活性污泥减量化研究开题报告

1目标和意义选题背景1.1.1污泥处理现实状况伴随当代污水处理设施普及、处理率提升和处理程度深化，污水处理厂剩下污泥产生量将有较大增加，由此引发二次污染问题日益严重。污水生化处理本质是以污水中呈胶体和溶解状态有机物作为微生物营养起源，将其转化为二氧化碳、水和生物物质，而过量生物物质组成了生化处理产生剩下污泥。剩下污泥属于固体废弃物，含有大量有毒有害物质及未稳定化有机物质，假如没有得到适当处置，排放后会对环境造成严重污染。污泥量通常占污水量0.3%~0.5%(体积)或者约为污水处理量1%~2%(质量)，假如深度处理，污泥量会增加0.5~1倍。现在，世界上超出90%城市污水处都采取活性污泥法，这么愈加大了污泥处理量。据统计，现在我国城市污水年排放量为414亿m3，二级处理率达成15%，污泥产生量大约为1500万吨。用现阶段常规污泥处理系统(不包含最终处置)建造大中型污水处理厂污泥处理工程所花费资金，约占二级处理厂全部费用40%，这对于我国现在经济发展是一笔巨大负担。现在污泥惯用处理和处置方法如表1.1：表1.1 惯用污泥处理和处置方法处理方法应用情况土地填埋运行成本低，但需有大面积可供填埋土地，易造成地下水污染焚烧可靠有效，但基建投资和运行费用较高制作建材制作砖、瓦、水泥原料、路面和路基材料等海洋处置用于沿海城市，易对海洋环境造成污染农田利用用作农肥，但需控制重金属、有毒有害物质和难降解具备生物积累性化合物对农作物危害不论进行污泥利用还是填埋处置，污泥处理最终目标与其余废弃物处理一样，都是以减量化、无害化、资源化为标准。但惯用污泥处理方法都存在着缺点，为了完善这些缺点，污泥减量技术就产生了。1.1.2臭氧氧化污泥减量技术现在，污泥破解方法有物理方法，化学方法以及生物方法。物理污泥破解方法包含：加热法和机械法。化学污泥破解方法包含：热化学法，臭氧氧化法和氯气氧化法。生物污泥破解法是指投加能分泌胞外酶细菌，也能够直接投加酶抑制剂或抗菌素对微生物进行污泥破解。其中，利用臭氧实现污泥减量化就是一个主要污泥减量伎俩。在各种污泥减量方法中,臭氧氧化法具备效率高、能耗低特点,并能实现污水处理厂污泥零排放,而且曝气池中也没有惰性物质过量累积,可使MLVSS/MLSS值从运行早期0.87降到0.81。臭氧具备强氧化性，被广泛用于污水处理厂中以提升污水生物降解能力，臭氧是强细胞溶解剂，能够强化细菌隐性生长，增大细胞衰减速率，降低剩下污泥产量，它可与污泥中化合物发生直接反应或间接反应,这两种反应是同时进行。图1.1臭氧在水中反应机理间接反应首先臭氧分解形成羟基自由基为主一系列次生氧化剂，链引发剂如OH-等会加速此步反应，而后羟基自由基无选择性地与溶解物发生快速反应(K=108~1010L/mol.s)。在臭氧分解生成羟基自由基OH.后，OH·可与有机物发生电子转移反应，抽氢反应和羟基加成反应，从而达成降解有机物目标。直接反应臭氧分子具备偶极性、亲核性和亲电性，这三种性质决定了臭氧直接氧化有机物反应机理。其中包含：环加成反应，亲核反应和亲电反应。鉴于此，广大环境科学工作者不停对此法进行改进，试图找出最优臭氧氧化污泥减量技术。1.2选题技术现实状况在90年代早期，日本就开始了利用臭氧氧化技术进行污泥减量研究，1994年日本Yasui等人就正式提出了臭氧氧化污泥减量工艺。而后进行了从小试至工业化规模处理不一样废水一系列工艺可行性研究，在出水水质没有显著恶化前提下，该工艺能做到污泥零排放。在连续了10各月左右工业化规模处理制药废水试验中，在550Kg/dBOD负荷下，投加臭氧0.015Kg/KgSS时，经过臭氧氧化和生化处理，臭氧化处理污泥中约1/3能够被矿化，臭氧处理污泥量达成预计剩下污泥量3.3倍时，活性污泥系统无剩下污泥排放。因为零污泥排放，进水中所含部分无机固体在反应器内累积，污泥中有机物百分比在运行期间从85%降至75%，从而使得污泥SVI值较传统活性污泥法低。可行性研究表明该工艺不但在技术上可行，而且运行成本仅为传统污泥处理处置工艺(污泥卫生填埋处置)47%。在此研究基础上，Sakai将此技术应用于日本Shima污水处理厂450m3/d城市污水活性污泥处理系统中。臭氧投加量为0.034kg/kgSS时，处理污泥量为预计剩下污泥量4倍时，可做到剩下污泥完全减量。经过五个月无剩下污泥排放运行，进水中30%无机物在污泥中积累，但没有观察到惰性有机物积累。出水水质除SS比未经臭氧处理时高2~15mg/L，其余指标均无显著改变。而后，Skataywni等人在AO工艺中增加了臭氧破解污泥和磷回收工序。Song等人将膜生物反应器与臭氧破解污泥技术相结合，Muller等人又将各种不一样机械法与臭氧氧化法等污泥破解技术进行了比较，发觉臭氧氧化法能够达成最好污泥破解效果。这为臭氧氧化污泥减量奠定了坚实基础。在我国，哈尔滨大学王琳研究表明，在臭氧氧化过程中，污泥中蛋白质含量降低靠近90%，SVI值较平稳，污泥沉淀性能良好。苏州科技学院环境科学与工程系金瑞洪进行了臭氧对活性污泥特征影响研究，认为活性污泥经过臭氧化，污泥浓度降低且污泥活性下降。其中臭氧投加量低于0.19O3/gSS时污泥活性即大幅下降，而后污泥浓度才伴随臭氧量增加而显著降低。1.3选题意义因为社会生产力发展，工业化程度加大，人口数量日益增大，人类居住生活日趋集中，生活生产污水排放量也日益增大。在未来生活中，污水处理厂剩下污泥也将变成新环境问题，怎样找到科学、经济、有效路径来降低污泥对人类危害是我们科研人员要处理问题，同时也是我们研究主要目标。臭氧氧化污泥减量技术将生物与化学处理技术相结合，既能发挥传统活性污泥法专长，又结合臭氧强氧化性特点，能有效降解污泥，经济、实用，便于操作管理，有远期效益。污泥减量化研究适应了污水处理系统实现良性运行、预防污水处理出现二次污染，使污水治理更具备环境效益需要。2主要研究内容利用臭氧实现污泥减量是一个较为有效可行污泥减量方法，这一点经被实践所证实，而污泥减量化是建立在保持污水处理系统性能稳定基础上，在利用臭氧氧化剩下污泥同时，需要研究污泥减量工艺对于污水处理系统性能影响。为了深入探索臭氧在污泥减量过程作用机理，寻求更经济可行应用方案，本论文将从下面几个方面进行探讨:1.臭氧化污泥减量机理;2.研究不一样臭氧投加量、臭氧浓度、pH对臭氧破解效果影响，以及处理前后污泥性状改变，分析不一样处理条件对污泥破解效果影响;3.分析臭氧破解污泥反应机理。在试验数据基础上，利用多元线性.回归方法。4水处理系统稳定性分析5.经过试验考查其在活性污泥系统中可生化性，对臭氧氧化污泥减量技术可行性进行分析。3设计技术路线污泥污泥污泥破解试验不一样处理条件对破解影响臭氧氧化前后污泥性状改变确定关键影响原因确定臭氧处理程度臭氧氧化污泥减量系统可行性分析臭氧化反应产物分析臭氧氧化污泥破解机理水处理系统稳定性分析4设计时间安排毕业设计时间安排如表4.1所表示：表4.1毕业设计时间安排时间内容-3-8至-3-21资料查找并完成开题汇报-3-22至-4-4完成试验仪器购置，为试验做好前期准备。-4-5至-5-4单一变量法对影响试验各种原因进行研究-5-5至-5-15活性污泥减量化工艺对于水质特征影响-5-16至-6-2工艺过程性能优化-6-3至-6-18论文撰写已经有参考文件：[1]金瑞洪,NGWunJern.臭氧应用与SBR剩下污泥减量研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),,36(2):239-245[2]何圣兵,薛罡,王宝贞.污泥臭氧化减量技术影响因子[J].城市环境与城市生态,,18(3):20-22[3]孙德栋,王琳,黄海萍.利用臭氧氧化实现污泥减量[J].水处理技术,,32(6):48-51[4]汪启光.污泥臭氧破解及其减量机理与效能研究[D]，浙江：浙江大学环境与资源学院环境工程系，.5[5]王琳，王宝贞，张相忠.利用臭氧氧化实现污泥减量[J].中国给排水，，19(5):38-40[6]洪荷芳.臭氧-高效复合菌污泥减量新技术研究[D],四川：四川大学环境工程学,.4[7]杜汪洋.低浓度臭氧-生化法在活性污泥减量中试验研究[D]，合肥：合肥工业大学环境工程，.5[8]徐新华，赵伟荣.水域废水臭氧处理[M],北京：化学工业出版社，[9]FernandoJ.Beltran.OzoneReactionKineticsforWaterandWastewaterSystems[M],CRCPressLLC,小议污泥能源化利用前提条件——德国汉堡污泥消化发电干化焚烧项目标数据解读

德国汉堡在Koehlbrandhoeft污水处理厂内建设了一个包含厌氧消化、沼气发电、污泥干化、污泥焚烧在内多个工艺组合能源化综合利用项目，从概念上看是十分先进，国内已经有多篇介绍。本文依照这些文章所提供数据，结合汉堡公用排水企业（HamburgPublicSewageCompany）在年报等公开出版物中基础数据，试图对这一十分复杂项目进行一个量化解读。

一、基本情况依照MathiasLöser在布拉格大学（）讲课统计（WasteWaterTreatmentinHamburg），汉堡污水处理及其污泥处置主要情况以下：汉堡人口约170万，有两座污水处理厂（KöhlbrandhöftandDradenau），设计处理能力为180万加上相当于40万人口当量工业或商业污水。日处理污水量约45万立方米，年均1.4亿立方米。污水产生污泥，首先采取10座、单体容积8000立方米蛋形消化器进行中温（35度）处理，有机质降解率约50%，产生沼气约84000立方米/日，消化对象也包含每年大约26000吨来自其它污水厂污泥和有机废物。消化后污泥经机械脱水，从含水率97%降为80%，然后采取热干化，从80%降至58%。1997年底建设了污泥焚烧装置，该装置除处理干化污泥外，也焚烧大约17000吨外来废物。依照HSE（汉堡排水企业）年报，处理污水量1.455亿立方米，为1.443亿立方米，分别产生污泥干固体44110和45130吨。污水厂年耗电1.19亿度，项目发电可满足自用电65%，所需热量0.87亿千瓦亦可从污泥中取得65%，此能源自足率在德国处于领先位置。依照汉堡城市排水企业R.D.Thierbach等《汉堡Koehlbrandhoeft污水处理厂对沼气和污泥焚烧能源利用》一文介绍（卢志等在《中国给水排水》.5上发论文《德国汉堡污水处理厂污泥循环处理模式探讨》与该文基本相同），该项目可满足用电量60%和热量100%。消化后污泥含水率约为96.7％，离心脱水后含水率为78％，然后在蒸汽加热干化机中干化到含水率为58％。沼气用于发电，燃气轮机发电装机量为4950kWh，高温烟气经冷却锅炉产生蒸汽，蒸汽首先用于发电，然后抽出部分0.7MPa蒸汽用于污泥干化。污泥焚烧炉产生蒸汽（4MPa400度）与前述蒸汽是采取同一台2MW蒸汽涡轮发电机进行发电。干化系统为三流，两用一备，每流各两台干化机。流化床焚烧炉亦为两用一备。经过干化后污泥量约为100000吨/年，进行焚烧处理栅渣（含固率20-35%）约6000吨。沼气产量74000立方米/日，燃气轮机发电4.95MW，冷却锅炉产蒸汽量22吨/时，流化床焚烧炉产蒸汽量9吨/时，年发电量63000MW。依照给出物料平衡表，进入消化罐生污泥185tds/d，消化后为115tds/d，即70tds/d转化为沼气。115tds/d中有7tds/d随上清液回流至污水厂，这么实际脱水污泥为108tds/d。发电效率约20-22%。依照给出能量平衡图，生污泥和栅渣总能量为34MW，其中生成沼气18MW，进入焚烧系统能量为16MW。沼气18MW中，烟气和辐射损失4.4MW，发电4.8MW，产生蒸汽8.8MW。进入焚烧炉16MW中，产生蒸汽约12MW，烟气和辐射损失4MW。这么，在总蒸汽20.8MW中，发电2.5MW，透平冷凝损失10.3MW，抽汽用于干化8MW。在用于干化8MW中，6.5MW可回收热水，用于办公楼和消化加热，冷凝和辐射损失1.5MW。

二、数据辨析

1、污泥量依照给出干化后含固率42%、污泥量100000t/a、每日275t/d计，此项目所考虑运行日数可能为100000/275=364天。以年栅渣6000干吨计，每日栅渣量为6000/364=16.5干吨，与给出16tds/d栅渣量基本相符。但一篇文章中给出275tds/d污泥量数据与物料平衡图中185tds/d相差太大，也与年报中数字相差太大，在这里有必要做个简单判断。依照水量和污泥干固体量可知，当年日均污水处理量为1.443*108/364/104=39.7万立方米/日，万吨污水湿泥产量为15.3吨（以含固率20%计）。假如日产污泥275tds/d话，万吨污水湿泥产量为34.7吨。假如是185tds/d话，万吨污水湿泥产量为23.3吨。依照年报中所提及处理外来污泥量26000tds/d，笔者认为物料平衡图中给出185tds/d可能最靠近项目标设计值，而275tds/d数不知何据。所以本文以185tds/d为依据进行反推。

2、发电量蒸汽系统图中给出了5.2MW蒸汽发电量。但同一篇文件，给出实际蒸汽汽轮机设计值是2MWel。依照发电总量63000MWh/a考虑，发电装机量应为63000/364/24=7.2MWh，但依照给出沼气燃气轮机4.95MW和蒸汽轮机2MW看，实际装机量为6.95MWh。按照实际装机看，年实际发电量应为60655MW，与给出63000MW还比较靠近。所以笔者认为蒸汽系统图中5.2MW应该是热能数据。

3、干化蒸汽量以干化所需循环蒸汽10t/a计，循环量为10/364/24=13.75t/d。以108tds/d干化处理量考虑，从22%含固率干化至42%，需要蒸发9749kg/h水，按照4台干化机运行考虑，单机蒸发量2437kg/h。依照热平衡图给出干化需热量8MWh计算，则升水蒸发量净热耗为706kcal/kg。这一数值也比较靠近实际。这么，每千克用于干化蒸汽实际吸热量为8MW*1000*860/13750=500kcal/kg。升水蒸发量蒸汽耗为13750/9749=1.41kg/kg。

4、沼气产率 按照10个消化池、单体有效容积8000立方米计算，74000立方米沼气量，相当于池容产气率为0.925m3/m3，已属于很高水平（高碑店设计值0.425，实际0.2左右）。 假如按照设计值，挥发性有机质降解率取0.5话，该项目实现有机质降解70tds/d，意味着入消化器干基有机质含量高达76%！（70/0.5/185=76%）

5、污泥和栅渣干基发烧量已知入炉干化污泥和栅渣干固体量分别为4504和688kg/h，总发烧量16MW，则这种混合燃料平均干基热值为16*1000*860/(4504+688)=2650kcal/kg.ds。假如假设污泥厌氧消化后干基热值为2600kcal/kg，则栅渣热值就相当于2981kcal/kg。从焚烧角度看，平均干基热值在2650kcal/kg污泥及栅渣，在含固率40%左右时是完全能够实现良好自持燃烧。

6、废弃物平均热值 假如不进行厌氧消化，沼气18MW能量仍考虑在污泥中，此项目所处理总干固体量为8108kg.ds/h，能量为34MW，则废弃物平均干基热值为3606kcal/kg.ds。

7、发电机热效率 以燃气发电机装机量4950kWh、消耗热量18MW计，燃气发电机热效率为4.95/18=27.5%。这一数值与现在经典燃气发电35-40%热效率相比，显得较低，但其功效还在于产生大量蒸汽用于发电和供热。蒸汽发电形式相当于背压抽汽机组，其发电热效率较高，约为38.5%。

8、自用电满足率 依照年报，项目所在污水处理厂电耗为1.19亿度/年，相当于每小时电耗13635kWh。假如确如年报或文件所言，该项目发电量应可满足本厂60-65%需求，则需产电8.2MW以上，而实际只有6.95MW。显然，年报和介绍材料中数据还是略显乐观了些。 笔者认为，这个项目给出自用电满足率是没有什么参考意义，因为其它起源污泥、栅渣、其它有机废物占有主要百分比。

9、脱水污泥收率 依照脱水前干基固体量115tds/d、脱水后干基固体量108tds/d考虑，固体收率为94%。

三、经济分析经过对技术数据辨析能够确认，该项目所公布数据是基本靠谱。经过这些技术数据，结合国内造价和成本，应该能够大致判断此项目假如在国内实施投资和成本概念。

1、

参考污泥量对污泥处理处置成本进行比较，需要一个共同基点，这个基点我们选择为未经消化、经过脱水所形成含固率20%湿泥。在汉堡项目中，消化前干固体量为185tds/d，按照机械脱水固体收率94%计算，可取得含固率20%脱水污泥870吨/日。

2、

电能产值以实际发电量6950kWh计算，假设消化、脱硫、发电、脱水、干化、焚烧等各项设施自用电量占总发电量26%（笔者测算数据），电价以0.65元/千瓦考虑，则天天发电产值（可对外销售）为80231元/日。折合吨湿泥产值（不考虑栅渣）92元。

3、

人员和药剂成本此项目组成极为复杂，运行难度较大，假设消化（含脱硫、发电）、脱水和干化、焚烧三大系统总运行人数为30人，人均年薪4万元，则人员成本为3300元/日。考虑到沼气脱硫、机械脱水、焚烧烟气处理均需要大量化学药剂，以吨污泥25元考虑，每日药剂成本最低为27138元。

4、

投资假设消化部分投资40万元/吨湿泥（参考上一篇《国内污泥厌氧消化装置停运或运行不良原因浅析》），干化投资25万元（注意，不含备用，干化入口湿泥处理量491吨/日，已去掉了消化降解部分），焚烧投资40万元（也不含备用），不考虑其它成本（如土建、安装、税费等），则一个类似项目在中国实施投资最低在66719万元，折合吨湿泥平均投资77万元。

5、

维护成本考虑维护成本为投资2.5%，则每日维护费为45869元。

6、

总直接处理成本上述直接成本（人员、药剂、维护）之和为70907元/日，折合82元/吨湿泥。未考虑焚烧灰渣处置成本。

7、

折旧及财务成本考虑年利率5.94%、还款付息期，则折旧和财务成本为150259元/日，相当于每吨湿泥173元。总结一下，该项目靠污泥厌氧消化产电，可产生一定收入，甚至可高于整个项目标直接运行成本，但假如考虑折旧话，这类项目依然有着很高成本负担。即，假如处理费不高于162元/吨湿泥，运行商一定是赔本。就投资而言，此项目对于一个处理规模仅39.7万立方米/日污水厂来说，泥区投资假如折合到吨水里，需要1681元/立方米·日，已远远高于现在国内市政污水厂1000元/立方米·日造价水平。

四、结语

汉堡项目可能是我所见到国外污泥处置项目中，能源利