污泥减量新工艺探讨.doc

污泥减量新工艺探讨活性污泥法是目前应用最广泛的污水生物处理工艺，但会产生大量剩余污泥对普通活性污泥法来说，初沉池产生的污泥量约为污水处理量的0.2%0.3%(污泥含水率为95%97%)，二沉池排出的剩余活性污泥量约为污水处理量的1%2%(污泥含水率为99.4%99.6%)从20世纪90年代开始，各种污泥减量化技术得到了迅速发展，目前可能应用于实践的新型污泥减量工艺主要有两段式好氧生物反应器1、投加解耦联剂、好氧-沉淀-厌氧工艺、回流污泥溶胞工艺等。 1 投加解耦联剂微生物正常情况下的分解代谢和合成代谢通过腺苷三磷酸(ATP)和腺苷二磷酸(ADP)之间的转化耦联在一起，即分解一定的底物，将有一定比例的生物体合成。但在特殊情况下，底物被氧化的同时，ATP不大量合成或者合成以后迅速由其他途径释放，这样细菌在正常分解底物的同时，自身合成速度减慢投加解耦联剂是实现这种代谢解耦联的方法之一。解耦联剂通常为脂溶性小分子物质且一般含有酸性基团，其作用机理是通过与H+的结合降低细胞膜对H+的阻力，携带H+跨过细胞膜，使膜两侧的质子浓度梯度降低。降低后的质子浓度梯度不足以驱动ATP合成酶合成ATP，从而减少了氧化磷酸化作用所合成的量，氧化过程中所产生的能量最终以热的形式被释放掉，从而降低剩余污泥产生量。Starand等2比较了12种解耦联剂，试验结果表明三氯苯酚(TCP)最有效。在试验开始阶段，投加的传统活性污泥工艺中污泥产率是不投加的50%;但80d后随着反应器内TCP水平的降低，污泥产率增加。Chen等3研究了3，3，4，5-四氯水杨酰苯胺(TCS)在活性污泥法中的减量效果。当TCS投加量为0.8/时污泥产率减少40%，而且没有影响底物的去除效率。当达到1.2mg/l时，没有影响到大肠杆菌个体大小和细胞分裂，但大肠杆菌的ATP含量和干密度有所减少。谢敏丽等4比较了4种解耦联剂(对氯酚、间氯酚、间硝基酚和邻硝基酚)，结果表明间氯酚在减少污泥产率方面是最有效的，同时对污水的处理效果影响较小，当间氯酚的浓度为20mg/l时污泥产率下降了86.9%，对的去除率下降了13.2%。投加解耦联剂减量剩余污泥的最大优势是不需要对现有污水处理工艺做大的改进，只需增设投药装置即可。但有关氧化磷酸化解耦联的机理还有许多不明之处，需要结合生物化学、分子生物学以及毒理学方面的方法和理论作进一步研究。目前解耦联剂在实际应用中存在以下问题:投加的解耦联剂在较长时间后由于微生物的驯化而被降解，从而失去解耦联作用;加入解耦联剂后虽然污泥的产量降低了，但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;目前试验中投加解耦联剂的量一般在1100/，用量很大，需要对运行费用作深入分析;解耦联剂通常是较难生物降解或对生物有较大毒性的化合物，微生物对解耦联剂的降解不完全有可能导致潜在的环境安全问题。2 好氧-沉淀-厌氧工艺好氧-沉淀-厌氧工艺(OSA，Oxic-Settling-Anaerobic)也是基于代谢解耦联理论的污泥减量工艺。其基本原理是，在常规活性污泥法的污泥回流过程中设置一个厌氧段，使微生物交替进入好氧和厌氧环境，细菌在好氧阶段所获ATP不能立即用于合成新的细胞，而是在厌氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗。微生物分解和合成代谢相对分离，而不像通常条件下紧密耦联，从而达到污泥减量的效果。工艺示意图见图1。图1 工艺示意图Chudoba等5发现OSA工艺比传统活性污泥工艺污泥产率降低20%65%，SVI值(60ml/g)也比传统活性污泥工艺的(200ml/g)低，即OSA工艺可改善污泥的沉降性能。同时，由于OSA的流程和除磷工艺流程相似，有利于除磷菌的生长，对磷的去除优于传统活性污泥法。也有研究者认为OSA系统污泥减量的原因不仅仅是能量解耦联，Chen等6发现在OSA系统中，当厌氧池中氧化还原电位 (ORP)保持在-250mV时，剩余污泥减量50%，对出水没有影响且污泥的沉降性能更好;他通过试验比较了能量解耦联、捕食者生长、微生物促进有机质溶解和污泥腐化破解等因素的影响，认为厌氧池中污泥腐化破解是促进OSA系统污泥产生量减少的主要原因。国内朱振超等7采用好氧-沉淀-兼氧活性污泥工艺使上海锦纶厂废水处理站的剩余污泥达到零排放。在传统活性污泥工艺中，污泥产量随着污泥负荷增加而增加，但在OSA工艺中污泥产量反而下降，而且OSA还可以改善污泥的脱水性能，增加除磷能力，因此OSA工艺可以应用在进水有机物浓度较高的条件下，具有较广阔的发展前景。OSA工艺的不足是水力停留时间较长(是常规活性污泥法的两倍)，而且需要设置厌氧段，增加了基建费用和占地面积。3 回流污泥溶胞工艺根据污水生物处理工艺中微生物的代谢特性污水中的有机物一部分被微生物分解提供其生命活动的能量，最终代谢为二氧化碳和水分等;另一部分用来增殖，将有机物转化为新的生物体。如果增长的生物体可以作为微生物的底物并重复上述代谢过程就可以减少污泥的产生量。微生物基于自身细胞溶解形成的二次基质的生长方式称之为隐性生长(Cryptic growth或Death-regeneration)。隐性生长过程包括溶胞和生长，其中污泥细胞自身的解体是污泥降解的限速步骤，可以利用各种物理、化学和生物方法加速这一步骤。这种方法在工程上便于实现，只要在回流污泥管路上增加溶胞系统即可。物理溶胞方法主要包括加热!机械破碎、超声破解等，其能耗较高，而且需要专门的设备，此外污泥菌体破解后，细胞壁碎片等生物难降解物进入污水中会引起出水中COD、SS有所增加8，同时由于系统排泥量减少，如果单位排泥中的氮磷含量保持不变，出水中的氮和磷会增加。化学溶胞方法包括臭氧溶胞、过氧乙酸溶胞、氯气溶胞等，其中臭氧研究最多。臭氧可以破坏细胞壁、细胞膜而使蛋白质、多聚糖、脂肪、核酸等从细胞中释放出来。Kamiya等9发现间歇式臭氧氧化效果优于连续式，间歇式操作时臭氧投加量为9.011.0mg/(gSSd)即可使污泥减量50%，而要达到同样的减量效果，连续式操作所需的臭氧投加量为30 mg/(gSSd).金瑞洪等10利用SBR和污泥臭氧化及回流装置组成污水处理系统，在当臭氧投加量为0.0gO3/gSS且污泥回流量为0.4l/(l.d)时，污泥观测产率可接近零，而且系统COD去除率、污泥沉降性能无明显变化。利用氯气对污泥进行减量的原理和臭氧相同，Saby等在氯的投加量为133mg/gMLSS时，污泥产生量减少了65%，但是污泥沉降性能恶化，同时出水含量增加。过氧乙酸(PAA)具有和臭氧相似的强氧化效果，而且价格低廉，产物无毒，易被微生物代谢，0.01%PAA溶液和污泥反应6h后，基本上不残留PAA和H2O2，其处理后的污泥混合液具有较好的生物可降解性。化学溶胞方法的缺点是:投药增加了系统的运行费用，而且对设备有一定的腐蚀作用; 系统去除氮磷的效果不好，出水SS浓度略高于传统活性污泥法，污泥沉降性能可能恶化; 长期无污泥排放时，污泥中重金属含量和传统活性污泥法相比有一定增加; 为了保证曝气池中生物对回流基质的利用，需要增加曝气量，相应的动力费用会增加; 溶胞过程有可能产生其他有机污染物，如氯气能够和污泥中的有机物产生反应，生成三氯甲烷(THMs)等氯代有机物，这是不容忽视的问题。生物溶胞方法是通过投加能分泌胞外酶的细菌或酶制剂和抗菌素对细菌进行溶胞。酶一方面能够溶解细胞，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，有利于细菌对二次基质的利用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。虽然生物溶胞方法环境友好，但是酶制剂或抗菌素费用昂贵。4 结语污泥产生量的不断增加给其后续处理处置带来了沉重压力，而且不恰当的处理还会造成二次污染，因此源削减是污泥处理的首要原则。新型污泥减量工艺的应用可以在保证污水处理效果的前提下大幅减少污泥的产生量，从而实现污水处理的可持续发展。然而这些工艺的机理和参数还有待于进一步研究，出水质量还有待于进一步提高，随着这些问题的逐步解决，污泥减量工艺将得到更广泛的应用。污泥热干化在美国的应用在美国东岸和西岸的污泥处理情况不尽相同。西岸的闲置土地较多，填埋的成本较低，污泥填埋处置的比例仍较高；东岸则由于填埋成本非常高，且污泥无法就近农田利用，所以人们为了生产出适合市场销售的污泥产品选择了热干化。污水处理厂将污泥热干化制成颗粒肥，既可装袋出售也可运往佛罗里达州的肥料厂和柑橘园。随着传统肥料市场对污泥肥的逐渐认同和相关产销条例的出台，热干化作为污泥处理利用的手段日益受到欢迎。 1 热干化的应用 污泥热干化设备在北美的应用情况见图11。 污泥热干化在美国的迅速发展始于20世纪90年代，且污泥热干化设备的使用基本集中于美国的东岸地区。热干化设备仅用于生产干固体，无论其最终出路是填埋还是市场销售，那些用于降低污泥含水率、最终污泥被焚烧的设备并未包括在内。 2 热干化技术的进展2 虽然污泥热干化早于20世纪40年代已有应用，但真正成熟地大规模应用于市政污泥处置是在90年代，在此之前多数的干化设备是为处理工业污泥设计的。相对于工业污泥而言，市政污泥中的水分较难蒸发，污泥易粘结，在干化过程中存在粘结相，湿污泥不稳定、储存时易消化产生沼气，干污泥和粉尘可燃、给生产和储存带来自燃和爆炸等安全隐患。经过10年的不断改进，其设备性能也逐步得到完善。2.1 直接加热干燥技术在1995年以前投入使用的18套设备中，有9套采用直接加热转鼓式干燥工艺，其中主要是由E nviroGrop研发的ESP工艺。ESP工艺的设备包括一个3通道式转鼓干燥器、燃气热风炉和干泥返混系统(包括筛网和粉碎机用于筛分和粉碎大颗粒，并将粉尘送回进料口与脱水污泥混合)。在返混过程中干污泥颗粒起着“晶核”的作用，湿污泥包裹在干泥颗粒外面形成大颗粒，并将进料的含水率降到30%40%，直接克服了污泥的粘结。由于只是外层的湿泥需要干燥，所以污泥的干燥性能得到改善，可得到稳定的球形颗粒产品。ESP工艺将热风导入转鼓，蒸发污泥中的水分并带走干颗粒。由于ESP系统的热风量大，尾气热氧化除臭处理的费用使污泥干化费用增加，这使人们逐渐将兴趣转向间接加热系统，后者的风量只需能把水蒸气带出干燥器即可，因而尾气量要小得多。该时期的18套设备中有6套间接加热系统，其中只有1套(Baltimore Back River 的Seghers干燥设备)带有干料返混系统，其余5套在实际运行中都遇到了由于污泥的粘结导致干燥器内部磨损严重和难以生产出颗粒产品的问题，有3套不久就停产了。2.2 尾气循环技术1995年1999年使用的17套设备中有8套为直接加热转鼓式干燥器，其中有5套采用了气体循 环再用技术(由Andritz公司和Swiss Combi公司引入美国)，另外3套采用了专利设计的转鼓 ，可增加干泥中的营养成分(BER工艺)。尽管BER工艺的经济可行性尚待论证，但以上这些技术都强有力地促进了热干化技术的发展。气体循环技术是将80%85%的尾气送回热风炉，其余的经再生热氧化器(RTO)处理后排放。新鲜空气和回用气流首先通过冷凝器(热气流被冷却而新鲜空气被预热)，再经过水洗塔除去 其中的水蒸气、粉尘和可冷凝的挥发性物质后返回热风炉，这样尾气量就大大减少了。气体循环回用的另一个好处是使转鼓中的氧气含量保持在10%以下，这是一个非常重要的安全参数。由于该技术的引入，原先间接加热系统尾气处理量少的技术优势被大大削弱了。早期的ESP设备也进行了技术改造，加装了气体循环装置。该时期同样值得注意的是适用于中小型污水处理厂的间接加热回转设备进入美国市场，另外还有两种将机械脱水和热干化连成一体的技术，它们是由Dry Vac Enviromental andTWI开发的真空过滤带式干燥系统和Humboldt开发的离心脱水干燥系统。2.3 蒸气为热源技术该时期值得注意的是以蒸气为热源的4套流化床干燥设备。由于4套流化床都带有干料返混系统，所以其产品的性状与转鼓式干燥器是相似的。该时期的11套设备中仍有4套为转鼓式干燥器，由此看来该技术仍将继续扮演重要角色，同时它也在向设备精、处理量大的方向发展。在美国Jacksonvill FL的新项目中计划安装产生蒸气能力达7m3/h的直接加热式转鼓DDS70，这将比美国现有最大干燥设备的处理能力还要大1/4。位于Shamokin PA的由Weston公司开发的Kvaemer干燥设备也值得关注，因为它将是第一套带有干料返混系统的间接加热式美国设备。干料返混系统已能成功生产出可以包装上市销售的生物固体产品。在不远的将来，预计将有越来越多的干燥设备(包括间接加热式)，会采用干料返混系统来改善最终产品的性状。 3 干化污泥的土地利用 在污泥处置中土地利用很有潜力。1993年美国环保署制订了USEPA503条例，规范了污泥的土地利用(见表1)。该条例除限制了农用污泥中有害重金属的含量外，还将污泥分成要求严格的A级和较宽松的B级。 表1 美国对农用污泥中重金属含量的限制 3 重金属B级(mg/kg)A级(mg/kg)施 用量kg/(hm2a)土壤(mg/kg)As75412.0Cd89391.9513Cr330001200150Cu4430015007550140Pb8403001550300Hg57170.8511.5Mo7575Ni420420213075Se100365Zn75002800140150300USEPA503中还对应用B级污泥的作物收成时间作了相应的规定，A级污泥则无此限制，而且可施用于花园、草地。在美国污泥干化后基本都作土地利用，现在有10%的耕地在施用污泥肥4。各地区根据市场的需求选择干化工艺，因为不同干化工