活性污泥原位消化減量工藝的原理及應(yīng)用

羅智，鄧陽，陳杭烽，何雪鵬，何澤龍，李喬科，汪峰

（1.江蘇豐和環(huán)境工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 2.上海豐和環(huán)?？萍加邢薰?，上海 201600）

近年來，由于我國社會和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，水資源短缺的問題迫在眉睫，因此對于城市廢水的凈化處理，使廢水資源化，已經(jīng)成為我國緩解水資源短缺的重要途徑。廢水中有一定含量的有機物，病原微生物和其他有害物質(zhì)［1］。它們隨著水處理的工藝路線也富集到了剩余污泥中，從而產(chǎn)生剩余活性污泥的處置問題。至2010年我國有廢水處理廠1000余座，排放污泥量干重約130萬噸［2］，城市污水廠的污泥量伴隨著處理量急速上升。在現(xiàn)有污泥處理方案的基礎(chǔ)上，本文主要探討剩余污泥原位消化的原理以及應(yīng)用價值，并對剩余污泥處理工藝的發(fā)展進行總結(jié)和展望。

剩余活性污泥的處理一直是困擾著環(huán)境界的挑戰(zhàn)，其產(chǎn)生量非常巨大。剩余活性污泥包含預(yù)處理產(chǎn)生的濾渣以及沉淀池聚集的生化腐質(zhì)污泥與剩余污泥。其有機物含量高，臭味嚴重，還含有大量重金屬、病原菌以及寄生蟲等有害物質(zhì)［3］。

目前主要的污泥處置以“減量化、無害化、資源化”為前提，衍生出了很多的新型污泥處理技術(shù)［4］。例如，可以通過厭氧消化處理制取甲烷、氫氣等熱值較高的燃料［5］?？傊?，當前國內(nèi)污泥處理處于百家爭鳴、良莠不齊的階段，先進性與自動化都存在兩極分化的現(xiàn)象，尚無一種處理方法占據(jù)絕對優(yōu)勢［6］。但這些技術(shù)大多應(yīng)用在污染產(chǎn)生后，并且在一定程度上受到實際情況的限制。在上海市大部分污水廠的污泥中，某些金屬含量接近或者超過了我國農(nóng)用污泥中污染物控制標準，限制了污水廠的農(nóng)業(yè)應(yīng)用［7］。所以，污泥的無害化、資源化必須符合以下條件：污泥中抗生素與有機污染物完全消解；重金屬固化，不再重新釋放；徹底消滅病原菌；終端產(chǎn)物不產(chǎn)生二次污染等情況［8］。如何有效經(jīng)濟地處理處置剩余污泥和實現(xiàn)污泥資源化成為我國面臨的無法回避的問題［9］。

通過對29個城市污泥組成的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，我國城市污泥的有機質(zhì)平均含量達到384 g/kg［10］，而對水體施加羥基發(fā)生裝置可以有效地將這些產(chǎn)生的有機質(zhì)在變?yōu)槭Ｓ辔勰嗲叭コ?。?009年以來，我們?yōu)橄钚晕勰嗨龅膶嶒灪椭性囼灦甲C明：活性污泥在羥基和厭氧反應(yīng)的綜合作用下，經(jīng)過6～10 d的反應(yīng)，完全可以消化減量。其中，20%左右的無機物和部分沒有消化的污泥，將生成含水量為15%左右的固體廢物。也就是說1 m3含水量為98%～99%的活性污泥，用現(xiàn)有的方式減量，產(chǎn)生25 kg固體廢物；而用本工藝僅產(chǎn)生不到5 kg的固體廢物。在經(jīng)濟上和環(huán)境保護上，用本方法消化活性污泥都有很大的意義。

污泥減量技術(shù)是20世紀90年代提出的對剩余污泥處置的新概念［11］。而污泥原位消化技術(shù)在此基礎(chǔ)上進行升級，該工藝可以在生化池內(nèi)減少剩余污泥產(chǎn)生的因子，減少甚至完全消除剩余污泥的產(chǎn)生。通過參考廣州污泥處置的大致成本，各個處理成本均值大約在400元/噸［12］，由此得知污泥原位消化技術(shù)可以帶來較大的經(jīng)濟效益與社會價值。針對污水廠污泥的不同情況，選擇合適的污泥處置工藝［13］，對于推進污泥減量具有較大的意義。

1 活性污泥原位消化技術(shù)

1.1 污泥原位消化技術(shù)原理闡述

活性污泥絕大部分是原生質(zhì)，它與氧反應(yīng)可表示為：

活性污泥法處理污水時，通過厭氧反應(yīng)將大分子打破成小分子和氣體。

活性污泥濃度低于3000 mg/L時，不能凈化污水。同樣，生化池中污泥濃度過高，在活性污泥超過5000 mg/L時，就產(chǎn)生的“剩余污泥”；過高濃度的活性污泥在生化池內(nèi)產(chǎn)生的有機廢物，遠大于其能消耗的水中污染物也不能很好地凈化污水。剩余污泥必須排出，才能使生化反應(yīng)正常進行。

本文試驗將羥基自由基發(fā)生裝置與一般曝氣裝置對污泥濃度的調(diào)節(jié)效率進行對比，對比結(jié)果如圖1所示。污泥原位消化工藝可以在1 h內(nèi)對水體產(chǎn)生剩余污泥的條件進行有效的控制，而曝氣法需要7～8 h才能將活性污泥濃度降低至有效范圍內(nèi)。

圖1 污泥原位消化工藝對比表Fig.1 Comparison table of sludge in situ digestion process

如果沒有剩余污泥，而生化池內(nèi)活性污泥濃度在3000～5000 mg/L區(qū)間內(nèi)，則不會有污泥排出，又可以起到凈化廢水的作用。

不產(chǎn)生剩余污泥至少有兩種方法：

（1）使消化生化池內(nèi)的活性污泥，變?yōu)橐后w和氣體，或少量固體。

（2）對污水中產(chǎn)生污泥的因素進行干預(yù)，使污泥產(chǎn)生的條件缺失，降低污泥濃度。

1.2 消化污泥的機理

在生化池中，植入一個“羥基發(fā)生系統(tǒng)”，當生化池內(nèi)的活性污泥濃度臨近最高值時（5000 mg/L），開啟“羥基發(fā)生系統(tǒng)”，阻止剩余污泥產(chǎn)生，其原理如下：

（1）產(chǎn)生羥基，污水中的有機物質(zhì)和原生質(zhì)在羥基作用下，氧化變成二氧化碳和水，減少生物生長繁殖所需營養(yǎng)，降低生化池中的生物活性，使活性污泥無法繼續(xù)產(chǎn)生。生化池中污泥濃度會降低，就不會產(chǎn)生剩余污泥，因此沒有污泥排出生化池。

（2）產(chǎn)生切削，羥基發(fā)生器中特殊的設(shè)備，在強大的負壓作用下，將空氣與生化池內(nèi)的污水以及活性污泥吸入設(shè)備內(nèi)，使水氣混合，并在有特殊結(jié)構(gòu)的管壁上碰撞，形成切削力，將污水與活性污泥中細菌等生物的細胞壁打碎，使生化池部分產(chǎn)生活性污泥的生物、細菌失去繁殖能力，但細菌吞噬污水中有機物的凈水能力沒有變化；因此生化池內(nèi)，凈水能力沒有改變，但產(chǎn)生污泥的速度下降了，因為被破壁的細菌無法繁殖后代，也就無法形成新的活性污泥。

（3）產(chǎn)生湍流，沒有湍流羥基，切削的作用范圍就受到限制，不可能影響生化池的每個角落。湍流使羥基和切削的作用覆蓋整個生化池，并且使羥基和切削的作用均勻。

（4）來源于羥基發(fā)生器的空氣會增加溶解氧，供生化反應(yīng)中細菌呼吸。

相反，當生化池中的活性污泥濃度臨近最低值時（3000 mg/L），關(guān)閉“羥基發(fā)生系統(tǒng)”，讓池中活性污泥恢復(fù)生長，有了良好的生長環(huán)境，活性污泥濃度在一段時間后又可以上升到較高水平，甚至到達再啟動羥基發(fā)生器的水平。

這樣不斷地循環(huán)開啟與關(guān)閉羥基發(fā)生器，生化池內(nèi)的活性污泥濃度就能達到一種動態(tài)平衡，處于長期保持在凈化污水的理想水平（3000～5000 mg/L，因系統(tǒng)不同而異），在這個動態(tài)平衡的污水處理系統(tǒng)中，生化池內(nèi)的活性污泥濃度既能處理好污水，又沒有剩余污泥產(chǎn)生，就不會有活性污泥外排。

在生化池內(nèi)，羥基主要不是消化污泥，而是消除原水中的有機物質(zhì)，鏟除活性污泥產(chǎn)生的條件。

1.3 消化污泥的變量控制

羥基發(fā)生系統(tǒng)中的基本原理：

控制羥基發(fā)生程度，實際上由控制空穴作用的氣穴數(shù)C來實現(xiàn)。C可定義為：

式中：C為空穴產(chǎn)生數(shù)；Pa為周圍的液體壓力；Vp為液體的蒸發(fā)壓；p為通過裝置時降壓力（由曝氣頭壓力/流量曲線得出）。

其中的C值應(yīng)在實際調(diào)試中取得。當需要消化活性污泥時，取飽和值，或高值；當需要提高污泥濃度，又必須充氧時，取低值，4或小于4）。

產(chǎn)生的切削也需要控制。其空穴作用的剪切力可用氣穴混合數(shù)G表示，G可定義為：

式中：P為輸入功率；μ為表示液體動態(tài)度的值；V為湍流產(chǎn)生時的流量。G取值在調(diào)試中獲得。

當將“羥基發(fā)生系統(tǒng)”置于生化池外完全用于氧化排出的活性污泥時，C與G均依據(jù)功率取最大值。

1.4 生化池內(nèi)有害物富集的解決方案

污泥原位消化系統(tǒng)有一個缺陷，即無法阻止生化池內(nèi)有害物質(zhì)（磷、重金屬）的富集，長久運行將影響水處理質(zhì)量。

由于單一地在生化池內(nèi)安裝“羥基發(fā)生系統(tǒng)”不能解決池內(nèi)有害物質(zhì)富集問題，宜在生化池外再安裝兩套系統(tǒng)：一套“羥基發(fā)生系統(tǒng)”是針對生化池內(nèi)必須排出的活性污泥進行無害化處理?；钚晕勰嘟?jīng)去除有害物質(zhì)（如重金屬、磷等）后，補充到生化池內(nèi)，維持生化池內(nèi)的最佳濃度，并使生化池不受到有害物質(zhì)的干擾和影響；第二套為“羥基發(fā)生系統(tǒng)”配合切削系統(tǒng)安裝在生化池外專門消化、減量生化池內(nèi)排出的活性污泥，直到排出的活性污泥完全消化減量。

生化池外的活性污泥消化減量系統(tǒng)反應(yīng)原理如下：

（1）好氧反應(yīng)：使污泥在羥基作用下，變成二氧化碳和水，降解活性污泥。從生化池排出的活性污泥，被存放在污泥濃縮池內(nèi)，將污泥和水按一定比例排入好氧反應(yīng)池內(nèi)做好氧反應(yīng)處理。

（2）機械粉碎：將活性污泥中的生物、微生物細胞進行切削，微生物細胞壁被破后，失去繁殖功能，不能生成新的活性污泥，使污泥細胞中的絮狀結(jié)構(gòu)被打破，固液分離，利于后續(xù)減量處理。該步驟應(yīng)用于好氧反應(yīng)池內(nèi)。

（3）厭氧系統(tǒng)：打破了絮狀結(jié)構(gòu)的污泥進入?yún)捬醭剡M行厭氧反應(yīng)，進一步將活性污泥中的大分子，轉(zhuǎn)化為液體和氣體。厭氧反應(yīng)池內(nèi)由于厭氧作用的發(fā)生，污泥分解將產(chǎn)生乙酸、硝酸、甲酸、氫氣、甲烷和二氧化碳等物質(zhì)，污泥溶液pH將降低，影響厭氧反應(yīng)效果。此時厭氧反應(yīng)池內(nèi)污泥可以經(jīng)過壓濾設(shè)備處理，將無機固體輸送到好氧反應(yīng)池內(nèi)進行好氧處理，待pH恢復(fù)到中性后，再送回厭氧反應(yīng)池。如此往返循環(huán)多次達到最大化去除污泥的效果。

（4）無害化處理：經(jīng)固液分離后的液體，可能含有重金屬和磷等有害物質(zhì)?？梢杂媚⒁后w中的重金屬、磷等有害物質(zhì)去除，將處理后的液體排入生化池內(nèi)。生化池中富集的有害元素，通過上述手段可以及時排出。

2 結(jié) 語

通過分析，污泥原位消化技術(shù)可以較好地解決剩余污泥的排放以及處置問題，他是利用空化效應(yīng)去除水中產(chǎn)生剩余污泥的條件，將剩余污泥含量控制在一定區(qū)間，大大減少了剩余污泥的產(chǎn)生量。同時還可以配套布置一套池外污泥消化減量系統(tǒng)，解決有害物富集問題。但現(xiàn)有手段處理污泥難以做到100%減量［14］，在解決有害富集物的同時仍然會有少量的污泥產(chǎn)生。

污泥原位消化系統(tǒng)大大減少了污泥外運處理的成本，相較于一般處理方式，例如污泥脫水、干化、焚燒、填埋［15］等都具有較好的經(jīng)濟效益。