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目前世界上80%以上的污水处理厂应用的是活性污泥法处理污水,它最大的弊端就是处理污水的同时产生惊人的大量剩余污泥。污泥中的固体有的是截留下来的悬浮物质,有的是由生物处理系统排出的生物污泥,有的则是因投加药剂而形成的化学泥,%—1%左右。污泥的处理和处置,就是要通过适当的技术措施,使污泥得到再利用或以某种不损害环境的形式重新返回到自然环境中。这些污泥一般富含有机物、病菌等,若不加处理随意堆放,将对周围环境产生新的污染。
对这些污泥处理方法主要有:农用、填海、焚烧、埋地。但这些方法都无一例外地存在弊端。如污泥中重金属的含量通常超过农用污泥重金属最高限量的规定。此外,污泥中还含有病原体、寄生虫卵等,如农业利用不当,将对人类的健康造成严重的危害。填埋处置容易对地下水造成污染,同时大量占用土地。焚烧处置虽可使污泥体积大幅减小,且可灭菌,但焚烧设备的投资和运行费用都比较大。投放远洋虽可在短期内避免海岸线及近海受到污染,但其长期危害可能非常严重,因此,已被界上大多数国家所禁用。
一般每去除1kg的BOD就产生15~100L活性污泥,这些污泥含水
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率达到95%以上,剩余污泥处理的成本高昂,约占污水厂运行费用的25%-65%。
欧洲国家每年用于处理剩余污泥的费用就高达28亿人民币。显而易见,任何有利于减少剩余污泥的措施都将带来巨大的经济效益。
2污泥减量化的理论基础
维持代谢和内源代谢
1965年Pirt把微生物用于维持其生活功能的这部分能量称为维持代谢能量,一般认为,维持代谢包括细胞物质的周转、活性运输、运动等,这部分基质消耗不用来合成新的细胞物质,因此,污泥的产量和维持代谢的活性呈负相关°Herbert在1956年提出,维持能量可通过内源代谢来提供,部分细胞被氧化而产生维持能量。从环境工程角度看,内源呼吸通常指生物量的自我消化,在连续培养生长时可同时发生内源代谢。内源代谢的主要优势在于进入的基质最终被呼吸成为二氧化碳和水,使生物量下降。因此,在废水处理工艺中,内源呼吸的控制比微生物生长控制和基质去除控制更为重要。
解偶联代谢
代谢是生物化学转化的总称,分为分解代谢和合成代谢。微生物学家认为,细胞产量和分解代谢产生的能量直接相关,但在某些条件下,如存在质子载体、重金属、异常温度和好氧—厌氧交替循环时,呼吸超过了ATP产量,即分解代谢和合成代谢解偶联,此时微生物能过量消耗底物,底物的消耗速率很高°Cook和Russell报道,在完全停止生长时细菌利用能源的速率比对数生长期的高三分之一,这表明细胞能通过消耗膜电势、
ATP水解和无效循环处置其胞内能量。在解偶联条件下,大部分底物被氧化为二氧化碳,产生的能量用于驱动无效循环,但对底物的去除率不会产生重大影响。能量解偶联的特殊性在于它是微生物对底物的分解和再生,而没有细胞质量的相应变化。从环境工程意义上讲,能量解偶联可用于解释底物消耗速率高于生长和维持所需之现象。因此,在能量解偶联条件下活性污泥的产率下降,污泥产量也随之降低。通过控制微生物的代谢状态,最大程度地分离合成代谢和分解代谢,在剩余污泥减量化上将是一个很有发展前景的技术途径。
3目前污泥减量化的方法
解偶联
机理:三磷酸腺苷(ATP)是键能转移的主要途径,是能量转移反应的中心,微生物的合成代谢通过呼吸与底物的分解代谢进行偶联,当呼吸控制不存在,生物合成速率成为速率控制因素时,解偶联新陈代谢就会发生,并且在微生物新陈代谢过程中产生的剩余能量没有被用来合成生物体。在能量解偶联条件下活性污泥的产率下降,污泥产量也随之降低。微生物学家认为,细胞产量和分解代谢产生的能量直接相关,但在某些条件下,如存在质子载体、重金属、异常温度和好氧—厌氧交替循环时,呼吸超过了ATP产量,即分解代谢和合成代谢解偶联,此时微生物能过量消耗底物,底物的消耗速率很高。在完全停止生长时细菌利用能源的速率比对数生长期的高1/3,这表明细胞能通过消耗膜电势、ATP水解和无效循环处置其胞内能量。能量解偶联的特殊性在于它是微生物对底物的分解和再生,而没有细胞质量的相应变化。通过控制微生物的代谢状态,最大程度地分离合成代谢和分解代谢,在剩余污泥减量化上将是一个很有发展前景的技术途径。
投加解偶联剂
解偶联剂能起到解偶联氧化磷酸化作用,限制细胞捕获能量,从而抑制细胞的生长,故能减少污泥产量。解偶联剂其作用机理是该物质通过与H+的结合,降低细胞膜对H+的阻力,携带H+跨过细胞膜,使膜两侧的质子梯度降低,降低后的质子梯度不足以驱动ATP合酶合成ATP,从而减少了氧化磷酸化作用所合成的ATP量。如:TCS解偶联剂(3,3/,4,,5—四***水杨酰苯***)能有效降低剩余污泥产量,只要在反应器中保持TCS一定的浓度,就能降低剩余污泥的产率oTCS能有效地降低活性污泥分批培养物中的污泥产率,随进水中TCS浓度的提高,,出水中的NH+42N和TN含量也和对照相当,同时发现污泥的SOUR值和DHA提高,说明化学解耦联剂对微生物有激活作用,微生物的种群结构也发生了改变,经过40d的运行后,添加TCS的反应器污泥中丝状菌很少,虽然污泥较疏松,但污泥的沉降性能未见有影响。上述结果表明,采用化学解耦联剂来降低活性污泥工艺中的剩余污泥产量,以降低污泥的处理与处置费用这种方法有发展前景,值得进一步地深入研究。
但是,解偶联剂的对现有污水处理应用中存在以下问题:(1)所投的药在较长时间后由于微生物的驯化而被降解,从而失去解偶联作用
;(2)当加入解偶联剂后,需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物,从而使得供氧量增加;(3)对投加解偶联剂的费用还需要作比较,由于在污水中的浓度需要维持在4—80mg/L,用量大;(4)解偶联剂在实际应用中的最大弊端是环境问题,解偶联剂通常是难降解的有毒物,可能发生二次污染。
高S0/X0(底物浓度/污泥浓度)条件下的解偶联
简单的说就是,细胞分解能量大于合成能量,从而细胞的分解数量就大于合成数量,最终降低微生物产率系数。解偶联机理有两种解释:一是积累的能量通过粒子(如质子、钾离子)在细胞膜两侧的传递削弱了跨膜电势,随后发氧化磷酸化解偶联;二是减少了生物体内部分新陈代谢的途径(如***乙二酸途径)而回避了糖酵解这一步。高S0/X0条件下解偶联还不能用于实际的污水处理,微生物产生的不完全代谢的产物还可能对整个处理过程产生影响,而且要求相对高的S0/X0值(>8—10)远远大于实际活性污泥法处理污水时的情况(F/M=—)。
高浓度溶解氧
有很多研究表明,细胞表面的疏水性、微生物活性和胞外多聚物的产生都和反应器中的溶解氧水平有关,这预示着溶解氧对活性污泥的能量代谢有一定的影响,进而影响碳在分解代谢和合成代谢中的分布。高溶解氧活性污泥工艺能有效地抑制丝状菌的发展,纯氧活性污泥工艺即使在高污泥负荷率下,也可比传统的空气活性污泥工艺减少污泥量
54%。和传统空气曝气工艺相比,纯氧工艺能使曝气池中维持高浓度MLSS,污泥沉降和浓缩性能好、污泥产量低、氧气转移效率高、运行稳定。Abbassi等人最近报道,/L时,/mgBOD5。
由此可见,高溶解氧工艺在剩余污泥减量化和工艺运行效能的提高方面有很大潜力。
好氧一沉淀一厌氧(OSA)工艺
在污泥的回流过程中插入一级厌氧生物反应器,这种工艺已经用来成功地抑制污泥的丝状膨胀的发生,可减少一半的剩余污泥产量,好氧—厌氧循环方法被用于活性污泥工艺中剩余污泥的减量化。其机理就是,好氧微生物从外源有机底物的氧化中获得ATP,当这些微生物突然进入没有食物供应的厌氧环境时,就不能产生能量,不得不利用自身的ATP库作为能源,在厌氧饥饿阶段,没有一定量的细胞内ATP就不能进行细胞合成,因而,微生物通过细胞的异化作用,消耗基质来满足自身对能量的需求,交替的好氧-厌氧处理引起的能量解偶联就为OSA处理技术奠定了污泥减量化的理论基础。Chudoba等人比较了OSA工艺和传统活性污泥工艺的污泥产量,发OSA工艺的比污泥产率降低了20%〜65%,svI值也比传统活性污泥工艺低。
例如:上海锦纶厂废水处理站的剩余污泥达到零排放是运用了朱振超和刘振鸿等人的好氧—沉淀—兼氧活性污泥工艺使。还有张全等人采用好氧—沉淀—微氧活性污泥工艺使污泥量由80%减少为15%〜20%,系统基本上可做到无污泥排放。
所以,OSA工艺在污泥减量化上是相当可行的。
溶解细胞法
在传统活性污泥法工艺流程中的污泥回流线上增加相关处理装置,通过溶胞强化细菌的自身氧化,增强细菌的隐性生长。所谓隐性生长是指细菌利用衰亡细菌所形成的二次基质生长,整个过程包含了溶胞和生长。利用各种溶胞技术,使细菌能够迅速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用,是在污泥减量过程中广为应用的手段。
臭氧
原理是:曝气池中部分活性污泥在臭氧反应器中被臭氧氧化,大部分活性污泥微生物在臭氧反应器中被杀灭或被氧化为有机质,而这些由污泥臭氧氧化而来的有机质在随后的生物处理中被降解,臭氧可破坏不容易被生物降解的细胞膜等,使细胞内物质能较快地溶于水中,同时氧化不容易水解的大分子物质,使其更容易为微生物所利用。
Kamiya和Hirotsuji的研究表明,当曝气池中的臭氧剂量为10mg/(gMLSS・d)时可使剩余污泥产量减少50%,而高至20mg/(gMLSS・
d)时则无剩余污泥产生。其中,间断式臭氧氧化要优于连续式,在间歇式反应器中,臭氧每天平均接触时间在3h左右就可以达到减量40%—60%。但是,臭氧浓度较高会使SVI(污泥体积指数)值迅速下降到开始的40%,影响污泥的沉降性能。
在当前的活性污泥理论中,污泥停留时间(0c)被定义为单位生物量在处理系统中的平均滞留时间。许多研究表明,dc在活性污泥工艺中是最重要的运行参数。对于稳态运行系统,0c和比生长速率呈负相关,污泥产率(Yobs)和污泥停留时间的关系可用下式表示:
1/Yobs=1/Ymax+0cKd/Ymax(1)
式中Ymax———真正生长速率
Kd———比内源代谢速率
式(1)表明,在稳态活性污泥工艺中污泥停留时间和内源代谢速率呈负相关,可以通过调节0c来控制污泥产量。可见在相对长的0c下的纯氧曝气工艺有利于减少剩余污泥量。
臭氧联合活性污泥工艺将是一种能够减少剩余污泥产量且进一步改善污泥沉降性能的有效技术,今后的研究将着重于臭氧剂量和投加方式的最优化方面。
***气
和臭氧相同,利用其氧化性对细胞进行氧化,促进溶胞。虽然***气比臭氧便宜,但***气能够和污泥中的有机物产生反应,生成三***甲烷
(THMs)等***代有机物,是不容忽视的问题。
酸、碱
酸碱可以使细胞壁溶解释放细胞内物质,相同pH条件下,HS04的溶胞效果要优于HCl,NaOH的效果要优于KOH;在改变相同pH条件下,碱的效果要好于酸,这可能是由于碱对细胞的磷脂双分子层的溶解要优于酸的缘故。
物理溶胞技术
加热
不同温度下,细胞被破坏的部位不同。在45—65°C时,细胞膜破裂,rRNA被破坏;50—70C时DNA被破坏;在65—90C时细胞壁被破坏;70—95C时蛋白质变性。不同的温度使细胞释放的物质也不同,在温度从80C上升到100C时,TOC和多糖释放的量增加,而蛋白质的量减少。
超声波
超声波处理(如240W,20kHz,800s)只是从物理角度对细胞进行破碎,和投加碱相比,在短时间内有迅速释放细胞内物质的优势,但在促进细胞破碎后固体碎的水解却不如投加碱和加热。其机理就是:以微气泡的形成、扩张和破裂达到压碎细胞壁、释放细胞内含物的目的。
压力
利用压力使细菌的细胞壁在机械压力的作用下破碎,从而使细胞内含物溶于水中。
生物溶胞
投加能分泌胞外酶的细菌,酶制剂或抗菌素对细菌进行溶胞。酶一方面能够溶解细菌的细胞,同时还可以使不容易生物降解的大分子有机物分解为小分子物质,有利于细菌利用二次基质。但是在污水处理中投加酶制剂或是抗菌素在经费上不太现实。
微型动物减少剩余污泥量
微型动物削减剩余污泥量的机理就是生态学的理论,食物链越长,能量在传递过程中被消耗的比例就越大,最终在系统中存在的生物量就越少。细菌、原生动物、寡毛类、线虫等各种生物,它们之间组成一条食物链。利用微型动物对污泥进行减量可从以下三个方面着手研究,一是利用微型动物在食物链中的捕食作用;二是直接利用微型动物对污泥的摄食和消化,在减少污泥的容量的同时增加污泥的可溶性;三是利用微型动物来增强细菌的活性或增加有活性的细菌的数量,从而增强细菌的自身氧化和代谢能力。在曝气池这一水环境中由于不断地曝气、剧烈地搅拌,对于大型生物的生存极为不利,还有就是各种微生物都随着废水一起流动,有可能还没来得及增殖就从曝气池流失,所以活性污泥法不可能有较长的食物链。曝气池中的后生动物数量较少,不能大量消耗菌胶团,(菌胶团是构成活性污泥絮状体的主要成分,有很强的吸附、氧化有机物的能力),这使得在活性污泥生态系统中,物质和能量的传递并不顺畅,绝大部分物质和能量停留在初级消费者———细菌这个营养级上,而不能通过向更高营养级的传递使生物量减少,这是形成大量剩余活性污泥的根本原因。