污泥减量技术

污泥减量技术王琳王宝贞提要：介绍了目前国内外一些污泥减量的技术和工艺，如：原生动物和后生动物摄食细菌法，能减少污泥产量60%以上，对于固定式淹没生物膜法甚至没有剩余污泥产生；微生物强化法，利用外投优化菌种减少污泥排放量16%；投加酶法，将难溶解的大分子有机污染物分解为易于微生物吸收和利用的小分子溶解性有机物，既有利于有机污染物的降解，又能促进细菌的增殖，能减少污泥产量50%；此外还介绍了超声波技术、臭氧氧化、Cambi工艺和生物细胞溶解系统等一系列方法。关键词：关键词活性污泥法污泥减量二次污泥生物量0刖言活性污泥工艺的目的是在最大限度降低BOD的同时，减少污泥的产量。常规活性污泥工艺除了氮和磷不易达到排放标准外，另一个主要的弱点是污泥产量大。在污水的生物处理过程中产生大量的生物污泥，需要经分离、稳定、消化、脱水及处置等步骤。这需要大量的基建投资和高昂的运行费用；从处理到最终处置，污泥的运行费用约为污水处理厂总运行费用的40%（烘干）〜65%（焚烧）左右。污泥的最终处置常采用填埋、填海或用于农业。但随着可用土地的减少，和考虑到人体的健康，在污泥用于农业之前必须进行进一步处理等，污泥的最终处置越来越困难，这使人们对于能减少污泥产量的生物处理工艺更加感兴趣。任何一种污泥减量技术都应在减少污泥产量的同时，不影响工艺的效率或效能。目前一些研究重点都是针对活性污泥的增生污泥的减量。而活性污泥工艺是发展得比较完善的工艺，其进一步的改进应满足如下要求：经济可行，便于操作管理，有远期效益。本文对目前开发的污泥减量技术综述如下。对细菌的捕食(Grazing/BacterialPredation)污水为多种多样的微生物提供了理想的生存和增殖介质，因为没有任何一种单一的微生物能够利用污水中存在的全部众多的化合物作为底物，因此最好能建立起由多种多样的微生物组成的复杂的生态系统，其中有多条较长的食物链，如细菌―原生动物一后生动物。其中原生动物，如纤毛虫(Ciliate)和后生动物，如轮虫(Rotifers)、寡毛类、环节动物(Oligochaete)及线虫(Nematode)在食物链的最高端，起捕食者的作用，它们捕食细菌，将污泥转化为能量、水和二氧化碳，从而使污泥量减少。摄食族的原生动物和后生动物，尤其是寡毛蠕虫是众所周知的能减少污泥产量的种群。寡毛蠕虫位于食物链的最顶端，在滴滤池中数目众多，在活性污泥处理厂中的污泥中种群不是很多，并且随着不同的环境，菌群也不同，这种物理生态环境对于维持寡毛虫的种群是十分重要的。为了维持浮游蠕虫在活性污泥法处理厂中的种群数，蠕虫的世代时间必须小于水力停留时间，否则将随水流出；对于固着蠕虫，在有填料和其他附着介质存在的情况下，上述条件并不十分重要。通过对常规活性污泥工艺中投加后生动物和不投加后生动物及加设填料载体和不加设填料载体的对比研究，利用混合液悬浮固体(MLSS)浓度计算，在蠕虫存在下，污泥的产量是0.15gMLSS/gCOD，而在正常运行条件下污泥的产量是0.40gMLSS/gCOD〔1〕。在好氧工艺中，原生动物与后生动物是以捕食分散的细菌维持生命的，促进了絮状或膜状形成菌的生长，而常规工艺中形成的微生物的大部分不能被捕食者消耗。为了克服捕食这一选择性，促进分散微生物的生长，1996年在瑞典由Lee和Welander等人，进行了二段式系统处理人工合成废水的研究，这个系统的第一段是完全混合式的反应器，没有生物量的停留，较短的污泥停留时间能防止捕食者的生长和促进生长迅速的分散性微生物的生长。第二段是生物膜过程，以确保较长的污泥龄和适于捕食者生长的条件。在此条件下，该系统的污泥产量仅为0.05〜0.17gTSS/gCOD，是常规工艺污泥量的30%〜50%〔2〕。哈尔滨建筑大学王宝贞等开发的淹没式生物膜污水处理新技术，采用固定式载体填料，增加了原生动物和后生动物在曝气池中的数量，有效地减少了剩余污泥的产量，小试研究确定其剩余污泥产量仅为常规活性污泥法的1/10〜1/5〔3〕。采用该技术的番禺祁福新村污水处理厂（日处理量8000m3/d）,自1998年5月份投产以来一年多没有剩余污泥产生，实现了污泥的零排放。2微生物强化污水处理是利用天然的微生物种群将有机物氧化为可利用的食物要素。例如:1000g营养物的系统中，其中600g用来合成微生物，400g被氧化成二氧化碳和水。这表明在细菌生长阶段能减少40%的污泥，如果一个污水处理系统中的活性污泥能运行无限长时间，将没有污泥产生，这实际上是不可能的。微生物强化基于天然系统的微生物并非全都是最有效的微生物。为了提高处理厂的效率，或者将特别选择的微生物菌株，或者用基因改进的菌株投放到污水处理厂中，这种选择投放的菌株应能保持并强化天然存在菌株的活性，从而优化和控制微生物种群的平衡。微生物优先利用水中的溶解性有机物，然后才降解难溶的有机物，在降解难溶的有机物时，微生物分泌细胞外酶分解难溶的有机物。通过选择性投加外部细菌进入系统，增加了系统中细菌的浓度和代谢活性。这就要求投加的菌种不仅能提供现有的菌群，促进其生长，而且能抑制少量的不利生物的生长，从而增加了单元的处理效率。外投微生物可以适应不同范围的污水，从污水和原生微生物种群的知识知道，只有最适宜的微生物投入到系统中，才能存活。例如：脂肪不能为微生物利用，但投加能产生脂肪酶的微生物，脂肪能迅速分解，并形成微生物的组织元素。一家瑞士基础环境微生物公司利用外投微生物处理不同类型的污水，其污水处理厂能减少16%的增生污泥量〔4〕。3代谢终止活性污泥处理污水过程，细菌对有机物进行代谢降解，在形成二氧化碳和水的同时，也完成了细胞的生长和复制。这一过程是由复杂的代谢途径控制的，它包括分解代谢（分解生物）和合成代谢（释放能量供给新细胞生长）。代谢终止就是在分解代谢完成后，合成代谢开始前终止这一过程，从而阻断了新细胞的形成。据报道有许多化学物质能终止分解代谢和合成代谢，如抗生素所含有的细菌专性环丝氨酸能阻止细胞壁的合成作用〔5〕，其他的化学物质，象2,4-二硝基酚和双香豆素，能通过干扰ATP从分解代谢到合成代谢的基因链传递，而终止有氧化作用的磷酸化作用〔2〕。鱼藤酮能终止底物氧化和有氧化作用的磷酸化的烟酰胺腺嘌吟二核酐酸的链接〔6〕，而许多代谢途径都依赖于DNA步骤，因此鱼藤酮的解链作用能广泛地用于不同的途径。化学解链的优点是无须对现有的设备进行大的改型，缺点是会将一些化学物质释放到环境中去。4投加酶酶的作用是促进污水中的大分子化合物分解变成小分子化合物，释放出结合氧，这些简单的化合物容易被多种微生物利用。这有利于细菌的多样性，并能提高细菌的活性和繁殖能力，而且有利于形成大量的高等生物，能促进高等光合作用生物体的大量增殖，由此又为污水提供了大量的溶解氧。在美国已有许多生物处理系统应用了投加酶的方法，以此来控制嗅味、过程的效率和污泥减量。酶也可以投加在污水处理厂的进水管中，使污水中厌氧种群变为好氧种群，产生二氧化碳，而不是硫化氢。这有助于改善一沉池的性能，同时由于光合生物和好氧生物的生长也改变了系统的生态〔7〕。滴滤池中的藻类和菌胶团变为光合生物，减少了飞虫问题，并能使好氧混合系统在高污泥龄、高混合液浓度和较少的溶解氧下工作。低溶解氧浓度促进了兼性菌的繁殖，易于将氮、磷转化为可利用的营养源。据一家美国公司BIOCOPE报道利用他们开发的酶溶液，可以将常规处理的溶解氧降为0.8〜1.2mg/L，同时MLSS为4500〜8500mg/L，污泥龄为30〜70d，可减少污泥产量50%，取消了污泥消化设备。5超声波超声波用于水工业较早。低强度的超声波通常用于测量流量，而将超声波用于污泥减量是一个全新的领域。超声波通过交替的压缩和扩张作用产生空穴作用，在溶液中这个作用以微气泡的形成、生长和破裂来体现，以此压碎细胞壁，释放出细胞内所含的成分和细胞质，以便进一步降解。超声波细胞处理器能加快细胞溶解，用于污泥回流系统时，可强化细胞的可降解性，减少了污泥的产量；用于污泥脱水设备时，有利于污泥脱水和污泥减量。超声波由转换器产生，经探针导入污水中，超声波的设计频段在25〜30kHz。小于25kHz在人的听力范围内，产生噪声问题；而超过35kHz时，能量利用率低⑻ 。超声波的作用受到液体的许多参数的影响，如：温度、粘度和表面张力等。此外，超声波与各种液体的接触时间、探针的几何形状和材质也是超声波应用的影响因素。6生物细胞溶解系统生物细胞溶解系统类似于超声波技术，将机械压力应用于污泥的回流系统，压破细胞壁，释放出细胞内所含的物质，通常这种破碎作用可减少颗粒污泥的大小，增加生物的比表面积，有利于进一步分解。将这种方法应用于活性污泥的内源呼吸段，能减少剩余污泥的产量。应用这种方法的二沉池能减少50%的污泥，并能减少丝状菌的种群，极大地改善了污泥的沉淀性能和污泥的脱水性能〔8〕7臭氧减少剩余污泥量在日本的Shima污水处理厂应用臭氧技术运行了9个月而没有剩余污泥产生。这一运行效果是由于臭氧对部分回流污泥进行臭氧化所致。由此提高其生化降解性并在曝气池中强化生物氧化降解。该厂处理污水量为450m3/d。试验证明，污泥减少量与臭氧投加剂量和被处理的污泥量成比例。在该厂的试验证明，为完全消除剩余活性污泥所需的臭氧剂量为0.034kg/kgSS，而需要处理的回流污泥量为常规污水处理厂剩余污泥量的4倍⑼ 。8Cambi工艺：同时实现污泥减量和生物气产生 〔10〕由Purac开发的Cambi工艺中，通过水解过程使污泥中的有机成份从不溶解状态转化为溶解状态，使有机物可用于生物降解，即厌氧消化。这一过程是由高温水解完成的，经水解后固体中有机物大为减少，再进行厌氧处理，促进了生物气产量的增加，也可将释放出的碳作为生物脱氮的碳源。经Cambi工艺产生的脱水污泥的总固体含量达30%〜40%，可以直接进行污泥焚烧。根据污泥的来源和组分，这一工艺可以间歇地或连续地运行。水解过程由4个基本步骤组成：均匀混合、预热、水解和闪蒸。污泥用离心脱水机或压滤机进行预脱水，在均匀混合池中污泥用一台Macerator泵进行循环流动。此外用一台搅拌机使污泥混合均匀。水解的主要部分发生在水解池中，该池在10bar下工作，工作温度为180°C，用蒸气加热。对于城市污水处理后产生的污泥，水解反应器的反应时间一般为30min。经过水解，将污泥中复杂的有机物如蛋白质、脂肪和纤维素等转化为易于生物降解的简单有机化合物。最后一个步骤是闪蒸，利用水解池压力(10bar)和闪蒸池工作压力(1〜3bar)之间的压力差，将污泥由水解池压送到闪蒸池中进行闪蒸，将污泥在闪蒸池中产生的蒸气和高温上清液回流到预热池中与新污泥进行混合和稀释，并将新污泥加热到80〜90C。预热池的工作压力是2〜3bar，以达到较高的热回收率。闪蒸池中的污泥用泵抽送到厌氧处理罐中或其他生物处理设备中。借助于厌氧处理，污泥中能量的60%〜80%转化为生物气。在挪威奥斯陆以北的Hamar建立了一座Cambi工艺污泥处理厂，该厂由Cambi工艺(水解和厌氧消化)、化学回收和烘干等过程组成。送入该厂的污泥量为1000t/月(20%TS)，经脱水后污泥量降至290t/月，经烘干和萃取后减少至66t/月，即污泥量减少93%。在烘干和萃取之后TS减少70%。该系统采用全封闭工作，污泥加热时无嗅味释出。该厂还向Hamar供应由生物气产生的热能和回收的化学产品，如利用萃取提取的重金属等，从而降低了运行费用和污泥中重金属的含量。最后的污泥残渣将用于垃圾填埋厂的回收和植被，水解过程产生的生物气仅占生物气产量的10%，预计产气量为2950m3/d〔10〕。参考文献JanssenPMJ,RulkensWH,RiesenkJH,andVanderRoestHF.ThePotentialforMetazoainBiologicalWastewaterTreatment.WQI,1998,(9〜10):25〜27Biocope,Inc.MunicipalWastewaterTreatmentwithBiocopeMulti-EnzymeProduct.CompanyLiterature,1998BZWang,etal.Astudyonsimultaneousorganicandnitrogenremovalbyextendedaerationsubmergedbiofilmprocess.WatSciTech,1991,24(5):197〜214KadyInternationalBiosolidsTechnicalBulletin.CompanyLiterature,1998DawsonRMC,ElliotDC,ElliotWHandJonesKM.DataforBiochemic