污水处理厂污泥减量.docx

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污水处理厂污泥减量

污泥减量技术

1.1污泥减量化研究的意义

我国工业废水的处理大多采用活性污泥法，它具有基建投资省、处理效果好的优点，但它一直存在一个最大的弊端，那就是在运行过程中会产生大量的剩余污泥。

剩余污泥通常含有相当量的有毒有害物质及未稳定化的有机物，如果不进行妥善的处理与处置，将会对环境造成直接或潜在的污染。

在传统活性污泥法中，每降解1kgBOD5（biochemicalOxygenDemand，五日生化需氧量）会产生大约15~100L的剩余污泥，用于处理或处置剩余污泥的费用约占污水处理总费用的25%~65%[1]。

随着一些新环境法的颁布和实施，对污水处理要求的深度和广度都大幅增加，必然会导致剩余污泥的产量越来越大，显而易见，污泥的处理与处置将成为环境领域的一大难题。

目前对剩余污泥的处理与处置，存在有效性和经济性两方面的问题，首先，尚无一种可以推而广之同时对环境无污染的有效方法，常用的污泥处置方法有农业利用、填埋、焚烧和投放远洋等[2]，但这些处置方法无一例外地都存在弊端。

如污泥中重金属的含量通常超过农用污泥重金属最高限量的规定，尤其是现代工业的快速发展，使污泥中重金属含量和有毒有害物质增加，大大降低了农用的可能[2]。

此外，污泥中还含有病原体、寄生虫卵等，如果农业利用不当，将对人类的健康造成严重的危害。

填埋处置容易对地下水造成污染，同时大量占用土地。

焚烧处置虽然可以使污泥体积大幅减小，且可灭菌，但焚烧设备的投资和运行费用都比较大[3]。

投放远洋虽然在短期内可以避免海岸线及近海受到污染，但其长期危害可能非常严重，因此，已被世界上大多数国家所禁用[1]。

其次，各种污泥处理与处置方法需要的资金巨大，如在欧美，污泥处理基建费用占污水处理厂总基建费用的比例高达60~70%[4]。

随着人们环保意识的增强，世界各国对于污泥排放所制定的标准越来越严格，这也将进一步加大污泥的处置费用和难度。

剩余污泥的处理和处置不仅给污水处理厂带来沉重的负担，而且也成为各国政府和民众密切关注的问题。

因此，解决剩余污泥问题已迫在眉睫。

污泥减量技术正是在这一背景下提出的，所谓污泥减量技术，就是在保证污水处理效果的前提下，采用适当的措施使处理相同量的污水所产生的污泥量降低的各种技术，显而易见，污泥减量化技术有着显著的社会效益和经济效益。

1.2国内外污泥减量技术的研究进展

目前用于污泥减量化的技术主要有三类，一类是基于细胞溶解（或分解）—隐性生长的污泥减量技术；第二类是增加系统中细菌捕食者的数量，是模拟自然生态系统中的食物链原理进行的污泥减量化技术；还有一类是采用化学或生物方法促进解偶联代谢，造成能量泄漏，从而使生物生长效率下降。

这些方法都有各自的优缺点，现将各类技术介绍如下：

1.2.1基于隐性生长的污泥减量技术

隐性生长是指细菌利用衰亡细菌所形成的二次基质生长，整个过程包括了溶胞和生长[5]。

图1-1表示传统的细胞衰减模式，图1-2表示细胞衰减的溶解再生长模式。

这就需要利用各种溶胞技术，使细菌迅速死亡并分解为基质再次被其他细菌所利用，从而使细胞残留物减少。

促进细胞溶解。

在传统模型中，可以认为是增大了细胞衰减速率，这样可以降低剩余污泥的产量。

目前有几种方法促进微生物的细胞溶解：

降低污泥负荷比例（提高污泥浓度）、增加污泥龄、提高温度改变工艺运行操作方式的方法；采用臭氧、碱、酸等化学处理方法；以及超声波或机械破碎分解等物理处理方法。

这几种方法既可单独使用，又可综合使用。

北京建筑工程学院曹秀芹等人[6]在活性污泥系统中采用超声波处理剩余污泥。

超声波通过交替的压缩和扩张产生空穴作用，促进微气泡的形成、扩张和破裂，压碎细胞壁、释放细胞内所含的成分和细胞质。

细胞溶解加快，从而达到污泥脱水和减量。

结果表明，在声能密度0.25~0.50W/ml范围内，经过1~30min的超声波处理，系统表观产率显著下降，剩余污泥产量可以减少20%~50%左右，同时污泥沉降性能得到改善，但活性污泥系统的出水水质略有下降。

日本学者Yasui等[7]早在1990年就率先提出了臭氧与传统活性污泥工艺结合的污泥减量技术，工艺流程如图1-3，即在常规的活性污泥工艺中，增加一套臭氧处理装置，把部分回流污泥引入臭氧处理器中，污泥经过臭氧处理后再返回到曝气池中，达到污泥和污水双重处理的功效。

在此工艺中，剩余污泥的消化与污水处理在同一个曝气池中同时进行。

工艺分成两个过程，一个是臭氧氧化过程，另一个是生物降解过程。

试验表明，当曝气池中臭氧的日投量为10mg（以每克MLVSS计）时，剩余污泥产量减少50％。

Sebustien[8]等采用氯来进行污泥量的研究，整个工艺类似臭氧化工艺。

结果表明，当氯的投加量为133mg/g·MLSS·d时，污泥产量减少了65%。

但氯化处理会产生比较差的污泥沉淀性以及出水中溶解性COD（ChemicalOxygenDemand，化学需氧量）的明显增加，此外，氯化过程中会产生三氯甲烷等具有危害性的副产物，这些给此技术的工业化应用带来一定的挑战。

Abbassi[9]等对高浓度溶解氧与污泥产量关系进行了小试研究，结果表明，当溶解氧从1.8mg/L增加到6.0mg/L时，剩余污泥产生量从0.28mgMLSS/mgBOD5下降到0.2mgMLSS/mgBOD5。

Mason和Hamer[10]采用混合高温细菌种群，研究了细胞溶解产物的最适消化条件。

面包酵母作为唯一的有机碳源悬浮于无机盐培养基中，连续向反应器提供这种培养基，改变温度和供氧量，细胞溶解和生物降解的最佳条件是60℃、氧气限制、5天停留时间，污泥可减少52%。

降低污泥负荷、增加污泥龄等可以使微生物的细胞溶解。

Stall和Sherrard[11]报道,当污泥龄从2d增加至18d时剩余污泥产量下降60%，但COD去除率不变。

Wunderlich[12]等人报道，在高纯氧活性污泥系统中，当污泥龄从3.7d增到8.7d时，污泥产量从0.38mg/mgCOD降至0.28mg/mgCOD。

1991年，在膜生物反应器处理生活污水的小试中，Chaize和Huyard首次研究了膜生物反应器对污泥产率的影响。

在污泥停留时间为50d和100d时，污泥产量大大减少，他们认为这是低污泥负荷比值和较长污泥龄的结果。

膜生物反应器处理生活污水的中试研究表明，当污泥浓度高达40~50g/L和污泥完全截留时，几乎不产生污泥。

我国学者杨造燕[13]利用膜生物反应器，将污泥全部截留在反应器内，使得反应器内污泥浓度很高，污泥负荷底，且污泥泥龄很长，出水水质很好，污泥自身氧化，减少剩余污泥产量，甚至达到无剩余污泥排放。

1.2.2基于微型动物捕食的污泥减量技术

此类技术是利用微型动物对污泥捕食。

活性污泥处理过程是水体自净过程的模拟与人工强化，是一个人工生态系统，其中一般包括细菌、原生动物和轮虫、线虫、寡毛类、昆虫幼虫等后生动物[14]。

污水中的溶解性有机污染物首先被细菌消耗，处于不同状态的细菌，又被不同种类的微型动物所捕食，形成复杂的食物链（细菌→原生动物→后生动物）关系。

众所周知，由于低效的生物转换，能量在从低营养级（细菌）向高营养级（原生动物和后生动物）的传递中发生损失，从生态学角度看，系统中存在的食物链越长，传递中的能量损失就越大，那么用来合成生物体的能量就越少，所以减少生物量的一个方法是根据生态原理，在食物链中极大地促进捕食细菌的生物体生长。

原生动物是活性污泥中最常见的细菌捕食者，可分为游离型、爬行型和附着型三种，约占生物体总量的5%[15]，其中70%的原生动物是纤毛虫，后生动物通常为线虫和轮虫。

纤毛虫类原生动物被认为是出水水质良好的指示生物，在污水处理系统中原生动物和后生动物的存在是生物种群健康成熟的标志[16]。

目前，利用微型动物捕食作用进行污泥减量的手段[17]主要包括直接接种微型动物和两段式工艺两种。

直接接种微型动物是在常规污水处理系统中培养微型动物（如在传统活性污泥法或膜—生物反应器的曝气池中培养微型动物）。

我国的瞿小蔚等[18]采用两段式膜生物反应器作为原生动物的哺育系统，培养富含原生动物的污泥，然后将其定期接种于普通活性污泥中，污泥产率由0.02kg泥/kgCOD减小至-0.47kg泥/kgCOD，同时污泥絮凝沉降性能得到改善，系统的COD去除率、硝化率得到提高，出水悬浮物浓度得以降低。

Rensink等人[19]则是利用蠕虫来减少剩余污泥量，在对比试验中，没有蠕虫的反应器污泥产率系数是0.4gMLSS/gCOD，而接种蠕虫的反应器污泥产率系数0.16gMLSS/gCOD，减量效果是明显的。

清华大学钱易等人[20]利用红斑瓢体虫来减少剩余污泥产量，结果表明，污泥产率系数与红斑瓢体虫密度成负相关，剩余污泥减量效果达到39%~58%，此外，红斑瓢体虫的存在有利于改善污泥的沉降性能，且对COD、氨氮和总磷的去除效果影响不大。

所谓两段法[21]，第一段为分散细菌培养阶段（分散培养反应器），促进分散细菌生长的同时达到对污水中有机物的降解。

其目的是在细菌高速降解有机物的同时不形成菌胶团，其固体停留时间要小于细菌的世代时间；第二阶段为捕食阶段（捕食反应器），促进原、后生动物的生长。

在第二阶段中为了保持一定量的原、后生动物的生长，要求污泥龄长于水力停留时间。

该阶段可以利用生物膜法工艺或膜—生物反应器达到要求。

两阶段法中第一阶段使细菌能够在分散的状态下更有效地降解有机物。

Lee和Welander等人[22][23]用两段式工艺处理人工合成污水，结果表明，第二段（悬浮载体生物膜反应器）中的污泥产量显著减少，比第一段的污泥量少60%~80%；总污泥产量为0.15~0.17g[TSS]/g[COD]。

此后，他们进一步研究了两段式工艺对纸浆和造纸废水的处理，结果表明，该系统的污泥产量（0.0l~1.23g[TSS]/g[COD]）明显比传统活性污泥工艺（0.2~0.4g[TSS]/g[COD]）少。

Ghyoot等人[24]还对不同组合的两段式系统（第二段为传统活性污泥工艺或淹没式膜生物反应器）进行了比较，结果表明，由于膜生物反应器中微型动物含量比传统活性污泥工艺多，在相同的污泥停留时间和污泥负荷条件下，膜生物反应器—两段式系统的污泥产量比传统活性污泥工艺—两段式系统少20%~30%；同时在膜生物反应器—两段式工艺中，由于大量微型动物对硝化细菌和聚磷菌的过度捕食，使得出水的氮、磷浓度高。

1.2.3基于解偶联的污泥减量技术

细菌氧化底物所获得的能量不用于合成细胞本身[25]，即ATP（ade-nodine5，-triphosphate，腺苷三磷酸）不随底物被氧化的同时大量合成或者合成以后迅速由其他途径释放，正常情况下，生物的分解代谢和合成代谢是由腺苷三磷酸和腺苷二磷酸之间的转化而联系在一起的，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。

总体上使得细菌的分解代谢和合成代谢不再由ATP的合成与分解反应偶联在一起，这样细菌在保持正常分解底物的同时，自身合成速度减慢，表观产率系数降低，从而达到降低污泥产量的目的。

微生物解偶联生长有以下五种情况[26]可能发生：

影响生长的物质存在（投加化学物质如解偶联剂等）、过剩能量存在、在过渡时期生长（好氧—沉淀—厌氧工艺）、在不适宜的温度下生长（提高温度）、有限制性基质（生长因子限制：

如氮源的限制）。

解偶联剂解偶联[27]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，氧化过程中所产生的能量最终以热的形式被释放掉[27-29]。

Low等人[30]报道在实验室规模的活性污泥系统中，当加入对硝基酚后生物量的产生可减少49%，当对硝基酚浓度达120mg/L时无剩余污泥产生。

合肥工业大学柳会雄[31]等人采用序批式活性污泥反应器试验研究了解偶联剂2,4-二氯酚的污泥减量化效果。

当2,4-二氯酚的浓度在1~5mg/L时能有效的减少剩余污泥产率，而不影响污水处理效果。

在厌氧、好氧交替改变的环境下，微生物的表观产率系数减少。

这是因为好氧微生物在底物过量的好氧段所产生的ATP不能立即用于合成代谢，而是在底物缺乏的厌氧段作为维持能被消耗。

好氧—沉淀—厌氧工艺流程见图1-4。

好氧—沉淀—厌氧工艺是在传统活性污泥工艺的污泥回流过程中进行厌氧消化，为微生物提供了一个好氧—厌氧交替改变的环境，从而达到降低污泥产量的目的。

Westgarth等[32]采用好氧—沉淀—厌氧工艺，成功地抑制丝状菌的生长，可减少一半的剩余污泥产量。

Chudoba和Cadeville[33]比较了好氧—沉淀—厌氧工艺和传统活性污泥工艺的污泥产率，发现在好氧—沉淀—厌氧工艺中的污泥产率比传统活性污泥工艺减少了20~65%，而且SVI（污泥容积指数）值大大低于传统活性污泥工艺，即好氧—沉淀—厌氧工艺可提高活性污泥的沉降性能。

我国的朱振超等人[34]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。

张全等人[35]采用好氧—沉淀—微兼氧活性污泥工艺，污泥量由80%减少为15~20%。

系统基本上可作到无污泥排放。

锌、铜等重金属是蛋白质的沉淀剂，可以使酶蛋白失活，从而抑制微生物的呼吸。

活性污泥微生物在重金属的作用下，呼吸作用受到抑制，产率也会相应的减少。

Alberto等[36]在1991年研究了锌和铜对活性污泥生长方式的影响，研究表明当锌的质量浓度大于5mg/L时，污泥产量开始下降，10mg/L时，产量下降达15％；而当铜的质量浓度为10mg/L时，产量下降了58％。

Chen[37]发现通过提高SO/XO（即m（COD）/m（MLSS））比值可以使微生物发生过剩能量解偶联，大幅度降低污泥产率。

降低污泥二次处理费用，但是，这种工艺由于曝气时间短，所以处理效果相对较差。

1.3各种减量化技术的优缺点

抑制剂解偶联的污泥减量化技术由于投加的金属离子会一定程度上抑制生化反应，降低处理效率。

因此还要合理控制金属离子含量。

过剩能量解偶联这种工艺由于曝气时间短，所以处理效果相对较差，比较适用于对出水水质要求不高的污水处理。

好氧—沉淀—厌氧活性污泥工艺不仅能减少剩余污泥量，还能改善污泥沉降性能。

但目前对于好氧—沉淀—厌氧活性污泥工艺的污泥减量化研究主要集中在处理高浓度有机废水，对于低浓度有机废水的研究目前还未见相关报道。

解偶联剂的最大优势是不需要对现有污水处理工艺作大的改进，只需增设投药装置即可，但在实际应用中存在以下问题：

所投的药在较长时间后由于微生物的驯化而被降解，从而失去解偶联作用；当加入解偶联剂后，虽然污泥的产量降低了，但从物质守恒角度看，需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物，从而使得供氧量增加；对投加解偶联剂的费用还需要作比较，由于在污水中的浓度需要维持在4~80mg/L，用量也是惊人的；解偶联剂在实际应用中的最大弱点是环境安全性问题。

解偶联剂通常是较难生物降解或对生物有较大毒性的化合物，使得生物对解偶联剂的降解不完全，这将会给水处理带来新的污染。

臭氧处理回流污泥可能存在以下问题：

氮和磷的去除效果不好；出水悬浮物浓度要稍高于传统活性污泥法（约2~15mg/L）；不排泥条件下，污泥中重金属的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二次基质的利用，需要增加曝气量。

虽然从运行成本角度来讲，氯化优于臭氧化工艺，但是由于与臭氧相比，氯是一种相对弱的氧化剂，投加量大约是臭氧的7~13倍；此外，氯化过程中会产生三氯甲烷等具有危害性的副产物，这些给此技术的工业化应用带来一定的挑战。

超声污泥消化技术在实现污泥减量的同时能改善污泥的沉降性能，但该技术由于停留时间较长，对设备要求高，投资较大，而且带来噪声污染。

超声波的作用受到液体许多参数的影响，如温度、黏度、表面张力等。

此外，超声波与各种液体的接触时间，探针的几何形状和材质也是超声波应用的限制因素。

膜生物反应器污泥处理技术可行且处理效果好，可以大大节省费用。

但是，生物膜法存在的最大问题是膜的堵塞和膜材料的价格。

利用微型动物捕食的污泥减量化技术的优点是可以节省运行费用，同时又无副产物生成，但它也有自身的缺点，微生物的种类和数量较难控制。

延长污泥停留时间来减少剩余污泥产量的技术减量效果好，甚至可以达到剩余污泥零排放，同时又不需要外加能量和装置，但是据有关报道可知该技术使污泥沉降性能变差。

1.4剩余污泥减量化可能产生的负面影响

剩余污泥的减量化可以降低污泥处理与处置的费用，提高运行效率和降低污泥处置的环境风险等，但也可能产生其他一些经济、运行和环境问题，必须加以考虑。

1.4.1污泥的沉降性能

传统混合曝气工艺例如活性污泥工艺，要求污泥絮体具有良好的沉降性，以保证出水质量和浓厚的回流污泥，提高曝气池中的污泥浓度。

污泥种群动力学和表面化学极大地影响了反应器的这些运行性能。

污泥沉降性的改变[38]是与微生物中絮体形成细菌和丝状菌之间的平衡相关。

胞外多聚体的和阳离子浓度也与沉降性有关。

采用污泥减量化技术可能对不同种类生物的生长速率影响不同，从而改变种群动力学。

种群动力学的改变反过来也可能对污泥的沉降性产生不利影响，如凝絮能力差、丝状菌繁殖导致污泥膨胀。

因此对混合微生物种群进行胁迫作用时，必须谨慎对待以确保出水质量和工艺的运行效能不至于受到影响。

1.4.2需氧量

降解废水中的污染物为呼吸产物的过程，在减少污泥处置量的同时增加了对氧气的需求量。

其增加的能源费用必须加以考虑。

1.4.3营养物质去除

污泥产率的下降将导致污水中氮去除量下降，因为污水中的部分氮素同化为污泥。

同理，细胞物质的进一步代谢也将向水体释放氮素。

因此，污泥的减量化技术可能因污泥的同化作用，而使其他一些物质从污水中去除率下降（如含氮化合物和磷）。

这些物质的排放将导致受纳水体的富营养化和脱氧。