生物污泥的减量化研究

1、一、污泥减量化研究的意义一、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(biochemical Oxygen Demand，五日生化需氧量)会产生大约15100 L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%。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

2、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，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。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

3、焚烧设备的投资和运行费用都比较大。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。 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6070%。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

4、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。 二、污泥减量化技术的研究现状和进展二、污泥减量化技术的研究现状和进展 活性污泥工艺是应用最广泛的处理生活污水和工业废水的方法, 但是它的一个主要缺点是污泥产量大, 典型的产泥率是0.5%。由于污泥中含有重金属和病原体, 对人和生物的健康有危险, 限制了污泥的土地利用, 而可用土地也在逐渐减少, 污泥的最终处置越来越困难, 这使人们开始重视能减少污泥产量的处理工艺。最理想得方法是在污水处理过程中, 同时减少泥的产量, 而又不影响工艺的效果。污泥减量技术是指在保证污水处理效果的前提下, 采用适当措施使处

5、理相同量污水所产生污泥量降低的各种技术。过去的常规处理现在的技术改进将要实现 三、污泥减量化的几种工艺三、污泥减量化的几种工艺 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。 1 解偶联技术 1.1解偶联活性污泥工艺 大部分细菌从氧化磷酸化获得ATP ,在这个过程中,电子通过电子运输系统( ETS) 从高能量水平的电子源(底物) 转移至最终电子受体(氧气) 。按Mitchell 的观

6、点,直接利用由电子运输建立的质子梯度分子被称为质子ATP 酶泵,它可被迫逆向运行。如果正向运行,泵可利用ATP 水解释放的能量来驱动质子穿过膜,但在产生ATP 的胞内系统中,泵也可在由电子运输产生的质子梯度的作用下反向驱动。已知这种氧化磷酸化的化学渗透机制能被有机质子载体有效地解偶联,如2 , 4 - 二硝基苯酚(dNP) 、对- 硝基苯(pNP) 、五氯酚( PCP) 和3 ,3,4,5 - 四氯水杨酰苯胺( TCS) 。在有机质子载体存在下大部分底物被氧化为二氧化碳,而不是用于生物合成,所以在解偶联活性污泥工艺中污泥产率很低。 基于上述原理,许多研究的重点在于开发解偶联工艺以减少剩余污泥产

7、生。Low 等人 报道在实验室规模的活性污泥系统中,当加入pNP 后生物量的产生可减少49 % ,当pNP 浓度达120 mg/ L 时无剩余污泥产生。应当指出,大部分有机质子载体是非生物性的,对环境可能有毒,故应用要相当谨慎。TCS 是这些解偶联剂中最安全可靠的,已被广 泛用做肥皂、树脂、香波等的配料。Cook 和Russell发现,在含微生物的培养物中,大部分底物通过能量解偶联氧化,而不是通过生物合成。在活性污泥的分批培养基中,Chen 等人也报道了在TCS 浓度为0. 8 mg/ L 时污泥生长率下降了78 % ,但对底物去除动力学并没有重大影响。 可以确信,解偶联生物化学过程的能量消耗

8、是一种减少活性污泥产生的有效途径。Okey 和Stensel报道了由有机质子载体诱导的能量解偶联在Phoenix 和Arizona 污水处理厂的工业化运用,此技术的负效应是对氧气的需求增大。纯氧曝气工艺和代谢解偶联技术的联合对于剩余污泥减量化将是一种创新而有效的生物技术。 1.2 高S0 /X0 比率 在高S0 /X0 (COD /生物量) 条件下, 存在过剩能源, 由于微生物在分解代谢中产生ATP 的速率要大于在合成代谢中消耗的速率。引起合成代谢和分解代谢的解偶联, 机理有两种解释: 1) 积累的能量通过粒子在细胞膜两侧的传递削弱了跨膜电势, 随后发生氧化磷酸化解偶联; 2) 生物体内部新陈

9、代谢途径中减少了糖酵解的过程。但是高S0 /X0 要求值大于8, 而实际生活污水S0 /X0 值是0.01 0.13 mgCOD /mgMLSS, 所以高S0 /X0 条件下的解偶联技术还不能用于实际的污水处理。 1.3 改进活性污泥系统解偶联 好氧- 沉淀- 厌氧(OSA) 是一种改进活性污泥系统, 在污泥回流过程中插人厌氧池。使好氧微生物在好氧段所产生的ATP在底物缺乏的厌氧段被消耗不能用于细胞合成, 从而降低污泥产量。Chudoba报道应用OSA工艺污泥产量范围是0.13 0.29 kg SS/kgCOD去除, COD、P去除率和污泥沉淀性能有所提高。而Saby则在氧化池中加入膜, 通过

10、试验认为厌氧池氧化还原电位(ORP) 是控制参数, 当ORP在-250 mV时污泥产量比+ 100 mV时减少35% 。 2 隐性生长 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。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

11、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。 2.1 生物反应器 膜生物反应器可以将生物污泥全部截留在反应器内, 延长了污泥停留时间, 由于污泥龄长, 能够使原生动物和后生动物稳定存在, 形成较长的微生物生态链, 使污泥达到自身氧化降解, 因而剩余污泥产量少, 甚至可以达到无剩余污泥排放。Rosenberger研究了膜生物反应器后发现在15 23 g/ l高污泥浓度和0.07 kgCOD ( kgMLSS) - 1 d-1低F /M比率的试验条件下, 可以达到污泥产量的零排放。 吴敏等运行蚯蚓生物反应器发现, 当水力负荷为5.3 6.6 m3 /

12、 (m2 d) 时, 蚯蚓生物反应器对生物膜污泥挥发性悬浮固体(VSS) 降解率为86.67% 96.20% , 蚯蚓的增殖和粪的积累在长期的生态循环中并不明显。刘宏波等研究了自生动态膜生物反应器, 利用蠕虫减少污泥产量, 发现能够污泥浓度控制在4 000 mg/ l左右, 并改善污泥的沉降及脱水性能。 2.2 合建式曝气池 此工艺是在常规活性污泥工艺( CAS) 中直接培养或接种原、后生动物。梁鹏等在合建式曝气池中接种红斑瓢体虫, 发现污泥表观产率系数的相对减量值为39% 58% 之间, 污泥沉降性能良好, 同时对COD氨氮和TP的去除效果没有明显影响。白润英等在合建式曝气池中接种卷贝, 发

13、现卷贝对污泥的相对减量约为40% , 绝对减量为37.5 mgVSS/ (L*d), 对COD、氨氮和总磷的去除不会产生影响,对污泥沉降性能也影响不大。 2.3 臭氧处理 臭氧是强的化学氧化剂, 可以氧化细胞壁、细胞膜, 使破坏膜内脂蛋白和脂多糖, 导致细胞溶解、死亡, 并且氧化污泥中不容易水解的大分子物质, 成为可以被生物利用的无机物, 同时部分污泥被臭氧直接氧化成CO2, NO32, H2O等无机物, 从而使污泥减量。Yasui等研究发现, 当臭氧化回流污泥量是剩余污泥量的3.3倍, 臭氧投量为0.015 kgO3 /kgSS时, 基本上达到了剩余污泥的零排放。王嵘等将臭氧通入SBR反应器

14、中进行同步臭氧氧化。发现当臭氧投加量从零增加到0.04 O3 /gSS时污泥产率从0.45 gSS/gSCOD减少到-0.04 g SS/gSCOD; 对水水质没有显著影响。 污泥臭氧化减量技术很容易和现有的污水处理系统进行结合使用, 经臭氧化后的污泥回流至反应器中能提高系统的反硝化能力, 并改善了污泥的沉降性能, 但是存在自处理成本高, 出水水质变差, 特别是出水中N、P含量高等问题, 限制了应用。 2.4 超声波 超声波降解污泥主要利用声波的能量。在液体中产生空化作用, 形成大量空化气泡, 瞬间破灭时产生高温( 5000 K)、高压( 500 104 ), 同时液体中会产生剪切力很高的射流

15、( 40 km /h) , 可以压碎细胞壁、释放细胞内含物。超声波可以提高沼气产率, Clark研究发现在15 d的发酵时间下, 超声波预处理2d可以提高沼气产量61% , 而在12 d发酵时, 几乎没有变化。 而曹秀芹等发现在声能密度0.25 0.50W /ml范围内, 处理1 30m in, 剩余污泥产量可以减20% 50% 左右。目前, 关于污泥超声减量化的研究主要在于超声条件对促进污泥厌氧和好氧减量化的影响, 以及超声对污泥的物理、化学和生物性质的影响, 对动力学和实际运行参数有待进一步研究。 2.5 碱解 在污泥厌氧消化前向污泥中投加碱进行预处理可使固体有机质溶解, 并且消化过程中的

16、产气量以及对有机碳和VSS的去除率也随之提高。杨洁等研究了污泥碱解的预处理方法, 发现在投碱量为1 gNaOH /gTS的情况下, 挥发性悬浮固体的分解率可达62.05% 。Rocher等研究比较了热处理、酸、碱对细胞溶解的影响, 发现在pH = 10和60 时, 经过20min, 污泥产率是常规工艺的38% 43% 。 3 其它减量方法 3.1淹没式生物膜法 通过在污水反应池中投加填料, 利用在填料上生长的生物膜进行污泥减量处理。王宝贞等在设计使用了淹没式生物膜曝气池生物工艺, 在运行一年中没有剩余污泥的产生和排放。仉春花和肖仲斌等进行了试验研究, 发现可以较好的降低污泥产量。 3.2 二氧

17、化氯氧化 其原理与臭氧相似, 通过强氧化作用破坏细胞并氧化污泥。傅金祥等试验后发现每g干污泥投加10.0mgClO2 能使活性污泥处理系统1个月不排泥, 但是出水色度、浊度、COD有所升高。 3.3 接种酶或生物制剂 接种嗜热酶或者生物制剂, 与原有的活性污泥结合进行处理。赵维纳等在剩余污泥中接种了嗜热菌的驯化种泥, 发现在65 , 处理120 h后, TSS和VSS的最大溶解率可分别提达31.94%和48.04% 。李俊等使用MCMP生物制剂在某污水厂进行生产性试验后, 系统运行6个月没有外排污泥。 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

18、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。 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

19、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。 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。 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。出水可能需三级处理,而三级硝化过程还将进一步增加对氧气的需求量。 污泥产量的不断增加给其后续处理处置带来了沉重压力, 污泥的减量化是解决污泥出路的最佳处置方法。各种的污泥处理方法各有利弊。目前这些污泥减量化技术的机理和参数还需要进一步研究, 出水质量还有待提高, 随着这些问题的逐步解决, 污泥减量工艺将得到更广泛的应用。 参考文献: 1 Metcal,f Eddy1Wastewater engin eering: