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      活性污泥原位消化減量工藝的原理及應(yīng)用

      2023-09-15 07:31:38羅智鄧陽陳杭烽何雪鵬何澤龍李喬科汪峰
      電鍍與精飾 2023年9期
      關(guān)鍵詞:活性污泥原位羥基

      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。

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