探究新污泥多級厭氧消化處理技術(shù)開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，在國家財力有限的情況下，國家連續幾年發(fā)行國債加大基礎設施的投入。其中投入大量人力、物力和財力修建了城市污水處理廠(chǎng)，在大量新建的城市污水處理廠(chǎng)中，污泥處理問(wèn)題應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(chǎng)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不多，有些池子根本就沒(méi)有運行。所以，這導致近年來(lái)國內在中小型(甚至大型)污水處理廠(chǎng)大多采用國外引進(jìn)的延時(shí)曝氣氧化溝、SBR等工藝。延時(shí)曝氣是一種低負荷工藝，對于我國這樣一個(gè)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(wèn)題。

首先，低負荷的曝氣池的池容和設備是中、高負荷活性污泥工藝的幾倍，相應的投資要高幾倍；其次，延時(shí)曝氣對污泥采用好氧穩定，能耗比中、高負荷活性污泥工藝要高40～50%左右，延時(shí)曝氣增加了能耗一方面帶來(lái)了直接運行費的增加，同時(shí)還要增加間接投資；據資料報道目前每kW發(fā)電能力脫硫需要投資1000美元，則每萬(wàn)噸延時(shí)曝氣污水處理系統，增加電耗所需的脫硫投資要70萬(wàn)元。如果按脫硫投資為電站投資10%計，則電廠(chǎng)增加投資為700萬(wàn)元，這接近污水處理單位投資的50%。從可持續發(fā)展角度講，大規模的采用延時(shí)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(wèn)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(chǎng)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(jìn)步，在很大程度上取決于污泥處理和利用技術(shù)的進(jìn)步。為了解決這一問(wèn)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(jìn)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(kāi)發(fā)的成熟的污泥處理工藝。英國在1977年調查的98個(gè)城市污水處理廠(chǎng)中有73個(gè)建有污泥消化池。美國建有污泥消化池的污水處理廠(chǎng)總數為4286個(gè)。歐美各國多數污水處理廠(chǎng)都建有污泥消化池。這種工藝水力停留時(shí)間長(cháng)，一般停留時(shí)間的設計標準是20-30天。為防止短路和加熱，需設置攪拌和加溫設備。

美國猶他大學(xué)Ghosh教授，從70年代開(kāi)始了污泥二相消化研究,從微生物生長(cháng)特點(diǎn)，生長(cháng)動(dòng)力學(xué)等方面從事了大量的研究,在基礎研究的角度上，證明了二相工藝的優(yōu)越性。但其采用的處理構筑物仍然為傳統完全混合式的消化池，所以在停留時(shí)間,減少投資等方面沒(méi)有取得突破性的進(jìn)展。自從Ghosh等人提出二相消化工藝以來(lái)，國內外在這一領(lǐng)域進(jìn)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業(yè)廢棄物方面進(jìn)行了大量的工作，上海市政設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器(UASB)和厭氧流化床(FB)等。這些反應器的一個(gè)共同的特點(diǎn)是可將固體停留時(shí)間與水力停留時(shí)間相分離，使固體停留時(shí)間長(cháng)達上百天。這使厭氧處理高濃度污水的停留時(shí)間從過(guò)去的幾天或幾十天可以縮短到幾小時(shí)或幾天。美國的康萬(wàn)爾大學(xué)Jewell教授利用厭氧接觸膜膨脹床(AFEFB)反應器處理含纖維素廢水時(shí)發(fā)現，該反應器處理纖維素固體基質(zhì)只需傳統消化池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(jìn)的上流式污泥床(水解池)處理城市污水時(shí)，發(fā)現在水解池2-3h的停留時(shí)間下，在處理污水的同時(shí)，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(jìn)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(jìn)程。對于城市污水污泥的處理，如何將厭氧工藝的成果應用到污泥處理領(lǐng)域是當前的主要課題。事實(shí)上，有理由認為從70年代后期研究者開(kāi)發(fā)的各種新型的厭氧反應器，例如：UASB反應器、厭氧濾池、厭氧消化床等存在著(zhù)巨大的開(kāi)發(fā)潛力。其完全有可能成為處理污泥新型反應器或其組成單元之一。

3、相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展

事實(shí)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(jìn)的工藝。在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域，近年來(lái)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(yáng)酒精廠(chǎng)COD濃度為25-30g/L，懸浮物濃度35g/L，pH4.5-5.0。采用兩個(gè)5000m3/d的消化池并聯(lián)運行，停留時(shí)間大約為10d。相當于負荷3.0kgCOD/m3.d，相當于懸浮物的負荷為2.0-3.0kgSS/m3.d。需要說(shuō)明的是在城市需氣量較多時(shí)，酒精糟液不通過(guò)固液分離直接進(jìn)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(shí)間一般大于20d.(在20-30d的范圍)。相當于懸浮物負荷為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(gè)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、新工藝的構思

在對城市污水污泥特性和各種厭氧反應器了解的基礎上，借鑒國內外的研究結果和帶有共性的研究思路，新的城市污水污泥處理系統的思想是充分利用現有的成熟工藝的優(yōu)點(diǎn)，將現有的成熟技術(shù)最大程度的整合，集中突破技術(shù)整合過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。并將治污、產(chǎn)氣、綜合利用三者相結合，使廢物資源化、環(huán)境效益與經(jīng)濟效益和社會(huì )效益相統一。具體工藝的基本思想是分為如下三個(gè)處理階段。

1)第一級處理階段是液化和分離裝置

第一級反應器應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反應器(為第二級處理的一部分)，固體部分根據需要進(jìn)行進(jìn)一步消化或直接脫水處理�？刹捎眉訙赝耆�混合式反應器(CSTR)作為酸化反應器，采用CSTR反應器的優(yōu)點(diǎn)是反應器采用完全混合式，由于不產(chǎn)氣可以采用不密封或不收集沼氣的反應器。

2)第二級處理階段

第二級處理包括一個(gè)固液分離裝置，沒(méi)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，為后續的UASB厭氧處理提供有利的條件。分離后的固體可被進(jìn)一步干化或堆肥并作為肥料或有機復合肥料的原料。

3)第三級處理階段

在第二階段的固液分離裝置應該去除大部分(80-90%)的懸浮物，使得污泥轉變?yōu)楹?jiǎn)單污水。城市污泥經(jīng)CSTR反應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器作為產(chǎn)甲烷反應器。UASB反應器在處理進(jìn)水穩定且懸浮物含量低的水有一定的優(yōu)勢，而且UASB在世界范圍內的應用相當廣泛，已有很多的運行經(jīng)驗。

2、實(shí)驗流程

CSTR反應器有效容積為20L，反應控制在恒溫和攪拌的條件下。物料在CSTR反應器中進(jìn)行水解、酸化反應，反應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反應器內產(chǎn)生的有機酸。采用UASB反應器出水回流洗脫方法。經(jīng)液化后的水在UASB反應器內充分地降解，產(chǎn)氣經(jīng)水封后由轉子流量計測定產(chǎn)率，水則排到排水槽內，部分出水回流到中間分離池。

實(shí)驗采用分批投料，連續運行的方式，實(shí)驗溫度保持在中溫35℃。實(shí)驗采用的污泥為高碑店污水處理廠(chǎng)的污水污泥，其污泥有機物含量較低VSS/TSS=45%。根據實(shí)驗的進(jìn)展逐步改變運行條件，提高負荷率和縮短停留時(shí)間，并考察反應器的運行情況。在穩定條件下重點(diǎn)考察兩組實(shí)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、結果與討論

由于污泥消化過(guò)程污泥培養階段耗時(shí)較長(cháng)，在啟動(dòng)的初期的監測數據沒(méi)有實(shí)際的意義。整個(gè)過(guò)程的各個(gè)反應器的停留時(shí)間和有機負荷的變化。從停留時(shí)間和有機負荷提高的情況來(lái)看，酸化池的有機負荷最終提高到15kgCOD/m3.d。而UASB的負荷穩定在5kgCOD/m3.d。

在整個(gè)運行運行期間，作為最終出水UASB反應器的COD和SS去除率和出水濃度與反應器的停留時(shí)間有著(zhù)密切地聯(lián)系。當總停留時(shí)間(T)為7d時(shí)，COD的去除率在85%左右，SS的去除率在80～85%之間；而當T＝12d時(shí)，COD及SS去除率一直保持在95%以上。

CSTR的HRT＝5d時(shí)，CODd/CODt在35～40%左右，污泥液化效果明顯；而當HRT＝10d時(shí)，由于停留時(shí)間較長(cháng)，CODd/CODt在55%以上。說(shuō)明停留時(shí)間對污泥的液化效果影響很大。實(shí)驗開(kāi)始測定了污泥樣品溶解性CODd值，進(jìn)水CODd/CODt的比例為8.1%左右。從上面討論可見(jiàn)，污泥在CSTR反應器中停留10d時(shí)，其進(jìn)一步水解COD占總COD的50%，而當停留時(shí)間為5d時(shí)，水解COD的比例占總COD的30%左右。對比污泥穩定性指標，與厭氧消化工藝對比可知CSTR池停留時(shí)間HRT=5d，經(jīng)過(guò)水解的污泥就可以達到相當的穩定化。因此，在以后的生產(chǎn)性實(shí)驗中，取CSTR反應器的HRT=5d。

VFA上升比例相對不高。進(jìn)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CSTR反應器的停留時(shí)間延長(cháng)，發(fā)生甲烷化反應。在最終UASB反應器中，厭氧主要在產(chǎn)甲烷階段進(jìn)行，CODv/CODd回落至5%左右。

由圖4b可見(jiàn)，雖然兩組實(shí)驗的停留時(shí)間和負荷各不相同，但從實(shí)驗的結果來(lái)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)酸基本在反應器中得到降解。COD的去除率不如VFA，這是因為UASB進(jìn)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(méi)有在反應器中得到去除。

5、新工藝的生產(chǎn)性應用

目前，工業(yè)廢水和小型生活污水處理廠(chǎng)，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(zhù)耗藥量大，脫水比較困難的缺點(diǎn)。北京市中日友好醫院污水處理廠(chǎng)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(chǎng)消納，但在實(shí)際運行過(guò)程中經(jīng)常出現由于污泥無(wú)穩定出路，而影響污水處理廠(chǎng)運轉的情況。為了使活性污泥得到穩定的處置，實(shí)際工程中采用的一體化設備。

二沉池排出的剩余污泥首先排入污泥酸化池進(jìn)行水解酸化處理，然后進(jìn)入中間分離池，該池排出的上清液進(jìn)入UASB反應器，進(jìn)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)測定已基本穩定化，污泥量較常規處理減少了三分之二，脫水性能大大改善；而且病菌和蟲(chóng)卵殺滅率達到99.99%，完全符合國家關(guān)于醫院污水廠(chǎng)污水污泥無(wú)害化標準，從而徹底解決污泥消納的問(wèn)題。

四、結論

本文根據我國城市污水處理發(fā)展的現狀，提出應該重視污水污泥厭氧處理新工藝開(kāi)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(guò)對于厭氧處理工藝的綜述研究，認為污泥厭氧工藝開(kāi)發(fā)，應該將現有的相關(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(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)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(shí)驗研究的基礎上，以城市污泥為對象進(jìn)行了多級厭氧消化工藝的實(shí)驗研究，并在工程上進(jìn)行驗證。結果證實(shí)工藝是可行的，可使污泥在較短的總停留時(shí)間(T=7d)達到穩定化。來(lái)源：谷騰水網(wǎng)