城市污水處理廠(chǎng)剩余污泥處理技術(shù)

根據《2011 年國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展統計公報》，2011 年末中國城市污水處理廠(chǎng)日處理污水的能力已超過(guò)1.1 億m3，城市污水處理率達到82.6%。隨著(zhù)污水處理量的日益增加，還產(chǎn)生了大量的污泥。目前對這些污泥的處理、處置仍面臨著(zhù)許多問(wèn)題，處理不當則很容易產(chǎn)生二次污染問(wèn)題，因此有必要在污泥的最終處置前進(jìn)行污泥減量的預處理。

污泥預處理技術(shù)包括機械法（如超聲處理）、化學(xué)法（如堿法等）、熱力學(xué)法（如熱處理、凍/融處理）和生物法（如生物酶法）等。相對于機械法需要消耗大量能量或化學(xué)法需要添加化學(xué)藥劑的高成本來(lái)說(shuō)，冷融法可自發(fā)進(jìn)行，不需要額外添加聚合物，并且自然冷能作為一種清潔能源，可大大降低運行費用。

早在19 世紀，加拿大已有把自然冷凍法應用于污泥預處理的實(shí)例，并認為其處理費用是普通處理方法的十分之一，只是當時(shí)由于技術(shù)上的原因，自然冷凍法沒(méi)得到推廣。近年來(lái)，冷融法處理污泥在美國、瑞典等國家得到廣泛的應用，而冷融法處理污泥在國內尚處于初步探索階段。冷融處理是一種有效的污泥調理手段，不僅能夠改善污泥的脫水性能，使污泥顆粒結構更加緊密，還可以減少結合水含量，同時(shí)實(shí)現污泥破解，加速后續的厭氧消化進(jìn)程等。冷融過(guò)程破壞了污泥膠體性質(zhì)，使疏松的顆粒結構轉變?yōu)橹旅苄螒B(tài)結構，沉降速度與過(guò)濾速度提高。冷融法同時(shí)也是一種有效滅活污泥細菌的方法，有研究表明其對異養菌群（HPC）滅活率可達95％，對大腸菌群滅活率可達84％左右。筆者研究了剩余污泥在-18 ℃下冷凍不同時(shí)間后，污泥理化性質(zhì)的變化情況，并分析了冷融后污泥的沉降性能和脫水性能。

1 實(shí)驗材料與方法
 
1.1 污泥來(lái)源
 
試驗所用的剩余污泥采集于江門(mén)市文昌沙水質(zhì)凈化廠(chǎng)，污泥采集后靜沉12 h，棄去上清液，其含水率降至97％左右，貯存在4 ℃冰箱中備用。剩余污泥的TCOD 和SCOD 分別為（30 126 ±237） mg/L 和（1 075±26） mg/L，pH 為6.82。

1.2 冷凍實(shí)驗
 
將剩余污泥置于-18 ℃的冰箱中冷凍不同時(shí)間。冷凍結束后，在相對濕度為41％~88％，室溫（約25 ℃）條件下進(jìn)行解凍，然后分析其理化性質(zhì)、脫水性能和沉降性能。

1.3 分析方法
 
將經(jīng)冷融處理的污泥50 mL 加入量筒中，每隔一定時(shí)間記錄一次污泥體積，共計時(shí)1 h，比較經(jīng)不同試驗處理后污泥的沉降速度。將經(jīng)冷融處理的100 mL 污泥倒入布氏漏斗，在0.04 ~0.05 MPa 下進(jìn)行真空抽濾。直至真空破壞時(shí)停止過(guò)濾，如真空長(cháng)時(shí)間不破壞，則過(guò)濾20 min后即停止。然后取出部分污泥濾餅置于表面皿中，于烘箱中105 ℃恒溫烘干至恒重，放入干燥器中冷卻后稱(chēng)其質(zhì)量，最后計算濾餅的含水率。污泥的TCOD、SCOD 和pH 按照國家標準方法測定。

2 結果與討論
 
2.1 冷凍時(shí)間對污泥沉降性能的影響
 
污泥冷凍不同時(shí)間，再經(jīng)自然融化后，其沉降性能變化見(jiàn)圖 1。

 由圖 1 可以看出：原污泥沉降很慢，沉降1 h 后污泥體積還有43 mL。而冷凍6 h 的污泥融化后，1 min 內就沉降了13 mL，沉降速度由原先的0.002mL/s 上升至0.217 mL/s，沉降速度提高了108.5 倍，污泥沉降速度大幅度提高。這是由于完全凍融后污泥顆粒間結合水和間隙水被排出，污泥顆粒迅速凝集沉降。當污泥經(jīng)13 h 的冷凍后，1 min 內的沉降速度又比冷凍6 h 的污泥快很多，說(shuō)明增加冷凍時(shí)間有助于改善污泥沉降性能，但將冷凍時(shí)間提高到22 h 時(shí)，沉降速度卻沒(méi)能進(jìn)一步提高，由此說(shuō)明，冷凍13 h 是提高污泥沉降性的既經(jīng)濟又有效的較佳冷凍時(shí)間。

有研究表明〔9〕，完全冷凍是污泥性狀發(fā)生改變的前提，P. A. Vesilind 定義的完全冷凍時(shí)間為：
 

式中：tf———完全冷凍時(shí)間，h；

ρf———污泥冷凍后的密度，kg/m3；

L———熔化潛熱，W·h/kg；

ε———污泥層厚度，m；

Tf———污泥的冰點(diǎn)，℃；

Taf———冷凍場(chǎng)的平均溫度，℃；

hc———平均對流系數，W/（m2·℃）。

其中ρf＝917 kg/m3，L＝93 W·h/kg，ε＝0.006 m，Tf＝0℃。經(jīng)推導，本試驗裝置平均對流系數為2.368W/（m2·℃）。由此可計算出-18 ℃完全凍結時(shí)間為12 h。這個(gè)時(shí)間與本試驗確定的較佳冷凍時(shí)間13 h較吻合。

2.2 冷凍時(shí)間對污泥脫水性能的影響
 
污泥冷凍并解融后，用真空泵對其抽濾并測定其濾餅的含水率； 為進(jìn)一步考察污泥冷融后的脫水性能變化情況，分別取經(jīng)冷融后的100 mL 污泥樣品在4 000 r/min 轉速下離心30 min，然后測定冷凍污泥離心后的上清液體積，結果見(jiàn)圖 2。

 由圖 2 可以看出： 經(jīng)抽濾后原污泥的濾餅含水率高達88.2%，而經(jīng)冷凍6、13 h 的污泥濾餅含水率則有了很大程度的降低，分別降至73.8%和63.8%，繼續增加冷凍時(shí)間為22 h 時(shí)，濾餅含水率沒(méi)有進(jìn)一步降低，這與前面的污泥沉降性能實(shí)驗結果相似。冷融可有效降低濾餅含水率，是一種能有效提高污泥脫水性能的方式。而沉降性能得到改善的冷凍污泥的離心上清液體積也在增加，說(shuō)明污泥沉降性得到改善的同時(shí)其可壓縮性亦得到改善，進(jìn)一步說(shuō)明冷融處理改善了污泥的脫水性。

2.3 冷凍時(shí)間對污泥有機物含量、pH 的影響
 
試驗還測定了剩余污泥經(jīng)冷融處理后有機物含量的變化，冷融前后TCOD 基本沒(méi)有改變，SCOD 變化情況見(jiàn)圖 3。

 圖 3 表明：SCOD 隨著(zhù)冷凍時(shí)間的延長(cháng)而不斷增加，這表明隨著(zhù)冷凍作用對污泥固體的破解，污泥中的有機物逐漸被溶解，結果導致污泥液相中溶解性污染物逐漸增加。

另外由圖 3 還可以看出： 剩余污泥經(jīng)冷融作用后，pH 有所降低。并且污泥經(jīng)較短時(shí)間的冷凍后，污泥pH 的降低速率要大于污泥經(jīng)較長(cháng)時(shí)間冷凍后pH的降低速率。污泥pH 的下降表明污泥中揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量在增加，這主要是由于細胞內和細胞外的冰在形成過(guò)程中細胞破裂而釋放出細胞內含物所致。T. W. Jan 等〔10〕指出，pH≈5.5 是產(chǎn)甲烷活動(dòng)可以啟動(dòng)的臨界pH，不可低于該值。而在本試驗中，剩余污泥經(jīng)13 h 冷融處理后的最低pH 為6.39，能滿(mǎn)足產(chǎn)甲烷活動(dòng)啟動(dòng)的邊界條件。這表明污泥經(jīng)冷融預處理不會(huì )妨害后續的厭氧消化處理效果。

3 結論
 
冷融法調理污泥有利于污泥脫水，使污泥易于沉降。這是由于冷凍過(guò)程中毛細管引力致細胞機械脫水，結合水的含量有大幅度降低，脫水的效果有明顯提高。另外冷融處理可以破解污泥，將胞內固體物質(zhì)轉化為液相成分。冷融法作為一種新型污泥處理方法，對于節約資源，建立環(huán)境友好型社會(huì )有特殊重要的意義。冷融處理是一種有效的污泥預處理技術(shù)，剩余污泥經(jīng)過(guò)冷融處理后，污泥的理化性質(zhì)有所改變，隨著(zhù)冷凍時(shí)間的增加，污泥pH 下降，而SCOD有所上升。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

（1）冷融調理后污泥的沉降性能顯著(zhù)提高，-18 ℃下冷凍13 h，解凍后沉降速度由原污泥的0.002 mL/s 上升至0.442 mL/s。

（2）冷融后污泥脫水性能改善明顯，-18 ℃下冷凍13 h 后，濾餅含水率降為63.8%，含固率＞30%。

（3）冷融處理在使污泥的沉降和脫水性能都得到改善的同時(shí)也改變了污泥的理化性質(zhì)。冷融后污泥的SCOD 隨著(zhù)冷凍時(shí)間的延長(cháng)而不斷增加，冷凍13 h 污泥的SCOD 從原先的（1 075±26） mg/L 增加到（2 458±33） mg/L；污泥的pH 從原污泥的6.82降到6.39，但仍高于產(chǎn)甲烷活動(dòng)可以啟動(dòng)的臨界pH。