污泥有机物减量与生物资源化研究

1 污泥生物资源化研究进展 2 污泥是污水处理的副产物 是一种由有机残片 细菌菌体 胶体 各种微生物以及有机 无机颗粒组成的极其复杂的非均质体 城市污泥的体积非常庞大 而且容易腐化发臭 如不加以处理 会对环境造成严重的污染 因此 如何合理的处理城市污泥以及污泥的资源化利用问题显得越来越重要 污泥的根本出路是资源化利用 3 污泥的分类及特性污泥来源于废水处理过程 按污水的处理方法 生物固体可分为四类 l 初沉污泥 指污水一级处理中产生的沉淀物 2 活性污泥 来自生化处理系统二次沉淀池的污泥 扣除回流到曝气池的那部分后 剩余的部分称为剩余活性污泥 3 消化污泥 生物污泥经厌氧消化处理后产生的污泥称为消化污泥 4 化学污泥 指化学强化一级处理 或三级处理 后产生的污泥 4 污泥的重要特性是 l 含有机物多 性质不稳定 易腐化发臭 2 有毒有害污染物的含量高 废水处理过程中许多有害物质富集到污泥中 3 含水率高 呈胶状结构 不易脱水 4 可用管道输送 5 含较多营养素 有肥效 6 含病原菌及寄生虫卵倒 5 污泥的处理污泥处理的标准主要包括污泥中各项有毒有害物质 pH值 污泥无害化 减量化 稳定化处理后各项指标值 处理后污泥的土地使用范围等 下图为国内外污水处理厂处理及处置的一般工艺流程 6 污泥资源化技术可直接用干化污泥制砖 或用污泥焚烧灰制砖 污泥制造纤维板是由污泥中的蛋白质经变性作用和一系列物化性质的改变后 与预处理过的废纤维一起压制而成 污泥中含有大量的灰分 铝 铁等成份 可作为生产建筑材料的添加剂 将污泥与石灰按1 1质量比混合 控制在一定的温度下焚烧4小时 可制得一种具有潜在价值的建筑材料 污泥制作吸附剂对于含碳较多的生化污泥 在一定的高温下 可通过化学途径将其制成吸附剂阴 例如 用剩余活性污泥为原料 添加一定的活化药品 隔绝空气 在一定的温度下炭化可得到活性炭 制成的活性炭对难处理的农药废水 C0D的去除率也可达到63 25 7 污泥用于林业地和城市园林绿化地的建设 污泥作为有机肥料用于林业地 城市园林绿化地等方面越来越多 污泥低温热解制油技术污泥热能的利用 污泥中含有大量的热值 因此在污水处理厂内设置消化池 利用产生的沼气来建立自给的发电站 或设置热能回收装置以部分的满足厂区需要是可行的 污泥还可以和粉煤以及其他添加剂混合制成污泥型煤 既可以作为型煤的粘结剂 而且可以充分发挥其热值 污泥制作饲料 污泥中含落大量有价值的蛋白质 脂肪酸等 据报道污泥中合有28 7 一40 9 粗蛋白 以氮基酸形式存在 蛋氨酸 苏氨酸为主 各氨基酸之间相对平衡是种非常好的饲料蛋白 污泥经过灭菌等过程 制成饲料来喂鱼或与其他饲料混合饲养鸡等 8 污泥减量化技术 解偶联剂的污泥减量化技术 好氧一厌级交替循环污泥减量化技术 生物捕食作用的污泥减量化技术等代谢是生物化学转化的总称 分为分解代谢和合成代谢 微生物学家认为 细胞产量和分解代谢产生的能量直接相关 但在某些条件下 如存在质子载体 重金属 异常温度和好氧 厌氧交替循环时 呼吸超过了ATP产量 即分解代谢和合成代谢解偶联 此时微生物能过量消耗底物 底物的消耗速率很高 解偶联剂能起到解偶联氧化磷酸化作用 限制细胞捕获能量 从而抑制细胞的生长 故能减少污泥产量 解偶联剂其作用机理是该物质通过与H 的结合 降低细胞膜对H 的阻力 携带H 跨过细胞膜 使膜两侧的质子梯度降低 降低后的质子梯度不足以驱动ATP合酶合成ATP 从而减少了氧化磷酸化作用所合成的ATP量 如 TCS解偶联剂 3 3 4 5 四氯水杨酰苯胺 能有效降低剩余污泥产量 只要在反应器中保持TCS一定的浓度 就能降低剩余污泥的产率 9 10 活性污泥作为微生物菌种生物制备氢在新能源开发利用这一研究领域 氢是一种十分理想的载能体 它在燃烧时只在生成水 不产生任何污染物 与传统的能源物质相比 还具有能量密度高 热转化效率高 输送成本低等优点 所以 氢气作为一种理想的 绿色能源 发展前景十分光明 人们对氢能源开发利用技术的研究也一直在进行着不懈的努力 生物制氢技术在世界范围受到了极大重视 相关的理论和技术研究在世界各国科学工作者的努力下不断取得进展 11 其中利用驯化的活性污泥进行生物制氢可避免利用纯菌种所必须的纯菌分离 扩大培养 接种及固定化等一系列配套技术和设备可大幅度降低生物制氢的成本 同时也使生产工艺变得简单和易于操作 而且除了目前研究较多的利用有机废水外 活性污泥还可以利用生物质等可再生资源 使得农业副产品和废弃物得到了很好的利用 因此发酵法生物制氢技术是一种有着广阔前景的能源制备技术 12 厌氧发酵制氢的几种途径1EMP途径中的丙酮酸脱梭产氢发酵细菌体内缺乏完整的呼吸链电子传递体系 发酵过程中通过脱氢及作用所产生的 过剩 电子 必须有适当的途径得到 释放 使物质的氧化与还原过程保持平衡 以保证代谢过程的顺利进行 通过发酵途径直接产生分子氢 是某些微生物为解决氧化还原过程中产生的 过剩 电子所采取的一种调节机制 能够产生分子氢的微生物必然含有氢化酶 而且需要铁氧还蛋白的共同参与 产氢产酸发酵细菌一般含有SFe铁氧还蛋白 这种铁硫蛋白首先在巴氏梭状芽抱杆菌中发现 13 产氢产酸发酵细菌 包括螺旋体属 的直接产氢过程均发生于丙酮酸脱梭作用中 可分为两种方式 梭状芽抱杆菌型 丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶作用下脱梭 形成硫胺素焦磷酸一酶复合物 同时将电子转移给铁氧还蛋白 还原的铁氧还蛋白经铁氧还蛋白氢化酶作用产生分子氢 14 肠道杆菌型 此型中 丙酮酸脱梭后形成甲酸 然后甲酸的一部分或全部转化为氢和CO2 15 2 NADH H 的氧化还原平衡调节产氢 16 3 产氢产乙酸菌的产氢作用产氢产乙酸细菌可能是严格厌氧菌或是兼性厌氧菌 目前只有少数被分离出来 以下是几个例子 S 菌株可将乙醇转化为乙酸和分子氢其反应如下 17 18 哈尔滨工业大学的任南琪教授等人 19 剩余活性污泥作为有机物资源生物制氢剩余活性污泥是城市污水生物处理过程中产生的副产物它的处理与处置问题日益受到关注 剩余污泥中含有丰富的有机物质如蛋白质 多糖类和脂肪类等 将这些有机物转化为可利用的能源是一种资源回收利用的有效途径目前现有的污泥厌氧处理大多是采用产甲烷发酵的方式 在此过程中 污泥发酵产氢产酸是其中的一个中间阶段 若能将此阶段稳定控制在产氢阶段 则可以在处理污泥的同时获取清洁能源 20 污泥合成生物可降解塑料PHAs 21 1 由PHB制成的一次性塑料制品 其废弃物在生态环境中很容易被土壤 活性污泥 江河湖泊以及海洋中存在的众多微生物如细菌 真菌和藻类等分解为CO2和H20 不污染环境 在农业上 可用PHB包埋杀虫剂 在秋 冬 春不同季节大面积控制冬小麦虫害 随着PHB的降解 药物的释放 可有效地控制害虫的发育与发展 PHB能与其它化学合成的降解性塑料相混融 从而改进PHB的物理特性 为在农 牧 渔业上大面积使用 并且避免严重的污染带来极大的好处 22 2 由于PHB具有良好的生物相容性 生物机体对PHB不象对其它材料那样具有强烈的排斥作用 在机体内容易被水解成单体户经基丁酸 最后通过酮代谢代谢成CO2和H2O 在医学上 可用作外科手术缝合线及药物控制释放体系的载体 利用PHB包覆压成微细状的药物 供静脉注射或口服 使药物在体内逐渐释放 延长药效 并使药效到达难以施药的部位 PHB可用作动物和人体组织的移植物 将其做成某些组织的支架植人体内 可制成骨科手术中的骨钉 骨棒等固定骨架材料 它具有增强作用 粗糙的表面可促进人体组织生长 其孔隙可供渗透和交换之用 当新的组织长出后 PHB逐渐降解 分解出的产物可被人体吸收 不会引起不良反应 23 3 由于PHB具有光学活性 每一个结构单元都有一个手性碳 可用于色谱分析 以分离光学异构体 单体可作为有机合成的原料 制备手性衍生物 4 由于PHB具有压电性 可制成压电制品 制造压力传感器 点火器 声学仪器和振荡发生器等 还可用作换能元件 尤其是生物体内的换能器 5 PHB具有阻挡气体的性质 C02和02只能缓慢扩散 适合做包装材料 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 污泥作为合成生物农药的原料 WaterResearch 2002 36 19 4850 4860 StudiesontheproductionofB thuringiensisbasedbiopesticidesusingwastewatersludgeasarawmaterial Thedecantedsludgewashomogenised pasteurisedat95 Cfor2handstoredat4 10 C Treatmentofwastewatersludge 36 Fig 1 Variationof a pH b viablecellcount VC and c viablesporecount VS ofB thuringiensisvar kurstakiinthreemedia 37 Fig 2 TimecourseofB thuringiensisvar kurstakiinthreesecondarysludgesobtainedfromdifferentwastewatertreatmentplants VCandVSinCUQS JQS andBLSsludge 20g l 38 Fig 4 EffectofsludgesolidsconcentrationongrowthofB thuringiensisvar kurstaki Thesludgesolidswereincreasedbytheadditionofdewateredsludge JQC inJQS 39 Wastewatersludgeasapotentialrawmaterialforantagonisticfungus Trichodermasp Roleofpre treatmentandsolidsconcentrationWaterResearch 2005 39 15 3587 3596 40 Sludgepre treatmentsTherawsludgewassubjectedtotwopre treatmentstypes a alkalinehydrolysis pHofamended respectiveSS sludge 150mlin500mlErlenmeyerflask wasraisedto10 25 0 01 andincubatedinarotaryshakerat30 1 C 200 5rpmfor24h b thermalalkalinehydrolysis pHoftheamendedsludgewasraisedto10 25 0 01followedbymicrowaveheatinginasamplepreparationsystemat140 1Cand30barpressurefor30min Thesepre treatmentconditionswerefoundtobeoptimumforsludge Themicrowavedevicewasequippedwithasetof6cylindricalTeflonvessels Thesevesselscanbesubjectedtoamaximumof300 Cand75bar ThepHofrawandpre treatedsludgeswasadjustedto6 0 01andweresterilizedat121 1 Cfor30min Inthisstu