生物污泥的減量化研究

1、一、污泥減量化研究的意義一、污泥減量化研究的意義我國工業(yè)廢水的處理大多采用活性污泥法，它具有基建投資省、處理效果好的優(yōu)點，但它一直存在一個最大的弊端，那就是在運行過程中會產(chǎn)生大量的剩余污泥。剩余污泥通常含有相當量的有毒有害物質(zhì)及未穩(wěn)定化的有機物，如果不進行妥善的處理與處置，將會對環(huán)境造成直接或潛在的污染。在傳統(tǒng)活性污泥法中，每降解1kgBOD5(biochemical Oxygen Demand，五日生化需氧量)會產(chǎn)生大約15100 L的剩余污泥，用于處理或處置剩余污泥的費用約占污水處理總費用的25%65%。隨著一些新環(huán)境法的頒布和實施，對污水處理要求的深度和廣度都大幅增加，必然會導致剩余污泥

2、的產(chǎn)量越來越大，顯而易見，污泥的處理與處置將成為環(huán)境領(lǐng)域的一大難題。 目前對剩余污泥的處理與處置，存在有效性和經(jīng)濟性兩方面的問題，首先，尚無一種可以推而廣之同時對環(huán)境無污染的有效方法，常用的污泥處置方法有農(nóng)業(yè)利用、填埋、焚燒和投放遠洋等，但這些處置方法無一例外地都存在弊端。如污泥中重金屬的含量通常超過農(nóng)用污泥重金屬最高限量的規(guī)定，尤其是現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，使污泥中重金屬含量和有毒有害物質(zhì)增加，大大降低了農(nóng)用的可能。此外，污泥中還含有病原體、寄生蟲卵等，如果農(nóng)業(yè)利用不當，將對人類的健康造成嚴重的危害。填埋處置容易對地下水造成污染，同時大量占用土地。焚燒處置雖然可以使污泥體積大幅減小，且可滅菌，但

3、焚燒設備的投資和運行費用都比較大。投放遠洋雖然在短期內(nèi)可以避免海岸線及近海受到污染，但其長期危害可能非常嚴重，因此，已被世界上大多數(shù)國家所禁用。 其次，各種污泥處理與處置方法需要的資金巨大，如在歐美，污泥處理基建費用占污水處理廠總基建費用的比例高達6070%。隨著人們環(huán)保意識的增強，世界各國對于污泥排放所制定的標準越來越嚴格，這也將進一步加大污泥的處置費用和難度 剩余污泥的處理和處置不僅給污水處理廠帶來沉重的負擔，而且也成為各國政府和民眾密切關(guān)注的問題。因此，解決剩余污泥問題已迫在眉睫。污泥減量技術(shù)正是在這一背景下提出的，所謂污泥減量技術(shù)，就是在保證污水處理效果的前提下，采用適當?shù)拇胧┦固幚硐?/p>

4、同量的污水所產(chǎn)生的污泥量降低的各種技術(shù)，顯而易見，污泥減量化技術(shù)有著顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。 二、污泥減量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進展二、污泥減量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進展 活性污泥工藝是應用最廣泛的處理生活污水和工業(yè)廢水的方法, 但是它的一個主要缺點是污泥產(chǎn)量大, 典型的產(chǎn)泥率是0.5%。由于污泥中含有重金屬和病原體, 對人和生物的健康有危險, 限制了污泥的土地利用, 而可用土地也在逐漸減少, 污泥的最終處置越來越困難, 這使人們開始重視能減少污泥產(chǎn)量的處理工藝。最理想得方法是在污水處理過程中, 同時減少泥的產(chǎn)量, 而又不影響工藝的效果。污泥減量技術(shù)是指在保證污水處理效果的前提下, 采用適當措施使處

5、理相同量污水所產(chǎn)生污泥量降低的各種技術(shù)。過去的常規(guī)處理現(xiàn)在的技術(shù)改進將要實現(xiàn) 三、污泥減量化的幾種工藝三、污泥減量化的幾種工藝 目前用于污泥減量化的技術(shù)主要有三類，一類是基于細胞溶解(或分解)隱性生長的污泥減量技術(shù)；第二類是增加系統(tǒng)中細菌捕食者的數(shù)量，是模擬自然生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈原理進行的污泥減量化技術(shù)；還有一類是采用化學或生物方法促進解偶聯(lián)代謝，造成能量泄漏，從而使生物生長效率下降。 1 解偶聯(lián)技術(shù) 1.1解偶聯(lián)活性污泥工藝 大部分細菌從氧化磷酸化獲得ATP ,在這個過程中,電子通過電子運輸系統(tǒng)( ETS) 從高能量水平的電子源(底物) 轉(zhuǎn)移至最終電子受體(氧氣) 。按Mitchell 的觀

6、點,直接利用由電子運輸建立的質(zhì)子梯度分子被稱為質(zhì)子ATP 酶泵,它可被迫逆向運行。如果正向運行,泵可利用ATP 水解釋放的能量來驅(qū)動質(zhì)子穿過膜,但在產(chǎn)生ATP 的胞內(nèi)系統(tǒng)中,泵也可在由電子運輸產(chǎn)生的質(zhì)子梯度的作用下反向驅(qū)動。已知這種氧化磷酸化的化學滲透機制能被有機質(zhì)子載體有效地解偶聯(lián),如2 , 4 - 二硝基苯酚(dNP) 、對- 硝基苯(pNP) 、五氯酚( PCP) 和3 ,3,4,5 - 四氯水楊酰苯胺( TCS) 。在有機質(zhì)子載體存在下大部分底物被氧化為二氧化碳,而不是用于生物合成,所以在解偶聯(lián)活性污泥工藝中污泥產(chǎn)率很低。 基于上述原理,許多研究的重點在于開發(fā)解偶聯(lián)工藝以減少剩余污泥產(chǎn)

7、生。Low 等人 報道在實驗室規(guī)模的活性污泥系統(tǒng)中,當加入pNP 后生物量的產(chǎn)生可減少49 % ,當pNP 濃度達120 mg/ L 時無剩余污泥產(chǎn)生。應當指出,大部分有機質(zhì)子載體是非生物性的,對環(huán)境可能有毒,故應用要相當謹慎。TCS 是這些解偶聯(lián)劑中最安全可靠的,已被廣 泛用做肥皂、樹脂、香波等的配料。Cook 和Russell發(fā)現(xiàn),在含微生物的培養(yǎng)物中,大部分底物通過能量解偶聯(lián)氧化,而不是通過生物合成。在活性污泥的分批培養(yǎng)基中,Chen 等人也報道了在TCS 濃度為0. 8 mg/ L 時污泥生長率下降了78 % ,但對底物去除動力學并沒有重大影響。 可以確信,解偶聯(lián)生物化學過程的能量消耗

8、是一種減少活性污泥產(chǎn)生的有效途徑。Okey 和Stensel報道了由有機質(zhì)子載體誘導的能量解偶聯(lián)在Phoenix 和Arizona 污水處理廠的工業(yè)化運用,此技術(shù)的負效應是對氧氣的需求增大。純氧曝氣工藝和代謝解偶聯(lián)技術(shù)的聯(lián)合對于剩余污泥減量化將是一種創(chuàng)新而有效的生物技術(shù)。 1.2 高S0 /X0 比率 在高S0 /X0 (COD /生物量) 條件下, 存在過剩能源, 由于微生物在分解代謝中產(chǎn)生ATP 的速率要大于在合成代謝中消耗的速率。引起合成代謝和分解代謝的解偶聯(lián), 機理有兩種解釋: 1) 積累的能量通過粒子在細胞膜兩側(cè)的傳遞削弱了跨膜電勢, 隨后發(fā)生氧化磷酸化解偶聯(lián); 2) 生物體內(nèi)部新陳

9、代謝途徑中減少了糖酵解的過程。但是高S0 /X0 要求值大于8, 而實際生活污水S0 /X0 值是0.01 0.13 mgCOD /mgMLSS, 所以高S0 /X0 條件下的解偶聯(lián)技術(shù)還不能用于實際的污水處理。 1.3 改進活性污泥系統(tǒng)解偶聯(lián) 好氧- 沉淀- 厭氧(OSA) 是一種改進活性污泥系統(tǒng), 在污泥回流過程中插人厭氧池。使好氧微生物在好氧段所產(chǎn)生的ATP在底物缺乏的厭氧段被消耗不能用于細胞合成, 從而降低污泥產(chǎn)量。Chudoba報道應用OSA工藝污泥產(chǎn)量范圍是0.13 0.29 kg SS/kgCOD去除, COD、P去除率和污泥沉淀性能有所提高。而Saby則在氧化池中加入膜, 通過

10、試驗認為厭氧池氧化還原電位(ORP) 是控制參數(shù), 當ORP在-250 mV時污泥產(chǎn)量比+ 100 mV時減少35% 。 2 隱性生長 隱性生長是指細菌利用衰亡細菌所形成的二次基質(zhì)生長，整個過程包括了溶胞和生長。圖1-1表示傳統(tǒng)的細胞衰減模式，圖1-2表示細胞衰減的溶解再生長模式。這就需要利用各種溶胞技術(shù)，使細菌迅速死亡并分解為基質(zhì)再次被其他細菌所利用，從而使細胞殘留物減少。促進細胞溶解。在傳統(tǒng)模型中，可以認為是增大了細胞衰減速率，這樣可以降低剩余污泥的產(chǎn)量。目前有幾種方法促進微生物的細胞溶解：降低污泥負荷比例(提高污泥濃度)、增加污泥齡、提高溫度改變工藝運行操作方式的方法；采用臭氧、堿、酸等

11、化學處理方法；以及超聲波或機械破碎分解等物理處理方法。這幾種方法既可單獨使用，又可綜合使用。 2.1 生物反應器 膜生物反應器可以將生物污泥全部截留在反應器內(nèi), 延長了污泥停留時間, 由于污泥齡長, 能夠使原生動物和后生動物穩(wěn)定存在, 形成較長的微生物生態(tài)鏈, 使污泥達到自身氧化降解, 因而剩余污泥產(chǎn)量少, 甚至可以達到無剩余污泥排放。Rosenberger研究了膜生物反應器后發(fā)現(xiàn)在15 23 g/ l高污泥濃度和0.07 kgCOD ( kgMLSS) - 1 d-1低F /M比率的試驗條件下, 可以達到污泥產(chǎn)量的零排放。 吳敏等運行蚯蚓生物反應器發(fā)現(xiàn), 當水力負荷為5.3 6.6 m3 /

12、 (m2 d) 時, 蚯蚓生物反應器對生物膜污泥揮發(fā)性懸浮固體(VSS) 降解率為86.67% 96.20% , 蚯蚓的增殖和糞的積累在長期的生態(tài)循環(huán)中并不明顯。劉宏波等研究了自生動態(tài)膜生物反應器, 利用蠕蟲減少污泥產(chǎn)量, 發(fā)現(xiàn)能夠污泥濃度控制在4 000 mg/ l左右, 并改善污泥的沉降及脫水性能。 2.2 合建式曝氣池 此工藝是在常規(guī)活性污泥工藝( CAS) 中直接培養(yǎng)或接種原、后生動物。梁鵬等在合建式曝氣池中接種紅斑瓢體蟲, 發(fā)現(xiàn)污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)的相對減量值為39% 58% 之間, 污泥沉降性能良好, 同時對COD氨氮和TP的去除效果沒有明顯影響。白潤英等在合建式曝氣池中接種卷貝, 發(fā)

13、現(xiàn)卷貝對污泥的相對減量約為40% , 絕對減量為37.5 mgVSS/ (L*d), 對COD、氨氮和總磷的去除不會產(chǎn)生影響,對污泥沉降性能也影響不大。 2.3 臭氧處理 臭氧是強的化學氧化劑, 可以氧化細胞壁、細胞膜, 使破壞膜內(nèi)脂蛋白和脂多糖, 導致細胞溶解、死亡, 并且氧化污泥中不容易水解的大分子物質(zhì), 成為可以被生物利用的無機物, 同時部分污泥被臭氧直接氧化成CO2, NO32, H2O等無機物, 從而使污泥減量。Yasui等研究發(fā)現(xiàn), 當臭氧化回流污泥量是剩余污泥量的3.3倍, 臭氧投量為0.015 kgO3 /kgSS時, 基本上達到了剩余污泥的零排放。王嶸等將臭氧通入SBR反應器

14、中進行同步臭氧氧化。發(fā)現(xiàn)當臭氧投加量從零增加到0.04 O3 /gSS時污泥產(chǎn)率從0.45 gSS/gSCOD減少到-0.04 g SS/gSCOD; 對水水質(zhì)沒有顯著影響。 污泥臭氧化減量技術(shù)很容易和現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)進行結(jié)合使用, 經(jīng)臭氧化后的污泥回流至反應器中能提高系統(tǒng)的反硝化能力, 并改善了污泥的沉降性能, 但是存在自處理成本高, 出水水質(zhì)變差, 特別是出水中N、P含量高等問題, 限制了應用。 2.4 超聲波 超聲波降解污泥主要利用聲波的能量。在液體中產(chǎn)生空化作用, 形成大量空化氣泡, 瞬間破滅時產(chǎn)生高溫( 5000 K)、高壓( 500 104 ), 同時液體中會產(chǎn)生剪切力很高的射流

15、( 40 km /h) , 可以壓碎細胞壁、釋放細胞內(nèi)含物。超聲波可以提高沼氣產(chǎn)率, Clark研究發(fā)現(xiàn)在15 d的發(fā)酵時間下, 超聲波預處理2d可以提高沼氣產(chǎn)量61% , 而在12 d發(fā)酵時, 幾乎沒有變化。 而曹秀芹等發(fā)現(xiàn)在聲能密度0.25 0.50W /ml范圍內(nèi), 處理1 30m in, 剩余污泥產(chǎn)量可以減20% 50% 左右。目前, 關(guān)于污泥超聲減量化的研究主要在于超聲條件對促進污泥厭氧和好氧減量化的影響, 以及超聲對污泥的物理、化學和生物性質(zhì)的影響, 對動力學和實際運行參數(shù)有待進一步研究。 2.5 堿解 在污泥厭氧消化前向污泥中投加堿進行預處理可使固體有機質(zhì)溶解, 并且消化過程中的

16、產(chǎn)氣量以及對有機碳和VSS的去除率也隨之提高。楊潔等研究了污泥堿解的預處理方法, 發(fā)現(xiàn)在投堿量為1 gNaOH /gTS的情況下, 揮發(fā)性懸浮固體的分解率可達62.05% 。Rocher等研究比較了熱處理、酸、堿對細胞溶解的影響, 發(fā)現(xiàn)在pH = 10和60 時, 經(jīng)過20min, 污泥產(chǎn)率是常規(guī)工藝的38% 43% 。 3 其它減量方法 3.1淹沒式生物膜法 通過在污水反應池中投加填料, 利用在填料上生長的生物膜進行污泥減量處理。王寶貞等在設計使用了淹沒式生物膜曝氣池生物工藝, 在運行一年中沒有剩余污泥的產(chǎn)生和排放。仉春花和肖仲斌等進行了試驗研究, 發(fā)現(xiàn)可以較好的降低污泥產(chǎn)量。 3.2 二氧

17、化氯氧化 其原理與臭氧相似, 通過強氧化作用破壞細胞并氧化污泥。傅金祥等試驗后發(fā)現(xiàn)每g干污泥投加10.0mgClO2 能使活性污泥處理系統(tǒng)1個月不排泥, 但是出水色度、濁度、COD有所升高。 3.3 接種酶或生物制劑 接種嗜熱酶或者生物制劑, 與原有的活性污泥結(jié)合進行處理。趙維納等在剩余污泥中接種了嗜熱菌的馴化種泥, 發(fā)現(xiàn)在65 , 處理120 h后, TSS和VSS的最大溶解率可分別提達31.94%和48.04% 。李俊等使用MCMP生物制劑在某污水廠進行生產(chǎn)性試驗后, 系統(tǒng)運行6個月沒有外排污泥。 4剩余污泥減量化可能產(chǎn)生的負面影響 剩余污泥的減量化可以降低污泥處理與處置的費用，提高運行效

18、率和降低污泥處置的環(huán)境風險等，但也可能產(chǎn)生其他一些經(jīng)濟、運行和環(huán)境問題，必須加以考慮。 4.1污泥的沉降性能 傳統(tǒng)混合曝氣工藝例如活性污泥工藝，要求污泥絮體具有良好的沉降性，以保證出水質(zhì)量和濃厚的回流污泥，提高曝氣池中的污泥濃度。污泥種群動力學和表面化學極大地影響了反應器的這些運行性能。污泥沉降性的改變是與微生物中絮體形成細菌和絲狀菌之間的平衡相關(guān)。胞外多聚體的和陽離子濃度也與沉降性有關(guān)。采用污泥減量化技術(shù)可能對不同種類生物的生長速率影響不同，從而改變種群動力學。種群動力學的改變反過來也可能對污泥的沉降性產(chǎn)生不利影響，如凝絮能力差、絲狀菌繁殖導致污泥膨脹。因此對混合微生物種群進行脅迫作用時，必

19、須謹慎對待以確保出水質(zhì)量和工藝的運行效能不至于受到影響。 4.2需氧量 降解廢水中的污染物為呼吸產(chǎn)物的過程，在減少污泥處置量的同時增加了對氧氣的需求量。其增加的能源費用必須加以考慮。 4.3營養(yǎng)物質(zhì)去除 污泥產(chǎn)率的下降將導致污水中氮去除量下降，因為污水中的部分氮素同化為污泥。同理，細胞物質(zhì)的進一步代謝也將向水體釋放氮素。因此，污泥的減量化技術(shù)可能因污泥的同化作用，而使其他一些物質(zhì)從污水中去除率下降(如含氮化合物和磷)。這些物質(zhì)的排放將導致受納水體的富營養(yǎng)化和脫氧。出水可能需三級處理,而三級硝化過程還將進一步增加對氧氣的需求量。 污泥產(chǎn)量的不斷增加給其后續(xù)處理處置帶來了沉重壓力, 污泥的減量化是解決污泥出路的最佳處置方法。各種的污泥處理方法各有利弊。目前這些污泥減量化技術(shù)的機理和參數(shù)還需要進一步研究, 出水質(zhì)量還有待提高, 隨著這些問題的逐步解決, 污泥減量工藝將得到更廣泛的應用。 參考文獻: 1 Metcal,f Eddy1Wastewater engin eering: