污泥高温好氧消化技术研究进展

污泥高温好氧消化技术研究进展 摘要：高温好氧消化(Thermophilic Aerobic Digestion-TAD )是一种具有较高的稳定效率和病原菌灭活率的污泥稳定化处理工艺。本文首先结合污泥的特点，介绍国内外污泥好氧消化的研究现状提出了高温好氧消化技术的概念。高温好氧消化技术的原理。另外详细介绍两种主要的使用的高温好氧消化工艺，高温好氧消化工艺的控制参数。为减轻后续工艺的污泥处理负担，讨论若干新型污泥预处理工艺。 关键词：污泥，高温好氧消化，自热,控制参数 Abstract: Thermophilic Aerobic Digestion is highly efficient sludge stabilization process for VSS and pathogen destruction. Combined with characteristics of sludge and international research progresses on sludge aerobic digestion, the concept of TAD is proposed. Two kinds of mainly used process are introduced which gives conclusion to the controlling factors of TAD. Some new pretreatment methods of sludge are recommended in consideration of releasing the burden of follow-up processes. Key words: Sludge stabilization, Thermophilic Aerobic Digestion, Auto-heated，Controlling factors 1.引言 随着城市人口的增长、污水处理行业的不断发展以及污水处理技术的不断提高，导致污泥产量逐年增加。据统计，2005年世界主要发达国家的干污泥产量达到惊人的数量，如欧美国家年产量达到1814万t。目前，我国城市污水处理厂每年排放干污泥大约130万t 。[1] 污泥是污水处理后的附属品，是一种有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。[2]由于污泥的成分复杂，通常含有重金属、有机污染物以及少量的病原微生物和寄生虫卵等毒害物质 ，大量未经处理的污泥任意堆放和排放会对环境造成新的污染。[3]大量的污泥已成为污水处理厂的沉重负担和对环境的极大威胁，而目前对剩余污泥的处理与处置，存在经济性和有效性两方面的问题：【3】首先，各种污泥处理与处置方法需要的资金巨大．如在欧美各国，污泥处理基建费用占污水处理厂总基建费用的比例高达60％ ～70％。【4】其次，随着污水处理设施的进一步普及、处理量的增加、处理标准的提高和处理功能的拓展，污泥产生量也将急速增加．也就相对地反映出我国污泥处理率较低。显而易见，污泥的处理与处置将成为环境领域的一大难题。[5] 2.污泥的特点 城市污水污泥的成分复杂，由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体，含有水分、难降解的有机物、重金属、盐类以及少量的病原微生物和寄生虫等。[6]中国城市污水厂污泥的成分特点如1所示 。 表1 中国城市污水厂污泥的成分特点 成分 特点 脂肪、碳水化合物 脂肪含量低(约20%)，VSS、碳水化合物（淀粉、糖类、纤维）含量高（高于50%） 污泥的C/N比 污泥的含氮量高，一般在3%左右，污泥的碳氮比维持在10%~20%的范围内 pH值和酸碱度 污泥的pH值和总碱度基本在正常的范围内，pH值在6.5到7.0之间，总碱度在16mg/L~26mg/L之间 重金属离子 重金属离子含量较高 肥分 污泥中富含的氮磷钾是农作物必需的肥料或成分，有机腐殖质初次沉淀污泥含33%，消化污泥含35%，腐殖污泥含47%，是良好的土壤改良剂 污泥的热值 污泥含有大量的有机物和一定量的纤维木质素，脱水后的污泥发热量约为83kJ/Kg,具有较高的热值，在一定含水率下具有自持燃烧和用作能源的可能性     污泥中重金属含量主要取决于工业废水排入污水处理厂的情况。中国污水中工业废水比重大，故污水厂的初沉及二沉污泥重金属含量较高，某些重金属含量严重超标。 城市污水厂污泥处理与处置必须遵循“减量化、稳定化、无害化、资源化”的处置原则，将“无害化”作为污泥处置的重点，把“资源化”作为污泥处置的最终目标。为有效、彻底解决污泥的环境污染问题，可以通过技术开发将大量的废物变为可用物质，对污泥进行综合利用，取得良好的经济效益和环保效益。 污泥中含有丰富的有机质、腐殖质和N、P、K等植物生长所必需的营养元素,施用于农田能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长,因此污泥的土地利用将是一个很有前途的发展方向。但是污泥中也含大量病原菌、寄生虫(卵)、重金属和难降解的有机有毒有害物质,必须经过妥善的处理,达到稳定之后才能利用,否则,污泥有毒有害物质会污染土壤并影响人体健康.[7] 目前,世界各国在污泥处理的领域仍以污泥厌氧消化工艺为主,但厌氧消化工艺在应用中也存在着不少缺点,如水力停留时间(HRT)长、反应效率不高、结构复杂、不便于操作管理、厌氧微生物对环境因素要求较苛刻、维护管理问题较多等。如何将产量巨大、成分复杂的污泥进行妥善安全地处理，使其无害化、资源化，已成为国内环境界深为关注的重大课题，迫切需要开发更多新型高效的污泥处理技术。[8]因此开展污泥好氧消化工艺的研究,并因地制宜地在一些小型的污水处理厂进行应用,将是对污泥处理技术发展的一种有益的补充。[5] 3. 高温好氧消化工艺 污泥好氧消化是近二十多年来在延时曝气活性污泥法的基础上发展起来的,其目的在于稳定污泥,减轻污泥对环境和土壤的危害,同时减少污泥的最终处理量。污泥好氧消化利用微生物的内源呼吸作用来实现污泥的稳定。当污泥系统中可供微生物利用的基质浓度很低时，微生物会进行内源代谢，自身氧化分解，以获取维持自身生长所需要的能量，这也称为微生物的隐性生长。【9】 在此过程中，污泥中的有机质被分解为二氧化碳、水等小分子物质，从而使污泥得到有效的处理处置。好氧消化法具有以下优点：（1） 对悬浮物的去除率高；（2）上清液中的 BOD 浓度较低；（3）处理后的污泥产物无臭，污泥较稳定；（4）运行安全，操作管理方便；（5）处理效率高；（6）需要的处理设施体积小,投资较少。但由于需要输入动力,所以运行费较高。[10]污泥的好氧处理对中小型水厂比较适用,美国、日本、加拿大等发达国家都有不少中、小型污水处理厂采用好氧消化处理污泥,仅加拿大某省就有20个小型污水处理厂运用此法;丹麦大约有40%的污泥使用好氧法进行稳定化处理。因此污泥好氧消化工艺有着巨大的发展潜力。[11] 高温好氧消化工艺(Thermophlic Aerobic Digestion——TAD)是在20世纪70年代末开发的一种污泥稳定化处理工艺，一般是在45～65℃的高温下运行，通过嗜热微生物的好氧呼吸作用降解污泥中的有机物 。由于好氧的条件便于控制，而且高温下微生物的生物降解速度快，【33】因而TAD具有工艺运行简便、反应速度快、体积小等优点。与传统的中温工艺相比，高温能够更好地杀灭污泥中的病原菌，从欧美各国对处理后污泥中病原菌的数量有了严格的法律规定后，TAD工艺因其较高的灭菌能力而受到广泛重视 。我国的污泥处理标准中虽然对病原菌指标没有严格规定，但国家对污泥的土地利用等方面还是相当慎重，引入高温污泥处理工艺也是今后污泥处理发展的方向之一。[12] 3.1 工艺原理 TAD主要是利用高温环境下生长的嗜热微生物的代谢作用(细胞的死亡、水解、生物合成等)，达到降解有机物，灭活病源菌的作用。在TAD中最主要的作用有两个：一是微生物在酶的作用下对有机物的降解，二是由胞外酶引起的细菌解体作用。【13】其中第二种作用在病原菌灭活及VSS去除中起着关键作用。细菌细胞解体后，分解为易于降解的物质和难降解的物质两部分，当电子受体，如氧，存在时，易降解的蛋白质进一步转化成小分子的物质，如短链的羧酸(乙酸、丙酸、丁酸等)。这些羧酸同时可以用于合成作用，产生生物污泥。 3.2 高温好氧消化工艺介绍 3.2.1自热高温好氧消化工艺(ATAD) ATAD(Autoheated thermophilic aerobic digestion)工艺主要是利用高温环境下生长的嗜热微生物的代谢作用(细胞的死亡、水解、生物合成等),达到降解有机物、灭活病源菌的作用。在ATAD系统中达到并维持高温条件需要采取以下主要措施:进泥首先要经过浓缩,使得混合液悬浮颗粒物(MLSS)浓度为(4~6)×104mg/L或VSS浓度为2.5×104mg/L;反应器要采用封闭式(加盖) ,其外壁需采取隔热措施以减少热损失;需采用高效的氧转移设备以减少蒸发热损失,有时甚至采用纯氧曝气[14]。通过采取上述措施可使反应器温度达到45~65℃,甚至在冬季外界温度为-10℃、进泥温度为0℃的情况下,不需要外加热源仍可使其保持高温。 ATAD反应器内温度较高有以下优势:①抑制了硝化反应的发生(硝化菌的生长受到抑制),因此其pH值可保持在7.2~8.0。同传统污泥好氧消化工艺相比,既节省了化学药剂费又可节省30%的需氧量;②有机物的代谢速率较快、去除率高(一般为45%,甚至可达70%,当SRT=7 d);③污泥停留时间短,一般为5-6 d;④NH4—N浓度较高,故对病原菌灭活效果好。研究结果表明,ATAD工艺可将粪便大肠杆菌、沙门氏菌、蛔虫卵降低到“未检出”水平,将粪链球菌降到较低水平。⑤在CAD中由于硝化作用而使pH值降低的问题也得到了解决,实际上,在ATAD中pH值通常可以达到7.5-8.0。而pH值的提高也会相应地提高对病原菌的灭活。另外,ATAD对污泥中常见的微量有毒有机物也具有较好的降解能力。 研究表明:要实现自热,需对进泥进行浓缩,使MLSS浓度达40 000~60 000 mg/L(或VSS浓度最少为25 000 mg/L);采用封闭的反应器,并在反应器外壁采取绝热措施以减少热传导的热损失;同时采用高效的氧转移设备减少蒸发热损失。【15】 Vismara建立了ATAD中的热平衡模型来描述反应器内温度与污泥负荷的关系,并可据此推测反应器所能达到的温度。季节性环境温度的变化也会影响到反应器的温度,William等的研究表明,外界温度为-10℃,投加的污泥温度为0℃时,反应器的温度仍然保持在高温范围内。【16】 在自热好氧消化中一个重要因素是氧的转移效率,由Andrews和Kanbha的计算模型推算,氧转移效率超过15%才有可能实现自热。实践证明:氧转移效率至少应达到10%以上。氧转移效率与许多变量有关,包括:温度、悬浮固体浓度和粘度等。【17】对含2%~4%固体的污泥进行曝气,使得氧转移效率大大降低,而且高温下氧气的溶解度也会降低。William等利用一种简单的自吸式曝气器,达到较高的氧转移效率,同时相应热损失少,使反应器温度能够维持在43℃以上,最高温度达到63℃。由于进泥的浓度相当高,再加上高温的作用,在ATAD反应器中一般会有泡沫,有时甚至相当严重。