活性污泥减量化研究开题报告.docx

1、活性污泥减量化研究开题报告1目的和意义1.1选题背景1.1.1 污泥处理现状随着现代污水处理设施的普及、处理率的提高和处理程度的深化，污水处理厂剩余污泥产生量将有较大的增长，由此引起的二次污染问题日益严重。污水生化处理的本质是以污水中的呈胶体和溶解状态的有机物作为微生物的营养来源，将其转化为二氧化碳、水和生物物质，而过量的生物物质构成了生化处理产生的剩余污泥。剩余污泥属于固体废弃物，含有大量有毒有害物质及未稳定化的有机物质，如果没有得到适当处置，排放后会对环境造成严重污染。污泥量通常占污水量的0.3%0.5%(体积)或者约为污水处理量的1%2%(质量)，如果深度处理，污泥量会增加0.51倍。目

2、前，世界上超过90%的城市污水处都采用活性污泥法，这样更加大了污泥的处理量。据统计，目前我国城市污水年排放量为414亿m3，二级处理率达到15%，污泥产生量大约为1500万吨。用现阶段常规污泥处理系统(不包括最终处置)建造大中型污水处理厂的污泥处理工程所花费的资金，约占二级处理厂全部费用的40%，这对于我国目前的经济发展是一笔巨大的负担。目前污泥常用处理和处置方法如表1.1：表1.1 常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的土地，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

3、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的具有生物积累性的化合物对农作物的危害无论进行污泥利用还是填埋处置，污泥处理的最终目的与其他废弃物的处理一样，都是以减量化、无害化、资源化为原则。但常用的污泥处理方法都存在着缺陷，为了完善这些缺陷，污泥的减量技术就产生了。1.1.2 臭氧氧化污泥减量技术目前，污泥的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括：加热法和机械法。化学污泥破解方法包括：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的细菌，也可以直接投加酶抑制剂或抗菌素对微生物进行污泥破解。其中，利用臭氧实现污泥的减量化就是

4、一种重要的污泥减量手段。在各种污泥减量方法中,臭氧氧化法具有效率高、能耗低的特点,并能实现污水处理厂的污泥零排放,而且曝气池中也没有惰性物质的过量累积,可使MLVSS/MLSS值从运行初期的0.87降到0.81。臭氧具有强氧化性，被广泛用于污水处理厂中以提高污水的生物降解能力，臭氧是强的细胞溶解剂，能够强化细菌的隐性生长，增大细胞衰减速率，降低剩余污泥产量，它可与污泥中的化合物发生直接反应或间接反应,这两种反应是同时进行的。图1.1 臭氧在水中反应机理间接反应首先臭氧的分解形成羟基自由基为主的一系列次生氧化剂，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=

5、1081010L/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，从而达到降解有机物的目的。直接反应臭氧分子具有偶极性、亲核性和亲电性，这三种性质决定了臭氧直接氧化有机物的反应机理。其中包括：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断对此法进行改进，试图找出最优的臭氧氧化污泥减量技术。1.2选题的技术现状在90年代初期，日本就开始了利用臭氧氧化技术进行污泥减量的研究，1994年日本的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同废水的一系列工艺可行性研究，在出水水质没有显著恶化的前

6、提下，该工艺能做到污泥的零排放。在持续了10各月左右的工业化规模处理制药废水的试验中，在550Kg/d的BOD负荷下，投加臭氧0.015Kg/KgSS时，通过臭氧氧化和生化处理，臭氧化处理的污泥中约1/3可以被矿化，臭氧处理污泥量达到预计剩余污泥量的3.3倍时，活性污泥系统无剩余污泥排放。由于零污泥排放，进水中所含的部分无机固体在反应器内累积，污泥中有机物比例在运行期间从85%降至75%，从而使得污泥的SVI值较传统的活性污泥法低。可行性研究表明该工艺不仅在技术上可行，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)的47%。在此研究的基础上，Sakai将此技术应用于日本的Shima污

7、水处理厂450m3/d的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余污泥量的4倍时，可做到剩余污泥的完全减量。经过五个月无剩余污泥排放的运行，进水中30%的无机物在污泥中积累，但没有观察到惰性有机物的积累。出水水质除SS比未经臭氧处理时高215mg/L，其余指标均无明显变化。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等人又将各种不同机械法与臭氧氧化法等污泥破解技术进行了比较，发现臭氧氧化法能够达到最好的污泥破解效果。这为臭氧氧化污泥减量奠定了坚实的基础。在我

8、国，哈尔滨大学王琳的研究表明，在臭氧氧化过程中，污泥中蛋白质的含量减少接近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的金瑞洪进行了臭氧对活性污泥特性的影响研究，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，而后污泥浓度才随着臭氧量的增加而显著降低。1.3选题意义由于社会生产力的发展，工业化程度的加大，人口数量日益增大，人类的居住生活日趋集中，生活生产污水的排放量也日益增大。在未来的生活中，污水处理厂的剩余污泥也将变成新的环境问题，如何找到科学、经济、有效的途径来减少污泥对人类的危害是我们科研人员要解决

9、的问题，同时也是我们研究的主要目的。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的特长，又结合臭氧的强氧化性特点，能有效的降解污泥，经济、实用，便于操作管理，有远期效益。污泥减量化的研究适应了污水处理系统实现良性运行、防止污水处理出现二次污染，使污水治理更具有环境效益的需要。2主要研究内容利用臭氧实现污泥的减量是一种较为有效可行的污泥减量方法，这一点经被实践所证明，而污泥减量化是建立在保持污水处理系统性能稳定的基础上的，在利用臭氧氧化剩余污泥的同时，需要研究污泥的减量工艺对于污水处理系统性能的影响。为了进一步探索臭氧在污泥减量过程的作用机理，寻求更经济可行的应用方案，

10、本论文将从下面几个方面进行探讨:1.臭氧化污泥减量的机理;2.研究不同臭氧投加量、臭氧浓度、pH对臭氧破解效果的影响，以及处理前后污泥的性状变化，分析不同处理条件对污泥破解效果的影响;3.分析臭氧破解污泥的反应机理。在实验数据基础上，利用多元线性.回归的方法。4 水处理系统稳定性分析5.通过实验考察其在活性污泥系统中的可生化性，对臭氧氧化污泥减量技术可行性进行分析。3设计的技术路线污泥污泥破解实验不同处理条件对破解的影响臭氧氧化前后污泥的性状变化确定关键影响因素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的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 设计的时间安排毕业设计的

11、时间安排如表4.1所示：表4.1毕业设计的时间安排时间内容2010-3-8至2010-3-21资料查找并完成开题报告2010-3-22至2010-4-4完成实验仪器的购置，为实验做好前期准备。2010-4-5至2010-5-4单一变量法对影响实验的各种因素进行研究2010-5-5至2010-5-15活性污泥减量化工艺对于水质特征影响2010-5-16至2010-6-2工艺过程性能优化2010-6-3至2010-6-18论文撰写已有的参考文献：1金瑞洪,NG Wun Jern.臭氧应用与SBR剩余污泥减量的研究J.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2004,36(2):239-2452何圣兵,

12、薛 罡,王宝贞.污泥臭氧化减量技术的影响因子J.城市环境与城市生态,2005,18(3):20-223孙德栋,王琳,黄海萍.利用臭氧氧化实现污泥的减量J.水处理技术,2006,32(6):48-514汪启光.污泥臭氧破解及其减量的机理与效能研究D，浙江：浙江大学环境与资源学院环境工程系，2006.55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，2003，19(5):38-406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,2004.47杜汪洋.低浓度臭氧-生化法在活性污泥减量中的实验研究D，合肥：合肥工业大学环境工程，2007.58徐新华，赵伟荣.水

13、域废水的臭氧处理M,北京：化学工业出版社，20039Fernando J. Beltran. Ozone Reaction Kinetics for Water and Wastewater SystemsM,CRC PressLLC,2004 小议污泥能源化利用的前提条件德国汉堡污泥消化发电干化焚烧项目的数据解读 德国汉堡在Koehlbrandhoeft污水处理厂内建设了一个包括厌氧消化、沼气发电、污泥干化、污泥焚烧在内多种工艺组合的能源化综合利用项目，从概念上看是十分先进的，国内已有多篇介绍。本文根据这些文章所提供的数据，结合汉堡公用排水公司（Hamburg Public Sewage C

14、ompany）在年报等公开出版物中的基础数据，试图对这一十分复杂的项目进行一个量化解读。一、基本情况根据Mathias Lser在布拉格大学（2006年）的讲课记录（Waste Water Treatment in Hamburg），汉堡污水处理及其污泥处置的主要情况如下：汉堡人口约170万，有两座污水处理厂（Khlbrandhft and Dradenau），设计处理能力为180万加上相当于40万人口当量的工业或商业污水。日处理污水量约45万立方米，年均1.4亿立方米。污水产生的污泥，首先采用10座、单体容积8000立方米的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8

15、4000立方米/日，消化对象也包括每年大约26000吨来自其它污水厂的污泥和有机废物。消化后的污泥经机械脱水，从含水率97%降为80%，然后采用热干化，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。根据HSE（汉堡排水公司）2005年年报，2004年处理污水量1.455亿立方米，2005年为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的65%，所需热量0.87亿千瓦亦可从污泥中获得65%，此能源自足率在德国处于领先位置。根据汉堡城市排水公司R. D. Thierbac

16、h等汉堡Koehlbrandhoeft污水处理厂对沼气和污泥焚烧的能源利用一文的介绍（卢志等在中国给水排水2007.5上发的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的60%和热量的100%。消化后污泥的含水率约为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，燃气轮机的发电装机量为4950 kWh，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0.7 MPa的蒸汽用于污泥干化。污泥焚烧炉产生的蒸汽（4 MPa 400度）与前述的蒸汽是采用同一台2 MW蒸汽涡轮发电机进行发电。干化系统为三流，两用一备，每

17、流各两台干化机。流化床焚烧炉亦为两用一备。经过干化后的污泥量约为吨/年，进行焚烧处理的栅渣（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。根据给出的物料平衡表，进入消化罐的生污泥185 tds/d，消化后为115 tds/d，即70 tds/d转化为沼气。115 tds/d中有7 tds/d随上清液回流至污水厂，这样实际脱水污泥为108 tds/d。发电效率约20-22%。根据给出的能量平衡图，生污泥和栅渣的总能量为34 MW，其中生成沼气18 MW，进入焚烧系统的能量

18、为16 MW。沼气的18 MW中，烟气和辐射损失4.4 MW，发电4.8 MW，产生蒸汽8.8 MW。进入焚烧炉的16 MW中，产生蒸汽约12 MW，烟气和辐射损失4 MW。这样，在总的蒸汽20.8 MW中，发电2.5 MW，透平冷凝损失10.3 MW，抽汽用于干化8 MW。在用于干化的8 MW中，6.5 MW可回收热水，用于办公楼和消化的加热，冷凝和辐射损失1.5 MW。二、数据辨析1、污泥量根据给出的干化后含固率42%、污泥量 t/a、每日275 t/d计，此项目所考虑的运行日数可能为/275=364天。以年栅渣6000干吨计，每日栅渣量为6000/364 =16.5干吨，与给出的16 t

19、ds/d栅渣量基本相符。但一篇文章中给出的275 tds/d的污泥量数据与物料平衡图中的185 tds/d相差太大，也与年报中的数字相差太大，在这里有必要做个简单判断。根据2005年的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，万吨污水的湿泥产量为15.3吨（以含固率20%计）。如果日产污泥275 tds/d的话，万吨污水的湿泥产量为34.7吨。如果是185 tds/d的话，万吨污水的湿泥产量为23.3吨。根据年报中所提及的处理外来污泥量26000 tds/d，笔者以为物料平衡图中给出185 tds/d可能最接近项目的

20、设计值，而275 tds/d的数不知何据。因此本文以185 tds/d为依据进行反推。2、发电量蒸汽系统图中给出了5.2 MW的蒸汽发电量。但同一篇文献，给出的实际蒸汽汽轮机设计值是2 MWel。根据发电总量63000 MWh/a考虑，发电装机量应为63000 / 364 /24 = 7.2 MWh，但根据给出的沼气燃气轮机4.95 MW和蒸汽轮机2 MW看，实际装机量为 6.95 MWh。按照实际装机看，年实际发电量应为60655 MW，与给出的63000 MW还比较接近。因此笔者认为蒸汽系统图中的5.2 MW应该是热能数据。3、干化蒸汽量以干化所需的循环蒸汽 t/a计，循环量为 / 364

21、 / 24 = 13.75 t/d。以108 tds/d干化处理量考虑，从22%含固率干化至42%，需要蒸发9749 kg/h水，按照4台干化机运行考虑，单机蒸发量2437 kg/h。根据热平衡图给出的干化需热量8 MWh计算，则升水蒸发量的净热耗为706 kcal/kg。这一数值也比较接近实际。这样，每公斤用于干化的蒸汽实际吸热量为8 MW * 1000 * 860 / 13750 = 500 kcal/kg。升水蒸发量的蒸汽耗为13750/9749 = 1.41 kg/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立方米的沼气量，相当于池容产气率为0.9

22、25 m3/m3，已属于很高的水平（高碑店设计值0.425，实际0.2左右）。 如果按照设计值，挥发性有机质的降解率取0.5的话，该项目实现有机质降解70 tds/d，意味着入消化器的干基有机质含量高达76%！（70 / 0.5 / 185 = 76%）5、污泥和栅渣的干基发热量已知入炉干化污泥和栅渣的干固体量分别为4504和688 kg/h，总发热量16 MW，则这种混合燃料的平均干基热值为16 * 1000 * 860 /(4504+688) = 2650 kcal/kg.ds。如果假设污泥厌氧消化后的干基热值为2600 kcal/kg，则栅渣的热值就相当于2981 kcal/kg。从焚烧

23、角度看，平均干基热值在2650 kcal/kg的污泥及栅渣，在含固率40%左右时是完全可以实现良好的自持燃烧的。6、废弃物平均热值 如果不进行厌氧消化，沼气的18 MW能量仍考虑在污泥中，此项目所处理的总干固体量为8108 kg.ds/h，能量为34 MW，则废弃物的平均干基热值为3606 kcal/kg.ds。7、发电机热效率 以燃气发电机装机量4950 kWh、消耗热量18 MW计，燃气发电机的热效率为4.95 / 18 = 27.5%。这一数值与目前典型的燃气发电35-40%的热效率相比，显得较低，但其功能还在于产生大量的蒸汽用于发电和供热。蒸汽发电的形式相当于背压抽汽机组，其发电的热效

24、率较高，约为38.5%。8、自用电满足率 根据年报，项目所在污水处理厂的电耗为1.19亿度/年，相当于每小时电耗13635 kWh。如果确如年报或文献所言，该项目发电量应可满足本厂60-65%的需求，则需产电8.2MW以上，而实际只有6.95MW。显然，年报和介绍材料中的数据还是略显乐观了些。 笔者以为，这个项目给出自用电满足率是没有什么参考意义的，因为其它来源的污泥、栅渣、其它有机废物占有重要比例。9、脱水污泥收率 根据脱水前干基固体量115 tds/d、脱水后干基固体量108 tds/d考虑，固体收率为94%。三、经济分析通过对技术数据的辨析可以确认，该项目所公布的数据是基本靠谱的。通过这

25、些技术数据，结合国内造价和成本，应该可以大致判断此项目如果在国内实施的投资和成本概念。1、 参考污泥量对污泥处理处置的成本进行比较，需要一个共同的基点，这个基点我们选择为未经消化的、经过脱水所形成的含固率20%的湿泥。在汉堡项目中，消化前的干固体量为185 tds/d，按照机械脱水的固体收率94%计算，可获得含固率20%的脱水污泥870吨/日。2、 电能产值以实际发电量6950 kWh计算，假设消化、脱硫、发电、脱水、干化、焚烧等各项设施的自用电量占总发电量的26%（笔者测算数据），电价以0.65元/千瓦考虑，则每天的发电产值（可对外销售）为80231元/日。折合吨湿泥产值（不考虑栅渣）92元

26、。3、 人员和药剂成本此项目构成极为复杂，运行难度较大，假设消化（含脱硫、发电）、脱水和干化、焚烧三大系统的总运行人数为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，每日的药剂成本最低为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的原因浅析），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的投资最低在66719万元，

27、折合吨湿泥的平均投资77万元。5、 维护成本考虑维护成本为投资的2.5%，则每日的维护费为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。未考虑焚烧灰渣的处置成本。7、 折旧及财务成本考虑年利率5.94%、还款付息期20年，则折旧和财务成本为元/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的直接运行成本，但如果考虑折旧的话，这类项目仍然有着很高的成本负担。即，如果处理费不高于162元/吨湿泥，运营商一定是赔本的。就投资而言，此项目对于一个处理规模仅39.7万立方米/日的污水厂来

28、说，泥区的投资如果折合到吨水里，需要1681元/立方米日，已远远高于目前国内市政污水厂1000元/立方米日的造价水平。四、结语 汉堡项目可能是我所见到的国外污泥处置项目中，能源利用效率最高的之一，但也是工艺最复杂的。焚烧部分是项目运行多年后最后增加的，消化被保留，有着多方面的原因，总体来看，还是很成功的。第一次看到它的能流介绍，真的觉得它很先进。但分析下来才发现，这一十分理想的能源利用项目，其实是有一个特殊条件的：极高的能量输入。污泥能源利用项目的核心条件，就是污泥应具有较高的热值。汉堡项目平均3600 kcal/kg的能量输入，已远远超过了国内一般污泥的热值水平（2200-2500 kcal

29、/kg）。换算成有机质含量，平均76%的挥发性有机质干基比例，也是国内50-55%有机质浓度所难以望其项背的。了解焚烧的人都知道，如果有3300 kcal/kg.ds以上的热量，其实都不必做干化，脱水到含固率30%应该就能烧得很好了。 说到厌氧消化，也是同样的道理。高有机质含量，才能获得高产气率。高碑店项目设计值是有机质含量60%，降解率50%，但实际只获得了0.2的池容产气率，与汉堡项目的0.925比，真是气煞人了。 笔者分析的结果，是希望表达这样一个观点：即使在污泥热值如此理想、工艺过程如此复杂、能源利用效率如此之高（沼气发电余热产生蒸汽蒸汽发电蒸汽干化干化废热回收用于消化）的项目上，仍然

30、是有很高的投资、很高的运行成本的。如果污泥热值没有这么理想，能源利用效率也没有这么高的话，所谓污泥的能源化处置一定是昂贵的。俗语说，“他山之石，可以攻玉”。但如果不深入了解的话，他山之玉，没准儿也能被攻成石头。国内污泥处置行业内，太多的人都想实现污泥的“能源利用”了，“污泥发电”、“低温干化”、倒置的“污泥焚烧干化”、“污泥燃料”等等，都是在“提高能源利用效率”的幌子下，以节能、环保为名，行耗能、污染之实的。 汉堡项目值得学习之处很多，如能源的梯级多次利用，处置的彻底性，减量的最大化等。但考虑到国情不同，我国污泥的有机质含量极低，照搬这套工艺就不太现实了。无论单独消化也好，还是单独干化焚烧也好，恐怕也都不会便宜。 汉堡项目给我们的启示是，废弃物管理是一门科学，如何做到最佳化，有多种工艺路线可走，甚至是叠加，但这些都基于废弃物的基本条件，对于能源化利用来说，这个前提就是废弃物的热值/有机质含量。