（模式识别与智能系统专业论文）污水厂污泥酶解减量及资源化技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着城市污水处理量增加，污水处理厂污泥的产量也日益加剧，如何使污 泥无害化、减量化和资源化也越来越引起人们的关注。对污泥进行水解酸化的 主要目的是为了改善其生化降解性能，溶出较多的溶解性c o d ( s c o d ) 和产 生较高的挥发性脂肪酸( v f a s ) 。v f a s 中的乙酸和丙酸，是增强生物除磷过程 ( e b p r ) 的有利基质。为了达到较快较多地溶出有机物和产生较高的v f a s 的 目的，试验投加了酒曲强化污泥的厌氧发酵，对污泥酶解减量及资源化技术进 行了研究。 对污泥投加酒曲酶解溶出有机物的可行性进行了研究。采用静态试验考察 了灭菌脱水污泥、灭菌浓缩污泥、浓缩污泥投加酒曲在3 0 士l 厌氧发酵效果， 以及浓缩污泥不投加酒曲直接发酵效果。结果表明，投加酒曲能强化污泥的水 解酸化，明显有利于s c o d 的生成。 对浓缩污泥酶解的最佳工况条件进行了试验研究。采用正交试验的方法考 察了温度、酒曲种类、酒曲投加率对污泥s c o d 值的影响，同时考察了污泥发 酵过程中s s 减量变化趋势及v s 去除率变化规律。试验结果表明：污泥酶解的 最佳工艺条件是温度为3 5 、酒曲选用米酒曲、酒曲投加率为1 0 ；三个因素 对污泥酶解s c o d 产率的影响效果为：酒曲投加量 温度 酒曲种类；随着发酵 时间的延长，s c o d 值呈先增大后减小的趋势，污泥的s c o d 一般都在第5 天 达到最大；随着发酵时间的延长，s s 值呈不断减小的趋势，有机物不断地溶出； 随着反应的进行，v s 值同样不断地减小，前5 天挥发性悬浮固体的减量较多， v s 的去除率在1 2 3 1 - 2 4 2 1 ，5 - 1 0 天挥发性悬浮固体的减量较少，发酵1 0 天v s 的去除率在1 9 3 8 - - - 2 8 3 5 ；最佳工艺条件下，发酵5 天污泥的s c o d 达最大值3 7 2 3 m g l 、s s 减少率达9 5 4 、v s 去除率为1 6 3 3 ，发酵1 0 天s s 减少率为1 1 2 2 、v s 去除率为2 4 4 4 。 在污泥酶解最佳工况条件下对污泥酶解产酸的规律进行了研究。结果表明： 发酵第4 天时，污泥的s c o d 达到最大值7 2 1 4 m g l ；发酵第3 天时，污泥的w a s 达到最大值为2 4 2 4 m g l ，约是初始值的5 8 倍；在发酵的前2 天，污泥减量较 多，s s 的减少率为1 6 6 2 ，v s 的去除率为2 6 8 7 ，2 天后污泥减量较少。 关键词：污泥，厌氧发酵，酶解，。溶解性c o d ，挥发性脂肪酸 武汉理上大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hm o r es e w a g eb e i n gt r e a t e di nc h i n a ，t h er a p i d l yi n c r e a s i n ga m o u n to f s l u d g ep r o d u c t i o nh a sb e c o m eas e r i o u si s s u e g r e a t e ra t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do n r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g i e so fs l u d g ed i s i n f e c t i o n ，r e d u c t i o na n d r e u t i l i z a t i o n t h ea i mo fh y d r o l y s i sa n da c i d i f i c a t i o no fs l u d g ei st oi m p r o v ei t s b i o l o g i c a ld e g r a d a b i l i t yi nt h et e r m so fh i g h e rs o l u b l ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( s c o d ) a n dv o l a t i l ef a t t ya c i d s ( v f a s ) p r o d u c t i o n s s c o da n dv f a s ， e s p e c i a l l ya c e t a t ea n dp r o p i o n a t ei nv f a s ，a r er e c o g n i z e da st h em o s ts u i t a b l e c a r b o ns u b s t r a t e sf o re c e d b i o l o g i c a lp h o s p h o l u sr e m o v a l ( e b p r ) i no r d e rt o a c h i e v em o r es c o dq u i c k l y , t h ee x p e r i m e n ta d dd i s t i l l e r sy e a s tt oe n h a n c et h e a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no fs l u d g e t h et e c h n o l o g yo fs e w a g es l u d g er e d u c t i o na n d r e u t i l i z a t i o nw i t he n z y m a t i c a lh y d r o l y s i sw a si n v e s t i g a t e di nt h et e s t t h ef e a s i b i l i t yo fd i s s o l v i n gt h eo r g a n i cm a t t e r so fs l u d g ew i t he n z y m e h y d r o l y s i sb ya d d i n gd i s t i l l e r sy e a s tw a ss t u d i e d t h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nf r o m s t e r i l i z i n gd e w a t e r i n gs l u d g ew i t hy e a s t ，s t e r i l i z i n gc o n c e n t r a t i o ns l u d g ew i t hy e a s t ， c o n c e n t r a t i o ns l u d g ew i t hy e a s ta n dc o n c e n t r a t i o ns l u d g ew e r ec o n d u c t e da t 30 - 士1 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e y e a s tc a ne n h a n c et h eh y d r o l y s i s a n d a c i d i f i c a t i o no fs l u d g ，i to b v i o u s l yi nf a v o ro ft h eg e n e r a t i o no fs c o d t h eo p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o no fe n z y m a t i c a lh y d r o l y s i sw a ss t u d i e d a n o r t h o g o n a le x p e r i m e n ti n v o l v e dt e m p e r a t t u e ，t y p e so fd i s t i l l e r sy e a s t ，t h ea d d i t i o n a l p r o p o r t i o no fy e a s tw a so p e r a t e dt of i n dt h eo p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o nf o r o b t a i n i n gt h em a x i m u mp r o d u c t i o no fs c o d a tt h es a m et i m e ，t h ec h a n g i n gt r e n do f s sa n dt h er e m o v a lr a t eo fv s sw e r ei n s p e c t e d b a s e do nt h ed a t af r o ms e r i e so f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o no fe n z y m a t i c a lh y d r o l y s i s w a st h a tt h et e m p e r a t u r ea t3 5 c ，y e a s tw a sr i c ew i n ey e a s t ，t h ea d d i t i o np r o p o r t i o no f y e a s tw a s10 a n dt h ee f f e c to ft h et h r e ef a c t o r so nt h es c o dy i e l do fs l u d g e e n z y m eh y d r o l y s i sw a s ：a d d i t i o np r o p o r t i o no fy e a s t t e m p e r a t u r e t y p e so f d i s t i l l e r s y e a s t a s t h ef e r m e n t a t i o n c o n d u c t i n g ，t h e s c o do fs l u d g e f i r s t l y i n c r e a s e dq u i c k l y ，t h e ni n c r e a s e ds l o w l y ，a n dt h e nd e c r e a s e d ，i ta c h i e v e di t sm a x i m u m l i 武汉理t 大学硕士学位论文 p r o d u c t i o ni n5d a y s a st h ef e r m e n t a t i o nc o n d u c t i n g ，t h es sa n dv so fs l u d g ew e r e c o n t i n u o u s l yr e d u c i n g ，t h er e d u c i n gp r o d u c t i o no ft h ef i r s t5d a y sw a sm o r et h a nt h e l a t e r5d a y s i n5d a y sf e r m e n t a t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo fv s sw a s1 2 3 1 - 2 4 2 1 ， a f t e r10d a y sf e r m e n t a t i o n t h er c m o v ar a t eo fv s sw a s19 3 8 - - - 2 8 3 5 u n d e rt h e o p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，t h em a x i m u mp r o d u c t i o no fs c o dw a s3 7 2 3 m g l a f t e r5 d a y sf e r m e n t a t i o n ，t h er e m o v ar a t eo f s sw a s9 5 4 ，t h er c m o v ar a t eo fv s s w a s16 3 3 a f t e r10d a y sf e r m e n t a t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo fs so ft h eo p t i m a l e x p e r i m e n tc o n d i t i o no fe n z y r n a t i c a lh y d r o l y s i sw a s11 2 2 ，t h er e m o v a lr a t eo f v s sw a s2 4 4 4 t h e p r o d u c t i o no fv o l a t i l ef a t t ya c i d su n d e rt h eo p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o n o fe n z y m a t i c a l h y d r o l y s i sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dm a tt h em a x i m u m p r o d u c t i o no fs c o dw a s7 214 m g la f t e r4 d a y sf e r m e n t a t i o n t h em a x i m u m p r o d u c t i o no fv f a sw a s2 4 2 4 m g la f t e r3 d a y sf e r m e n t a t i o n ，w h i c hw a sa b o u t5 8 t i m e so ft h ei n i t i a lv a l u e i nt h ef i r s t2 d a y sf e r m e n t a t i o n ，t h es l u d g er e d u c t i o nw a s m o r e ，i t sr e d u c i n gr a t e o fs sw a s16 6 2 ，t h er e m o v a lr a t eo fv s sw a s 2 6 8 7 ，2 d a y sl a t e r , t h es l u d g er e d u c t i o nw a sm u c hl e s st h a nb e f o r e k e yw o r d s ：s l u d g e ，a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，e n z y m eh y d r o l y s i s ，s c o d ，v f a s 独创性：声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 沙9 。7 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：璧拖导师( 签名) 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究课题的提出及意义 1 1 1 污泥处理处置的必要性 污水污泥是城市污水处理厂处理污水过程中的必然产物。一个稳定运行的 城市污水处理厂都会产生一定量的污水污泥。因此，城市污水处理的总量越大， 污水厂产生的污泥越多。随着城市的发展，城市污水处理率逐年提高，城市污 泥的产量也急剧增加。根据统计资料【l 】，英、美两国在过去的几年中，污泥量 每年增长5 1 0 ，年产干污泥分别达到1 7 1 0 6 t 和9 1 0 6 t 。我国城市污水 处理厂年排放干污泥约3 1 0 5 t ，而且以年约1 0 的速度增长【2 】。如此大量的污 泥如果处理不当，不仅会影响污水厂的正常运行，而且由于污泥中含有大量的 有害物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌及重金属等，会传播疾病、污染土 壤和作物并通过生物链转移至人类。污泥的集中堆置，不仅严重影响置地附近 的环境卫生，而且可能使污染物由表面径流夹带和向地下径流渗透引起更大范 围的水体污染问题【3 】。污泥处理是污水处理厂重要的工作内容之一。西方国家 污泥处理处置的成本一般占整个污水厂运行费用的5 0 以上【4 】。而我国长期以 来对污泥处理没有给予足够的重视，造成我国污泥处理技术严重滞后，有污泥 稳定处理设施的还不到2 5 ，处理工艺和配套设备完善的不到1 0 e 5 1 。 污泥中除含有有毒有害物质外，还含有大量的有机物和营养元素( n 、p 、 k 等) ，如果合理利用将会变废为宝。随着资源短缺危机的加剧，污泥作为“第 二资源”越来越受到人们的关注。 因此，污泥需要及时处理与处置，以达到如下目的： 使污水处理厂能够正常运行，确保污水处理效果； 使有毒有害物质得到妥善处理或利用； 使容易腐化发臭的有机物得到稳定化处理； 使有用物质能得到综合利用，变害为利。 总之，污泥处理的目的就是实现污泥的减量化、稳定化、无害化及资源化。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 污水处理厂碳源的需求 污水处理厂中，碳源是影响生物脱氮除磷工艺运行效果的重要因素。 ( 1 ) 生物脱氮工艺对碳源的需求 在生物反硝化系统中，反硝化菌可以利用碳源作为电子供体，n 0 3 和n 0 2 作为电子受体，在无氧或低氧条件下，将氮还原成氮气，同时达到去除有机物 的效果【6 】。由此可见，碳源是反硝化过程中所不可少的一种物质。 这个过程可以用下述反应式表示： n 0 2 一+ 3 h ( 电子供给体有机底物) 专1 2 n ，+ h ，0 + o h 一 织一+ 5 h ( 电子供给体有机底物) 专1 2 n 2 + 2 h ，o + o h 一 由上述反应式可以看到，生物反硝化过程需要提供足够数量的有机物( 碳 源) 作为电子供体，才能使反硝化反应顺利完成，从而达到脱氮的效果。 如果污水中的b o d 5 t - n 值 3 5 时，则碳源充足，足以满足反硝化反应的 需要，勿需# 1 - 碳源。而当污水中碳、氮比值过低，即需另投加碳源，多采用 甲醇、乙醇或乙酸等【7 1 。 ( 2 ) 生物除磷工艺对碳源的需求 在生物除磷系统中进水碳源是一个很重要的问题。 生物除磷靠具有过量摄取磷的聚磷菌( p a o s ) 来实现。聚磷菌在厌氧条件 下吸收短链挥发性脂肪酸【8 1 ，并将其运输到细胞内，同化成胞内碳源存贮物 ( p h b ) ，同时将细胞原生质中聚合磷酸盐的磷释放出来，提供能量；在好氧条 件下，聚磷菌以聚磷的形式存贮超出生长需求的磷量，通过p h b 的氧化代谢产 生能量，用于磷的吸收和聚磷的合成，能量以聚磷酸高能键的形式存贮，磷酸 盐从液相中去除。因此，原水中易降解有机物( 碳源) 的浓度将直接影响磷的 去除。 生物除磷工艺所去除的磷都储存在聚磷菌体内，以剩余污泥的形式从系统 中去除。有机碳源挥发性脂肪酸( v f a ) 是保证聚磷菌生长的必要底物，作为 p a o 的碳源，v f a 能够被其利用来直接除磷。b a m a r d 9 】的研究表明，去除l m g 的磷需要7 - 9 m g 的v f a ，而且可通过增加v f a 来达到使出水磷含量保持在低 于o 2 0 3 m g l 的水平。显然，v f a 在生物除磷过程中起着重要作用。短链的 v f a 已经被发现是聚磷菌的主要基质，在生物除磷工艺中，进水中v f a 的含量 及其在厌氧段中通过其他有机基质转变而来的v f a 含量能否满足聚磷菌合成 2 武汉理工大学硕士学位论文 足够的p h b 所需的量，是影响聚磷菌释磷及吸磷效果的一个不可忽视的控制要 点。 聚磷菌真正能利用的是v f a ，因此污水中最初的v f a 量，对于提高生物除 磷是一个重要的因素，利用污水中含有的潜在的v f a 总量可以较好的衡量污水 生物除磷的可行性和判断生物除磷的效率【l o 】。a b u q h a r a r a h 和r a n d a l l 】在生物 除磷中加入甲酸、乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸等7 种有机 酸，并研究了它们对处理效果的影响。结果表明，除了甲酸以外，其它加入的 有机酸都被生物除磷所利用，乙酸的加入引起了磷的最大量释放。另外，在生 物除磷工艺调试运行期间，尤其是在污泥培养期间，若进水b o d 5 长期处于 1 0 0 m g l 以下时，常采用投加外部碳源的方法，增加进水b o d 5 浓度，但是投 加的外部碳源应富含v f a ，否则难以取得较好的培养效果【l 2 1 。 可见，碳源对生物除磷工艺有着很大的影响，尤其是v f a s 的含量。保持 生物除磷系统中有足够的碳源成为污水处理厂的一项重要的任务。而国内许多 污水厂，特别是一些南方污水厂建成后进水水质一般较低，五日化需氧量( b o d 5 ) 平均为8 0 m g l 左右，而总氮( t n ) 、总磷( t p ) 的含量却相对较高，c o d t n 经常 在7 o 以下，c o d t p 在6 0 以下，进水碳源无法满足生物脱氮除磷的需求 1 3 1 。 针对进水有机污染物浓度低的问题，可以考虑外加碳源( 如甲醇、乙酸等) ， 但是由于污水处理量大，外加碳源会增加污水处理费用，实际应用并不是很多。 如果可以从污水处理厂内部获取碳源，比如将污水处理厂产生的剩余污泥经过 一定的处理( 如厌氧酸性发酵) ，一方面发酵产物作为碳源增加了污水中溶解性 有机物的量，有利于提高生物脱氮除磷工艺效率，另一方面实现了污泥的减量 化和资源化，这无疑是一举两得的事情。 1 2 国内外城市污泥处理处置现状及技术进展 1 2 1 国内外城市污泥处理与处置现状 污泥处理的目的与其它废弃物一样，皆是以减量化、稳定化、无害化和资 源化为目的。要达到这一目的，必须通过各种机械装置和各种构筑物的有机组 合，组成污泥处理、处置系统。一般情况下，我们可以把污泥处理系统的工艺 流程归结为下列八类【1 4 】： 1 ) 浓缩一前处理一脱水一好氧消化一土地还原； 3 武汉理工大学硕十学位论文 2 ) 浓缩一前处理一脱水一干燥一土地还原； 3 ) 浓缩一前处理一脱水一焚烧或热分解一灰分填埋； 4 ) 浓缩一前处理一脱水一干燥一熔融烧结一做建材； 5 ) 浓缩一前处理一脱水一千燥一做燃料； 6 ) 浓缩一厌氧消化一前处理一脱水一土地还原； 7 ) 浓缩一蒸发干燥一做燃料； 8 ) 浓缩一湿式氧化一脱水一填埋。 选择污泥处理工艺时，需要从环境效益、社会效益和经济效益综合考虑， 还要对各种处理工艺进行探讨和评价，根据实际情况进行选定。 国内外污泥最终处置方法主要有污泥填埋、焚烧、排海和农用等。2 0 世纪 9 0 年代后，随着环境问题的日益加重，欧洲各国和发达国家对城市污水污泥的 处理与处置十分重视，欧共体国家规定1 9 9 8 年1 2 月3 1 日后禁止污泥排海。根 据资料【l5 1 ，英国污泥最终处置的方法主要为农用，约占污泥处理量的4 6 6 ， 填埋所占的比例较小，只占污泥处理量的8 。英国污泥前处理的主要方法为 厌氧处理，将若干污水厂的污泥集中输送至污泥处理中心，采用中温厌氧消化， 其中4 2 的消化后污泥回用于农田。近2 0 年来，德国城市污水污泥的处置方法 主要有填埋法、农用法、焚烧法等，各州城市污水厂污泥处置采用的途径很不 相同，有些州农用比例较高，有些焚烧的比例较高，但从总体来看，填埋是每 个城市污泥处置的主要途径，约占4 5 ，而且由于德国对污泥的农用要求极为 严格，使污泥的农业利用量受到限制【l6 1 。在美国，6 0 以上的污泥被有效利用， 包括直接土地施用、经堆肥等稳定化处理后施用及其他有效利用( 填埋场覆土、 建筑材料中的骨料等) ，在未来的几十年中，污泥的有效利用部分将逐年增加， 而污泥用于填埋或焚烧的比例将逐年下降5 1 。 在我国，排水事业虽然有一定的发展，但在污水处理方面比起西方发达国 家来讲仍然较为落后，污泥的处置技术也很落后，大多未经预处理或仅简单处 理后，就直接农用、填埋或者送垃圾场处理，甚至随意堆放。一些中小城市基 本上没有建造污水处理设施，即使在建有污水处理厂的大中城市，污水处理厂 里的污泥处理设施也有9 0 以上不配套【4 】。目前，我国的污泥管理形势十分严 峻，其中约有1 3 8 的污泥未经任何处理，给环境带来巨大危害，污泥填埋占 到3 0 多，而且一般是将污泥运至填埋场与城市垃圾填埋【l7 1 。在污泥资源利用 方面我国还是以土地利用的形式用于农业为主，但在我国已经建成的污水处理 4 武汉理下大学硕士学位论文 厂，污泥未经任何处理就直接农用的占7 0 以上【1 8 】，即使在设有消化池的污水 处理厂，消化后的污泥也只是稍加脱水后就直接农用，基本上未作无害化处理， 很难符合污泥农用卫生标准。 1 2 2 国内外城市污泥处理与处置技术进展 污泥处理的目的是实现污泥的减量化、稳定化、无害化及资源化，因此， 寻求经济有效的减量化、无害化和资源化的污泥处理利用技术具有重要意义。 ( 1 ) 污泥的减量化 污泥减量化是在2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥处置的新概念，与污泥 的减容化有着本质的区别。减容化是通过降低污泥的含水率来缩小污泥的体积， 而污泥中生物固体量几乎得不到减少。减量化则是通过物理、化学、生物等手 段使整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少，主要是依靠降低微生 物产率以及利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解等，所以减量化是从根本上、 实质上减少污泥量【1 9 】。根据生物处理工艺中微生物代谢特性，减少剩余污泥的 产量可以通过下列各方法实现。 降低细菌细胞的合成量 在生物法处理污水过程中，从能量上对细菌的合成进行抑制，使细菌氧化 底物所获得的能量不用于合成细胞本身，即a t p 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，而不是用于细胞的合成【2 。具体的方 法有：投加解偶联剂、改变污泥所处环境及升高温度、提高盐浓度和氧量等【2 1 1 。 通过溶胞强化细菌自身氧化速率 通过强化细菌的隐性生长也可以达到污泥减量的目的。隐性生长就是指细 菌利用衰亡细菌所形成的二次基质生长，整个过程包含了溶胞和生长。利用各 种溶胞技术，使细菌能够迅速死亡并分解成为基质再次被其它细菌所利用，从 而可以降低剩余污泥的产量。 通常的溶胞作用包括各种化学( 如臭氧、氯气、酸、碱) 、物理( 加热、 超声波、压力) 、生物及其它联合的作用。臭氧作为一种强氧化剂，可以通过直 接或间接的反应方式破坏污泥中微生物的细胞壁，使细胞质进入到溶液中，增 加污泥中溶解性t o c 的浓度 2 2 1 。碱处理法就是在常温条件下，通过加碱( n a o h 或c a ( o h ) 2 ) 来促进污泥中一些纤维成分溶解的方法。碱液预处理能有效溶解 污泥中的硝化纤维，使其转变为可溶性的有机碳化合物，提高后续的污泥厌氧 5 武汉理t 大学硕士学位论文 消化性能 2 3 j 。超声波处理法是将生物化学领域用以破碎细胞的超声波技术应用 到污泥的预处理上来，破坏微生物细胞的细胞壁，使得细胞内的有机质释放出 来，从而促进污泥水解和消化的进行【2 4 1 。生物酶技术是指向污泥中投加能够分 泌胞外酶的细菌，或直接投加溶菌酶等酶制剂( 抗菌素) 水解细菌的细胞壁， 达到溶胞的目的，同时这些细菌或酶还可以将不易生物降解的大分子有机物 分解为小分子物质，有利于厌氧菌对底物的利用【2 5 1 。这些溶菌酶可以从消化 池中直接筛选，也可以选育特殊的噬菌体和具有溶菌能力的真菌。投加生物 酶的溶胞技术是一项新兴的生物处理技术，在污泥减量的同时可促进难降解 有机物降解，目前仍处于试验研究阶段，需进一步优化和完善。 利用微型动物对污泥减量化 利用微型动物对污泥进行减量化有以下三种方式：利用微型动物在食物链 中的捕食作用；直接利用微型动物对污泥的摄食和消化，在减少污泥的容量的 同时增加污泥的可溶性；利用微型动物来增强细菌的活性或增加有活性的细菌 的数量，从而增强细菌的自身氧化或代谢能力【2 0 1 。利用微型动物对污泥进行减 量化，不必投加额外能量，运行成本较低，没有副产物，但微型动物的数量和 种类控制较难【2 1 1 。 ( 2 ) 污泥的稳定化 稳定处理的目的就是降解污泥中的有机质，进一步减少污泥含水率，杀灭 污泥中的细菌、病原体等，消除臭味，这是污泥能否资源化有效利用的关键步 骤。污泥的稳定化可以通过下列各种方法实现。 污泥堆肥 堆肥是利用污泥中的微生物进行发酵的过程【2 6 1 。在污泥中加入一定比例 的膨松剂和调理剂( 如秸秆、稻草、木屑或生活垃圾等) ，利用微生物群落在 潮湿环境下对多种有机物进行氧化分解并转化为类腐殖质。经过堆肥的污泥 质地疏松，阳离子交换量显著增加、容重减小、可被植物利用的营养成分增 加、病原菌和寄生虫卵几乎全被杀灭。 堆肥技术早在2 0 世纪初欧洲就已开始研究，最初是采用厌氧发酵，但因 占地大、易产生臭气而逐渐被淘汰。随着污泥处理技术的发展，污泥堆肥化 工艺逐渐发展到现代化的机械通风，高温好氧发酵工艺及相应发酵设备。近 年来，欧洲、日本、美国等相继研究开发封闭仓式发酵系统。如日本至2 0 世纪9 0 年代术已建了3 5 座污泥堆肥场，其中最大的堆肥场在北海道的札幌 6 武汉理t 大学硕十学位论文 市，其发酵仓和生产线很具规模且机械化自动化程度高【2 7 1 。国内的唐山、常 州等地也采用发酵仓处理污泥【2 8 1 。 污泥经过堆肥处理后，虽然解决了其易腐烂发臭、含水量高、含有病原 菌和寄生虫( 卵) 等有害特性，但其中的重金属、难降解有机物等并未从根 本上得到去除，要使污泥成为一种有用的肥料，还应对这几个问题的解决寻 找有效的方法。 污泥的消化 污泥的消化是在人工控制下，通过微生物的代谢作用，使污泥中有机物 质稳定化，包括好氧消化和厌氧消化【2 叭。 好氧消化法主要依靠有机物的好氧代谢和微生物内源代谢稳定污泥中的 有机组成。好氧消化法降解程度高，无臭稳定，易脱水，肥分高，运行管理 简单，基建费用低；但运行费用高，消化污泥量少，降解程度随温度波动大。 目前比较常用的是厌氧消化，它是在厌氧条件下，污泥中有机物最终矿 化成一些无机物和气体。消化后污泥体积显著减小，易脱水，性质稳定。根 据操作温度，传统的工艺分为中温消化和高温消化，目前较多采用两种工艺 结合应用的方式。 等离子体处理 该法是最近研究成功的。它利用电弧等离子体技术产生高温突越处理脱 水污泥，使污泥中的有机物发生物理化学变化，从中快速制得可燃气体，其 主要成分是c o ，产物气体可直接点火燃烧。试验结果表明，污泥含水率在 4 3 左右时，c o 产率较高【2 。 石灰稳定技术 在投加石灰的条件下，保持一定p h 值及一定时间，可以杀灭传染病菌， 并防腐与抑制臭气的产生。该技术操作简单、成本较低，处理后较容易脱水。 污泥的最终处置可采用农用或卫生填埋【2 9 1 。 污泥湿式氧化 湿式氧化法( w o 法) 是在高压高温下压入空气，将污泥中的有机物和 还原性无机物氧化成c 0 2 、h 2 0 和少量固体残渣。w o 法主要适用于处理各 种难降解有机污泥，但需要高温( 临界温度为1 5 0 3 7 0 。c ) 和一定的压力， 在3 0 0 以上并氧化3 0 m i n 后，污泥中8 2 的有机物被降解，7 0 以上的m l s s 被去除【3 0 1 。w o 法的优点是适应性较强，灭菌和除毒效果好，脱水性能极佳， 7 武汉理t 大学硕士学位论文 处理周期短，污泥经处理后，重量和体积都大为减少，但成本比较昂贵。 ( 3 ) 污泥的资源化 污泥农用 这种利用和处置方式使污泥最终剩余物得到真正解决，因为其中的有机物 得以重新进入自然环境。污泥含有大量的有机物和丰富的营养元素，将其施用 于农田能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进农作物的生长。 污泥农用必须做到下列几点【3 l 】：严格控制污水厂污泥的有毒有害物质及病 源微生物，使其达到国家标准：应特别注意污泥中重金属的含量，根据其土壤 背景值等情况，严格按照计算得到的污泥施用量进行施用；一般来说农田使用 污泥数量都有一定限度，当达到这一限度时，污泥的农用应停止一段时间再继 续进行；农田利用应在安全施用量之下控制使用，同时整个利用区应该建立严 密的使用、管理、监测和监控体系，关注区域内的土壤、地下水、地表水、作 物等相关因子的状态和变化，并根据发生的变化做出相应得调整，使得污泥的 农用更加安全有效，促进农业的可持续发展。 污泥的建材利用 各种类型的城市污泥，由于组分的差异，其建材利用价值和利用方法均 有较大的不同。污泥作为建筑材料制造利用，基本途径分为两类：其一是污 泥脱水、干化后，直接用于制造建材；其二是污泥进行以化学组成转化为特 征的处理后，再用于制造建材，其中典型的处理方式是焚烧和熔融。一般前 一种途径适合于主要由无机物组成的污泥，后一途径适合于污水厂污泥等有 机组分多的污泥。污泥的建材利用大致可以归结为以下方法：污泥制砖、制 生化纤维板、制轻质陶粒、制熔融资材和熔融微晶玻璃，生产水泥等【3 引。 从2 0 世纪8 0 年代开始，人们对污泥制作建筑材料进行可行性研究，并 出现了一些成功的研究成果与工程应用。日本东京都下水道局自2 0 世纪8 0 年代中期，开始研究污泥制砖技术，现已通过烧结工艺生产污泥黏土混合砖、 污泥焚烧灰制造地砖和混凝土的填料等，并已形成规模生产。日本东京都 n a m b u 污泥处理资源化厂，已于1 9 9 6 年建成了一套生产装置，利用城市污 泥生产人工轻质填充料，生产规模为5 0 0 k g h ，现正在进行扩建【3 3 1 。目前美 国等北美国家主要采用利用城市污水污泥、工业污泥和粉煤灰为原料，生产 玻璃态骨料、轻骨料、矿渣水泥等技术，采用的设备性能先进，但价格较为 昂贵。美国利用污泥作为卫生填埋覆盖填料的研究已有成功的实践，替代城 武汉理t 大学硕士学位论文 市固体废弃物填埋场覆盖材料的农用耕地或专用取土场上取得的黏土，现美 国利用污水厂污泥作为城市固体废弃物填埋场覆盖材料的实践正在逐级普及 【3 4 1 。我国自2 0 世纪9 0 年代中期也进行了污泥轻质陶粒的研究，广州华穗轻 质陶粒制品厂采用城市污泥代替河道淤泥或黏土烧制轻质陶粒获得成功，已 实用于生产实践。我国上海水泥厂利用水泥窖，采用污泥均化、贮存、磨碎、 煅烧等技术生产路线生产出符合国家标准的水泥熟料，且排放废气达到了国 家环保检测标准。污泥还可用于制生化纤维板，上海房地局住宅建筑研究所 利用化工、印染等工业废水的剩余污泥制成生化纤维板，强度达到国家三级 硬质纤维板标准，有良好的经济效应，现处于研究开发阶段【3 5 1 。 总之，污泥建材利用途径很广，现正处于深化研究中，但由于缺乏长期 跟踪研究与监测数据，尚需加强研究与深化开发。 污泥的化工原料利用 污泥中含有大量有机物，如蛋白质、脂肪、多糖等，其含量随社会发展 水平而增加，因此，污泥具有提取化工原料的客观条件。污泥化工原料的综 合利用，已成为国内外研究重要课题。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外就开始有关活性污泥作为生物吸附剂的 研究。1 9 8 7 年p c c h i a n g s 首先发表了污水厂污泥制备活性炭的实验研究报 告，之后1 9 9 6 年j e y a s e e l a n 3 6 1 、2 0 0 0 年西班牙的l f c a l v o 等【3 7 1 人研究了污 泥烧制多孔吸附剂的工艺，并对去除恶臭和污染物吸附能力进行初探。1 9 9 0 年我国吴健3 8 1 ，1 9 9 7 年马志毅等【3 9 】利用城市初沉污泥、活性污泥进行碳化 一活化处理制备污泥活性炭，并对废水中c o d 、f 、c d 2 + 等污染物去除能力 进行实验。2 0 0 0 年万华龙【35 】利用活性污泥制造活性炭，并对其吸附等温线进 行研究。污泥制取的吸附剂有较高的c o d 去除率，吸附饱和后若不能再生 可作为燃料进行燃烧。 利用污泥作为无烟粉状煤加工成型煤的粘结剂替代白泥，既改善型煤内 孔结构，提高型煤气化反应，减少灰渣，污泥热值也得到充分利用。华南农 业大学和广州大坦沙污水处理厂合作，利用城市污泥作生产复合肥的粘结剂， 通过试验表明是安全可行的【4 。 污泥中的有机物蛋白质、脂肪、多糖与维生素，均是动物所需的营养物 质。污泥中7 0 的粗蛋白是以氨基酸存在，以蛋氨酸、胱氨酸等为主，各种 氨基酸之间相对平衡，是一种非常好的饲料蛋白。s s c h i s h u 4 l 】分析了污泥 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 中蛋白质的精细组成与家畜饲料中所含氨基酸对比结果表明，污泥蛋白中几 乎含有家畜饲料中所有需要的氨基酸，饲养的动物与用一般饲料饲养动物对 照，体重有所增加，未发现对动物有害作用。不过采用何种加工技术，如何 将污泥中营养成分转化饲料蛋白，目前研究成果尚不够深入。 污泥的热能利用技术 污泥能源利用途径较多。由于污泥中含有脂肪族化合物和蛋白质可通过 地温热化学反应转化为油、炭和反应水，这种油可现场发电和作为燃料出售； 污泥中的有机物含有大量的潜在能源，其干物质的热值可达 3 5 0 0 5 0 0 0 k c a l k g ，可用作制燃料；污泥消化的沼气利用，特别是污泥两相厌 氧消化技术发展一乙醇型发酵和产氢发酵技术，应用两相厌氧生物制氢技术 可以得到大量廉价的清洁能源一氢气； 酸，是增强生物除磷过程的有利基质。 下： 污泥酸性发酵可产生短链挥发性脂肪 污泥能源利用技术特征与分类简介如 a 污泥热解制油技术 污泥热解是将污泥在无氧或缺氧状态下加热，使之分解为：以氢气、一 氧化碳、甲烷等低分子碳氢化合物为主的可燃性气体；在常温下为液态的包 括乙酸、丙酮、甲醇等化合物在内的燃烧油类；纯碳、金属物、土、砂等混 合形成的炭黑等化学分解过程【4 2 1 。美国是最早开展固体废弃物热解技术的国 家。1 9 7 0 年，随着美国将“固体废弃物”改为“资源再生法 ，热解技术得 到大力推进。2 0 世纪8 0 年代，美国能源部又推出一套对固体废弃物实施资 源和能源再利用的技术开发计划。日本有关城市污泥热解技术研究是1 9 7 3 年开始的，其目的是为了减少焚烧造成的二次污染和需要填埋处置的废物量。 污泥热解操作系统封闭，减容效率高，无污染气体排放，且几乎所有金属颗 粒都残留在固体剩余物中，热解过程的同时可得气体、液体燃料，是一种有 前途的污泥处理方法和资源化技术【4 引。 b 污泥合成燃料与焚烧热能利用 污泥或垃圾制作燃料被利用，国外称为r d f ( r e f u s ed e r i v e df u e l ) 技术 【4 4 1 。这项技术是将城市垃圾处理与资源化技术应用于城市污泥处理与资源 化，而且比城市垃圾在r d f 燃料制作时，更为容易、简单、经济。污泥的焚 烧热能利用是指将脱水或干燥的污泥，依靠其自身的热值或辅助燃料，放入 焚烧炉进行焚烧的热处理与热能利用的过程。焚烧法热回收成本较高，且可 l o 武汉理工大学硕士学位论文 能产生二次污染，如废气、噪声、热辐射等。因此，在国外，特别是德国污 泥焚烧法在下列情况下才应用：由于污泥性质，如重金属过高，不能农用时； 现有条件无法实施污泥能源回收时；现有的填埋处理场体积不足时。 c 污泥厌氧消化的沼气与氢能源利用 厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌群的作用，使 有机物经液化、气化而分解成稳定物质，病原菌、寄生虫卵被杀死，固体达 到减量化和无害化的方法。厌氧消化时，污泥在微生物的作用下要经历水解 酸化、产氢产乙酸及产甲烷三个阶段，其中前两项为酸性发酵阶段，产甲烷 阶段为碱性发酵阶段【6 1 。2 0 世纪7 0 年代初s g h o s h 和f g p h o l a n d 等【4 5 】根据 厌氧微生物学研究不断深入研究提出了两相或两段厌氧消化工艺。从2 0 世纪 8 0 年代起世界各国正在研究开发好氧一厌氧两段消化，或酸性发酵一碱性发 酵两相消化以及中温一高温双重消化等新工艺【4 引。目前，对产酸发酵的研 究表明，产酸发酵主要有两种类型，即丙酸型发酵和丁酸型发酵。任南琪等 【4 9 】在研究中又发现一种乙醇型发酵的产酸发酵类型。其发酵末端产物是乙 醇、乙酸、c 0 2 、h 2 为主，可获得较高的产氢能力；同时可提供产甲烷相最 佳底物组成，易于被甲烷菌利用。此项发酵法生物制氢技术具有良好的发展 前景。 d 污泥厌氧酸性发酵的碳源利用 污泥厌氧消化产物除可得到沼气与氢能源得以资源利用，还有其他的资 源利用途径。污泥进行厌氧酸性发酵阶段产生的挥发性脂肪酸可作为反硝化 细菌、聚磷菌、硫酸盐还原菌等细菌所需要的碳源，可以提高污水处理厂脱 氮除磷效率及废水中硫酸根的去除效率等作用。利用污泥中有机质发酵产酸， 在降解有机物消除污染的同时又获取碳源，降低成本并保护了环境，还实现 了污泥的资源化利用。由于污泥大部分可生物降解有机质在微生物细胞内， 而微