（环境工程专业论文）水热序批egsb磷酸氨镁工艺处理剩余污泥的研究.pdf

摘要 i i i ii ii i ii i iii i iii ii i y 19 4 2 4 5 6 摘要 针对环太湖地区污水处理率高、污泥产量大、污泥无害化处理率低，二次 污染严重的现状，开发污泥“水热处理+ e g s b + 磷酸氨镁( m a p ) 处理技术， 实现污泥的无害化处理，并通过回收污泥中资源降低污泥处理成本，为污泥处 理的最佳技术选择提供示范。本论文以某城市污水处理厂的剩余污泥为研究对 象，采用“水热处理+ e g s b + 磷酸氨镁( 脚) 一组合工艺处理剩余污泥，通过 对组合工艺的调试启动以及运行特性进行研究，研究结果表明： 1 、城市污水处理剩余污泥经带式压滤机脱水后的污泥含水率 8 0 ，但水 热处理后污泥的脱水性能得到大幅改善，脱水后含水率 h r t ，成功的提高了反应器内的污泥浓度。其主要代表如下： 厌氧滤池( a f ) a f 又称厌氧固定膜反应器，滤池呈圆柱形，池内装放满填料，池底和池顶 进行密封【3 6 1 。 升流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) u a s b 因其高处理的效能而被广泛的应用，对废水生物处理技术具有划时代 的意义。 厌氧膨胀床( a e b ) 和厌氧流化床( a f b ) 厌氧膨胀床的原理主要是借鉴于化工流态技术，把固定微生物的小颗粒载 体作为流化粒料，把废水作为流化介质，从外界施加动力，使得覆盖了生物膜 的颗粒完全克服重力与流体阻力，做自由运动，形成流态化，在厌氧条件下不 断加速废水中有机物的降解速率。 升流式厌氧污泥床一滤层反应器( u b f ) u b f 又称为厌氧复合反应器，由加拿大学者s r g u i o t 研究开发出来。 ( 3 ) 第三代厌氧反应器在s r t h r t 的基础上，提高进水速度，使得固液 两相充分接触，并强化了传质效果。 膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 膨胀颗粒污泥床成功结合了流化床与u a s b 反应器技术，属于u a s b 反应 器的变型【3 7 1 。 内循环( i c ) 厌氧反应器 i c 反应器是对现代高速反应器的一种突破，有着重大的理论意义和实用价 值1 3 5 。 厌氧生物转盘与厌氧折流板反应器( a b r ) 1 9 8 0 年在好氧生物转盘的基础上研究开发出了厌氧生物转盘新工艺。 厌氧序列式反应器( a s b r ) 该工艺的特点是：能够有利于生产规模废水生物处理中厌氧技术的应用与 发展，并且有利于厌氧系统的稳定性和对不良因素的适应性。 1 2 3e g s b 反应器的特点与原理 e g s b 反应器的构造与u a s b 反应器有相似之处，可以分为进水配水系统、 8 第一章引言 反应区、三相分离区和出水渠系统。e g s b 反应器的构造如图1 2 所示【3 9 l 。 e g s b 反应器的顶部可以敞开的，也可以是封闭的。封闭的优点是可以防止 臭味外溢，如压力下工作，甚至可以代替气柜作用。 e g s b 反应器一般为圆柱状塔形，具有较大高径比，一般可达3 5 。生产 性装置反应器的高度可达1 5 2 0 i i l m 。 被处理的废水与循环出水混合后由反应器底部配水系统均匀地分配到反应 器底面上，而垂直升流通过反应区，使废水中的有机物与颗粒污泥充分接触， 产生剧烈生化反应，有机物被厌氧细菌降解，大部分有机物被异化转化成甲烷 和二氧化碳等，一小部分有机物被同化转化为厌氧菌细胞。反应区内的混合液 ( 水流和污泥) 和沼气继续向上流动，并通过三相分离器。在三相分离器中气 体首先被分离出来进入反应器顶部的集气室，沼气不断通过设在顶部的导管输 送到气柜，混合液在三相分离的沉淀区经固液分离后沉淀污泥不断返回反应区， 处理过的上清液通过出水渠，一部分出水通过泵强制循环，重新回到反应器内。 循环比的大小视进水浓度而变，进水相同流量的处理过的出水被排除反应器， 完成全过程。 图1 - 2e g s b 反应器的结构图 f i gl - 2 e g s br e a e t o rs t r u c t u r e 9 第一章引言 1 2 4e g s b 反应器在国内外研究状况 l e t t i n g a 教授和其同事自1 9 7 4 年开发了上流式厌氧污泥床反应器( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb e d ，简称u a s b ) 之后，在8 0 年代后期，又研制了e g s b 反应 器。在u a s b 反应器中，污泥床是静止的，污水经过这里约有9 0 的有机物被 降解【4 l 】。而e g s b 反应器采用高达5m h - - 1 0m h 的液体上升速度，这远远大于 u a s b 反应器所采用的约o 5m h 一2 5m h 的上流速度【4 2 】。为了提高液体上 升速度，e g s b 反应器采用处理水回流。在高的上流速度和产气的搅拌作用下， 废水与颗粒污泥的接触更充分，资料表明，e g s b 反应器可在lh 2h 的水力停 留时间下，取得u a s b 反应器需要8h 1 2h 才能达到的效果【4 3 j 。 m t k a t o 和g l e t t i n g a 等以乙醇为基质进行了e g s b 反应器处理低浓度废 水的试验。反应器用玻璃制造，容器为5 2 l ，在3 0 0 c 下运行。当进水c o d 为 1 0 0 - - 7 0 0 m g l ，进水有机负荷率可达1 2 k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率在8 0 - 9 7 。试验结果表明：e g s b 反应器在处理低温低浓度废水方面有着u a s b 反应 器不可比拟的优越性，但是并不意味着它只局限于此，由于它能承受的容积负 荷远大于u a s b 反应器，无疑也具有强大的优势嗍。 实践证明，对于高浓度废水，e g s b 反应器同样能获得良好的效果。j e i s o n 等人对e g s b 反应器和u a s b 反应器处理高浓度有机废水进行了对比实验。当 以乙醇人工配水为进水时，c o d 浓度为1 00 0 0m g l ，e g s b 反应器和u a s b 反 应器的去除率均大于9 8 ；当处理速溶咖啡废水时，c o d 浓度为60 0 0 - 1 00 0 0 m g l ，e g s b 反应器的c o d 去除率为6 0 ，而u a s b 反应器则为5 5 ，e g s b 反应器的处理效果好于u a s b 反应器 4 5 j 。 当废水中含有对微生物有毒害作用的物质时，采用传统的u a s b 反应器很 难获得良好的处理效果。由于e g s b 反应器具有很高的出水循环比，可以将原 水中毒性物质的浓度稀释到微生物可以承受的程度，从而保证反应器中的微生 物能良好生长；同时还由于反应器内水力上升流速大，废水与微生物之间能够 充分接触，可以促进微生物降解基质【4 6 】。因此，采用e g s b 反应器处理毒性废 水可以获得良好的效果。d r i e s 等人通过实验，在以乙酸为基质的情况下采用 e g s b 反应器对含硫酸盐废水进行处理，通过控制上述两个参数，获得了较高的 处理效果。实验在2 3l 的玻璃反应器内进行，反应器启动后，将c o d s 控制 在2 2 ，p h 值控制为7 9 左右m 。从实验开始起，逐渐改变进水流量8 0 4 2 。一s 浓度以及硫酸盐负荷，硫酸盐转化率及c o d 去除率分别为7 0 和9 0 左右； 1 0 第一章引言 尤其是当进水硫酸盐浓度为8 0 0 m g s 0 4 2 - - - s l ，负荷为1 0 4g s 0 4 2 - - s l d 时， 硫酸盐转化率及c o d 去除率分别高达9 4 和9 6 ，此时，反应器内进水流量 为2 9 8l d ，循环流量为2 3 6l d ，水力上升流速为5m h ，而水力停留时间为 2 h ，由此可见，e g s b 反应器处理含硫酸盐工业废水的研究将是进一步发展的重 点。 1 3 强化脱氮除磷技术研究现状 1 3 1 强化脱氮除磷工艺与方法 l 、生物脱氮除磷技术研究状况 生物脱氮除磷原理 传统的生物脱氮理论认为：废水中的有机氮在氨化菌的作用下，转化为氨 态氮，水体中氨态氮在好氧条件下通过硝化菌和亚硝化菌转化为n 0 3 - - n 。然后 在缺氧条件下通过反硝化细菌转化为n 2 ，从而达到脱氮的目的。但在近年来研 究发现：在厌氧的条件下，n h 4 - n 也会减少。在好氧条件下同时具有硝化和反 硝化作用。这些现象都无法用传统的脱氮理论来解释，说明在传统的脱氮理论 之外，还存在其他的生物脱氮原理【4 8 】。 传统的生物除磷理论认为：在厌氧条件下，聚磷菌把细胞中的聚磷水解为 正磷酸盐释放到胞外，并从中获得能力量，并利用废水中的易降解有机物，如 挥发性脂肪酸( v f a ) ，合成储能物质聚b 羟基丁酸( p h b ) 等储于细胞内，在 好氧的条件下，聚磷菌以游离氧为电子受体，氧化细胞内储存的p h b ，并利用 该反应产生的能量，过量从污水中摄取磷酸盐，合成高能a t p ，其中一部分又 转化为聚磷，作为能量储于细胞内，好氧吸磷大于厌氧释磷量，通过排放富磷 污泥可以实现高效除磷目的1 4 9 。而近来的一些研究发现，在缺氧条件下，部分 聚磷菌利用n 0 3 。作为电子受体氧化胞内储存的p h a ，并从环境中摄磷实现同时 反硝化和过度摄磷，即反硝化除磷现象【5 0 1 。 生物脱氮除磷新技术及其工艺 基于传统生物脱氮除磷原理发展的生物脱氮除磷o 工艺，研究者们根据 厌氧、缺氧、好氧等池子的排列数量及混合液循环和回流方式的变化开发出的 一系列工艺【5 1 1 。如：a 2 o 工艺，v i p 工艺，u c t 工艺，m u c t - r 艺，j h b 工艺 第一章引言 等。此外，还有通过对曝气供氧的控制，在空间和时间上形成厌氧与缺氧环境 的s b r 工艺和氧化沟工艺。这些工艺都是尽可能将除磷和脱氮过程分开以排除 除磷和脱氮过程的相互干扰，如：硝酸盐对释磷的影响；反硝化与释磷对碳源 的竞争，硝化菌和聚磷菌的泥龄不同等矛盾【5 2 1 。 近年来，国内外研究者们对不同于传统生物脱氮除磷理论的反硝化除磷， 同时硝化及反硝化，短程硝化反硝化，厌氧氨氧化等新技术及其相关工艺进行 了大量的研究【5 引。 1 ) 反硝化除磷 反硝化除磷是一些聚磷菌在缺氧的条件下，以硝酸盐作电子受体，过度摄 磷，实现反硝化除磷的脱氮除磷过程【5 4 1 。 d e p h a n o x 工艺是b o r t o n eg 等于1 9 9 6 年提出的一种工艺，如图1 3 。实 质上是w a n n e r 工艺的另一种称谓，w a n n e r 工艺是1 9 9 2 年捷克的w a n n e r 等，首 次采用交替的厌氧和缺氧条件并结合单独的固定生物膜，来实现生物除磷的思 想，并将其运用到反硝化除磷工艺中【5 5 1 。 反硝化除磷污泥回 图1 - 3d e p h a n o x - r l 艺流程示意图 f i g 1 - 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd e p h a n o xp r o c e 剩余污泥 影响反硝化除磷技术的因素有：c o d n 和c o d p 值，n 0 3 和n 0 2 浓度； p h 值；m l s s 值，溶解氧( d o ) 浓度；污泥停留时间( s r t ) 等因素。国内外 研究者对该技术进行了大量的研列5 刚。 2 ) 同时硝化与反硝化 在一定条件下，硝化与反硝化反应发生在同一处理条件及同一处理空间内， 1 2 第一章引言 称为同时硝化与反硝化( s n d ) ，s n d 具有以下优点【5 刀：a ) 能有效保持反应器 中p h 稳定，减少或取消碱度的投加。b ) 减少传统反应器的容积，节省基建费 用。c ) 对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，s n d 能够降低实现硝化、 反硝化所需时间。d ) 曝气量的节省，能够进一步降低能耗。对于同时硝化与反 硝化的反应机理初步的解释包括：反应器溶解氧分布不均理论，缺氧微环境理 论和生物学理论p 引。 目前对s n d 技术的研究主要集中在序批式反应器( s b r ) 、生物转盘反应器 ( r b c ) 、生物流化床、氧化沟等。其中以s b r 反应器中s n d 工艺研究最多， 影响s n d 的因素有：碳源、溶解氧、絮凝体特性等【5 9 1 。 3 ) 短程硝化反硝化 + 短程硝化反硝化是将硝化控制在n 0 2 阶段而终止，随后进行反硝化。短程 硝化反硝化可节省氧供应量约为2 5 ，降低能耗，节省碳源4 0 ，减少污泥生 成量可达5 0 ，减少投碱量，缩短反应时间和减少容积，但短程硝化反硝化的 缺点是不能长久稳定地维持n 0 2 积累【叫。短程硝化反硝化工艺尤其适用于低碳 氮比、高氨氮、高p h 值和高碱度废水的处理。实现短程硝化和反硝化的关键在 于抑制硝酸菌的增长，从而使亚硝酸盐在硝化过程中得到稳定的积累 6 h 。 影响短程硝化反硝化的因素有温度、p h 值、氨浓度、d o 等。h y u n g s e o ky o o 等对间歇曝气循环单污泥系统中的同时短程硝化与反硝化进行了研究，指出： d o 、p h 、f a 、f h 、温度、曝气时间长短等因素都影响同时短程硝化与反硝化， 体系的最低d o 浓度为0 4m g l 左右，最高d o 为2 0 - - - 2 5 m g l ，低于1 0m g l 时主要发生反硝化作用，高于1 0m g l 时主要发生硝化作用1 6 2 。 4 ) 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化就是利用微生物的生化作用，以n i - h + 还原n 0 2 - 和n 0 3 一，最终 达到去除水体中氮元素的目的。其优点在于：不需要外加有机物作为电子供体， 节省中和试剂，无二次污染，节省供养能耗，运行费用低。 厌氧氨氧化正在开发的工艺有a n a m m o x 和o l a n d 工艺两种。 a n a m m o x 工艺是由荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术试验室开发的新工 艺。该工艺的原理是厌氧条件下，以n 0 2 - 和n 0 3 作为电子受体，将氨转化为氮 气。o l a n d 工艺由比利时g e n t 微生物生态试验室开发，该工艺的关键是控制 溶解氧，使硝化过程仅进行到n h 4 + 氧化为n 0 2 一阶段，由于缺乏电子受体，由 n h 4 + 氧化产生的n 0 2 一氧化未反应的n h 4 + 形成n 2 。 1 3 第一章引言 影响厌氧氨氧化反应的因素有抑制物、p h 值、温度等，对厌氧氨氧化反应 的抑制作用主要有基质抑制、0 2 抑制等。其最适p h 值范围在6 7 8 3 范围内， 其最佳温度为4 0 胡宝兰等利用上流式厌氧污泥床作为厌氧氨氮反应器取得对 n h 4 + 、n 0 2 - 、n 0 3 - 的良好去除率。j e t t e n 等【6 3 1 将a n a m m o x 工艺与s h a r o n 工艺结合，对污泥硝化出水进行研究，试验结果表明氨态氮的去除率能达到8 3 。 反硝化除磷、同时硝化与反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等生物脱 氮除磷技术都是突破传统生物脱氮除磷原理基础上发展起来的新技术，都是朝 着经济、高效、低耗的可持续方向发展的生物脱氮除磷新技术。研究者们对这 些新技术已进行了较为深入的研究。并且，有些新技术都已经运用于实践中。 但这些新技术的原理、工艺还不够成熟，其原理、工艺及其影响因素还有待于 进一步的研究。所有的生物法脱氮除磷技术，都要求处理废水中的磷含量低于 1 0 m g l ，氨氮含量低于1 0 0 m g l ，如果废水中的氮、磷含量太高就不适合用生 物法处理【叫。 2 、化学法脱氮除磷技术研究概况 物理化学方法脱氮 物理化学方法脱氮工艺主要有空气吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化 法及反渗透法等【6 5 j 。 近2 0 年来，在城市污水脱氮处理中采用物理化学方法的并不多，或者说基 本上不作为城市污水脱氮的主要工艺，只有当气候条件不适合生物脱氮或者当 污水中氨氮浓度非常高时才采用物理化学方法脱氮。当生物脱氮还不能满足严 格的出水水质要求时，可以把物理化学脱氮作为最终处理工艺。对于物理化学 法脱氮，目前缺乏成功的工艺设计经验和实例，而且运行操作复杂，处理费用 昂贵，空气吹脱法脱氮还会造成大气污染。 化学沉淀法除磷 化学沉淀法除磷是指用试剂与污水中的含磷化合物反应，生成化学沉淀， 达到除磷目的的方法。这是欧洲较早应用的除磷方法 6 6 1 。1 7 6 2 年发现的化学沉 淀，1 8 7 0 年就已在英国成为一种实用的污水处理方法m j 。1 9 世纪后期，英美等 国广泛采用化学沉淀方法处理污水，但不久即被生物处理所取代，其原因是化 学沉淀法引入了新的化合物，而且该法的试剂消耗量大，运行费用高，产生大量 且易造成二次污染的污泥，这些问题在当时不能得到好的解决。到了2 0 世纪8 0 年代，为进一步提高污水中的有机物和磷的去除率，又开始重新重视化学沉淀。 1 4 第一章引言 化学沉淀法采用的化学试剂一般是铝盐、铁盐( 包括亚铁盐) 、石灰和铝铁聚合物 ( a v r ) 等。目前研究得比较多的化学沉淀法是磷酸铵镁沉淀法。通过磷酸铵镁沉 淀法可同时去除废水中的氨氮和磷酸盐【醯】。 1 3 2 磷酸铵镁脱氮除磷技术研究概况 磷酸铵镁脱氮除磷技术及原理 磷酸氨镁( m g n i - h p 0 4 6 h 2 0 ) 俗称鸟粪石，英文名称s t r u v i t e ( m a g n e s i u m a m m n o r t i n mp h o s p h a t e ) ，简称m a p l 2 r l 。分子量为2 4 5 4 1 ，无色斜方系晶体或白色 结晶粉末，相对密度1 7 1 1 ，折光率1 4 9 6 ，微溶于冷水，溶于热水和稀酸，不溶 于乙醇，磷酸铵或磷酸钠的水溶液，遇碱溶液分解，在空气中不稳定，易失去 ， 氨，在1 0 0 失水变为无水盐，加热至熔化则分解成焦磷酸镁【6 9 】。磷酸铵镁的 k s p = 2 5x1 0 - h ( 2 5 c ) 。在水溶液中生成磷酸铵镁沉淀的主要反应式如下t n h 4 + + h 2 p 0 4 + m + + 6 h 2 0 = m g n h a p 0 4 6 h 2 0 j + 2 h + n h 4 + + h p 0 4 卜+ m g z + + 6 h 2 0 = m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 i + i - i + n h 4 + + p 0 4 卜+ m g 什+ 6 1 - 1 2 0 = m g n i - l # 0 4 6 h 2 0 上 对于含有高浓度氨氮和磷酸盐废水，单纯利用生物脱氮除磷技术很难达到 排放标准，基于水体系中的n h 4 + ，p 0 4 ：卜及m 9 2 + 可生成m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 沉淀， 从而可以达到同时除去水体系的氨氮和磷酸盐，研究者们把这种通过沉淀方法 能够同时去除废水高浓度氨氮和磷酸盐的方法叫做磷酸铵镁脱氮除磷技术【彻。 磷酸铵镁脱氮除磷技术可以用来处理高浓度氨氮废水和高浓度磷酸盐废水以及 同时含有高浓度氨氮和磷酸盐废水。磷酸铵镁脱氮除磷技术具有很强的优越性， 因为通过其他方法去除废水中的氨氮会产生一些氮氧化物类型的大气温室气 体，用其他方法去除废水中的磷酸盐物质，常常得到的是一些不能再利用的废 渣，而通过磷酸铵镁脱氮除磷技术去除废水中的氨氮或磷酸盐得到的是磷酸铵 镁沉淀物质【7 1 j 。 磷酸铵镁可以用作饲料添加剂、肥料添加剂，在医药上也有应用，也可用 于涂料、氨基甲酸酯、软泡阻燃剂的制造。磷酸铵镁是一种很好的长效复合肥， 它的养分比其他可溶肥的释放速率慢，可以作缓释肥，肥效利用率高，施肥次 数少同时不会出现化肥灼烧的情况，并且极大限度地减少肥料中氮、磷进入附 近水体防止富营养化的发生，它可促进作物生长，增强抗病能力，提高瓜果、 1 5 第一章引言 蔬菜、花卉等的品质和产量，使作物的果实色泽更鲜艳，味道更醇美，营养更 丰富，完全没有环境污染【_ 7 2 l 。因此通过磷酸铵镁脱氮除磷技术可以回收废水中 的氨氮和磷酸盐物质，达到变废为宝的目的。并且有关资料表明磷资源是不可 再生的资源，目前地球上的磷资源只能维持1 0 0 年左右的时间。因此磷酸铵镁 技术是一种有效去除高浓度氨氮和磷酸盐废水的技术，是一种可持续发展的脱 氮除磷技术，成为目前的一个研究热点l 乃j 。 国内外对磷酸铵镁脱氮除磷的研究内容 目前国内外研究者们对磷酸铵镁脱氮除磷技术进行了较为广泛的研究。研 究的主要内容侧重于【7 4 1 ：a ) 对高浓度氨氮废水的处理和对高浓度磷酸盐废水的 处理效果的研究，以及处理同时含高浓度氨氮和磷酸盐废水的研究，相对而言 对高浓度磷酸盐废水研究较少。b ) 对沉淀剂的选择研究。c ) 磷酸铵镁脱氮除磷 技术影响因素的研究，如p h 值，物质摩尔配比，反应时间，反应温度，反应物 浓度，搅拌速度等。 1 4 本课题的研究意义 随着城市建设和发展以及人们生活水平和环境意识的不断提高，城市废水 的排放量与日俱增，并且国家对城市废水处理投入巨大的资金，我国的废水总 处理率得到大幅提升，随之产生的城市废水污泥处理任务也变的非常艰巨。由 于我国的污泥处理和处置技术在我国还刚刚起步，与国外先进国家相比尚有较 大差距。在全国现有废水处理设施中污泥稳定减量处理设施的还不到1 4 ，处理 工艺和配套设备较为完善的还不到1 1 0 。已花费了大量人力、物力、和财力处 理了废水，如果污泥得不到充分有效的处理处置则会造成很大的失误。大量未 经稳定处理的污泥没有正常出路。许多城市仍采取购地露天堆放或填满的方法， 造成了城市周边蚊蝇孳生、环境污染的状况。 考虑到在2 0 世纪7 0 年代末期各种新型的厌氧工艺等到了发展，使得厌氧 处理高浓度废水的停留时间从过去的几天或几十天可以缩短到几小时或几天。 与厌氧废水处理领域的进展相比较，污泥处理、处置技术的发展远远的落后于 厌氧工艺本身的发展进程。如何将厌氧技术发展技术发展的巨大成果应用到污 泥处理领域是当前的重要课题。 最后，有资料显示，目前我国的污泥农用比例约为4 4 8 ，是污泥主要的 1 6 第一章引言 处理、处置方式之一。污泥农用存在一定的隐患和风险，并且我国关于污泥农 用风险的研究体系尚不健全。但污泥的资源性不可否认，也正是由于污泥的资 源性特点，世界水环境组织( w e f ) 于1 9 9 5 年将污泥( s l u d g e ) 更名为生物固体 c o i o s o l i d ) ，从而更加明确了污泥应该作为资源利用的观念。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 7 第二章研究内容与方法 第二章研究内容与方法 2 1 课题来源 本课题来自国家水体污染控制与治理科技重大专项“针对环太湖河网地区 城市水环境整治技术研究与综合示范课题 项目，第四子课题“城市污水处理 厂剩余污泥减量化技术与示范。针对环太湖区域污水处理率高、污泥产量大、 污泥无害化处理率低、二次污染严重的状况，本课题是以江苏省无锡市硕放水 处理厂的污泥为研究对象，研究其处理方法。开发污泥“水热处理+ e g s b + 磷酸 氨镁( m a p ) 强化脱氮除磷”处理技术，实现污泥的无害化处理。并通过回收 污泥中的资源降低污泥处理成本，为污泥处理的最佳技术选择提供示范。 基于该工艺在污泥减量化工程中还未等到广泛运用。该工艺的某些重要的 技术参数和运行数据还未完全掌握。本人有幸在导师的帮助下参与该工程的设 计、安装、调试、运行整个过程。所以本人选择了“水热处理+ e g s b + 磷酸氨镁 ( m a p ) 工艺处理污泥作为本课题的研究内容。 2 2 污泥的泥量及其泥质 该污泥减量化处理工程的原泥泥量及其泥质见表2 - - 1 表2 - 1 原泥的泥量及泥质 t a b 2 1t h es o u r c eo f t h eo r i g i n a lc l a ya n ds h a l e 2 3 研究内容 通过对工程启动、调试及运行，对“水热处理+ e g s b + 磷酸氨镁( m a p ) ” 工艺对污泥进行减量化处理进行如下研究： 1 、污泥水热处理技术： 2 、水热污泥上清液的e g s b 厌氧处理技术； 1 8 第二章研究内容与方法 3 、水热污泥上清液中n 、p 元素的去除及回收技术； 4 、污泥“水热处理+ e g s b + 磷酸氨镁( m a p ) 强化脱氮除磷 处理工艺的 关键设备研制及系统集成。 2 4 创新点 l 、水热大幅改善污泥的脱水性能，脱水后污泥含水率小于5 0 ，污泥减量 效果显著。 2 、利用闪蒸技术解决了污泥进料和水热污泥换热的关键问题，实现了系统 的大幅度节能。 3 、将高效厌氧反应e g s b 技术运用到污泥减量化过程中，并采用磷酸氨镁 ( m a p ) 沉淀法回收污泥中的n 、p 元素资源，降低污泥处置成本，使其具有较 强的推广应用的经济价值。 2 5 工艺流程 根据对无锡市硕放水处理厂现场场地的勘测，及对污泥特性的研究，最终 确定采用污泥处理工艺方案如下图2 1 所示。 图2 1 污泥处理工艺流程图 f i 9 2 1s l u d g et r e a t m e n tp r o c e s sf l o wc h a r t 1 9 第二章研究内容与方法 2 6 主要构筑物设计参数及设备选型 污泥处理现场的主要构筑物及设备见表2 2 表2 - 2 主要构筑物及设备 t a b 2 - 2 m a j o r s t r u c t u r e sa n de q u i p m e n t 2 7 分析项目及测试方法 本课题主要检测项目：c o d c ，、p h 、t p 、t n 、n h 3 - n 、v f a 、4 s 、碱度、 产气量等实验设备：多功能消解仪、立式压力蒸汽灭菌器、t u - 1 9 0 1 双光束紫外 可见分光光度计、1 0 1 1 a 型电热鼓风干燥箱烘箱、笔式p h 计、马弗炉、f a 2 0 0 4 n 电子天平、气体流量计、数显恒温水浴锅等。 第二章研究内容与方法 第三章：r 程调试及运行分析 第三章工程调试及运行分析 3 1 污泥水热序批系统的调试及最佳参数的确定 3 1 1 污泥水热序批系统技术及理论 ( 1 ) 污泥水热序批工艺( h s b p ) 工作原理 水热序批工艺( h y d r o t h e r m a ls e q u e n c eb a t c hp r o c e s s ，缩写h s b p ) 是利用高 温蒸汽与污泥直接混合后释放的大量潜热，将污泥加热至细胞破裂，胞液溶出， 从而改变污泥的脱水性能。反应完毕的污泥，经过2 次闪蒸，依次传热，使蒸 汽的利用效率达到最高。 图3 - 1 水热前后污泥细胞破碎的效果( 左：原污泥；右：水热处理污泥) f i g3 1 h o tw a t e rb e f o r ea n da f t e rt h ec r u s h i n ge f f e c to f t h es l u d g ec e l l s ( 1 e f t ：o r i g i n a ls l u d g e ； r i g h t ：w a t e rt r e a t m e n ts l u d g e ) 如图3 1 是将样品置于4 0 c ，用3 戊二醛固定，再用o 1 m 磷酸缓冲液 漂洗数次，然后用3 0 、5 0 、7 0 的乙醇梯度脱水及醋酸异戊脂过度，然后零 界点干燥、离子溅射，最后采用扫描电镜观察扩大1 0 0 w 倍的条件下拍摄下的。 ( 2 ) 污泥水热序批工艺( h s b p ) 工作步骤 水热序批系统基本工作步骤分为进料、加热、反应、闪蒸、出料5 步。 1 、进料：通过动力空气将浆化污泥输送至某水热反应器。 2 、加热：通过一次闪蒸蒸汽加热，提高能量利用率。 3 、反应：保温一段时间，使污泥细胞充分破碎，胞液溶出。 4 、闪蒸：分两次闪蒸，充分利用余热，降低能耗。 2 2 第三章工程调试及运行分析 5 、出料：排至热泥储罐，待脱水工序使用。 整个过程主要由2 5 个程控阀以及3 台程控电机来实现。 水热序批工艺采用3 r 2 f 1 d 模式，即3 个反应器循环，2 次闪蒸，1 次回流 稀释。每个水热反应器均需经历进料( f i ) 、一次闪蒸蒸汽加热( i s ) 、原料蒸汽 加热( s ) 、反应( r ) 、一次闪蒸( 1 f ) 、二次闪蒸( 2 f ) 、出料( f o ) 等七步。 三个水热反应器在执行程序的安排上相互错开，分别构成一个闭路循环，以保 证原料污泥不断输入和水热污泥不断输出。 原泥料仓中的原泥经原泥泵把原泥打入浆化罐进行浆化，浆化罐内的浆化 污泥通过气压输送至水热罐a ，当浆化罐物料排尽时，流量开关会发出关闭信号， 水热罐a 完成进料步骤后，水热罐b 正值一次闪蒸( i f ) 时序，b 罐闪蒸所得 “ 蒸汽排入a 罐，对浆化污泥进行预热。此工序中，由于水热a 罐气相会出现工 艺气体富集，导致均压不均温的不良状况。因此，程序内部设置放空步骤，以 实现两罐间均压均温，提高蒸汽利用效率。以原料蒸汽加热水热a 罐的预热污 泥，直至达到相应的反应温度。关闭水热a 罐的所有阀门，保障反应温度，维 持一定时间。水热a 罐达到规定的反应时间后，进行闪蒸降压，一次闪蒸蒸汽 排至水热c 罐进行回用。水热a 罐完成一次闪蒸后，进行二次闪蒸；二次闪蒸 蒸汽排至浆化罐对原泥进行预热。待水热a 罐完成二次闪蒸，降至常压时，通 过向压缩空气作为动力，将水热a 罐内的污泥排至热泥储罐。b 、c 罐与a 罐 操作步骤相同。 本项目的核心系统为h s b p 。工艺过程中，水热反应器不断重复7 种工况： 进料、一次闪蒸蒸汽加热、原料蒸汽加热、反应、一次闪蒸、二次闪蒸、出料。 单个的水热反应器都是间歇工作，但通过排序，使系统的进泥、进汽和出泥相 对连续。 脱水单元是h s b p 系统的附属单元，主要是处理h s b p 所生产的水热污泥， 通过脱水得到脱水滤液和脱水泥饼。其中，部分滤液要回流至h s b p 系统，以 减少外排滤液，同时回收热量。 厌氧单元是完全独立于h s b p 系统之外的，其核心是e g s b 反应器，主要 用于检测厌氧工艺对水热后脱水滤液的处理效果。 锅炉单元、尾气单元、压缩空气单元皆为h s b p 系统的附属单元。分别用 于h s b p 系统的原料蒸汽供应、尾气处理、仪表空气及动力空气供应。 第三章工程调试及运行分析 3 1 2 污泥水热序批系统( h s b p ) 的最佳参数的确定 为了使污泥水热序批系统( h s b p ) 在污泥减量化、稳定化、无害化、资源 化处理过程中得到充分、高效的利用，对h s b p 系统的影响参数的确定 ( 1 ) h s b p 系统的温度对处理污泥的影响 将浆化罐内的浆化污泥通过污泥泵打入水热反应罐，反应罐内通过高温蒸 汽与污泥直接混合后释放的大量潜热，将污泥加热至细胞破裂，胞液溶出，改 变其污泥的物理性质，从而改变污泥的脱水性能。清华大学环境学院王伟教授 等人对其研究表明，经过水热反应后的污泥，再经机械脱水后，泥饼含水率可 降低到2 5 巧5 。 浆化罐内的浆化污泥通过气压输送至水热罐，当浆化罐物料排尽时，流量 开关会发出关闭信号。在关闭进料开关的同时锅炉利用高温蒸汽对水热反应罐 进行加热。水热罐内的温度和压力变化如下图3 - 2 所示。 寄 a 苎 r 幽 譬 * 2 04 06 08 0l 【，o1 2 u1 4 0 1 t ，u1 5 uz u u 水热罐温度( o i c 图3 - 2 水热罐内温度与压力的变化关系 f i g3 - 2 h o tw a t 盯t a n kt e m p e r a t u r e 锄dp r e s s u r ec h 觚g e sb e 似e e n 由图3 2 可知，随着水热罐内的温度的增加，当水热罐温度超过1 0 0 0 c 以后， 水热罐的压力逐渐增大。污泥的理化性质和生物性质都发生了相应的变化，即 使是同一污泥，水热温度不同，水热泥经过厢式板框压滤机压滤后的污泥含水 率、污泥密度、污泥体积、及污泥的脱水性能相差的非常明显。 要减低污泥的含水率，必须首先弄清污泥中水分子存在的形式。污泥所含 水分大致分为四类：颗粒间的空隙水，约占总水分的7 0 ；毛细水，即颗粒间 毛细管内的水，约占2 0 ；污泥颗粒吸附水和颗粒内部水，约占1 0 。目前， 为了降低污泥含水率的方法有：浓缩法，用于降低污泥中的空隙水，因空隙水 所占比例最大，故浓缩是减容的主要方法：自然干化法和机械脱水法，主要脱 除毛细水；干燥与焚烧法，主要脱除吸附水与内部水。根据污泥性质、运输及 8 6 4 2 l 8 6 4 2 o l 1 l 1 o o o o 第三章工程调试及运行分析 利用方法的不同，可以采用不同的脱水干化方法。 而水热方法就是通过高温高压使污泥的物理性质和化学性质都发生改变， 在高温高压下污泥水热调理可以裂解生物固体内微生物的细胞壁，释放结合水。 进一步使污泥颗粒间毛细管内的水和污泥颗粒吸附水机颗粒内部水转变成颗粒 间的空隙水，并且使空隙水更容易从污泥中脱除。 污泥含水( 固) 率 污泥的含水率一般都很大，无锡硕放水厂经过带式压滤机脱水的污泥含水 率都在8 0 以上。可采用如下公式计算【删。 p w = 丽w 1 0 0 ( 1 ) 式中，p w 为污泥含水率，；w 为污泥中水分量，g ；s 为污泥中总固体质 量，g 。 污泥的含固率可用如下公式计算。 p s = 熹1 0 0 = 1 0 0 p w ( 2 ) 式中，p s 为污泥含固率，；w 为污泥中水分量，g ；s 为污泥中总固体质 量，g 。 通过试验结果表明，同一污泥在水热反应罐中在不同的温度下反应相同的 时间，反应完成后的水热泥再经过厢式板框压滤机压滤，压滤后的泥饼含水率 与水热反应温度的关系如下图3 3 所示。 摹 婚 * 钿 窑 巷 蜡 妪 趱 幽 02 04 06 08 0l o o1 2 01 4 01 6 01 8 0 2 0 0 水热温度o c ) 图3 3水热温度与其相应压滤泥饼的含水率变化 f i g3 - 3 p r e s s u r ef i l t r a t i o no fh y d r o t h e r m a lt e m p e r a t u r ea n di t sc o r r e s p o n d i n gc h a n g ei nt h e m o i s t u r ec o n t e n to f c a k e 丢；加弛加o 第三章工程调试及运行分析 从上图可以看出，在一定范围内，随着水热温度的升高，水热泥经厢式板 框压滤机压滤的泥饼含水率从8 0 以上降为5 0 以下。这是由于随着温度的升 高，微生物的活性逐渐减低，其吸附水份的能力下降。当水热温度达到1 8 0 0 c 以后，温度的升高对含水率的影响变化相对较小，考虑到水热罐的所能承受的 压力的安全系数，及尽可能降低能耗，所以水热反应的最佳温度为1 8 0 0 c 。 图3 4 水热反应温度为18 0 0 c 的压滤泥饼 f i g3 4h y d r o t h e r m a lr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s18 0 0 ct h ef i l t e rp r e s sc a k e 污泥密度 a 污泥相对密度污泥的密度是指单位体积污泥的质量，其数值通常以污泥 相对密度，即污泥质量与同体积水的质量之比来表示。污泥相对密度的计算公 式为： y = 瓦瓦1 0 面0y 丽s 丽 3 ) 式中， r 为污泥相对密度；p w 为污泥的含水率，：y 。为污泥干固体相对 密度。 b 污泥干固体相对密度污泥干固体包含有有机物和无机物。污泥干固体 相对密度与其中的有机物和无机物比例有关，这两者的比例不同，则污泥干固 体相对密度也不同。若以p v 、7v 分别表示污泥干固体中挥发性固体( 有机物) 所占比例和相对密度；以v f 表示灰分( 无机物) 的相对密度，污泥干固体相对 密度可用如下公式表示： 1 0 0 1 0 0 一 丫sy vy f 2 6 第三章工程调试及运行分析 y s = 面丽l o 瓦o y v 瓦y f 丽 4 ) 因为，污泥的密度与有机物的比例有关，而污泥中的有机物只有在温度高 于6 0 0 0 c 时，利用温度驱动污泥有机质热裂解和热化学转化，使固体物质分解 为油、不凝性气体和炭三种可燃物的过程。其中最为引人关注的是污泥低温热 解制油技术，他是在催化剂条件下，在低温的温度下使污水污泥中含有的有机 成分，如粗蛋白、粗纤维、脂肪及碳水化合物，经过一系列分解、缩合、脱氢、 环化等反应转变为主的混合物。热解产物的组成及分布主要由污泥性质决定， 但也与热解温度有关。由于现在进行的污泥热解试验多限于实验室规模，因此 提出了不同的作用机理。较普遍的看法为：在3 0 0 0 c 以下发生的热化学转化反 应，主要是污泥中脂肪族化合物的转化。此类化合物沸点较低，其转化形式主 要为蒸汽；3 0 0 0 c 以上蛋白质转化与3 9 0 0 c 以上开始的糖类化合物转化，主要转 化反应是肽链的断裂。基因转移性及支链断裂等；含碳物质在2 0 0 0 c - - 4 5 0 0 c 发 生转化，至4 5 0 0 c 基本完毕。 由于水热反应没有添加然后的催化剂，反应罐内的温度一直都在2 0 0 0 c 以 下，所以水热反应对污泥的有机物，脂肪、蛋白质、糖类等化合物根本没有改 变。所以反应罐内的温度变化对污泥密度没有影响。水热泥密度一直维持在 1 0 3 4 9 m l 。 污泥脱水性能 污泥比阻( r ) 常用来衡量污泥的脱水性能，它反映了水分通过污泥颗粒所 形成的泥饼时，所受阻力的大小。其物理意义是：单位质量的污泥在一定压力 下过滤时，单位过滤面积上的阻力即单位过滤面积上滤饼单位于重所具有的阻 力，单位为m k g 。 污泥比阻公式是从过滤基本方程式，著名的卡门( c a r m a n ) 公式得出的1 3 0 】： 三= 竺坚+ 些( 5 ) 一= 一+ o f 气 v2 p a 2 。p a 、。 式中，v 为过滤面积，i t 3 ；t 为过滤时间，s ；p 为过滤压力，k g m 2 ；a 为 过滤面积，m 2 ；“为滤液的动力黏滞度，k g s m 2 ；c o 为滤液所产生的滤饼干重， k g m 3 ； r 为比阻，m k g ；r f 为过滤介质的阻抗，m 。 本工程是采用板框压滤脱水，压滤脱水具有过滤效率高，特别是对过滤困 难的物料更加明显；脱水滤饼固体含量高；滤液中固体浓度低；节省调质剂； 第三章j r j 鼙调试及运行分析 滤饼的剥离简单方便。板框压滤机适用各种污泥，其特点是过滤推动力大、结 构简单。将带有滤液通路的滤板和滤框平行交替排列，每组滤板和滤框中间夹 有滤布。用可动端把板框和滤框压紧，使滤板和滤框之间构成一个压滤室。污 泥从料液进口流入，水通过滤板从滤液排出口流出泥饼将堆积在板框内滤布上， 滤板和滤框松开后泥饼就很容易剥落下来。本实验通过控制其它压滤条件相同 的情况下，不同温度下的水热泥压滤的污泥比阻如图3 5 里 ) 参 2 o 雹 丑 蜡 烬 i 0 01 5 02 0 02 5 0 水热反应温度( i c 图3 - 5水热反应温度与污泥比阻的变化关系曲线 f i g3 - 5h y d r o t h e r m a lt e m p e r a t u r ea n dt h ec h a n g eo fs l u d g es p e c i f i cr e s i s t a n c ec u r v e 为改善人工板框压滤机劳动强度大，周期长、效率低、所需过滤面积大、 设备庞大等不足，开发了能自动完成脱泥的脱水过程，效率较高、劳动强度低 等特点的自动板框压滤机图3 5 所示。 图3 - 6 自动板框压滤机 f i g3 - 6a u t o m a t i cf i l t e rp r e s s 自动板框压滤机结构简单、操作容易运行稳定故障少、保养方便、设备使 o 第三章工程调试及运行分析 用寿命长、过滤推力大、所得滤饼含水率低；过滤面积选择范围灵活，且单位 过滤面积占地少；对物料的适应性强，适用于各种污泥的脱水；滤液中含固量 少。将污泥加热，污泥中的细胞被分解破裂，细胞膜中的内部的水游离出来， 可以提高污泥的脱水性能，这种处理就叫污泥的水热处理，也叫污泥蒸煮处理。 对脱水性能差的污泥特别有效。 ( 2 ) h s b p 系统的水热反应时间对处理污泥的影响 污泥水热处理被认为是一种钝化污泥中微生物最有效的方法之一。污泥经水 热处理后，不仅脱水性能等到显著提高，而且水热泥脱水后滤液中的可溶性c o d 也有显著的提高，根据物料守恒定律，滤液中c o d 增高，压滤后的泥饼中的有 机物含量就进一步减少，泥饼的稳定性也就稳定增强。但经过研究发现，滤液中 的可溶性c o d 浓度，不仅与水热反应罐中的温度有关，而且还与水热泥再水热 反应罐中的停留时间有关，在固定反应温度为1 8 0 0 c 条件下，水热泥滤液中可溶 性c o d 浓度与水热泥在反应罐中的反应时间的变化关系如下图3 7 所示。 l o 2 0 3 0加的7 0 水热反应时问( r a i n ) 图3 7 滤液中可溶性c o d 浓度与水热反应时间的关系 f i g3 - 7s o l u b l ec o d c o n c e n t r a t i o ni nt h ef i l t r a t ea n dh y d r o t h e r