应用清爽侧流系统对污泥减量化的影响研究

应用清爽侧流系统对污泥减量化的影响研究摘要在传统活性污泥法的基础上连入清爽系统设备，测定好氧池内的温度、溶解氧、pH值、污泥浓度等相关指标，研究清爽系统在减少传统工艺污水处理过程中的污泥产量的效果。从污泥浓度的检测结果得知，常规活性污泥法中污泥浓度基本维持3600mg/L左右，加入清爽系统强化后，好氧池的污泥浓度基本处于2000mg/L，清爽系统对活性污泥减量效果明显，减量效果达到44%左右。而且从出水的CODCr单项指标分析，在污泥减量的同时，出水的水质依然可以达到《污水综合排放标准》（GB8978—1996）一级A标准。关键词：清爽系统污泥浓度污泥减量目录TOC\o"1-4"\h\u161561前言 前言1.1污泥减量化问题的提出在用活性污泥法处理污水的过程中，活性污泥中的微生物不断地消耗着污水中的有机物质。被消耗掉的有机物质中，一小部分的有机物质被氧化用来提供微生物生命活动所需的能量，而大部分的有机物质则被微生物利用合成新的细胞质，从而微生物得以繁衍增殖，微生物在新陈代谢的同时，又有一部分老的微生物死亡，因此而产生大量的剩余污泥[1]。好氧生物废水处理技术日趋成熟，其中活性污泥法是目前世界上应用最为广泛的废水生物处理工艺。但该工艺的主要缺点是在运行过程中会产生大量剩余污泥［2］，随着我国经济的发展和城市化进程的加快，污水处理能力和处理量也随之增加，污泥产量日益提高，2004-2010年间我国污水处理厂总处理量的年平均增长量为272164.9万m3，如果“十二五”期间污水年处理量按此速度增长，到2015年，干污泥量将是2004年的3.6倍（污泥产率按1.5t-DS/万t-污水计算）[3]。剩余污泥处理装置的投资和运行费用约占整个废水处理厂投资及运行费用的40%～50%［4］。巨大的污泥处置费用已成为废水生物处理技术面临的严峻问题。随着污水处理厂处理能力的提高，常用的污泥处置方法已经不能完全解决污泥的出路问题，污水处理过程中污泥的减量化才是从源头解决污泥出路的最佳处置方法。于是，20世纪90年代催生了新的污泥处置技术——污泥减量化技术。污泥减量化是指在保证污水处理工艺处理效果的前提下，应用恰当的物理学、化学和生物学方面的手段，使废水处理过程中生成的固体生物量达到最小，从而从源头上减少污泥的产量［5］。当今污泥的减量化技术已经成为国内外污水及污泥处理方面的研究热点［6］。1.2污泥减量化的研究现状目前污泥减量技术可分为三类：(1)增加生物体的自身氧化速率；(2)降低细菌的净合成量；(3)增强微型动物对细菌的捕食。1.2.1增加生物体的自身氧化速率加强微生物的隐性生长可以达到减少污泥的效果。微生物的隐性生长是指微生物利用衰亡细菌所形成的二次基质生长，完整过程包括溶胞和生长［7］。污泥减量过程中较为常用的手段是通过各种溶胞技术，使微生物能够迅速死亡并分解成为基质后被其他的微生物所利用。促进细胞溶解，在传统的模型中可以认为是增大了细胞的衰减速率，这样可以降低剩余污泥的产量，从而节省污泥处置费用。超声波技术通过一系列的扩张和压缩作用使水体产生空化作用，由空化作用而引起的强大的冲击力对破解污泥微生物细胞有很好的效果，同时污泥水解速率缓慢的难题也会得到改善［8］。Mohammadi等［9］在中试规模的SBR中研究了超声波对污泥减量的影响。实验结果表明：增加超声波强度可以提高污泥减量效果；但当每千克VSS吸收的能量超过35MJ时，继续增加能量对污泥减量效果几乎不会有影响。Liu等［10］在稳定的连续流系统中采用超声波处理废水处理系统中的剩余污泥，剩余污泥的体积减少90%以上，且出水水质稳定。但是超声波污泥减量技术对声能的利用效率低且能耗大。1.2.2降低细菌的净合成量微生物正常情况下的分解代谢和合成代谢通过三磷酸腺苷和二磷酸腺苷之间的转化耦联在一起，即分解特定量的底物，将合成一定比例的生物体。但在特殊环境条件下，底物被氧化的同时三磷酸腺苷不被大量合成或者合成以后迅速通过其他方式释放出去。总体上使得微生物的分解和合成代谢不再由三磷酸腺苷的合成与分解反应偶联在一起，这样微生物在保持正常分解底物的同时，自身合成速度减慢，从而达到减少污泥产量的目的。好养－沉淀－厌氧工艺的基本原理是通过在常规活性污泥工艺中的污泥回流中形成一特定的厌氧段，从而给微生物提供了一个交替好氧和厌氧的环境，使微生物在好氧阶段所获的三磷酸腺苷不能立即用于合成新的细胞，而是在厌氧阶段作为维持细胞生命活动的能量被全部转化。微生物分解和合成代谢得以分离，而不是跟平常条件一样紧密偶联，从而达到污泥减量的效果。1.2.3微型动物捕食作用微型后生动物具有较大的污泥减量能力［11］。利用微型动物对污泥进行减量，包括在常规污水处理系统中培养微型动物和两段法工艺。因此，在理论上通过延长食物链或强化微型动物的捕食作用，即增加污泥相微型动物的种类或营养级别，来实现污泥减量的目的［12］。蚯蚓生物滤池就是运用这一原理而设计创新的新工艺，通过微生物和蚯蚓的协同共生作用使污水得以净化，并形成以蚯蚓粪为主的少量稳定污泥，同步实现污泥的减量化与稳定化。在传统生物反应器中引入蚯蚓等营养级别较高的物种，延长和增加了反应器中原有食物链长度，系统中微生物以污水中的有机物为营养物质，蚯蚓则生长在滤料表层0.5～20.0cm之间，以废水中悬浮物和生物污泥为底物。此工艺的污泥减量率可达40%左右［13］。证明了水蚯蚓的污泥减量速率随初始MLSS及温度的增大而增大，初始MLSS越高，污泥减量速率越大。污泥减量速率随水蚯蚓密度变化率的增大而逐渐增大，当水蚯蚓的密度增长率出现下降时，污泥减量速率也随之下降。沈晓明实验表明在最佳条件下考察了水蚯蚓的污泥减量效果，得到的最大污泥减量率为39.71%［14］。而清爽系统是从传统活性污泥法改良发展而来的一项专利技术。1.3清爽系统的原理清爽系统的原理是抽出大约3/1000的回送污泥，把其控制在一定温度条件下，加入极少量自然地层中堆积的天然酶作为营养剂，选择性地促进污水中本来就存在的，能够有效地分解污水中特定有机物等污染物的微生物快速繁殖和增长，这些功能微生物加速地分解污水中的有机物等污染物，从而达到净化作用。在传统的生化工艺中，将清爽系统装置嫁接于传统工艺中，结合清爽系统优选、强化微生物系统，达到污水的高效处理。清爽系统所使用的腐殖质，是以开挖出来的腐殖土作为原料素材。这种腐殖土是在温暖气候土地的落叶和动物残骸分解后的有机合成物。通过用共存的花粉测定的结果，判明是在地中被埋藏8000万年～1亿多年后的腐殖土。这些腐殖土在挖掘时pH值为7左右，呈中性。开挖出来后，在空气中放置1年左右，让它充分地接触空气，在大气中熟成，pH值逐渐降低至3左右，呈中强酸性。在向中强酸性（pH=3）逐步变酸的过程中，腐殖土中总微生物数量大幅度减少，只有极少数世界上普遍存在的，对腐殖生成有干预效果的杆菌、芽孢杆菌等优秀菌种残留在腐殖质中。图1清爽系统中的腐殖土1.4本研究的内容与意义在传统的A2/O工艺基础上加入侧流系统——即清爽系统，研究其污泥减量化效果及原理。本次研究在广州市白云区石井污水厂进行，在石井污水厂建立一个小型的传统A2/O工艺，持续的运行较长的一段时间，通过加入清爽系统前后的污泥浓度等指标的对比，研究清爽系统在污泥减量化方面的效果及其作用的原理，还有清爽系统对污水处理系统稳定性的影响。清爽系统的发明者，原水环境研究所所长西田哲夫、国士馆大学金城英夫教授、日本推广清爽系统的“宝水会”等经过长期研究发现，清爽系统使回流污泥在适度的供氧、温度状态下，与上述的天然腐殖质接触后，能促进污水中原有的高效微生物发生高速繁殖和生长成成体菌。清爽系统弥补了传统活性污泥法污泥龄短的缺点，在对生活污水中的微生物的特性进行详细分析的基础上，充分利用污水中的微生物实现水质净化。随着广东省污水处理量的大幅增长，污水处理产生的相关问题严重影响了生态环境建设和城镇化发展。污泥减量化研究的有效开展和运行将会产生更大的社会环境效益，可更为有效地解决城市污水处理厂服务区域及下游城市的水污染问题，为城市服务，为社会服务，可改善城市市容，提高卫生水平，保护人民身体健康，保护自然风景，促进城市旅游事业的发展。同时，该系统的成功运行，可改善区域投资环境，使工业企业不会再因水污染而影响发展，吸引更多的外商投资，促进城市经济发展。因此，该系统是创建国家卫生城市至关重要的基础设施，关系到经济的繁荣和社会的稳定，其社会效益是显著的。2材料与方法2.1试验材料2.1.1清爽系统采用处理能力1000t/d专用的A-18150标准型制品(图1),其外形尺寸为中直径φ1.8×高H1.5m，重量为950kg，主要部位材质为SUS304不锈钢制。本制品只需安装在中试系统上部，装上0.2kW和0.4kW的水泵，插上电源即可工作。图2清爽系统2.1.2活性污泥法工艺采用传统的A2/O工艺，工艺采用钢板框架结构，生化池尺寸结构长×宽×高(LWH)=10×2×2.5m，分成6格。其中曝气池3格，为长×宽×高(LWH)=2×2×2.5m，体积为30m3；缺氧池2格，分别为长×宽×高(LWH)=2×2×2.5m及长×宽×高(LWH)=1×2×2.5m，体积为15m3；厌氧池1格，为长×宽×高(LWH)=1×2×2.5m，体积为5m3。沉淀池：长×宽×高(LWH)=2.5×1.6×3.4m，体积为13.6m3。处理能力100t/d。2.2试验方法2.2.1试验场地场地选在广州市净水公司旗下的石井污水处理厂脱水机厂房旁。图3实验厂房图4污水处理系统2.2.2试验方法具体试验线见下图（图5）：进水采用石井污水处理厂经过格栅后的原水，流量3.0m3/h，内回流200%，外回流100%，水力停留时间约为10小时。采用空压机间歇曝气，曝气15min，停止15min，好氧池溶解氧约2.0mg/L；清爽系统24h为一个周期，污泥驯化23h，排水15min，进水15min，停运30min。污泥减量的效果通过好氧池内的污泥浓度变化量来表示，在不开清爽系统的情况下运行污水处理工艺，每天对好氧池内污泥浓度、温度、DO、pH等指标进行测定。监测较长的时间，记录足够多的数据后，连入清爽系统，A2/O污水处理工艺各参数不变，持续运行较长时间，并且每天监测污泥浓度、温度、DO、pH等指标，记录。图5清爽系统现场布置图2.2.3取样测定与记录每天早上八点半，待鼓风机工作一段时间生化反应池中的活性污泥充分混匀，用专用的取样器在好氧池内进行取样，采集后的水样装在干净的烧杯中，然后立即对污泥浓度、温度、DO、pH等指标进行测定，测定结果统一记录在excel表格上。2.3测定方法2.3.1污泥浓度的测定取定量滤纸在103-105℃的烘箱内烘半小时，取出冷却15min，称重，反复干燥直至与前次称重相差小于2%（取平均值）；重量为m0，将样品摇匀，用量筒量取100ml，用称重后的滤纸进行抽滤，抽滤完放入103-105℃的烘箱中烘干取出放干燥器中冷却15min，反复干燥至与前次称重相差小于4%或0.4mg（取平均值），重量为m1。公式计算：MLSS=（m1－m0）/0.12.3.2温度和pH的测定采用pH测定仪可以测量水样的pH和温度。测定仪经校正后，用蒸馏水冲洗电极然后擦干，将电极置于水样中，待稳定后读取pH值和温度，并记录。2.3.3溶解氧的测定采取溶解氧测定仪测定水样的DO值。溶解氧测定仪经过校正后，用蒸馏水冲洗电极擦干后，将电极置于水样中，待听到测定仪声音提示时读取数值并记录。图6现场实验室3结果与分析试验开始阶段直接从石井污水处理厂生化池中抽取活性污泥，使中试试验装置中好氧端活性污泥浓度达到4000mg/L左右，试验正式开始，试验过程中对理化指标pH、DO、温度、MLSS等常规指标进行了检测分析，试验结果见图7-11。3.1好氧反应池中温度分析图7试验期间好氧池内温度变化曲线好氧池中每种微生物都有自己的适宜温度生长范围，在最适宜生长的温度条件下，微生物繁殖旺盛，竞争力强。如果温度变低，污水中的微生物代谢速度变慢，会积聚大量的高粘性多糖类物质，使活性污泥的表面附着力大大的增加，SVI值随之增高，可能会出现污泥膨胀现象。温度对丝状菌的影响是很大的，丝状菌膨胀对温度有较强的敏感性，在其它条件相同的情况下，10℃时会产生严重的污泥膨胀现象；而将反应器的温度提高到22℃，就不会发生污泥膨胀。好氧池内温度会随着外界环境的变化而改变，进水的水质变化是引起温度改变的因素之一。从好氧池内温度的变化曲线可知，在整个试验过程中，温度的变化并不是很大，最低温度为18.2摄氏度，最高温度为26.5摄氏度，基本保持在22摄氏度左右，为好氧池内污泥的增长提供了良好的生长环境。从而可以证明试验期间温度并不是引起污泥浓度降低的因素。3.2好氧反应池溶解氧分析图8试验期间好氧池内溶解氧变化曲线溶解氧在活性污泥法的工艺中是一个重要的调试参数，是构成活性污泥混合液的3要素之一，也是许多好氧微生物进行降解反应的必要条件，所以好氧池中溶解氧浓度的大小直接影响着活性污泥的生长。溶解氧浓度过低会抑制好氧微生物的繁殖，从而导致污泥浓度下降。从溶解氧变化曲线得知，实验开始阶段，溶解氧随外界环境的变化而变化，浓度最大时达到5.26mg/L，而最小时仅有0.88mg/L，波动变化较大。试验开始20天后开始趋于平稳，但是接下来一小段时间内溶解氧的浓度低于2mg/L，当时是因为好氧池底部的曝气头被污泥堵塞而供氧不足，导致溶解氧的浓度下降到2mg/L以下，通过清理曝气头使溶解氧的浓度大于2mg/L，此后溶解氧的浓度基本保持在2mg/L以上，满足好氧池内溶解氧的需求。结合污泥浓度的变化曲线图（图10）得知，在溶解氧浓度降低到2mg/L以下的时间内，好氧反应池内的污泥浓度并没有大幅度的降低，由此得知溶解氧并不是导致好氧池内污泥浓度减少的因素。3.3好氧反应池pH值分析图9试验期间pH变化曲线如果pH值较低，丝状真菌会大量繁殖，从而引起污泥膨胀，而pH值较高，微生物的繁殖也会受到影响，甚至会大量死亡，从而导致好氧池污泥浓度降低。从pH变化曲线可知，试验期间，好氧端水样的pH一直波动变化，但是波动的范围很小，保持在7-8的区间内，而微生物的生长最佳pH范围是6.5-8.5，即实验过程中活性污泥的生长基本上没有受到pH的影响。3.4好氧反应池污泥浓度分析图10好氧生化池污泥浓度变化曲线实验前期，从石井污水处理厂抽取活性污泥，使好氧反应池内的活性污泥浓度达到4000mg/L左右，运行一段时间后，污泥浓度基本维持在3600mg/L左右。随着外界环境的变化，系统中活性污泥浓度也跟着变化。从图10可知，实验开始阶段，生化池中活性污泥浓度波动剧烈，特别是在2014年9月30日至2014年10月5日，MLSS从3700mg/L急剧降至1100mg/L，通过立即补充石井污水处理厂活性污泥，使系统重新稳定至3600mg/L左右，在2014年11月6日至2014年11月10日期间，活性污泥也急剧波动。清爽系统强化生化反应后，系统中MLSS基本处于2000mg/L，在2014年12月9日至2014年12月12日，MLSS降至477mg/L。从pH、DO、温度、CODCr检测结果可知（图7、8、9、11），在这三天时间，pH、DO、温度均保持在正常范围内，而CODCr浓度急剧升高，因此判断活性污泥受到高浓度污水的冲击，导致活性污泥大量死亡，MLSS浓度急剧下降。从MLSS浓度的比较得知，清爽系统对活性污泥减量效果明显，减量效果达到44%左右。减少率=污泥在清爽系统反应器中腐殖化，从一定程度上增加了污泥龄。大量研究表明，随着污泥龄的延迟，污泥增殖速率变慢，污泥龄与污泥生长呈现反比。出现这种现象的原因可能是因为污泥龄延长，将导致微生物营养缺乏，从而导致内源呼吸作用比较突出，底物基本用于微生物细胞代谢能量的需求，而不是用于合成微生物，这样的条件下既能达到较好的处理效果，同时又能减少微生物产量，从而实现了污泥减量的目的。清爽系统作用下，污泥减量的另一个原因是因为活性污泥在反应器中被稳定成腐殖活性污泥，腐殖活性污泥与污水在厌氧-缺氧-好氧环境条件下，进行了凝聚、结合、重浓缩、氧化-还原等系列反应后，有效提高污泥浓缩、脱水性能。3.5化学需氧量的变化分析图11CODCr浓度变化曲线化学需氧量是衡量水质好坏的重要参数之一，化学需氧量越高，表示水质越差，有机物污染越严重。好氧反应池是去除COD的重要场所，其中的活性污泥起着关键性作用。从图11可以看出，没连入清爽系统时，进水的化学需氧量变化很大，最高达到780mg/L，最低时接近50mg/L，出水也不稳定，有时出水COD甚至高于300mg/L。而加入清爽系统后，进水的化学需氧量变动没那么大了，出水也一直稳定在50mg/L左右，达到了《污水综合排放标准》（GB8978—1996）一级A标准。这说明在污泥浓度降低的同时，出水的水质依然可以达标。4结论从MLSS浓度的检测结果得知，本研究常规活性污泥法中污泥浓度基本维持3600mg/L左右，清爽系统强化生化反应后，系统中MLSS基本处于2000mg/L，清爽系统对活性污泥减量效果明显，减量效果达到44%左右。污泥在清爽系统反应器中腐殖化，从一定程度上增加了污泥龄。污泥龄延长，将导致微生物营养缺乏，从而导致内源呼吸作用比较突出，底物基本用于微生物细胞代谢能量的需求，而不是用于合成微生物，这样的条件下既能达到较好的处理效果，同时又能减少微生物产量，从而实现了污泥减量的目的；同时虽然好氧反应池内的污泥浓度下降了，但是出水的COD依然可以达到《污水综合排放标准》GB8978—1996）一级A标准。5研究展望随着我国和世界城市工业的发展与人口数量的增加,排放剩余污泥正迅速的增长，巨大的污泥处理费用已经成为生物污水净化技术面临的一大难题。污泥减量化技术可降低污泥处置的费用，实现污泥的资源化，有效地防止污水处理的二次污染，所以污泥减量化是污泥处理的重要发展方向［16］。但污泥减量化的研究还处于初级阶段，需要从原理、技术等方面综合分析比较，保证污水处理工艺的处理效果。而且随污泥减量化技术推广应用，将会对剩余污泥的处理提出更高的要求，因此污泥减量化技术具有广阔的发展空间，将会带来可观的经济效益和环境效益。如何使污泥减量工艺中出水的氮、磷达到国家规定标准是今后研究的重点。以现有的活性污泥处理工艺为基础，与污泥减量技术结合进行污泥减量化工艺开发将会是今后关注的热点［17］。参考文献[1]邹绍文，张树清，王玉军等.中国城市污泥的性质和处置方式及土地利用前景.中国农学通报.2005年01期:198-201.[2]黄树焕，汤兵，阮宜平．膜生物反应器中污泥自消化技术进展［J］.化工环保，2009，29(2):135－138．[3]中国环境统计年鉴2005-2011[M].北京：中国统计出版社．[4]崔成武，方成，ThirsingC．等.丹麦Lynetten污水处理厂运行维护与管理［J］.给水排水.2007，33(10):37－41．[5]WeiYuansong，HoutenRTV，BorgerAR，etal．Minimizationofexcesssludgeproductionforbiologicalwastewatertreatment［J］．WaterRes，2003，37(18):4453－4467．[6]何赞，王海燕，田华菡，等.污泥减量化水处理技术的研究进展［J］.中国给水排水，2009，25(8):1－7．[7]任玉辉，李相昆，杨传杰等.污泥减量化技术研究进展[D].给水排水.2012-07-31，期刊.[8]余林锋，汤兵，余国骏.超声波调理污泥的研究进展［J］.化工环保，2007，27(5):426－430．[9]MohammadiAR，MehrdadiN，BidhendiGN，etal．Excesssludgereductionusingultrasonicwavesinbio-logicalwastewatertreatment［J］.Desalination，2011，275(1－3):67－73．[10]LiuYongde，LiuJunZhaoJinhong.FactorsAnalysisonUltrasonicSludgeReductioninContinuousFlowSys-tem［C］.The3rdInternationalConferenceonBioinfor-maticsandBiomedicalEngineering，Beijing:IEEE，2009:1－4．[11]WeiY．S．，VanHoutenR．T．，BorgerA．R．，etal.Minimizationofexcesssludgeproductionforbiologicalwastewatertreatment［J］.WaterRes．.2003，37(18):4453－4467．[12]闫家怡，聂丽曼.废水处理中污泥减量化技术研究进展［J］.科技信息，2010(24):736－737．[13]吴敏，娄山杰，杨健等.蚯蚓生物滤池的污泥减量化效果及其影响因素［J］．同济大学学报，2008(4):514－518．[14]沈晓明.水蛆蝴污泥减量机制及工艺初步研究［D］.浙江工商大学，2009．[15]张建男.水蚤对污泥减量效果的研究［D］.吉林:东北师范大学，2010．[16]李超，张克峰，王洪波等.污泥减量化技术在污水处理中的应用研究[X].山东建筑大学学报，期刊.[17]鲁智礼，庞朝辉，王海燕等.污泥减量化技术研究进展[X].化工环保，期刊，2011-12-15.Abstract:Onthebasisoftraditionalactivatedsludgeprocessconnectedtorelaxedandsystemequipment,measurementoftemperatureintheaerobicpond,dissolvedoxygen,pHvalue,theconcentrationofsludge,andot