（环境工程专业论文）低浓度臭氧生化法在活性污泥减量中的实验研究.pdf

低浓度臭氧一生化法在活性污泥减量中的实验研究 摘要 随着污水处理设施的普及、处理率的提高和处理程度的深化，污水厂的污 泥产生量将有较大的增长，由此引起的二次污染问题已不容忽视。目前，国内 外的研究方向是采用物理、化学的方法，如热处理和超声波等，以达到减少污 泥产量的目的，本论文对低浓度臭氧生化法在剩余活性污泥处理中的应用进行 了探讨。 实验结果表明，当活性污泥进行低浓度( = o 0 1 0 m 9 0 3 m g m l s s ) 臭氧生化反 应时，污泥的减量效果主要与反应浓度和反应时间有关。在污泥氧化和整个臭 氧生化处理过程中，污泥的氧化去除率和总去除率随着臭氧反应浓度和反应时 间的增加而增大。其中污泥氧化去除率与臭氧反应浓度成正比，其反应通式为 e 。( ) 一a c + b ( 0 0 3 【0 0 0 0 1 ) ，与反应时间的自然对数成正比，其反应 通式为e m l s 。( ) - a i m ( t ) + b ( t 【0 - 6 0 r a i n ) 。污泥反应总去除率与臭氧反应浓度 和反应时间的自然对数成正比，其反应通式为e 。( ) 一a l n ( x ) + b ( x 表示臭氧 反应浓度和反应时间) 。当反应时间为6 0 r a i n ，臭氧反应浓度为0 0 1 0 m 9 0 3 m g m l s s 时，活性污泥的总去除率达到了7 7 7 3 。在活性污泥的低浓度 臭氧化过程中，臭氧与微生物反应破坏了细胞壁，释放出细胞质，同时也将不 溶于水的大分子分解成溶于水的小分子片断，表现为泥水混合液中的s c o d 值 增加。在不同的反应时间下，臭氧反应浓度为0 0 0 5 m 9 0 3 m g m l s s 左右时污泥 中的s c o d 的增加量最大，这表明释放出的细胞质和分解的小分子片段会继续 被臭氧氧化。 活性污泥经过低浓度臭氧生化反应处理后，污泥实现了减量排放，同时生 化反应器的出水c o d 指标仍低于城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中规定6 0 m g l 的城镇污水处理厂一级标准中的b 标准。 关键词：低浓度臭氧一生化法；污泥减量；活性污泥； s t u d yo nr e d u c i n go fa c t i v a t e ds l u d g eb ym e t h o do fl o wc o n c e n t r a t i o no z o n e a n db i o c h e m i s t r yi ne x p e r i m e n t a b s t r a c t t o d a y , d i s p o s a le s t a b l i s h m e n to fs e w a g ei sp o p u l a r ；i t sd i s p o s a l r a t ei s i m p r o v e da n di t sd i s p o s a ld e g r e ei sd e e p e n e d a l o n gw i t ht h e s ed e v e l o p m e n t s ，t h e y i e l do fs l u d g ei ns e w a g ep l a n tw i l li n c r e a s eg r e a t l y , a n dp r o b l e m so fs e c o n d a r y p o l l u t i o nc o m e sw i t ht h a tc a nn o tb ei g n o r e d n o w , i n t e r n a t i o n a ls t u d ya d o p t s p h y s i c sa n dc h e m i cm e a s u r e ，f o re x a m p l e s ，h e a tt r e a t m e n ta n du l t r a s o n i c ，t o d e c r e a s et h ey i e l do fs l u d g e t h i sp a p e rd i s c u s s e sa p p l i c a t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o n o z o n e b i o l o g i c a lm e a s u r ei nt h et r e a t m e n to fw a s t ea c t i v a t e ds l u d g e r e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ed e c r e a s ee f f e c to fs l u d g ei sm a i n l yr e l a t e t ot h ec o n c e n t r a t i o na n dt i m eo fr e a c t i o nw h e na c t i v a t e d s l u d g eg o e sa l o n g o z o n e - b i o l o g i c a l r e a c t i o no fl o w c o n c e n t r a t i o n ( - - 0 0 1 0 m 9 0 3 m g m l s s ) i n o x i d a t i o no fs l u d g ea n de n t i r eo z o n e - b i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h eo x i d a t i o n r e m o v a lr a t ea n dt o t a lr e m o v a lr a t ei n c r e a s e a l o n gw i t h i n c r e a s eo fo z o n e c o n c e n t r a t i o na n dr e a c t i o nt i m e t h eo x i d a t i o nr e m o v a lr a t eo fs l u d g ea n dr e a c t i o n c o n c e n t r a t i o no fo z o n ea c c o r dd i r e c tr a t i o ，a n di t sr e a c t i o n g e n e r a lf o r m i s e m i s s ( ) * a c 0 3 + b ( c 0 3 【0 0 0 0 1 ) t h eo x i d a t i o nr e m o v a lr a t eo fs l u d g ea n d n a t u r a ll o g a r i t h mo fr e a c t i o nt i m ea c c o r dd i r e c tr a t i o ，a n di t sr e a c t i o ng e n e r a l f o r mi s e m l s s ( ) 。a l n ( t ) + b ( t 【0 - 6 0 m i n i ) t h et o t a lr e m o v a lr a t eo fs l u d g e s h o w sd i r e c tr a t i or e l a t i o nt or e a c t i o nc o n c e n t r a t i o no fo z o n ea n dn a t u r a ll o g a r i t h m o fr e a c t i o nt i m e ，i t sr e a c t i o ng e n e r a lf o r mi s e 总( ) 蔫a l n ( x ) + b ( x ) ( xs h o w s r e a c t i o nc o n c e n t r a t i o no fo z o n ea n dr e a c t i o nt i m e ) w h e nr e a c t i o nt i m ei s6 0 m i n u t e sa n dr e a c t i o nc o n c e n t r a t i o no fo z o n ei s 0 0 1 0 m g o a m g m l s s t h et o t a l r e m o v a lr a t eo fs l u d g er e a c h e s7 7 7 3 i nt h ep r o c e s so fo x i d a t i o no fs l u d g eb yl o w c o n c e n t r a t i o no z o n e ，r e a c t i o no fo z o n ea n dm i c r o o r g a n i s md e s t r o yt h ew a l lo fc e l l a n dr e l e a s ec y t o p l a s m ，m e a n w h i l ew a t e r - f a s t b i gm o l e c u l e a r e d e c o m p o s e dt o s o l u b l es m a l lm o l e c u l es e g m e n t ，w h i c hm a n i f e s t st h ev a l u eo fs c o di n c r e a s ei n m i xl i q u i do fs l u d g ea n dw a t e r a td i f f e r e n tr e a c t i o n t i m e ，w h e nr e a c t i o n c o n c e n t r a t i o no fo z o n ei sa b o u t0 0 0 5m 9 0 3 m g m l s s ，i n c r e a s eq u a n t i t yo fs c o d i n s l u d g ei sm a x i m u m ，w h i c hs h o w sc y t o p l a s mw h i c hi s r e l e a s e da n ds m a l l m o l e c u l es e g m e n tw h i c hi sd e c o m p o s e dw i l lb eo x i d a t i o nc o n t i n u a l l yb yo z o n e b yd i s p o s a lw i t hl o wc o n c e n t r a t i o no z o n e b i o l o g i c a lm e a s u r e ，s l u d g ey i e l d d e c r e a s em e a n w h i l ec o di ne f f l u e n to fb i o c h e m i s t r yr e a c t o ri sl o w e rt h a n6 0 m i l t h a ti so r d a i n e dw i t hi n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d ( g b 8 9 7 6 1 9 9 6 ) k e y w o r d s ：l o wc o n c e n t r a t i o no z o n e - - b i o l o g i c a lm e a s u r e ；d e c r e a s eq u a n t i t yo f s l u d g e ；a c t i v es l u d g e 图表清单 表1 1 衍生油的元素组成6 表1 2 衍生油的化学组成( 重量) 6 表1 3 污泥减量工艺一览表9 表2 1 臭氧的物理性质1 3 表2 2 低浓度臭氧在水中的溶解度。1 3 表2 3 常用氧化荆氧化还原电位比较一1 4 表2 4 主要实验仪器一览表1 7 表2 5 主要实验器材一览表一1 7 表2 6 实验药剂一览表1 8 表2 7 实验分析方法一览表1 9 表2 8 人工污水的成分配比表。2 0 表2 9s b r 反应器周期运行进度表( 一) 2 0 表2 1 0s b r 反应器周期运行进度表( 二) 2 0 表3 1 不同时刻的溶解氧( d o ) 含量2 2 表3 2s b r 反应器c o d e r 去除率汇总表2 4 表3 3s b r 反应器污泥指数汇总表2 5 表3 - 4 不同反应时间t 下污泥氧化去除率e m l s s 一臭氧反应浓度c 变化关系表2 5 表3 5 不同反应时间t 下( 式3 5 ) 常数表2 8 表3 - 6 不同臭氧反应浓度下污泥去除率e m l s s 随反应时间t 变化关系表2 8 表3 7 不同臭氧浓度下( 式3 8 ) 常数表2 9 表3 8 不同反应时间下s c o d 随臭氧浓度变化关系表3 0 表3 - 9 不同反应时间下s v 变化值一臭氧反应浓度c 0 3 变化关系表3 2 表3 1 0 不同反应时间下r 式3 - 1 0 ) 常数表3 3 表3 1 1 不同时刻的溶解氧( d o ) 含量3 4 表3 1 2 不同反应时间下污泥总去除率随臭氧反应浓度关系表3 6 表3 1 3 不同反应时间下f 式3 - 1 2 ) 常数表3 8 表3 1 4 不同臭氧浓度下污泥去除率e 总随反应时间t 变化关系表3 8 表3 1 5 不同臭氧反应浓度下( 式3 - 1 3 ) 常数表。4 0 表3 1 6s b r 反应器出水c o d c r 指标变化表4 0 表3 1 7 污泥氧化去除率的影响因素方差分析表4 l 表3 1 8 污泥总去除率的影响因素方差分析表4 2 插图清单 图1 - 1 污泥制氢技术一览表7 图2 - 1 臭氧在水溶液中的反应机理1 5 图2 - 2 传统活性污泥法与臭氧氧化污泥减量技术流程比较1 7 图2 3 臭氧生化污泥减量系统装置图1 9 图3 1 溶解氧( d o ) 含量一时问( t ) 变化曲线2 3 图3 2 污泥氧化去除率e 。s - 臭氧反应浓度c 。关系图2 7 图3 3 不同臭氧反应浓度下污泥去除率e 。r 一反应时间t 关系图2 9 图3 - 4s c o d 变化值一臭氧浓度c 。关系图。3 1 图3 - 5 不同反应时间下s v 变化率一臭氧反应浓度c 。关系图3 3 图3 - 6 溶解氧( d o ) 含量一时间( t ) 变化曲线对比图3 5 图3 7 不同反应时间下污泥总去除率et 一臭氧反应浓度c 。关系图。3 7 图3 8 不同臭氧反应浓度下污泥总去除率e 一反应时间t 关系图3 9 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金i 王些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傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谓 意。 文字纠一期哆年细一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g g 王丝盔堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒日g 至、业左堂可以将学位论文的全部或部分论文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，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学：求扣黔 u l 签字日期：a z 一7 年乡月伊f i 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师魏夕乏茛捉 撕期节阳舢 电话： 邮编： 致谢 本人在硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，得到了导师汪家权 教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料，论文成稿， 都倾注了汪老师的心血，在此衷心向汪老师表示感谢! 在试验期间，李云霞老师为本实验项目提供了良好的实验环境和实验设备， 同时也得到了丁巍巍、叶瑞、乔岩石三位同学的协助，他们为实验项目的顺利 完成付出了辛勤的汗水，在此特向李云霞老师和以上三位同学表示感谢。 在我三年研究生学习和生活期间，得到了资源与环境工程学院各位领导、 老师和同学的关心和帮助，在此一并表示谢意。 作者：杜汪洋 2 0 0 7 年5 月 第一章前言 1 1污泥减量化及处理、处置的缘起 1 1 1 国内外污泥产生现状 随着污水处理设施的普及、处理率的提高和处理程度的深化，污水厂的污 泥产生量将有较大的增长，由此引起的二次污染问题已不容忽视。污泥量通常 占污水量的o 3 - 0 5 ( 体积) 或者约为污水处理量的1 一2 ( 质量) ，如果属于 深度处理，污泥量会增加0 5 1 倍【。目前，世界上超过9 0 的城市污水处理 都采用活性污泥法【烈，产生的大量活性污泥通常含有大量的有毒有害物质和未 稳定的有机物，如不进行妥善处理，将会对环境造成直接和潜在的污染。 我国现有近8 0 0 座污水处理厂，平均每天处理污水近4 6 0 0 x 1 0 4 t ，每天从各 个污水厂产生约7 0 0 0 t 的污泥饼，并以每年1 5 的速度增长1 3 1 ，我国当前的污 泥产量大约在1 5 0 0 x 1 0 4 t a ( 按含水率9 4 计算) ，预计到2 0 1 0 年污泥量将是现 在的5 倍【4 i 。剩余污泥的处理费用占污水厂总运行费用的2 5 一4 0 ，甚至高达 6 0 引。 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1 8 7 5 年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 一1 0 的速度增长。1 9 9 0 年欧洲于污泥产量为1 1 0 7 x 1 0 4 t ，到1 9 9 9 年于污泥产量达1 7 4 6 x 1 0 4 t1 1 l 。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 x 1 0 4 t ，预计到2 0 0 5 年达7 6 0 x 1 0 4 t ，至2 0 1 0 年将增至8 2 0 x 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 亿m 3 ，经浓缩后污泥为6 1 0 0 x 1 0 4 m 3 【“。 1 1 2 污泥对环境的影响 污泥是污水处理后的附属品、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【刀。污泥中含有大量可被植物吸收利用的有 机质、n 、p 、k 等有机成分，具有改变土壤理化性质、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i l 隙和透气性和田间持水量和保肥能力等作用，同时也含有 大量病原菌、寄生虫( 卵) ，铜、锌、铬、汞等重金属、盐类以及多氯联苯、二 嗯英、放射性核素等难降解的有毒有害物。这些物质对环境和人类以及动物健 康有可能造成较大的负面影响，主要表现为污泥盐分污染：病原微生物对人畜 的致病作用；n 、p 等养分的流失造成的水体富营养化；有机高聚物污染：重 金属污染等。 1 1 3 国内污泥处理、处置现状 虽然我国已经开始对污泥进行处置，但长期以来我国只着重废水处理，很 多城市未把污泥的处理作为污水厂的必要组成部分，往往是污水处理厂建成后， 污泥处理系统要经历相当长的时间后才着手建设，这使得污泥处理率很低；而 且国家没有污泥排放标准，污水处理厂制定各项管理制度也主要是针对污水的， 对污泥的管理基本是一项空白。不仅如此，我国现有城市污水厂的污泥处理工 艺技术也很不完善，有些污水处理厂所采用的污泥处理技术已经是发达国家所 淘汰的技术，其水平还停留在发达国家的2 0 世纪7 0 至8 0 年代的水平，有的甚 至是国外6 0 年代的水平，而且有些污泥处理技术根本不适用于国内的污水污泥 特性，对所采用的技术缺乏必要的调查研究。污泥处理设备也比较落后，性能 差、效率低、能耗高，专用设备少，未能形成标准化和系列化。污泥经过浓缩、 消化稳定和干化处理的污水厂仅占城市污水厂的2 5 左右，不具有污泥稳定处 理的污水厂占5 6 ，不具有污泥干化脱水处理的污水厂约占4 9 。现在污水处 理厂排出的剩余污泥7 0 以上是弃置，2 0 是填埋，不到1 0 是通过堆肥等技 术处理后回用于土地，大量没有经过稳定处理的污水污泥将对环境产生严重的 二次污染1 8 1 。 1 2 传统污泥处置方法及污泥减量技术研究进展 1 2 1 传统污泥处置方法 l 211 污泥焚烧 焚烧是在一定温度、气相充分有氧的条件下，使污泥中的有机物质通过燃 烧反应转化为c 0 2 、h 2 0 、n 2 等相应的气相物质。焚烧可以使污泥的体积减少 到最低，是一种相对比较安全的污泥处置方式。优点在于其产物为无菌、无臭 的无机残渣，实现了无菌化和减量化( 数量将减少6 0 ) 1 9 ，1 0 l ，迅速地使污泥化 为灰烬而达到减量的目的。日本主要采用焚烧的方式进行污泥处置；在欧美发 达国家中，焚烧也占有很大比例。而在我国因刚刚起步，应用比较少。焚烧是一 种彻底的污泥处置方法，曾一度很受欢迎，但它的处置设施投资大，处置费用 高，有机物焚烧会产生二嗯英等剧毒物质，容易造成二次污染。 1 2 1 2 卫生填埋 填埋是一种自然生物处理法，它是在自然条件下，利用土壤微生物，将生 物固体中的有机物质分解，使其体积减少而逐渐稳定的过程。卫生填埋操作相 对简单，投资费用较小，处理费用较低，适应性强。但侵占土地严重，如果防渗技术 不够，将导致潜在的土壤和地下水污染。污泥卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代，目 前已经成为一项比较落后的污泥处置技术。由于渗滤液对地下水的潜在污染并 导致城市用地的减少等，许多国家和地区坚决反对新建填埋场1 1 1 i 。 1 2 1 3 污泥的土地利用与堆肥 城市污水处理厂产生的污泥经消化处理后含有大量的有机质，n 、p 、k 等 2 营养成分，可作为高效有机肥的原料使用。污泥的土地利用是直接把仅经过消 化处理后的污泥作为肥料使用，污泥中的有机部分可转化为土壤的改良剂成分 和可被植物吸收利用的肥分。这种污泥处置方式投资少、能耗小、运行费用低， 既消除了污泥对人类的潜在威胁，又变害为利，使污泥成为一种有利于人类生 产的资源。 堆肥化技术是国际上从6 0 年代迅速发展起来的一项新兴生物处理技术。 7 0 年代以后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，并成为环保领域的一个研究热点，这时人们开 始考虑利用堆肥化技术取代部分传统的物理化学方法。美国2 0 世纪8 0 年代初 开发了比较完善的b e l t s v i l l e 好氧堆肥法。污泥连续发酵工艺是目前国际上较为 先进也是较为普遍使用的处理方法，已在美国、日本、欧洲广泛采用。我国的 深圳、太原、石家庄、西安等地也已经出现了污泥堆肥产品1 1 j 。 1 2 1 4 污泥排海 在沿海地区，可考虑把生污泥、消化污泥、脱水泥饼或焚烧泥灰直接投入 海中。按照英国的实践经验，污泥投海区应离岸1 0 k m 以外，深2 5 m ，潮流水 量为污泥量的5 0 0 1 0 0 0 倍，以保证投海区不被污染1 1 2 l 。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 年开 始禁止污泥海洋倾倒，并于1 9 9 1 年全面加以禁止。日本对污泥的海洋投弃作了 严格的规定。中国政府于1 9 9 4 年初接受3 项国际协议，承诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不再进行海上处置工业废物和污水污泥。 1 2 2 污泥减量技术研究进展 1 2 2 1 细菌的生物捕食 在生化反应器中，存在着由各种微生物组成的生物群落，它们之间形成了 复杂的种群关系和食物链。在这些微生物的共同作用下，从宏观上看是污水得 到了净化，而在微观上，各种生物群落所起的作用是不同的。细菌群落处于食 物链的最底层，主要以污水中的有机物为食物，是使污水得到净化的主要作用 者。原生动物如纤毛虫和后生动物如轮虫、寡毛虫、环节动物、线虫等位于食 物链的高端，起捕食者的作用，它们捕食细菌，将污泥转化为能量、h ：o 和c 0 2 ， 从而使污泥产生量减少。通过对常规活性工艺中投加后生动物和不投加后生动 物，加设填料和不加设填料的对比研究，利用混合液悬浮固体( m l s s ) 计算，在 蠕虫存在的条件下，污泥产量是0 1 5 9 m l s s gc o d ，而在正常运行条件下污泥 的产量是o 4 0 9 m l s s g c o d ”1 。为了防止水处理反应器中的细菌数量，保证出 水效果，在实际操作中一般污水处理和生物捕食分段进行。1 9 9 6 年在瑞典由 l e e 和w e l a n d e r 等进行了两段式系统处理人工合成废水的研究。这个系统的第 一段是完全混合式的反应器，采用较短的污泥停留时间，能防止捕食者的生长， 用于细菌和活性污泥的培养；第二段是生物膜过程，以确保较长的污泥龄和适 合捕食者生长的条件。此条件下，该系统的污泥产量仅为0 0 5 0 1 7 9 t s s g c o d ， 是常规工艺污泥产量的3 0 5 0 1 1 4 】。 1 2 2 2 微生物强化 微生物强化基于天然系统的微生物并非全都是最有效的微生物，或以需要 的浓度存在。为了提高处理效率，将特别选择的微生物菌株，或者用基因改进 的菌株投放到污水处理厂中，这种选择投放的菌株应能保持并强化天然存在菌 株的活性，从而优化和控制微生物种群的平衡。外投微生物可以适应不同范围 的污水，但只有最适宜的微生物投人到系统中，才能存活。瑞士基础环境微生 物公司c o h oh y d r o c l e a ns a ，利用外投微生物处理不同类型的污水，能减少 增生污泥产量1 6 【1 5 l 。 1 2 2 3 解偶联技术 解偶联是指基质消耗产生的能量大于生长和维持正常生命活动的能量需 求，但过剩的能量并未被贮存，而是以无效的热能形式释放到环境中，导致了 污泥的表观产率大大减少。解偶联剂不能抑制呼吸链传递氢或电子的过程，但 能使氧化产生的能量不用于a d p 的磷酸化，分离同化作用与异化作用，使细菌 氧化底物获得的能量不用于合成细胞本身。解偶联剂为离子载体或通道，其作 用机理是细菌氧化外源有机底物时，细胞膜两侧会产生h + 浓度梯度，驱动发生 氧化磷酸化作用生成a t p ，加人解偶联剂增大了线粒体内膜对h + 的通透性，使 h + 的跨膜梯度消除，从而使氧化过程释放的能量不能用于a t p 的合成反应， 全部以热的形式散发，起到解偶联氧化磷酸化作用，从而减少污泥产量。常用 的解偶联剂有：对硝基苯酚、2 ，4 二硝基酚、3 ，3 ，4 ， 5 四氯水杨酸苯 胺等。除此之外，抗生素( 环丝氨酸) 、双香豆素、鱼藤酮均可阻止细胞的合成 作用，达到污泥减量的目的，但在曝气池中加人解偶联剂，会影响出水水质。 在污水处理过程中，初始底物浓度初始污泥浓度( s o x o 或c o d 污泥浓度) 是影响污泥产量的重要参数。l i u 等人【1 6 】研究了在底物充足条件下s o x o 与能 量解偶联系数及表观生物量产率的模型，为通过控制工艺参数减少污泥产量提 供了理论依据。 但是，解偶联剂在实际使用中还存在以下几方面的问题【1 7 】：投加的解偶 联剂长时间与微生物接触后，微生物由于被驯化而容易对解偶联剂产生分解， 使解偶联剂失去作用。投加解偶联剂虽然可以减少污泥产量，但根据物质守 恒定律，需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物，从而使供氧量增加。 在污水处理中，解偶联剂的投加量通常为4 8 0m 。g l ，用量很大，需要从经 济方面加以比较。环境安全问题。解偶联剂通常是较难生物降解或对生物有 较大毒性的化合物，生物对解偶联剂的降解不完全，会产生新的污染。 1 2 2 4 超声波破解减量技术 4 超声波( u l t r a s o u n d s ) 法是指在较高的声强作用下，特别是低中频( 低于 1 m h z ) 范围内，超声波会在水相产生大量的寿命约为0 1 s 空化穴( n e p p i r a s ， 1 9 8 0 ) ，其在爆炸的瞬间产生短暂的强压力脉冲，并于气泡周围的微小空间内形 成局部高温( 5 0 0 0 k ) 、高压点( i o o m p a ) ，这种高温高压可以引起一系列物理化学 效应( m o n n i e r 等，1 9 9 9 ) ，数微秒后，该热点以1 0 9 k s 的速率迅速冷却。在冷 却过程中，产生强大的冲击波与高速射流，微小气泡的爆炸可以产生高强的水 力剪切力，从而将微生物的细菌壁破解，所以超声波法是一种破解污泥的有效 方法，同时也可加速污泥水解速度缓慢的问题。其中超声波细胞处理器能加快 细胞溶解，用于污泥回流系统时，可强化细胞的可降解性，减少了污泥的产量； 用于污泥脱水设备时，有利于污泥脱水和污泥减量【1 8 j 。 1 2 2 5 生物细胞溶解系统 生物细胞溶解系统类似于超声波技术，将机械压力应用于污泥的回流系统， 压破细胞壁，释放出细胞所含的物质，通常这种破碎作用可减少颗粒污泥的大 小，增加生物的比表面积，有利于进一步分解。将这种方法应用于活性污泥的 内源呼吸段，能减少剩余污泥的产量。应用这种方法的二沉池能减少5 0 的污 泥，并能减少丝状菌的种群，极大的改善了污泥的沉淀性能和污泥的脱水性能。 1 2 3 污泥的资源化利用技术研究进展 1 2 3 1 低温热解技术 污泥低温热解技术是通过无氧加热干燥污泥至一定温度( 5 0 0 、，由干馏 和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体( n c g ) 和炭4 种可燃产物， 部分产物的燃烧可作前置干燥与热解的热源，剩余能量以油的形式回收1 1 ”，该 技术首先由出e b a y a r 提出1 2 0 l 。h w c a m p b e l l 2 3 l 评价了该种方法的经济性； t r b r i d l e 2 1 l 研究了改过程的二次污染控制；r c f r o s t l 2 2 l 评价了热解油的市 场应用前景。我国的学者何晶晶和欧国荣等人也对该种技术进行了实验p 2 4 】， 并对转化过程的机理进行了探讨【2 ”。何品晶等【2 6 】的研究结果表明，在实验温度 ( 2 0 0 4 5 0 ) 范围内，有机质转化率与温度基本呈直线型正相关，但温度高时相 关系数趋小。油得率与温度也呈正相关，较高的温度有利于有机质向气相的转 化。我国近年来采用间歇反应釜对城市污水厂污泥直接热化学制油的实验室研 究表明：在2 5 0 3 0 0 的反应温度范围内，每千克挥发性固体( v s ) 可得油 0 1 4 0 1 4 4k g ，相应有机质转化率为7 0 8 0 1 2 ”。衍生油的成分如表1 1 和表 1 2 所示，由表中数据可知，产油的热值高，可作为能源收集储存利用。同时， 热解时产生的活性炭性质稳定，可用于掺煤或直接作为热解时的能源使用| 2 8 l 。 由于污泥低温热解后可以产生类似柴油的油品，在能源同益紧缺的今天，其现 实意义尤为突出。 表1 - i 衍生油的元素组成【2 2 l 1 2 3 2 污泥消化制沼气技术 污泥厌氧消化是把污泥在无氧的条件下，由兼性菌及专性厌氧菌降解有 机物，最终产物是二氧化碳和甲烷气，使污泥得到稳定的过程。1 9 7 9 年，伯力 特( b r y a n t ) 等人根据微生物的生理种群，提出了厌氧消化三阶段理论。第一 阶段，是在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物蛋白质与脂肪水解和发酵 转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及= 氧化碳、氢等；第二阶段，是在产氢 产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化为氢、二氧化碳和乙酸；第三阶段 是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化为甲烷， 另一组对乙酸脱羧产生甲烷。 污泥发酵产生的污泥气既可作燃料又可作化工原料。污泥沼气发热量为 2 0 8 5 0 2 5 0 2 0 k j m 3 ，相当于l k g 煤的发热量1 2 ”。经过净化脱硫后的污泥气经燃 烧后，仅产生水和二氧化碳，不会产生二次污染，是一种清洁能源，具有巨大 应用前景。沼气的主要成分是c h 4 ，而c h 。可用于制各四氯化碳、有机玻璃树 脂、甲醛等化工产品【3 1 1 ，因而经纯化后的污泥气也是制作多种化工产品的原料。 1 2 3 3 污泥制砖技术 污泥中含有有机碳和大量的水，生活污泥燃烧后的产物与黏土的组成基本 接近，可以用污泥代替黏土制砖，但污泥灰中s i 0 2 的含量低于黏土中的含量， 污泥灰中f e 2 0 3 和p 2 0 5 的含量比黏土中的高，其它成分的含量二者基本接近【2 9 1 。 如果直接用单纯的污泥、污泥灰、或者污泥和黄河泥沙配比烧制出的砖强度太 低，外观条件差，达不到一般建筑用砖的强度要求。目前利用污泥制砖工艺采 用污泥灰、黏土和黄河泥沙按照污泥灰3 0 、泥沙5 、黏土6 5 的比例混合 制成砖坯，在温度1 0 2 0 一1 0 4 0 时烧制。利用污泥、黏土和黄河泥沙制砖，实 现了污泥的资源化，具有良好的社会效益在煅烧过程中将有毒重金属封存在 6 砖坯中，杀死了有害细菌污泥砖质轻、孔隙多，具有一定的隔音、隔热效果等优 点。但在污泥制砖的过程中，因污泥中含有大量的有机物，无论是污泥灰的制作 过程还是污泥砖的烧制过程，恶臭非常强烈，应考虑二次污染的控制问题。另外， 污泥制砖对污泥的预处理要求高，烧制砖的成本比一般的黏土制砖要高这些问 题还有待于进一步的探索研究。 1 2 3 4 污泥制氢技术 活性污泥中的有机质和碳水化合物利用生物、化学方法在催化剂的作用下 可产生清洁能源氢气。目前采用的主要方法见图2 1 。生物制氢法主要是利用 光和生物的光合作用和发酵细菌的固氮酶或氢酶对污水中的底物分解产氢，目 前研究较多的产氢光合细菌主要有深红红螺菌、红假单胞菌、液胞外硫红螺菌、 类球红细菌、夹膜红假单胞菌等，藻类主要是绿藻和蓝藻 3 0 i 。英国n e w c a s t l e 大学的m i d i l l i a 3 1 l 对污泥高温产氢进行了实验室研究，试验装置主要有下降流 气化器、填充床式洗涤器、过滤器、增压风机和试验锅炉，气化器中整体温度 在3 6 6 一4 7 1 ，压力为常压，产生气体的主要成分是氢气，氮气、一氧化碳、 二氧化碳、甲烷等，其中氢气的体积分数为1 0 一1 1 。污泥超临界水气化制氢 是在水的温度和压力均高于其临界温度( 3 7 4 1 3 ) 和临界压力( 2 2 1 0 5 m p a ) 时，以 超临界水作为反应介质与溶解于其中的有机物发生强烈的化学反应。2 0 0 4 年， 日本东京太学( u n i v e r s i t yo f t o k y o ) 的y o s h i d a l 3 2 j 设计了三段式连续超i 临界水气 化制氢反应器，该反应器由热解反应器、氧化反应器和接触反应器组成。实验详 细分析了各个反应器中所进行的化学反应，并且获得了最佳反应参数。在6 7 3 k 、 2 5 1 7 m p a 、停留时间为6 0 s 的条件下，碳的气化效率为9 6 ，产生的气体主要 为氢气和二氧化碳，其中氢气的体积分数约为5 7 。 f光合生物制氢 生物方法j发酵细菌制氢 ll 光合生物与发酵细菌的混合培养制 主要污泥制氢技术 ii 氢 i 污泥高温气化产氢 l 污泥超临界水气化制氢 图1 - 1 污泥制氢技术一览表 1 2 3 5 污泥制吸附剂技术 近年来，一些学者研究发现，来源于污泥热解的衍生材料可以作为很好的 吸附剂1 3 3 4 0 1 。我国的学者吴键1 4 1 l ，马志毅等人f 4 2 1 也从污水污泥中制取了吸附材 料。日本以脱水污泥滤饼为原料，开发出了高性能活性炭在5 0 0 6 0 0 下碳 化脱水，经酸洗除杂质，再用碱活化。该法制得的活性炭其细孔的比表面积是 市售品的1 1 8 倍以上，吸附能力大大增强【4 引。如污泥中含有重金属，则制备的 7 吸附剂不但具有吸附作用，同时也是良好的催化剂。污泥制取吸附剂的途径主 要有干化一化学活化一烘干一热解、直接热解一物理活化和空气中氧化三种， 针对不同的污泥、所制吸附剂的不同用途，可相应采用不同的制取方法，而不 同的制取方法所产生的吸附剂的性能差别很大。影响吸附剂性能的主要因素有： 活化药剂的种类、浓度、热解时间、热解温度、活化温度等。 1 - 2 4 小结 1 2 4 1 研究污泥处置的意义 尽管对污泥的处理与处置方法多种多样，总的来说，其目的都是在保护生 态环境的前提下，在经济、技术条件允许的条件下，尽量减少污泥的产生，防 止污泥对环境的污染。其解决途径主要表现为污泥的减量化、无害化和资源化， 解决方法可概括为物理处理减量技术、化学处理减量技术、生物处理减量技术 和组合处理以及各种污泥的资源化利用技术等。各种污泥减量工艺效果比较见 表2 3 。但最主要的还是应当从源头抓起，在生产和生活过程中，改进生产工 艺和提高节水意识，坚持清洁生产方向，尽量少排污水和垃圾，从根本上减少 污泥的产生。 1 2 4 2 目前污泥处置方法存在的主要问题 在1 2 传统污泥处置方法及研究进展一节中介绍了若干种已经投入使用和 正处在研究阶段的污泥减量和处置方法，但是这些方法主要是利用物理和化学 原理，对污泥进行再加工，使污泥形态转化，因而具有各自的缺陷和局限性， 主要表现如下： 传统的污泥处置方法其弊端已经广被世人认知，如上文中介绍的焚烧、 填埋、投海和堆肥等，如果控制措施稍有漏洞，对大气、地下水和土壤都会造成 严重的污染，而且污染源很难控制，在几十年内都无法得到治理； 有些虽然在实验室阶段效果很好，但在实际中难以推广或应用效果欠佳， 如利用生物捕食或微生物强化，在实际中很难控制反应条件与实验阶段相同或相 仿，毕竟一般大型污水处理设施均设在户外，气候变化复杂，当反应器内的微生 物出现异常后会立即影响反应效果，而且重新启用要经过一段很长的培养期，因 而限制了此类处理方法的推广； 在污泥的资源化利用中，如污泥制砖、制吸附剂和低温热解等技术，由 于污泥的含水率很高，在这些工艺中首先需要降低污泥的含水率，并且要求很低 的含水率水平，这就需要消耗大量的能量，同时在进行污泥形态转化时也需要消 耗能量，因而在经济性上，这将是一个限制这些工艺发展的瓶颈； 污泥处理和处置不完全。如污泥消化制沼气和制氢气，这类方法虽然可 以把污泥量降低到一定程度，并且可以回收消化气作为能源利用，但并不能把污 泥完全消化掉，同时还需要建立庞大的处理构筑物和一整套附属设施，配备相关 的维护人员，等于在建污水处理厂时再建一个污泥处理厂，增加了污水处理投资 费用； 在利用化学方法处理污泥时，由于剩余活性污泥的成分复杂，不同的污 水处理厂污泥成分都不完全相同，投加的化学药剂在与污泥反应时人们难以分析 和控制其反应产物有时即使是同一污水处理厂由于不同时间段进水情况有变 化，剩余污泥中的成分也不完全相同，因而在化学反应后的残留物中可能含有更 加有毒有害的物质，形成更大的污染源。 表1 - 3 污泥减量工艺一览表1 4 4 1 分类 减量化工艺废水规模及来源减量效果出水水质状况 热处理 蒸汽加热【4 5 i大规模：生活污水5 0 出水水质稳定性较好 物 理 热+ 碱2 0 m i n 4 6 i小试：人工废水3 8 2 方 热+ 碱2 0 r a i n t 4 7 i 小试：人工废水 6 0 p ；t