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城市污泥處理與處置研究

發布時間:2020-6-7 8:43:41  中國污水處理工程網

  城市污泥是城市污水處理廠運行的必然產物。大量剩余污泥的產生已經成為污水處理廠必須面對的棘手問題。當前我國廢水處理的主流模式是集中生化處理,由于污泥處置的投資大,故往往把污水處理和污泥處置分開,形成先污水處理后污泥處置的局面,污水處理廠產生的大量剩余污泥沒有引起足夠的重視,再加上長時間來我國片面強調污水處理重要性,忽略對污泥處理技術的發展和資金投入,使得我國的污泥處理與處置水平嚴重滯后于污水處理的發展。

  剩余污泥通常含有相當量的有毒有害物質(如寄生蟲卵、病原微生物、重金屬)及未穩定化的有機物,如果不進行妥善的處理與處置,將會對環境造成直接或潛在的污染。但剩余污泥的處理處置工藝的投資和運行費用昂貴,一般約占污水處理廠總投資的 30%~40 %,甚至能占到 60 %,污泥處理費用占據污水處理廠總運行費用的 20 %~50 %。城市生活污水生物處理工程中污泥產生的主要環節為:格柵、沉砂池、初沉池和二沉池。目前城市污水處理場大多數采用二級處理工藝。城市污泥按處理方法可分為初沉污泥、剩余污泥、消化污泥,其基本理化性質見表 1。

表 1  城市污水處理廠污泥的基本理化性質

 

  1 污泥減處理與處置的目標

  污泥處理與處置應首先考慮到污泥的減容和利用。污泥減量化、穩定化、無害化處理后作為資源已經成為一種主流。所以污泥處理與處置主要有以下四大目標:

  (1)減量化:減少污泥最終處置前的體積,以降低污泥處理及最終處置的費用;

  (2)穩定化:通過處理使污泥穩定化,最終處置后不再產生污泥的進一步降解,從而避免產生二次污染;

  (3)無害化:達到污泥的無害化與衛生化,如去除重金屬或滅菌等;

  (4)資源化:在處理污泥的同時達到變害為利、綜合利用、保護環境的目的,如產生沼氣等。

  1 常見的城市污泥處理處置方法及存在的問題

  1.1 填埋

  污泥衛生填埋技術始于20 世紀60 年代是根據環境保護要求,對傳統埋方的改進。污泥可單獨或與其他固體廢棄物(如城市垃圾)一起填埋,今已經是一種比較成熟的污泥處置技術。這種技術的優點是投資少、容量大、見效快。但其中存在著以下問題:

  (1)污泥填埋對污泥的土力學性質(以剪切強度表示:橫向剪切強度>25kN/m2)要求較高,需要有大面積的場地和大量的運輸費用;

  (2)剩余污泥脫水后,一般仍然具有 75 %左右的含水率,因此污泥填埋場地基必須作防滲濾處理,否則就會污染地下水資源;

  (3)污泥填埋將會加大埋場壓實機械工作難度,同時使填埋場的衛生狀況愈加惡劣,也給周圍環境帶來極大的影響;

  (4)近年來各國出于對土地和環境保護的角度,提高了填埋場選址、工藝和污染物處理標準等方面的要求和管理,導致了污泥填埋成本的顯著升高。污泥的土地利,有兩種方式:農用及園林綠化。污泥的土地利用既可以充分利用 污泥中的養分,又可以解決污泥的最終出路問題,減少污泥對環境造成的二次污染。尹軍等研究認為污泥土地利用過程中,應該通盤考慮重金屬、病原菌及有毒有機物等污染物質對環境和人類造成的影響,確定合理的污泥施用量與施用年限,使污泥土地利用工作能夠合理而安全地進行。

  1.2 堆肥

  堆肥是利用自然界廣泛存在的細菌、放線菌、真菌等微生物。有控制地促進固體廢物中可生物降解的有機物向穩定的類腐殖質生化轉化的微生物學過程,在一定溫度、濕度和 pH 條件下,使有機物發生生物化學降解,形成一種類似腐殖質土壤的物質。在堆肥過程中,微生物分解有機質是一個放熱過程,使得堆體溫度升高,可以殺死污泥中大部分病原菌和寄生蟲,達到無害化的目的。堆體升溫還有助于堆體水分的散失,減小堆體體積,達到減量化的目的。另外,堆肥成品中的速效養分更有利于農作物吸收同時堆肥成品中的腐殖質能改良土壤,使得污泥堆肥達到資源化。污泥堆肥與其他處理方法,如填埋、焚燒相比,具有建設投資少、運行費用低等優點適合我國的國情。具體聯系污水寶或參見http://www.qrnlka.icu更多相關技術文檔。

  1.3 焚燒

  污泥焚燒作為一種比較徹底解決城市污泥處理之路,使污泥中的可燃成分在高溫下充分燃燒,最終成為穩定的灰渣。處理速度快,無害化比較徹底,余熱可以用于發電或供熱等優點。但焚燒過程中會產生廢氣,處理不好的話會引起二次污染,目前需要研制更先進的處理工藝和焚燒方法。預計不久的將來,焚燒工藝會更多的應用于污泥處理過程中。

  1.1 厭氧消化工藝

  20 世紀 80 年代以前,大多數的活性污泥均采用厭氧消化法處理,殺滅微生物病菌并生產部分可利用的沼氣。影響厭氧消化的影響岡素主要有溫度,分為低溫、中溫和高溫二種消化溫度;酸堿度,堿度一般應在 100~150 度(以CaO 計);攪拌方式,攪拌可以縮短消化時間,并在一定程度上提高產氣量;生、熟污泥配比,投配率一般在 5 %~12 %;碳氮比,一般碳氮比為(10~20)∶1 時,消化效果較好;有毒物質,主要是重金屬離子和某些陰離子。在常溫厭氧污泥消化的停留時間分析研究中發現,常溫消化的反應速率、產氣率、有機物分解率均明顯低于高、中溫消化,為獲得同一程度的產氣率和有機物分解率,常溫消化需 150 d 以上的停留時間,而中、高溫則為 12~30 d。由于污泥水解速率低,傳統的厭氧消化存在消化速率低、停留時間長(20~30 d)、處理效率低(揮發性固體VS 的去除率 30 %~40 %)等不足。近年來,人們對污泥的預處理進行了大量研究,以期改善污泥的厭氧消化性能,提高處理效率,增大甲烷產量。

  1.2 城市污泥好氧消化

  污泥好氧消化的實質就是是微生物處于內源呼吸階段,微生物利用氧氣、分解可降解的有機物。污泥好氧消化技術早在上世紀 60~70 年代就已經得到了發展,起初是為了減少污泥中的有機物而限制污泥發酵作用,起減少臭氣,穩定污泥的目的。污泥好氧消化同時可以減少污泥中的致病微生物數量。另外無你在好氧消化過程中,微生物細胞發生自溶反應是污泥減量,并釋放出能量有助于保持較高的溫度(40~60 ℃),導致二氧化碳釋放銨態氮的增溶溶解。污泥好氧好氧消化工藝曝氣時間長,能耗大,在反應后期由于硝化反應積累產生大量的酸性物質使反應體系內的 pH 降低,抑制消化反應的順利進行,因此必須向體系內投加堿維持反應進行。目前新研發的適用于中小型污水處理廠自動升溫好氧工藝(Auto-Thermophilic Aerobic Digestion,ATAD)不僅能克服傳統好氧消化工藝的缺點,而且還具有消化速度快、占地少、構造簡單等優點,但是產生的泡沫太多,不易控制且產生的臭味較大。

  2 城市污泥處理處置的新技術

  2.1 污泥缺氧/好氧消化技術

  污泥的好氧/缺氧消化工藝適用于小型污水處理廠(≤20000m3/d),與好氧消化工藝比較,其曝氣時間縮短,能耗降低,同時反應過程中可以利用缺氧段反硝化作用所產生的堿度緩沖好氧消化反應過程中產生酸性物質,防止反應器中 pH 下降。張艷萍、彭永臻研究表明好氧/缺氧消化能夠滿足污泥穩定的要求,在常溫條件下,消化 16 d,VS 去除率即可達到 38.2 %,同時好氧/缺氧消化對污泥中總氮的去除率高于傳統的好氧消化,達到 36.4%,而且能夠降低消化污泥上清液中的氨氮和硝態氮濃度。因此污泥好氧/缺氧在節能、提高總氮去除率、維持 pH 和堿度平衡等方面優于傳統的好氧消化。

  2.2 細菌捕食

  有些細菌對污泥減量化能起促進作用,例如乳酸菌,乳酸菌最大的特點就是能產生大量的乳酸降低周圍環境的 pH 呈酸性可抑制污泥系統中某些菌群大生長。乳酸菌能利用污泥中的某些還原性物質進行生長代謝,從而起到了降解污泥的作用。污泥中大多存在腸道病原菌和寄生蟲,乳酸菌能分泌抑菌素,降低污泥的毒性但其作用效果受污泥濃度和發酵時間制約。由于其本身分解代謝時所需的營養物質如葡萄糖等。從污泥中都得不到有效滿足,妨礙了正常的生長。所以若只用乳酸菌處理污泥,其處理效果維持時間一般不會太長這一點看乳酸菌在污泥處理中實際是起輔助作用。姚飛等研究表明在研制的復合菌劑中,乳酸菌將是保證環境 pH 穩定的菌,同時也具有一定的污泥降解能力及除臭能力。與其他有益菌綜合作用,相輔相成,更有效地降解污泥;

  2.3 生物細胞溶解系統

  通過強化細菌的隱性生長也可以達到污泥減量的目的。所謂隱性生長是指細菌利用衰亡細菌所形成的二次基質生長。整個過程包含了溶胞和生長。利用各種溶胞技術,使細菌能夠迅速死亡并分解成為基質再次被其他細菌所利用,是在污泥減量過程中廣為應用的手段。促進細胞溶解,在傳統模型中可以認為是增大了細胞衰減速率,這樣可以降低剩余污泥的產量;

  2.4 臭氧減少剩余污泥量

  臭氧氧化使污泥減量的機理是:臭氧的強氧化性能通過各種作用破壞污泥中微生物的細胞壁,使細胞質進入到污泥中。對回流污泥使用臭氧氧化,能使回流中 COD 增加,加大了細胞的可生化性,使剩余污泥量減小。污泥臭氧氧化期間,生物體的降解可用兩種機理描述:

  (1)污泥中的生物細胞被破壞分解;

  (2)礦化,即溶解的有機物在后續氧化時轉變成 CO2。

  溶解的有機物在后續氧化時轉變成 CO2。王琳等用接觸反應柱對污泥在臭氧氧化過程中性質的變化進行了研究。在臭氧投量為 0.1 g 時,污泥中的溶解性 COD 質量濃度從 256 mg/L 增加到 2126 mg/L,污泥沉降速度由初始的 0.19 cm/min 增至 1.43 cm/min,濾餅的含水率由初始的 76.6 %降至 70.6 %。臭氧氧化后污泥絮體被分解,產生大量懸浮粒子,使污泥上清液的濁度和懸浮物濃度增加。

  臭氧氧化處理后污泥的過濾性能惡化,污泥比阻增大。在日本的 Shima 污水處理廠應用臭氧技術運行了 9 個月而沒有剩余污泥產生。這一運行效果是由于臭氧對部分回流污泥進行臭氧氧化所致,由此提高其生化降解性并在曝氣池中強化生物氧化降解。該廠處理污水量為 450 m3/d。試驗證明,污泥減少量與臭氧投加劑量和被處理的污泥量成比例。該廠試驗證明,為完全消除剩余活性污泥所需的臭氧劑量為每千克污泥 0.034 kg 臭氧,而需要處理的回流污泥量為常規污水處理廠剩余污泥量的 4 倍。

  4 結語

  城市污泥的處理和處置要充分考慮社會、經濟、環境等各方面因素。城市污泥作為一種固體廢物,其自身潛在的價值有待開發。目前中國常見的處理處置措施是填埋和堆肥,其它技術如污泥厭氧中溫消化發展迅速,已經開始大規模應用。而發達的國家和地區由于土地的限制,也有將其進行焚燒處理的。總之污泥安全有效地處理處置需要政府、科研機構以及社會大眾的共同參與才能完成。

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