污水处理中的污泥减量新技术

污水处理中的污泥减量新技术

Ξ

王启中,宋碧玉

(武汉大学资源与环境科学学院,湖北武汉　430079)

摘要:污水好氧处理会产生大量污泥,剩余污泥的处理成本高昂,减少污泥产量势在必行。文章介绍了代谢解偶联、增加维持能量消耗、隐性生长、微型动物捕食、高溶解氧工艺和膜生物反应器等污泥减量技术,比较了各种技术的优缺点,指出了不同技术结合将成为污泥减量技术的发展方向。

关键词:污水处理;剩余污泥;污泥减量

中图分类号:X 703 文献标识码:A 文章编号:1002-1264(2003)06-0295-03

N ew T echnologies for Sludge R eduction During W astew ater T reatment

W ANG Qi 2zhong ,S ONG Bi 2yu

(School of Res ource and Environmental Science ,Wuhan University ,Wuhan 430079,China )

Abstract :G reat am ount of sludge is produced during aerobic biologically wastewater treatment.Excess sludge treat 2ment process is expensive ,thus ,reducing excess sludge production becomes extremely im petus.Such recently de 2veloped methods for sludge reduction as uncoupling metabolism ,increasing maintenance energy requirement ,cryptic

growth ,microfauna

prey ,high diss olved oxygen process ,membrane bioreactor (M BR )etc were reviewed with com 2paris on of the advantages and disadvantages of each technology.It is concluded that the combination of different technology will become the mainstream.

K ey w ords :wastewater treatment ;　excess sludge ;　sludge reduction

目前,世界上超过90%的城市污水处理都采用活性污泥法,该法具有诸多优点,但会产生大量污泥。目前我国污泥产量约为1500万t/(按含水率97%计),预计到2010年污泥产量将是现在的5倍[1]。欧盟2008年的污泥产量将是2001年的两倍[2]。在美国,污泥投放远洋已被禁止,污泥的土地利用也受到越来越严格的限制[3]。剩余污泥处理的成本高昂,约占污水厂运行费用的25%-65%[4]。显而易见,污泥减量已经成为环保领域面临的一大挑战。德国在1996年明确提出了废物减量化、资源化和无害化的优先顺序[5]。

本文介绍了代谢解偶联、增加维持能量消耗、隐性生长、微型动物捕食、高溶解氧工艺和膜生物反应器等污泥减量技术。

1　代谢解偶联

微生物正常情况下的分解代谢和合成代谢通过ATP (腺苷三磷酸)和ADP (腺苷二磷酸)之间的转化偶联在一起(如图1)。将分解代谢和合成代谢解偶联,降低ATP 合成量或使得ATP 合成以后通过其它途径释放(如热能),而不用于细胞合成,降低细胞合成量即能减少污泥量[5]。Russel 等对解偶联(uncoupling )的定义是:化学渗透氧化磷酸化不能产生以ATP 形式存在的最大理论能量[6]。

S outhamer 认为发生解偶联的情况有:(1)存在影响ATP 合成的物质(解偶联剂);(2)存在剩余能量(高S o/X o 条件);(3)温度不合适;(4)细胞所处环境改变(OS A 工艺);(5)存在抑制性化合物[7]。

图1　分解代谢和合成代谢的关系

2　增加维持能量消耗

增加细胞用于非生长的能量需求,特别是维

持能量,可减少用于细胞合成的能量,从而降低污泥量[7]。高盐环境、增加生物量浓度都能增加维持能量消耗。高盐环境下细胞内外Na +浓度差很大。细胞必须用额外的能量维持细胞内外Na +浓度平衡。在膜生物反应器中投加NaCl ,污泥量减少44%[8]。微生物在高盐环境(高达30g/L )下会被驯化,可考虑采用冲击负荷解决[9]。增加生物量浓度,则用于细胞物质转化的能量增大。生物量浓度从3g/L 增加到6g/L ,生物体产量减少12%,从17g/L 增加到10.3g/L ,生物体产量减少44%[10]。

5

92第16卷6期2003年12月

城市环境与城市生态

URBAN E NVIRONME NT &URBAN ECO LOGY V ol 16,N o.6Dec.　2003

Ξ基金项目:国家自然科学基金(30270267)

　收稿日期:2003-04-25;　修改稿日期:2003-11-25

3　强化隐性生长

细胞溶解会释放细胞物质到水中,形成可被细胞重新利用的自底基质(autochon ous substrate)。微生物利用自底基质生长称为隐性生长(cryptic growth),这很难与利用污水中原始有机基质生长区分[11]。利用各种物理化学方法促进细胞溶解,加强基质二次利用,强化隐性生长即可减少污泥量。

3.1　化学法

3.1.1臭氧

Y asui H.等研究表明[12],有机负荷为550kg/d,臭氧剂量为0.015kg/kg SS,臭氧处理的污泥量是预期污泥减少量的3.3倍时无剩余污泥产生。Sakai Y.等的研究也有类似的结果[13],并且运行费用是常规活性污泥的47%。间歇式臭氧处理要好于连续式[14]。

臭氧处理的优点有:(1)污泥减量可达到100%;(2)污泥沉降性能好;(3)运行成本比常规活性污泥法(包括处理污泥)低;(4)只需控制臭氧剂量就可控制污泥产量。缺点有:(1)N、P去除效果不好;(2)出水SS(4～23)比常规活性污泥法(2～15)高;(3)由于污泥量为零,会有重金属积累;(4)耗氧量增大;(5)臭氧不是选择性氧化剂,能同其他还原性物质反应,降低活性污泥的氧化效率[12～15]。

3.1.2　氯气

Saby等利用氯气处理污泥[16],剂量为0.066 g/g M LSS,作用时间10min,污泥量减少67%,未达到臭氧处理的100%(因为Cl2的氧化性没有O3强)。氯气虽然比臭氧便宜,但也有以下缺点:(1)污泥沉降性能恶化(2)出水C OD增加(3)污泥产生泡沫(4)最主要的还是会产生致癌物质TH Ms。前两个问题可以采用膜分离法克服。

3.1.3　酸碱

酸或碱也能使细胞溶解。研究表明,NaOH 的溶解效果最好[17]。碱-热处理污泥(pH为10, 60℃,20min),细胞溶解最稳定,污泥量是常规活性污泥法的38%～43%[18]。

化学法处理污泥也有一些缺点,如工艺的运行、控制,化学物质对设备的腐蚀等等。

3.2　物理法

Canales等在膜生物反应器中增加一个污泥热处理过程(3h,90℃),几乎所有的细菌都被杀死,部分细胞被溶解,污泥量减少60%[19]。超声波处理污泥时,溶液中会产生空化气泡。空化气泡破裂时产生高温(5000K)高压(100MPa)和具有强烈冲击力的微射流[20],以此压碎细胞壁,使得细胞溶解。超声波污泥减量技术在德国已有实际应用[21]。超声波应用于污泥减量面临的主要问题有:运行参数优化、超声效率低、反应器的优化设计等。利用机械压力也能使细胞溶解。这种方法可使二沉池污泥减少50%,并能减少丝状菌种群,提高污泥沉降性能和脱水性能[22]。

4　微型动物捕食

有机物的矿化大多由细菌完成,微型动物极少参与,矿化程度低,污泥量大[23]。如将传统活性污泥法加以改进,创造适合微型动物生长的环境,促进它们对细菌的捕食,提高污水矿化度,就可最大限度地减少污泥量[24]。目前采用的方法有两种:曝气池中直接接种微型动物和两段法。

4.1　直接接种微型动物

Rensink等将颤蚓(Tubificidae)接种到有塑料载体的活性污泥曝气池中,剩余污泥量从0.40g M LSS/g C OD下降到0.15g M LSS/g C OD[25]。由于污泥频繁地通过蚓类的肠道,污泥特征大大改变,S VI从90下降到45,污泥的脱水性能提高27%。翟小蔚等采用膜生物反应器两段法作为原生动物哺育系统[26],培养富含原生动物的污泥。

4.2　两段法

Lee等用膜生物反应器(M BR)作为第二阶段反应器处理合成污水[27],污泥量为0.05～0.17g SS/g C OD,只有传统好氧方法的30%～50%。Lee 等又用同样的装置处理造纸厂污水[28],污泥量为0.04～0.23g SS/g C OD。而用常规活性污泥法处理这些污水的污泥量为0.2～0.4g SS/g C OD。

G hy oot等分别用M BR和传统活性污泥法(C AS)作为第二阶段反应器[29]。同样的固体停留时间和有机负荷,M BR系统比C AS系统污泥量少20%～30%。C AS系统由于丝状菌和鞭毛虫过度生长,有时会发生污泥膨胀。

微型动物捕食法虽然能大大减少污泥量(最高达80%[27]),但也存在一些问题:(1)污泥矿化使得硝酸盐(7～13m g/L)和磷酸盐(2.5～3.7m g/L)释放;

(2)M BR两段法中微型动物对硝化细菌有抑制作用,

C AS两段法则不存在这个问题;(3)由于矿化程度增加,耗氧量会增加;(4)在实际应用中很难控制直接接种微型动物的数量;(5)工艺的运行与控制,第一阶段反应器的HRT是关键参数。HRT必须足够长,避免分散细菌流失;又必须足够短,防止细菌节团和捕食微生物生长,一般为1～12h。此外还应防止细菌贴壁生长[27～29]。

5　其它污泥减量技术

除了上述4种污泥减量方法以外,还有一些方法也能有效地降低污泥量。如膜生物反应器(M BR)[30]和高溶解氧[32-34]。

692 城市环境与城市生态　16卷6期　2003年