臭氧氧化法活性污泥零排放技術(shù)的基礎(chǔ)研究

徐繼虹

【摘?要】在污水處理環(huán)節(jié)中，污泥是不可避免的固體廢棄物，為了實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化、減量化、資源化，國(guó)內(nèi)外水處理領(lǐng)域研究人員提出了諸多理念和研究了多項(xiàng)技術(shù)，臭氧氧化法是其中之一。臭氧氧化法處理活性污泥，是通過(guò)氧化將活性污泥變成可生物降解的有機(jī)物，然后回流到生化處理環(huán)節(jié)，被微生物利用、降解，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)活性污泥的零排放。本文主要圍繞臭氧氧化法展開，分析并探討其作為活性污泥零排放技術(shù)的理論基礎(chǔ)和研究應(yīng)用進(jìn)展，推動(dòng)我國(guó)水處理領(lǐng)域污泥零排放技術(shù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】活性污泥;污泥零排放技術(shù);臭氧氧化法

引言：

生物處理法是污水處理領(lǐng)域中十分重要的處理工藝類別之一，能耗低、出水質(zhì)量穩(wěn)定、成本低、無(wú)二次污染、抗沖擊能力強(qiáng)，在城市、城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村污水處理領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。但隨著生物處理法的大面積應(yīng)用，生物處理環(huán)節(jié)中產(chǎn)出的污泥如何處理也成為不可不重視的問(wèn)題。污泥的產(chǎn)量每年都在遞增，年產(chǎn)量早已經(jīng)超出3000萬(wàn)噸，污泥的處理費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)轉(zhuǎn)成本的20%以上，污泥堆放、填埋會(huì)侵占土地、污染土壤和地下水、產(chǎn)生有毒有害氣體。因此，對(duì)污泥進(jìn)行無(wú)害化、減量化、資源化處理是必然趨勢(shì)。

1.臭氧氧化法

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，氧化還原電位僅次于氟，且分子中的氧原子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的親電子性，所以臭氧在空氣或水體中分解形成的氧原子具有很高的氧化能力。臭氧在空氣中的分解速率與臭氧的濃度、溫度成正比，在水體中的分解速率與水體pH值成正比，從分解速度上來(lái)看水體中的臭氧分解速度快于空氣中的。臭氧氧化反應(yīng)過(guò)程可分為直接反應(yīng)和間接反應(yīng)兩種，其中直接反應(yīng)是臭氧的主要氧化途徑。臭氧氧化法使污泥減量的反應(yīng)原理：活性污泥本身為活性污泥法等生物處理工藝的產(chǎn)物，其中包括無(wú)機(jī)物、難降解的有機(jī)物、有活性的微生物、微生物代謝產(chǎn)物等。通過(guò)投加臭氧可以破壞微生物的結(jié)構(gòu)，釋放出蛋白質(zhì)、核酸等容易被降解的物質(zhì)，破壞菌膠團(tuán)的存在比例，提高活性污泥的可降解程度，從而實(shí)現(xiàn)污泥產(chǎn)量的降低，甚至污泥零排放。傳統(tǒng)生物處理工藝中，污泥回流設(shè)施的目的主要在于保持生物處理池體中活性污泥的濃度，保證處理出水的水質(zhì)，但由于菌膠團(tuán)的存在，導(dǎo)致污泥產(chǎn)率較高。加入臭氧氧化環(huán)節(jié)后，重進(jìn)進(jìn)入生物處理池體的污泥可生化性提高，污泥產(chǎn)量必然大幅度降低。

2.以臭氧氧化為基礎(chǔ)的活性污泥零排放技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 臭氧對(duì)污泥中固體物質(zhì)的影響

對(duì)活性污泥進(jìn)行臭氧氧化，能夠促使污泥中的蛋白質(zhì)、多聚糖、酯類化合物結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，這是因?yàn)槌粞跹趸饔闷茐牧宋⑸锏慕M織結(jié)構(gòu)，使得微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、糖類等物質(zhì)流出。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，每克干污泥的臭氧投加量在0.38g時(shí)，蛋白質(zhì)含量下降10%，多聚糖含量下降63%，有機(jī)碳含量下降40%;當(dāng)投加量提升到0.5g時(shí)，蛋白質(zhì)、多聚糖、有機(jī)物的含量下降90%以上，能夠有效促成污泥回流后的生物降解作用，減少污泥的排放量。

2.2 臭氧對(duì)污泥液相成分的影響

臭氧破壞了微生物的組織結(jié)構(gòu)，使得蛋白質(zhì)、多聚糖、脂類化合物、核酸等物質(zhì)被釋放出來(lái)，從污泥中的固相轉(zhuǎn)為液相，因此，與污泥固相變化相比，液相變化應(yīng)當(dāng)與之相反。污泥液相的成分變化多以COD、總有機(jī)碳TOC、總凱氏氮TKN等指標(biāo)變化為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，每克污泥上清液的臭氧投加量為從0上升到0.2g的過(guò)程中，剩余COD值、溶解COD值也一路上升，且上升速度非常快;每克污泥上清液的臭氧投加量為0.2g時(shí)，溶解COD值已經(jīng)從0.06g/L上升值2.3g/L。

2.3 對(duì)污泥減量效果的影響

想要實(shí)現(xiàn)污泥增加量為0，臭氧氧化過(guò)程中的污泥回流比率需要控制適當(dāng)，控制臭氧的濃度、臭氧與活性污泥的接觸時(shí)長(zhǎng)。每一個(gè)污水處理廠中建設(shè)的生物反應(yīng)池或選用的生物反應(yīng)器尺寸都各有不同，處理量與當(dāng)?shù)嘏潘枨笥休^大關(guān)系，具體的污泥減量效果、污泥回流比率、臭氧接觸時(shí)間、臭氧濃度需要進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)計(jì)算。從相關(guān)領(lǐng)域研究人員的研究結(jié)果中可知，臭氧計(jì)量范圍在每克干污泥0.03～0.05g內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)污泥減量效果與臭氧投加成本之間的平衡;臭氧化污泥體積流量在0.5～1%范圍內(nèi)，污泥產(chǎn)量是未加臭氧前的50～71%，并未能達(dá)到零排放。由此可見(jiàn)，理論上將生物處理工藝產(chǎn)生的剩余污泥全部進(jìn)行臭氧氧化，然后進(jìn)行回流，就可以實(shí)現(xiàn)污泥零排放，但實(shí)際操作過(guò)程中尚不能達(dá)到理想程度。

2.4 對(duì)脫氮除磷的影響

結(jié)合諸多有關(guān)臭氧氧化污泥減量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，臭氧氧化后進(jìn)行污泥回流的處理方式對(duì)污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)的影響很小，而且能夠在一定程度上促進(jìn)生物處理中的反硝化作用效率。在脫氮除磷方面，臭氧氧化+污泥回流的方式會(huì)影響污水處理系統(tǒng)中磷含量的去除和回收。在生物生態(tài)領(lǐng)域內(nèi)，磷被越來(lái)越多的專家學(xué)者證實(shí)是一種不可再生的有限資源，污泥零排放會(huì)導(dǎo)致污水系統(tǒng)中堆積大量的磷，直接排放又會(huì)影響水體環(huán)境，進(jìn)行磷的回收十分有必要。目前，已經(jīng)有研究人員開發(fā)了集污泥零排放和磷回收為一體的處理系統(tǒng)，但雙方必然進(jìn)行一定的讓步，污泥減量化但無(wú)法實(shí)現(xiàn)零排放，同時(shí)完成對(duì)磷元素盡可能多的回收。

3.臭氧氧化法活性污泥零排放技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益

傳統(tǒng)污水處理過(guò)程中，污泥的脫水、干燥、焚燒、填埋等處理方式都需要消耗一定量的資金，這些也是污水處理廠運(yùn)行成本的一部分。目前常見(jiàn)的污泥減量化處理方式中，利用H2O2進(jìn)行污泥減量處理，成本是每噸1900歐;利用95℃環(huán)境熱解進(jìn)行污泥減量處理，成本每噸488歐，但減量效果只有33%，低于H2O2的50%;而利用臭氧氧化進(jìn)行污泥減量處理，成本僅為每噸367歐，且減量效果可達(dá)到70%，優(yōu)勢(shì)一目可見(jiàn)。

結(jié)束語(yǔ)：

臭氧氧化法在對(duì)污泥中固體物質(zhì)和上清液的處理效果、對(duì)污泥減量效果、脫氮除磷影響、經(jīng)濟(jì)效益等幾個(gè)方面，都有一定的優(yōu)勢(shì)和可行性，是水處理領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)污泥減量化、零排放的重要技術(shù)手段之一。

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（作者單位：中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司研究院）