兩種污泥減量化工藝的研究和對比

趙海云

(中國石化上海石油化工股份有限公司環(huán)保水務部，200540)

兩種污泥減量化工藝的研究和對比

趙海云

(中國石化上海石油化工股份有限公司環(huán)保水務部，200540)

為解決剩余污泥的處置問題，研究好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝和投加化學解偶聯(lián)劑工藝的控制過程和減量效果。實驗結果表明：OSA工藝控制負荷為1.4 kg/(m3·d)時，污泥減量率可達30%；污泥負荷為3.6 kg/(m3·d)時，投加化學解偶聯(lián)劑工藝的污泥減量率可達50%。但由于化學解偶聯(lián)劑易發(fā)生失效導致成本增加，且解偶聯(lián)劑會使污泥沉降變差，對污水正常運行產(chǎn)生較大影響，故推薦OSA工藝為污泥減量化技術途徑，可減少污泥量(按含水率85%計)6 kt/a，減少污泥處置費用約420萬元/a。

剩余污泥 減量化 解偶聯(lián) 好氧-沉淀-厭氧 解偶聯(lián)劑

在污水生化處理中，剩余污泥處理費用占整個污水廠總運行費用的25%～40%，有的甚至高達60%[1],已成為污水處理廠的沉重負擔。中國石化上海石油化工股份有限公司(簡稱上海石化)環(huán)保水務部剩余污泥處置費用每年高達2 000萬元左右，剩余污泥的處置問題已迫在眉睫。因此，從源頭上減少剩余污泥的產(chǎn)量，即污泥的減量化，勢在必行。

文章主要研究目前關注度較高的解偶聯(lián)代謝技術，并從易于工藝實現(xiàn)的角度選擇好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝和投加化學解偶聯(lián)劑兩種工藝。以上海石化環(huán)保水務部1#生化前段污泥為研究對象，通過對兩種工藝方法的對比分析，尋找適合上海石化環(huán)保水務部的污泥減量化技術。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

試驗采用序列間歇式活性污泥法(SBR)反應器，有效容積為8 m3(2 m×1 m×4 m)，內(nèi)設曝氣裝置，根據(jù)溶解氧質量濃度情況可調整氣量大小。實驗裝置有2套，分別采用OSA工藝和投加化學解偶聯(lián)劑工藝。

其中OSA工藝在常規(guī)活性污泥法的污泥回流過程中設置一個厭氧段，使微生物交替進入好氧和厭氧環(huán)境，在厭氧階段，生物處于饑餓的狀態(tài)，需要消耗基質進行分解代謝以滿足微生物的能量需求，故而使得污泥產(chǎn)率下降。OSA工藝流程如圖1所示。

圖1 OSA工藝流程

投加化學解偶聯(lián)劑工藝主要是在傳統(tǒng)活性污泥法的曝氣池內(nèi)加入解偶聯(lián)劑，使氧化和磷酸化解偶聯(lián)，限制了能量三磷酸腺苷(ATP)的合成，從而進一步抑制細胞的生長，故而能使污泥減量。

1.2 實驗材料

實驗所用活性污泥取自1#生化一段沉淀池回流活性污泥。所用化學解偶聯(lián)劑為毒性小、不易累積的3，3’，4’，5—四氯水楊酰苯胺(TCS)[2]。

1.3 實驗方法

分別取1#生化一段沉淀池的回流活性污泥8 m3投入各自實驗裝置內(nèi)，其中OSA工藝實驗進行曝氣2 h、厭氧6 h的處理，好氧狀態(tài)的溶解氧質量濃度控制在2～4 mg/L，厭氧狀態(tài)下關閉曝氣裝置，如此連續(xù)運行5 d。投加TCS工藝實驗選取TCS的投加量為0.8 mg/L[2]，每天投加一次，溶解氧質量濃度控制在2 mg/L以上，實驗周期為5 d。兩套實驗裝置均在20～30 ℃條件下進行。

1.4 測定項目和方法

污泥質量濃度(MLSS)采用濁度法測定；

污泥沉降采用SV30(30 min沉降比)法；

溶解氧質量濃度測定采用電極法，在線溶解氧儀實時監(jiān)測，并且每天進行一次離線比對。

耗氧速率(OUR)的測定參照Method 1683(EPA)的標準方法，使用YSI5100型溶解氧測定儀直接測得。

2 實驗結果與分析

2.1 OSA工藝和投加TCS工藝的污泥減量效果對比

通過實驗可知，OSA工藝在曝氣2 h、厭氧6 h條件下，污泥濃度變化幅度不大，如圖2所示；但OUR卻發(fā)生直線下降，如圖3所示，說明污泥內(nèi)有機物濃度不斷降低。由此可知，1#生化沉淀池回流污泥吸附的有機物得到了有效消減，4～5 d后相應能量已得到有效解偶聯(lián)，污泥削減率達30%左右。

圖2 OSA工藝和投加TCS工藝MLSS變化對比

圖3 OSA工藝(曝氣2 h、厭氧6 h)OUR變化情況

采用投加TCS工藝，僅1～2 d污泥減量率便可達50%左右，具體如圖2所示，但在投加3 d后污泥開始出現(xiàn)較為明顯的增長，這可能是由于TCS發(fā)生化學反應導致解偶聯(lián)效果喪失。另外，污泥增長還暗示著反應器中存在較高的有機物質和一定的生物量。

2.2 OSA工藝和投加TCS工藝技術參數(shù)對比

通過實驗得出兩套運行工藝各自的運行技術參數(shù)，具體如表1所示。兩種方法污泥減量效果均較好，但投加TCS工藝運行成本明顯高于OSA工藝，且存在一次性投資費用。

表1 OSA工藝和TCS工藝技術經(jīng)濟參數(shù)比較

項目投加TCS工藝OSA工藝污泥停留時間/d2～35污泥負荷/(kg·m-3·d-1)3.61.4空氣量/(m3·min-1)0.030.005最低溶解氧/(mg·L-1)2厭氧溫度/℃20～3020～30污泥減量率/%5030揮發(fā)性固體去除率/%7042電耗/(kWh·t-1)0.620.58藥劑費用(元·t-1)0.020投資費用(元/·t-1)10

注：1#生化一段沉淀池污泥與揮發(fā)性固體的質量比為0.7∶1。

2.3 OSA工藝和投加TCS工藝對運行效果的影響對比

試驗還考察了OSA工藝和投加TCS兩種方法所造成的解偶聯(lián)代謝對污泥沉降性能的影響，結果表明：TCS的加入使污泥沉降性能變差，而OSA工藝則可改善污泥的沉降性能，這和其他研究報道一致。

另外，在光學顯微鏡下觀察兩組實驗裝置內(nèi)污泥的生物相組成，發(fā)現(xiàn)都存在著一定數(shù)量的原生動物，OSA工藝中的污泥還存在后生動物。但添加了TCS后的污泥中沒有發(fā)現(xiàn)后生動物，而且原生動物種類和數(shù)量均比OSA工藝少，活性也較差。這說明TCS對較高等的后生動物的影響較嚴重，而對較低等的細菌影響則較小。

3 討論

3.1 解偶聯(lián)代謝的作用原理

微生物的生命活動過程需要不斷地從外界吸收營養(yǎng)物質，通過代謝活動來維持自身生命活動的需要。在此過程中，產(chǎn)能代謝釋放的能量主要有以下幾種歸屬：(1)合成自身和維持自身正常的生命活動的需要；(2)以ATP的形式儲存于生物體細胞內(nèi)部，以備生物體生長繁殖和其他生命活動的需要；(3)以熱量的形式散失。從環(huán)境工程的角度而言，解偶聯(lián)的概念就是指基質消耗產(chǎn)生的能量大于生長和維持正常生命活動的能量需求，但過剩的能量并未被貯存，而是以無效的熱量形式釋放到環(huán)境中，導致了污泥的表觀產(chǎn)率大大減少。理論上說，污泥生長率的減少意味著污泥產(chǎn)量相應的按比例減少。這也就說明了可以通過控制微生物的代謝狀態(tài)增大同化與異化作用之間的分離方法，達到過量污泥減量化的目的。

分解代謝和合體代謝關系示意見圖4所示。由圖4可知：ATP是鍵能轉移的主要途徑。一般情況下，微生物的合成代謝通過呼吸(速率控制)與底物的分解代謝進行偶聯(lián)，當呼吸控制不存在，生物合成速率成為速率控制因素時，解偶聯(lián)新陳代謝就會發(fā)生，并且在微生物新陳代謝過程中產(chǎn)生的剩余能量沒有被用來合成生物體，這種現(xiàn)象稱為解偶聯(lián)生長。由此可知，發(fā)生解偶聯(lián)的關鍵就是抑制好氧呼吸的速率和抑制ATP的合成。

其中OSA的工藝原理可解釋為：利用厭氧條件將微生物體內(nèi)的ATP消耗殆盡，使微生物在好氧條件下先進行ATP的能量儲備，分解代謝和合成代謝解偶聯(lián)，從而導致污泥量的減少。其作用原理也可理解為從厭氧過程轉移到好氧過程可達到抑制好氧呼吸的目的，進而發(fā)生解偶聯(lián)新陳代謝。兩種作用原理的本質并無不同。

投加化學解偶聯(lián)劑工藝原理可解釋為：解偶聯(lián)劑可以代謝放出的能量不能偶聯(lián)ATP的合成，而只能以熱量的形式散失掉，這被稱為能量溢出。能量溢出使微生物的合成代謝受到抑制，發(fā)生分解代謝和合成代謝的解偶聯(lián)，從而降低污泥產(chǎn)量。

文章的試驗結果均能利用以上原理得到很好的解釋。

3.2 OSA工藝的應用范圍

由實驗可以看出，OSA工藝的優(yōu)勢主要有：(1)污泥產(chǎn)率低并且抑制污泥膨脹；(2)投資少，只需插入一級厭氧生物反應器(污泥儲罐)，運行成本低；(3)對污水生化處理過程影響較小。

而OSA工藝的工業(yè)應用也較多，朱振超和劉振鴻等[3]采用好氧-沉淀-兼氧活性污泥工藝使上海錦綸廠廢水處理站的剩余污泥達到零排放；張全等[4]采用該工藝使污泥量由80%減少為15%～20%。在傳統(tǒng)活性污泥工藝中，隨著污泥負荷率的增加污泥產(chǎn)量也相應增加。但在OSA工藝中污泥產(chǎn)率卻呈下降趨勢，這表明OSA工藝能處理高濃度有機污染物，而不存在相關的污泥問題。從工業(yè)化應用角度看，OSA工藝在高效降低污泥產(chǎn)量、改善運行穩(wěn)定性上不失為一種有發(fā)展前途的工藝。

3.3 包含解偶聯(lián)劑工藝的應用范圍

由試驗可以看出，含解偶聯(lián)劑工藝的污泥減量效果無疑是最好的，但解偶聯(lián)存在以下3個限制因素：(1)對污水處理效果影響大；(2)使用一段時間后，微生物產(chǎn)生抗性，效果變差；(3)成本增加較大。

針對以上3個限制因素，工藝解決的思路應為：合理選擇污泥處理源，建設獨立處理系統(tǒng)。即污泥處理負擔較高，成本較高(如AB法的A段或初沉污泥量大的工藝)可選用投加解偶聯(lián)劑，同時設置獨立處理系統(tǒng)可以規(guī)避其對污水處理效果和微生物抗性的負面影響。當然，其經(jīng)濟性及工藝可行性需進一步論證。

3.4 1#生化一段污泥減量的工藝選擇和應用

通過研究結果分析，綜合操作可行性和經(jīng)濟性考慮，適合1#生化一段污泥減量的工藝為解偶聯(lián)技術中的OSA工藝。

在裝置有余量的情況下，對1#生化一段污泥采用OSA工藝進行連續(xù)3個月的污泥減量，共計減少生化污泥產(chǎn)生量(按含水率85%計)1 525.53 t，同比減少32.8%，共計減少費用106.82萬元，其中污泥外運處置費用93.82萬元，污泥處理生產(chǎn)費用13萬元。

4 結論

(1)以1#生化一段剩余活性污泥為處理對象，對解偶聯(lián)技術中的OSA工藝和投加解偶聯(lián)劑工藝進行了實驗研究，結果表明兩者均能獲得較好的污泥減量效果。

(2)OSA工藝的污泥負荷為1.4 kg/(m3·d)，污泥減量率可達30%,在能耗方面有較大優(yōu)勢。

(3)投加TCS工藝污泥負荷為3.6 kg/(m3·d)，TCS投加劑量為0.8 mg/L時，污泥減量率達50%左右。但隨著時間增加產(chǎn)生解偶聯(lián)劑失效導致效果下降，且使用成本較高。

(4)上海石化環(huán)保水務部1#生化一段污泥減量的工藝優(yōu)先采用解偶聯(lián)技術中的OSA工藝，如全年采用OSA工藝進行污泥減量，則可減少污泥量(按含水率85%計)約6 kt/a，減少污泥處置費用約480萬元/a。

[1] Spinosa L.Evolution of sewage sludge regulations in Europe[J].Water Science and Technology,2001,44(10):1-8.

[2] Chen,etal.Utilization of a metabolic uncoupler 3,3’,4’,5-tetrachlosalicylanilide(TCS)to reduce sludge growth in activated sludge culture[J].Water Research,2002,36(8):2077-2083.

[3] Saby S.Feasibilite of using acholrination step to reduce excess sludge in activated sludge process[J].Water Research,2002.36(3):656-666.

[4] Mayhew M.Stephenson T.Low biomass yield activated sludge:a review[J].Environmental Technology,1997(18):883-892.

旭化成和三菱化學擬整合水島裂解裝置

旭化成和三菱化學宣布，雙方已簽署協(xié)議建立一個投資對等的合資企業(yè)，擬將其各自的石腦油裂解裝置整合運作。

新成立的合資企業(yè)被命名為旭化成-三菱化學乙烯公司，將于2016年4月1日投入運營。目前，三菱化學和旭化成在水島都分別擁有石腦油裂解裝置，各自的乙烯產(chǎn)能均為500 kt/a。

(李雅麗摘自PCN,2015-06-01)

韓國GS E&C為烏茲別克斯坦Uzbekneftegaz公司建甲醇制烯烴項目

烏茲別克斯坦Uzbekneftegaz公司與韓國GS工程建設公司(GS E&C)簽署了一項投資額為45億美元的甲醇制烯烴項目諒解備忘錄(MOU)。該MOU約定，GS E&C將為Uzbekneftegaz建設一套以天然氣甲醇為原料的甲醇制烯烴生產(chǎn)裝置。

據(jù)悉，2014年9月，中國石油與Uzbekneftegaz簽署了一項合作協(xié)議，雙方將在Uzbekneftegaz的Mubarek天然氣處理工廠投建天然氣化學品生產(chǎn)工廠，該工廠擬生產(chǎn)聚乙烯和液化氣。

(李雅麗摘自PCN,2015-06-01)

Study and Comparison between two Sludge Reduction Processes

Zhao Haiyun

(EnvironmentalProtectionandWaterWorksDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

In order to solve the disposal problem of excess sludge,the control process and sludge reduction effects of Oxic-Settling-Anaerobic (OSA) process and dosing of chemicaluncoupler process were studied.Result showed that for OSA process,the sludge reduction rate could reach 30% at the control load of 1.4 kg/(m3·d),and for dosing of chemicaluncoupler process,the sludge reduction rate could reach 50% at the control load of 3.6 kg/(m3·d).However, chemical uncoupler are likely to lose effectiveness and lead to increase of cost，in addition，uncoupler may worsen the settlement of sludge and thereby exert great effects on normal operation of waste water，so OSA process was recommended as the technological route for sludge reduction，which could reduce sludge by 6 kt/a (calculating with water content of 85%) and reduce expenses on sludge disposal by about RMB 4.2 million/a.

excess sludge，reduction，uncoupling，OSA，uncoupler

2015-06-23。

趙海云，女，1983年出生，2005年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學環(huán)境工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事污水處理管理工作。

1674-1099 (2015)04-0035-04

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