分为两类：一类是过滤式的脱水机械，又分为负压过滤机 械( 如真空过滤机) 和正压过滤机械( 带式压滤机、板框压滤机) ：第二类是产生 人工力场的脱水机械( 离心式脱水机) ，在人工力场的作用下，借助固体和液体的 密度差，使固液分离。 鉴于对污泥处理处置的要求、人工费用、土地使用要求的不断提高和污泥机 械脱水技术的不断发展，目前采用大面积土地自然干化的方式在国内外越来越少， 机械脱水方式已占主导地位；图l _ 4 是几种污泥脱水技术在我国所占的比例。 图1 4 几种污泥脱水方法在国内所占的比例 f i g u r e1 - 4p r o p o r t i o no f s e v e r a ls l u d g ed e h y d r a t i o nm e t h o d s 污泥的最终处置 传统的污泥最终处置方式有填理、投海、土地利用和污泥焚烧等。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 ) 填埋 污泥卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代，到目前为止已经发展成为一项比较成熟 的污泥处置技术。污泥填埋是欧洲特别是德国、法国在前几年应用最多的处置工 艺。卫生填埋操作相对简单，投资费用小，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，对处理技术标准要求 越来越高，许多国家和地区甚至反对新建填埋场。近年来污泥填埋处置所占比例 越来越小，例如英国污泥填埋比例由1 9 8 0 年的2 7 下降到1 9 9 5 年的1 0 ，预计 到2 0 0 5 年将继续下降到6 。美国许多地区已经禁止污泥土地填埋，今后几十年 内美国6 5 0 0 个填埋场将有5 0 0 0 个被关闭【2 4 】，因为填埋并不能最终避免环境污染， 而只是延缓了环境污染产生的时间。 2 ) 土地利用 污泥土地利用投资少、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，因此被认为是最有发展潜力的一种处置方式。 影向污泥土地利用的主要因素是重金属污染、病原体、难降解有机物及n 、p 的流失对地表水和地下水的污染。大量的研究表明1 2 “】，近十几年来，城市污染 中重金属含量呈下降趋势，只要严格控制污泥堆肥质量，合理施用，一般不会造 成重金属污染。 表1 - 81 9 9 8 年世界主要国家污染产量和处置情况2 产量( 干污 处置方法 国家土地利用陆地填埋焚烧其他 泥) ( 1 0 h a ) ( )( )( )( ) 奥地利 3 2 01 35 63 10 比利时7 5 3 15 694 丹麦 1 3 03 73 32 82 法国 7 0 05 05 0oo 德国( 西德) 2 5 0 02 56 3 1 20 希腊 1 539 700 爱尔兰 2 4 2 8 1 8 0 5 4 意大利 8 0 03 45 5 l l 0 卢森堡 1 58 l1 801 荷兰 2 8 24 45 330 葡萄牙 2 0 0 8 0 1 307 瓯班牙 2 8 0 i o 5 01 03 0 瑞典 1 8 04 55 500 瑞士 2 1 55 03 02 00 英国( 1 9 9 1 年) 1 1 0 75 5873 0 美国 6 9 0 04 11 72 22 0 日本1 7 193 55 51 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 污泥土地利用正成为世界各国主要的污泥处置方法，如英、美、法等许多国 家城市污泥农用率在7 0 以上。 3 ) 投海 利用水体消纳污泥一般不需要进行严格的无毒无害化处理，也无需脱水便可 直接排入水体，而且容量很大。对于靠近海岸的大型污水处理厂，这是一种方便 的污泥处置方法。英国2 0 世纪8 0 年代初开始采用此法，美、日等沿海国家也有 较多应用。但此法并未从根本上解决环境问题，它同时也造成了海洋污染，对海 洋生态系统和人类食物链已造成威胁，受到越来越强烈的反对。美国1 9 9 8 年已禁 止向海洋倾倒污泥，欧共体也规定从1 9 9 9 年开始禁止在海洋中处置污泥。 4 ) 焚烧 污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素木质素，脱水后的干污泥发热量 约为8 3 6 k j k g ，可用来焚烧。污泥焚烧后的残渣无菌、无臭，体积减少6 0 以上， 含水率为零，使运输和最终处置大为简化。焚烧后产生的热量也可以充分利用， 具有应用前景。日本利用该法处置的污泥占总量的6 0 以上1 2 ”。 污泥在焚烧前必须脱水，从目前技术水平看，机械脱水成本比较高。污染在 焚烧时会产生二氧化硫、二嚯英等气体如处理不当形成潜在的空气污染。此外， 焚烧处置污泥的成本十分昂贵，在日本，一套处理量在5 0 m 3 d 左右的焚烧设备成 本高达2 8 亿日元例。 表1 8 是1 9 9 8 年世界主要国家污泥产量和处置情况。 1 2 6 传统污泥处理处置存在的问题 我国污水处理厂污泥处理处置普遍存在以下问题口6 j ： 对污泥处理重视不够 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， 处理标准随着国家对环境问题的重视逐渐提高。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。 污泥处理难度增加 由于大量工业废水超标排放、农业排水及雨水径流等面源污染的问题使得污 泥成分日益复杂，污泥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。 传统污泥处理处置基建投资大，还存在闲置浪费的问题 污泥处理装置在整个污水处理厂的基建投资中约占4 0 5 0 。传统污泥处理 工艺不但投资大，而且一些工艺如传统厌氧消化工艺还存在负荷低、安全性要求 高、管理难度大等问题，这就使得部分运行管理水平较低的污水处理厂将消化池 闲置，造成很大浪费。 1 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 各种污泥处置方法存在不足 目前所采用的种种污泥处置方法都有不足之处，如焚烧法虽然能大幅度减容， 但投资和运行费用相当高；深海投放在近年来受日益严格的防治海洋污染和国际 公约等限制；填埋法由于场地的限制和可能形成的二次污染也受到越来越多的限 制；污泥农用也因为污泥成分日趋复杂且缺少长期的安全性试验遇到越来越多的 困难。 大量小型污水厂站污泥问题有待解决 我国近年来随着城市建设步伐加快，大量新建住宅小区、经济技术开发区以 及工业园区等，有些区域远离市区，污水近期难以就近排入市政管道集中处理， 因此不得不分散、新建大量小型污水处理厂站，其污泥绝大部分未能妥善处置， 势必对当地环境造成影响。这些小污水处理厂站污泥问题急待解决。 1 3 污泥厌氧消化的发展及值得关注的几个问题 1 3 1 污泥厌氧消化的发展 污泥的厌氧消化已有百余年的历史，厌氧技术最初也是从消化污泥开始，并 逐渐拓展到有机废水处理领域的。1 8 8 1 年法国c o s m o s 杂志上登载了介绍m o u r a s 创造的处理污水污泥的自动净化器( a u t o m a t i cs c a s e n g e r ) ，成为厌氧消化污泥技 术的开端 2 ”。此后的三四十年时间里污泥的厌氧消化技术飞速发展，出现了化粪 池、双层沉淀池( i m h o f