近年來，在國家財力有限的情況下，國家連續(xù)幾年發(fā)行國債加大基礎(chǔ)設(shè)施的投入。其中投入大量人力、物力和財力修建了城市污水處理廠，在大量新建的城市污水處理廠中，污泥處理問題應(yīng)該得到到足夠的重視。在污泥處理技術(shù)中污泥厭氧消化的投資高，污泥處理費用約占污水處理廠投資和運行費用的20-40%，并且污泥厭氧消化處理技術(shù)較復(fù)雜。在我國僅有的十幾座污泥消化池中，能夠正常運行的為數(shù)不多，有些池子根本就沒有運行。所以，這導(dǎo)致近年來國內(nèi)在中小型(甚至大型)污水處理廠大多采用國外引進的延時曝氣氧化溝、SBR等工藝。延時曝氣是一種低負荷工藝，對于我國這樣一個資源不足、人口眾多的發(fā)展中國家，是否適合推廣這種低負荷的活性污泥工藝是值得推敲的問題。
首先，低負荷的曝氣池的池容和設(shè)備是中、高負荷活性污泥工藝的幾倍，相應(yīng)的投資要高幾倍；其次，延時曝氣對污泥采用好氧穩(wěn)定，能耗比中、高負荷活性污泥工藝要高40～50%左右，延時曝氣增加了能耗一方面帶來了直接運行費的增加，同時還要增加間接投資；據(jù)資料報道目前每kW發(fā)電能力脫硫需要投資1000美元，則每萬噸延時曝氣污水處理系統(tǒng)，增加電耗所需的脫硫投資要70萬元。如果按脫硫投資為電站投資10%計，則電廠增加投資為700萬元，這接近污水處理單位投資的50%。從可持續(xù)發(fā)展角度講，大規(guī)模的采用延時曝氣的低負荷工藝是不適合中國國情的。
所以，對污泥的處理技術(shù)必須予以充分的重視，能否解決好污泥問題是污水凈化成功與否的決定性因素之一；另外，采用高效、低耗污水處理工藝的關(guān)鍵之一是解決城市污水廠污泥處理技術(shù)，可以講在今后我國城市污水工藝的技術(shù)進步，在很大程度上取決于污泥處理和利用技術(shù)的進步。為了解決這一問題有必要加強污泥處理與利用的研究。
二、城市污水污泥的研究進展
1、兩相消化理論
目前世界各國在污泥處理的領(lǐng)域仍以污泥厭氧消化工藝為主。厭氧消化工藝是在四、五十年代開發(fā)的成熟的污泥處理工藝。英國在1977年調(diào)查的98個城市污水處理廠中有73個建有污泥消化池。美國建有污泥消化池的污水處理廠總數(shù)為4286個。歐美各國多數(shù)污水處理廠都建有污泥消化池。這種工藝水力停留時間長，一般停留時間的設(shè)計標(biāo)準是20-30天。為防止短路和加熱，需設(shè)置攪拌和加溫設(shè)備。
美國猶他大學(xué)Ghosh教授，從70年代開始了污泥二相消化研究, 從微生物生長特點，生長動力學(xué)等方面從事了大量的研究, 在基礎(chǔ)研究的角度上，證明了二相工藝的優(yōu)越性。但其采用的處理構(gòu)筑物仍然為傳統(tǒng)完全混合式的消化池，所以在停留時間, 減少投資等方面沒有取得突破性的進展。自從Ghosh等人提出二相消化工藝以來，國內(nèi)外在這一領(lǐng)域進行了不少研究。我國廣州能源所、成都生物所、清華大學(xué)等地均在有機廢水和農(nóng)業(yè)廢棄物方面進行了大量的工作，上海市政設(shè)計院也對城市污水污泥的二相凈化作了大量研究。
2、厭氧技術(shù)的發(fā)展
在70年代末期各種新型厭氧工藝得到發(fā)展，例如厭氧濾池(AF)，上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)和厭氧流化床(FB)等。這些反應(yīng)器的一個共同的特點是可將固體停留時間與水力停留時間相分離，使固體停留時間長達上百天。這使厭氧處理高濃度污水的停留時間從過去的幾天或幾十天可以縮短到幾小時或幾天。美國的康萬爾大學(xué)Jewell教授利用厭氧接觸膜膨脹床(AFEFB)反應(yīng)器處理含纖維素廢水時發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)器處理纖維素固體基質(zhì)只需傳統(tǒng)消化池5%的池容即可達到相同的處理效果。北京環(huán)保所王凱軍在改進的上流式污泥床(水解池)處理城市污水時，發(fā)現(xiàn)在水解池2-3h的停留時間下，在處理污水的同時，被截留的污泥50%以上得到了消化。因此，這一信息也許揭示了新的反應(yīng)器在污泥處理上的巨大潛力，也是污泥處理工藝的發(fā)展方向。與污水厭氧處理領(lǐng)域的進展相比較，污泥厭氧領(lǐng)域的發(fā)展遠遠地落后于厭氧工藝本身的發(fā)展進程。對于城市污水污泥的處理，如何將厭氧工藝的成果應(yīng)用到污泥處理領(lǐng)域是當(dāng)前的主要課題。事實上，有理由認為從70年代后期研究者開發(fā)的各種新型的厭氧反應(yīng)器，例如：UASB反應(yīng)器、厭氧濾池、厭氧消化床等存在著巨大的開發(fā)潛力。其完全有可能成為處理污泥新型反應(yīng)器或其組成單元之一。
3、相關(guān)領(lǐng)域的進展
事實上，對于城市污水污泥的處理，在厭氧技術(shù)迅速發(fā)展的今天，厭氧接觸工藝已不是先進的工藝。在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域，近年來在高含懸浮物固體處理最為廣泛的領(lǐng)域是酒精糟液的處理技術(shù)，南陽酒精廠COD濃度為25-30g/L，懸浮物濃度35g/L，pH4.5-5.0。采用兩個5000m3/d的消化池并聯(lián)運行，停留時間大約為10d。相當(dāng)于負荷3.0kgCOD/m3.d，相當(dāng)于懸浮物的負荷為2.0-3.0kgSS/m3.d。需要說明的是在城市需氣量較多時，酒精糟液不通過固液分離直接進入消化池，COD負荷為5-6kgCOD/m3.d。厭氧消化COD、BOD5和SS處理效率分別為75.6%、90.8% 和45.5%。
污泥中溫厭氧消化工藝的停留時間一般大于20d.(在20-30d的范圍)。相當(dāng)于懸浮物負荷為1.0-1.5kgSS/m3.d，COD負荷最多為2.0kgCOD/m3.d。從酒糟廢液的處理能力和負荷而言，則大大高于城市污泥厭氧消化工藝。從這個意義上講城市污水污泥的厭氧處理技術(shù)不但大大落后于厭氧處理技術(shù)的發(fā)展，而且還落后于厭氧工業(yè)廢水處理技術(shù)的發(fā)展。
三、多級厭氧消化工藝
1、新工藝的構(gòu)思
在對城市污水污泥特性和各種厭氧反應(yīng)器了解的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外的研究結(jié)果和帶有共性的研究思路，新的城市污水污泥處理系統(tǒng)的思想是充分利用現(xiàn)有的成熟工藝的優(yōu)點，將現(xiàn)有的成熟技術(shù)最大程度的整合，集中突破技術(shù)整合過程中的技術(shù)難點和關(guān)鍵。并將治污、產(chǎn)氣、綜合利用三者相結(jié)合，使廢物資源化、環(huán)境效益與經(jīng)濟效益和社會效益相統(tǒng)一。具體工藝的基本思想是分為如下三個處理階段。
1) 第一級處理階段是液化和分離裝置
第一級反應(yīng)器應(yīng)該具有將固體和液體狀態(tài)的廢棄物部分液化(水解和酸化)的功能。其中液化的污染物去UASB反應(yīng)器(為第二級處理的一部分)，固體部分根據(jù)需要進行進一步消化或直接脫水處理。可采用加溫完全混合式反應(yīng)器(CSTR)作為酸化反應(yīng)器，采用CSTR反應(yīng)器的優(yōu)點是反應(yīng)器采用完全混合式，由于不產(chǎn)氣可以采用不密封或不收集沼氣的反應(yīng)器。
2) 第二級處理階段
第二級處理包括一個固液分離裝置，沒有液化的固體部分可采用機械或上流式中間分離裝置或設(shè)施。中間分離的主要功能是達到固液分離的目的，保證出水中懸浮物含量少，有機酸濃度高，為后續(xù)的UASB厭氧處理提供有利的條件。分離后的固體可被進一步干化或堆肥并作為肥料或有機復(fù)合肥料的原料。
3) 第三級處理階段
在第二階段的固液分離裝置應(yīng)該去除大部分(80-90%)的懸浮物，使得污泥轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵挝鬯３鞘形勰嘟?jīng)CSTR反應(yīng)器酸化后出水中含有高濃度VFA，需要有高負荷去除率的反應(yīng)器作為產(chǎn)甲烷反應(yīng)器。UASB反應(yīng)器在處理進水穩(wěn)定且懸浮物含量低的水有一定的優(yōu)勢，而且UASB在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，已有很多的運行經(jīng)驗。#p#分頁標(biāo)題#e#
2、實驗流程
CSTR反應(yīng)器有效容積為20L，反應(yīng)控制在恒溫和攪拌的條件下。物料在CSTR反應(yīng)器中進行水解、酸化反應(yīng)，反應(yīng)器后接一上流式中間分離池(有效容積為5L)，上流式中間分離池的作用是分離在CSTR反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的有機酸。采用UASB反應(yīng)器出水回流洗脫方法。經(jīng)液化后的水在UASB反應(yīng)器內(nèi)充分地降解，產(chǎn)氣經(jīng)水封后由轉(zhuǎn)子流量計測定產(chǎn)率，水則排到排水槽內(nèi)，部分出水回流到中間分離池(圖1)。
實驗采用分批投料，連續(xù)運行的方式，實驗溫度保持在中溫35℃。實驗采用的污泥為高碑店污水處理廠的污水污泥，其污泥有機物含量較低VSS/TSS=45%。根據(jù)實驗的進展逐步改變運行條件，提高負荷率和縮短停留時間，并考察反應(yīng)器的運行情況。在穩(wěn)定條件下重點考察兩組實驗條件，即：CSTR=10d，中間分離池=1d，UASB=1d；另一組為：CSTR=5d，沉淀回流池=1d，UASB=1d。
3、結(jié)果與討論
由于污泥消化過程污泥培養(yǎng)階段耗時較長，在啟動的初期的監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有實際的意義。整個過程的各個反應(yīng)器的停留時間和有機負荷的變化見圖2。從停留時間和有機負荷提高的情況來看，酸化池的有機負荷最終提高到15kgCOD/m3.d。而UASB的負荷穩(wěn)定在5kgCOD/m3.d。
在整個運行運行期間，作為最終出水UASB反應(yīng)器的COD和SS去除率和出水濃度與反應(yīng)器的停留時間有著密切地聯(lián)系(圖3a)。當(dāng)總停留時間(T)為7d時，COD的去除率在85%左右，SS的去除率在80～85%之間；而當(dāng)T＝12d時，COD及SS去除率一直保持在95%以上。
由圖3b可見，CSTR的HRT＝5d時，CODd/CODt在35～40%左右，污泥液化效果明顯；而當(dāng)HRT＝10d時，由于停留時間較長， CODd/CODt在55%以上。說明停留時間對污泥的液化效果影響很大。實驗開始測定了污泥樣品溶解性CODd值，進水CODd/CODt的比例為8.1%左右。從上面討論可見，污泥在CSTR反應(yīng)器中停留10d時，其進一步水解COD占總COD的50%，而當(dāng)停留時間為5d時，水解COD的比例占總COD的30%左右。對比污泥穩(wěn)定性指標(biāo)，與厭氧消化工藝對比可知CSTR池停留時間HRT=5d，經(jīng)過水解的污泥就可以達到相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定化。因此，在以后的生產(chǎn)性實驗中，取CSTR反應(yīng)器的HRT=5d。
然而由圖4a可見，VFA上升比例相對不高。進水中CODv/CODt的比例在7%左右；經(jīng)5d液化后，CODv/CODt在25%左右，經(jīng)10d液化，比例降到在20%以下。表明當(dāng)CSTR反應(yīng)器的停留時間延長，發(fā)生甲烷化反應(yīng)。在最終UASB反應(yīng)器中，厭氧主要在產(chǎn)甲烷階段進行，CODv/CODd回落至5%左右。
由圖4b可見，雖然兩組實驗的停留時間和負荷各不相同，但從實驗的結(jié)果來看UASB的去除效率卻基本相同，VFA的去除率為90%左右，對COD的去除率為83%左右。VFA的去除效率較好，產(chǎn)酸相產(chǎn)生的揮發(fā)酸基本在反應(yīng)器中得到降解。COD的去除率不如VFA，這是因為UASB進水中，除了VFA外，還有一部分不溶性COD尚未水解為可溶性COD，這部分COD沒有在反應(yīng)器中得到去除。
5、新工藝的生產(chǎn)性應(yīng)用
目前，工業(yè)廢水和小型生活污水處理廠，普遍采用對好氧剩余污泥直接脫水的方法處理污泥。剩余活性污泥存在著耗藥量大，脫水比較困難的缺點。北京市中日友好醫(yī)院污水處理廠日處理水量為2000m3/d，原污泥的處置方案為活性污泥經(jīng)濃縮后，運至城市污水污水處理廠消納，但在實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)由于污泥無穩(wěn)定出路，而影響污水處理廠運轉(zhuǎn)的情況。為了使活性污泥得到穩(wěn)定的處置，實際工程中采用的一體化設(shè)備。
二沉池排出的剩余污泥首先排入污泥酸化池進行水解酸化處理，然后進入中間分離池，該池排出的上清液進入UASB反應(yīng)器，進行高濃度、低懸浮物有機廢水的降解；從中間分離池排出的污泥經(jīng)測定已基本穩(wěn)定化，污泥量較常規(guī)處理減少了三分之二，脫水性能大大改善；而且病菌和蟲卵殺滅率達到99.99%，完全符合國家關(guān)于醫(yī)院污水廠污水污泥無害化標(biāo)準，從而徹底解決污泥消納的問題。
四、結(jié)論
本文根據(jù)我國城市污水處理發(fā)展的現(xiàn)狀，提出應(yīng)該重視污水污泥厭氧處理新工藝開發(fā)和城市污水污泥厭氧處理工藝落后于厭氧污水處理工藝發(fā)展，甚至落后于工業(yè)廢水相關(guān)(污泥處理)領(lǐng)域發(fā)展的論斷。通過對于厭氧處理工藝的綜述研究，認為污泥厭氧工藝開發(fā)，應(yīng)該將現(xiàn)有的相關(guān)成熟技術(shù)最大程度的集成和整合。研究集中突破整合過程中的技術(shù)難點和關(guān)鍵技術(shù)，從而提出了多級厭氧處理工藝。本研究在理論分析和實驗研究的基礎(chǔ)上，以城市污泥為對象進行了多級厭氧消化工藝的實驗研究，并在工程上進行驗證。結(jié)果證實工藝是可行的，可使污泥在較短的總停留時間(T=7d)達到穩(wěn)定化。
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