關于污水處理的問題

【專家解說】：污泥減量技術 王 琳 王寶貞 提要: 介紹了目前國內外一些污泥減量的技術和工藝，如:原生動物和后生動物攝食細菌法，能減少污泥產量60%以上，對于固定式淹沒生物膜法甚至沒有剩余污泥產生;微生物強化法，利用外投優(yōu)化菌種減少污泥排放量16%;投加酶法，將難溶解的大分子有機污染物分解為易于微生物吸收和利用的小分子溶解性有機物，既有利于有機污染物的降解，又能促進細菌的增殖，能減少污泥產量50%;此外還介紹了超聲波技術、臭氧氧化、Cambi工藝和生物細胞溶解系統(tǒng)等一系列方法。 ?關鍵詞: 關鍵詞 活性污泥法 污泥減量 二次污泥 生物量 0 前言 ?活性污泥工藝的目的是在最大限度降低BOD的同時，減少污泥的產量。常規(guī)活性污泥工藝除了氮和磷不易達到排放標準外，另一個主要的弱點是污泥產量大。在污水的生物處理過程中產生大量的生物污泥，需要經(jīng)分離、穩(wěn)定、消化、脫水及處置等步驟。這需要大量的基建投資和高昂的運行費用;從處理到最終處置，污泥的運行費用約為污水處理廠總運行費用的40%( 烘干)~65%(焚燒)左右。污泥的最終處置常采用填埋、填?；蛴糜谵r業(yè)。但隨著可用土地的減少，和考慮到人體的健康，在污泥用于農業(yè)之前必須進行進一步處理等，污泥的最終處置越來越困難，這使人們對于能減少污泥產量的生物處理工藝更加感興趣。 ?任何一種污泥減量技術都應在減少污泥產量的同時，不影響工藝的效率或效能。目前一些研究重點都是針對活性污泥的增生污泥的減量。而活性污泥工藝是發(fā)展得比較完善的工藝，其進一步的改進應滿足如下要求:經(jīng)濟可行，便于操作管理，有遠期效益。本文對目前開發(fā)的污泥減量技術綜述如下。? 1 對細菌的捕食(Grazing/Bacterial Predation) ?污水為多種多樣的微生物提供了理想的生存和增殖介質，因為沒有任何一種單一的微生物能夠利用污水中存在的全部眾多的化合物作為底物，因此最好能建立起由多種多樣的微生物組成的復雜的生態(tài)系統(tǒng)，其中有多條較長的食物鏈，如細菌→原生動物→后生動物。其中原生動物，如纖毛蟲(Ciliate)和后生動物，如輪蟲(Rotifers)、寡毛類、環(huán)節(jié)動物(Oligocha ete)及線蟲(Nematode)在食物鏈的最高端，起捕食者的作用，它們捕食細菌，將污泥轉化為能量、水和二氧化碳，從而使污泥量減少。 ?攝食族的原生動物和后生動物，尤其是寡毛蠕蟲是眾所周知的能減少污泥產量的種群。寡毛蠕蟲位于食物鏈的最頂端，在滴濾池中數(shù)目眾多，在活性污泥處理廠中的污泥中種群不是很多，并且隨著不同的環(huán)境，菌群也不同，這種物理生態(tài)環(huán)境對于維持寡毛蟲的種群是十分重要的。為了維持浮游蠕蟲在活性污泥法處理廠中的種群數(shù)，蠕蟲的世代時間必須小于水力停留時間，否則將隨水流出;對于固著蠕蟲，在有填料和其他附著介質存在的情況下，上述條件并不十分重要。通過對常規(guī)活性污泥工藝中投加后生動物和不投加后生動物及加設填料載體和不加設填料載體的對比研究，利用混合液懸浮固體(MLSS)濃度計算，在蠕蟲存在下，污泥的產量是0.15gMLSS/gCOD，而在正常運行條件下污泥的產量是0.40gMLSS/gCOD〔1〕。 ?在好氧工藝中，原生動物與后生動物是以捕食分散的細菌維持生命的，促進了絮狀或膜狀形成菌的生長，而常規(guī)工藝中形成的微生物的大部分不能被捕食者消耗。為了克服捕食這一選擇性，促進分散微生物的生長，1996年在瑞典由Lee和Welander等人，進行了二段式系統(tǒng)處理人工合成廢水的研究，這個系統(tǒng)的第一段是完全混合式的反應器，沒有生物量的停留，較短的污泥停留時間能防止捕食者的生長和促進生長迅速的分散性微生物的生長。第二段是生物膜過程，以確保較長的污泥齡和適于捕食者生長的條件。在此條件下，該系統(tǒng)的污泥產量僅為0.05~0.17gTSS/gCOD，是常規(guī)工藝污泥量的30%~50%〔2〕。哈爾濱建筑大學王寶貞等開發(fā)的淹沒式生物膜污水處理新技術，采用固定式載體填料，增加了原生動物和后生動物在曝氣池中的數(shù)量，有效地減少了剩余污泥的產量，小試研究確定其剩余污泥產量僅為常規(guī)活性污泥法的1/10~1/5〔3〕。采用該技術的番禺祁福新村污水處理廠(日處理量8000m3/d)，自1998年5月份投產以來一年多沒有剩余污泥產生，實現(xiàn)了污泥的零排放。? 2 微生物強化 ?污水處理是利用天然的微生物種群將有機物氧化為可利用的食物要素。例如:1000g營養(yǎng)物的系統(tǒng)中，其中600g用來合成微生物，400g被氧化成二氧化碳和水。這表明在細菌生長階段能減少40%的污泥，如果一個污水處理系統(tǒng)中的活性污泥能運行無限長時間，將沒有污泥產生，這實際上是不可能的。 ?微生物強化基于天然系統(tǒng)的微生物并非全都是最有效的微生物。為了提高處理廠的效率，或者將特別選擇的微生物菌株，或者用基因改進的菌株投放到污水處理廠中，這種選擇投放的菌株應能保持并強化天然存在菌株的活性，從而優(yōu)化和控制微生物種群的平衡。 ?微生物優(yōu)先利用水中的溶解性有機物，然后才降解難溶的有機物，在降解難溶的有機物時，微生物分泌細胞外酶分解難溶的有機物。通過選擇性投加外部細菌進入系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)中細菌的濃度和代謝活性。這就要求投加的菌種不僅能提供現(xiàn)有的菌群，促進其生長，而且能抑制少量的不利生物的生長，從而增加了單元的處理效率。 ?外投微生物可以適應不同范圍的污水，從污水和原生微生物種群的知識知道，只有最適宜的微生物投入到系統(tǒng)中，才能存活。例如:脂肪不能為微生物利用，但投加能產生脂肪酶的微生物，脂肪能迅速分解，并形成微生物的組織元素。一家瑞士基礎環(huán)境微生物公司利用外投微生物處理不同類型的污水，其污水處理廠能減少16%的增生污泥量〔4〕?。? 3 代謝終止 ?活性污泥處理污水過程，細菌對有機物進行代謝降解，在形成二氧化碳和水的同時，也完成了細胞的生長和復制。這一過程是由復雜的代謝途徑控制的，它包括分解代謝(分解生物)和合成代謝(釋放能量供給新細胞生長)。代謝終止就是在分解代謝完成后，合成代謝開始前終止這一過程，從而阻斷了新細胞的形成。 ?據(jù)報道有許多化學物質能終止分解代謝和合成代謝，如抗生素所含有的細菌專性環(huán)絲氨酸能阻止細胞壁的合成作用〔5〕，其他的化學物質，象2，4-二硝基酚和雙香豆素，能通過干擾ATP從分解代謝到合成代謝的基因鏈傳遞，而終止有氧化作用的磷酸化作用??〔2〕?。魚藤酮能終止底物氧化和有氧化作用的磷酸化的煙酰胺腺嘌呤二核酐酸的鏈接??〔6〕?，而許多代謝途徑都依賴于DNA步驟，因此魚藤酮的解鏈作用能廣泛地用于不同的途徑?；瘜W解鏈的優(yōu)點是無須對現(xiàn)有的設備進行大的改型，缺點是會將一些化學物質釋放到環(huán)境中去。? 4 投加酶 ?酶的作用是促進污水中的大分子化合物分解變成小分子化合物，釋放出結合氧，這些簡單的化合物容易被多種微生物利用。這有利于細菌的多樣性，并能提高細菌的活性和繁殖能力，而且有利于形成大量的高等生物，能促進高等光合作用生物體的大量增殖，由此又為污水提供了大量的溶解氧。在美國已有許多生物處理系統(tǒng)應用了投加酶的方法，以此來控制嗅味、過程的效率和污泥減量。 ?酶也可以投加在污水處理廠的進水管中，使污水中厭氧種群變?yōu)楹醚醴N群，產生二氧化碳，而不是硫化氫。這有助于改善一沉池的性能，同時由于光合生物和好氧生物的生長也改變了系統(tǒng)的生態(tài)〔7〕。 ?滴濾池中的藻類和菌膠團變?yōu)楣夂仙?，減少了飛蟲問題，并能使好氧混合系統(tǒng)在高污泥齡、高混合液濃度和較少的溶解氧下工作。低溶解氧濃度促進了兼性菌的繁殖，易于將氮、磷轉化為可利用的營養(yǎng)源。據(jù)一家美國公司BIOCOPE報道利用他們開發(fā)的酶溶液，可以將常規(guī)處理的溶解氧降為0.8~1.2mg/L，同時MLSS為4500~8500mg/L，污泥齡為30~70d，可減少污泥產量50%，取消了污泥消化設備。? 5 超聲波 ?超聲波用于水工業(yè)較早。低強度的超聲波通常用于測量流量，而將超聲波用于污泥減量是一個全新的領域。超聲波通過交替的壓縮和擴張作用產生空穴作用，在溶液中這個作用以微氣泡的形成、生長和破裂來體現(xiàn)，以此壓碎細胞壁，釋放出細胞內所含的成分和細胞質，以便進一步降解。超聲波細胞處理器能加快細胞溶解，用于污泥回流系統(tǒng)時，可強化細胞的可降解性，減少了污泥的產量;用于污泥脫水設備時，有利于污泥脫水和污泥減量。 ?超聲波由轉換器產生，經(jīng)探針導入污水中，超聲波的設計頻段在25~30kHz。小于25kHz在人的聽力范圍內，產生噪聲問題;而超過35kHz時，能量利用率低??〔8〕?。 ?超聲波的作用受到液體的許多參數(shù)的影響，如:溫度、粘度和表面張力等。此外，超聲波與各種液體的接觸時間、探針的幾何形狀和材質也是超聲波應用的影響因素。? 6 生物細胞溶解系統(tǒng) ?生物細胞溶解系統(tǒng)類似于超聲波技術，將機械壓力應用于污泥的回流系統(tǒng)，壓破細胞壁，釋放出細胞內所含的物質，通常這種破碎作用可減少顆粒污泥的大小，增加生物的比表面積，有利于進一步分解。將這種方法應用于活性污泥的內源呼吸段，能減少剩余污泥的產量。應用這種方法的二沉池能減少50%的污泥，并能減少絲狀菌的種群，極大地改善了污泥的沉淀性能和污泥的脫水性能??〔8〕?。? 7 臭氧減少剩余污泥量 ?在日本的Shima污水處理廠應用臭氧技術運行了9個月而沒有剩余污泥產生。這一運行效果是由于臭氧對部分回流污泥進行臭氧化所致。由此提高其生化降解性并在曝氣池中強化生物氧化降解。 ?該廠處理污水量為450m3/d。試驗證明，污泥減少量與臭氧投加劑量和被處理的污泥量成比例。在該廠的試驗證明，為完全消除剩余活性污泥所需的臭氧劑量為0.034kg/kgSS，而需要處理的回流污泥量為常規(guī)污水處理廠剩余污泥量的4倍??〔9〕?。? 8 Cambi工藝:同時實現(xiàn)污泥減量和生物氣產生??〔10〕? ?由Purac開發(fā)的Cambi工藝中，通過水解過程使污泥中的有機成份從不溶解狀態(tài)轉化為溶解狀態(tài)，使有機物可用于生物降解，即厭氧消化。這一過程是由高溫水解完成的，經(jīng)水解后固體中有機物大為減少，再進行厭氧處理，促進了生物氣產量的增加，也可將釋放出的碳作為生物脫氮的碳源。經(jīng)Cambi工藝產生的脫水污泥的總固體含量達30%~40%，可以直接進行污泥焚燒。根據(jù)污泥的來源和組分，這一工藝可以間歇地或連續(xù)地運行。 ?水解過程由4個基本步驟組成:均勻混合、預熱、水解和閃蒸。污泥用離心脫水機或壓濾機進行預脫水，在均勻混合池中污泥用一臺Macerator泵進行循環(huán)流動。此外用一臺攪拌機使污泥混合均勻。水解的主要部分發(fā)生在水解池中，該池在10bar下工作，工作溫度為180℃ ，用蒸氣加熱。對于城市污水處理后產生的污泥，水解反應器的反應時間一般為30min。經(jīng)過水解，將污泥中復雜的有機物如蛋白質、脂肪和纖維素等轉化為易于生物降解的簡單有機化合物。最后一個步驟是閃蒸，利用水解池壓力(10bar)和閃蒸池工作壓力(1~3bar)之間的壓力差，將污泥由水解池壓送到閃蒸池中進行閃蒸，將污泥在閃蒸池中產生的蒸氣和高溫上清液回流到預熱池中與新污泥進行混合和稀釋，并將新污泥加熱到80~90℃。預熱池的工作壓力是 2~3bar，以達到較高的熱回收率。閃蒸池中的污泥用泵抽送到厭氧處理罐中或其他生物處理設備中。借助于厭氧處理，污泥中能量的60%~80%轉化為生物氣。 ?在挪威奧斯陸以北的Hamar建立了一座Cambi工藝污泥處理廠，該廠由Cambi工藝(水解和厭氧消化)、化學回收和烘干等過程組成。送入該廠的污泥量為1000t/月(20%TS)，經(jīng)脫水后污泥量降至290t/月，經(jīng)烘干和萃取后減少至66t/月，即污泥量減少93%。在烘干和萃取之后 TS減少70%。該系統(tǒng)采用全封閉工作，污泥加熱時無嗅味釋出。該廠還向Hamar供應由生物氣產生的熱能和回收的化學產品，如利用萃取提取的重金屬等，從而降低了運行費用和污泥中重金屬的含量。最后的污泥殘渣將用于垃圾填埋廠的回收和植被，水解過程產生的生物氣僅占生物氣產量的10%，預計產氣量為2950m3/d〔10〕?。 ?參考文獻 ??1 Janssen? 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