CN1321074C - 一种剩余污泥减量化的活性污泥新工艺 - Google Patents
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Abstract
剩余污泥减量化的活性污泥新工艺，包括以下步骤：在曝气池中加入接种污泥和污水，连续曝气后引入沉淀池中沉淀，再将沉淀池中污泥全部回流到曝气池中，与正常污水共同曝气，待曝气池中污泥浓度超过一定浓度时，使沉淀池中一部分污泥返回流到曝气池，多余部分为排放物排出，按污泥量比例向曝气池投放解耦联剂，再与污水正常曝气，并将解耦联反应后的泥水混合液引到沉淀池中，将沉淀污泥一部分在贮存容器内缺氧4～6小时，经缺氧处理的污泥引回曝气池中与污水共同曝气和解耦联反应，返回c步循环进行。本工艺可减少剩余污泥的产量约40-50%。具有设备简单、投资少、污染小、运行管理方便、运行成本低等优点，适合工业污水和城镇生活污水处理厂应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水的生物处理技术，特别是关于污水处理的过程中减少剩余污泥产生的工艺方法。
背景技术
活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水生物处理技术，但它一直存在一个最大的弊端，就是会产生大量的剩余污泥。随着污水量的日益增加和污水处理率的不断提高，今后几年我国的污泥产量将会有大幅度的递增。虽然污泥量只占污水量的1～2％，但污泥处理设施投资在整个污水处理厂总投资中占约40～50％，污泥的处理与处置费用一般要占总运行费用的30～60％。污泥处置已从过去仅仅作为污水处理的一个单元，发展成了污水处理厂不得不优先考虑的重要环节。
解决污泥的出路问题是污水处理厂正常运行的前提条件。通过技术进步和工艺改造等手段减少污泥的产生量，是最根本和有效的措施。从源头着手，在污水处理过程中减少剩余污泥产生的思路符合“绿色生产”方案中关于废物处理的原则，即按照减量化、资源化、无害化顺序考虑。剩余污泥减量化可以通过物理、化学、生物等手段，主要依靠降低微生物产率以及利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解，使污水处理设施向外排放的生物量达到最小，是从根本上、实质上减少污泥量。
能量解耦联代谢通过增大分解代谢和合成代谢之间能量(ATP)水平的差异，使用于合成代谢的能量供应受到限制，生物的可观察生长率(Yobs)下降。将此能量解耦联生物化学机制应用于污水处理中，促使解耦联代谢的发生，降低生物产率，将非常有利于减少剩余污泥量。另外，细胞内ATP浓度的降低又将刺激细胞的反馈控制机制，进一步促进污染物的分解代谢。此工艺无需对现有的污水处理设备进行大的改型，运行成本低。因此，具有深远的环境、经济和生态意义。
为使污水生物处理工艺中，尽量减少剩余污泥的产生，本发明人根据活性污泥的细菌能量产生是可以和其生长解耦联的，有机质子载体有很强的解耦联能力，这些质子载体被称为解耦联剂，本发明人在多年实验研究通过选择无毒的解耦剂用于废水生物处理系统中的实验，能大大降低剩余污泥产量，如《环境科学》2003，24(6)；《环境科学与技术》，2005，28(4)。但随着加入量的增加，污泥的COD去除能力也下降，污泥的沉降指数SVI值随之增大，从而影响污泥的凝聚和沉淀性能，因而在污水处理过程中，添加解耦联剂越少越好，这在提高排放出水的质量和降低处理污水成本上应当着重考虑的问题。
国外的研究(《Environ Technol》1992，13：761-770；《Water Res》2003；37：11-20)报导了低氧化还原电位(ORP)对污水处理过程的好氧—沉淀—缺氧工艺(OSA)的影响，得到污泥在缺氧状态下停留11-12小时，可使污泥的产生量减少20～65％。好氧污泥在缺氧状态下停留11-12小时，必将促使污泥中的生物细胞裂解，成为生物可以利用的有机物质，这些发生细胞裂解后的污泥有机质若重返进入曝气池中，必将加重曝气池的有机负荷，从而影响整个工艺的运行性能。另外，从生产实际工艺考虑，污泥在缺氧池中停留时间越长，缺氧池体积就越大，投资与运行费用越高，因此污泥停留11-12小时在工程实际中是难以实用的。
发明内容
本发明针对上述两种污水处理中污泥减量研究存在的问题，研究将污水处理中解耦联剂与好氧—沉淀—缺氧工艺方法结合起来，从中得到污泥减量化的有效工艺和方法。
本发明采用以下技术方案实现上述目的。
一种剩余污泥减量化的活性污泥新工艺，其特征在于包括以下步骤：
a、在曝气池中加入接种污泥和污水，在曝气池中连续曝气，然后将充分曝气的泥水混合液引入沉淀池中沉淀，再将沉淀池中污泥全部回流到曝气池中，与正常流入污水共同曝气，使曝气池中污泥逐步增加；
b、待曝气池中污泥浓度超过一定浓度时，使沉淀池中一部分污泥返回流到曝气池，多余部份为排放物排出，并烘干计量；
c、以b步所述的曝气池中按污水量加入2～8mg/L的解耦联剂3，3′，4′，5-四氯水杨酰苯胺，搅拌均匀使其发生解耦联反应，然后放入污水正常曝气，并把经解耦联反应后的泥水混合液引到沉淀池中：
d、将c步所述的沉淀污泥一部分在贮存容器内缺氧4～6小时，其余部份为排放物排出，并烘干计量；
e、将d步所述的经缺氧处理过的污泥引回曝气池中与流入污水共同曝气和解耦联反应，返回c步，继续循环进行。
所述的解耦剂选用无毒性的3，3′，4′，5-四氯水杨酰苯胺(3，3′，4′，5-tetrachlorosalicylanilide)，简称TCS。
所述的解耦联剂的投放量和投放方式可依环境温度 的不同而灵活调节，夏天气温较高时，污泥生长加快，污泥产率高，这时可适当增加解耦联剂的用量。而当冬天气温较低时，污泥生长较慢，污泥产率低，这时可适当减少解耦联剂的用量或停止投加解耦联剂，适时中断投放，可以防止污泥中生物产生适应性。
所述的曝气池中污泥浓度系指混合液悬浮固体含量MISS，曝气池中污泥在污水中含固量维持在4500～5000mg/L。
所述污泥贮存容器为污泥贮存罐(池)，使污泥在贮存容器中呈缺氧状态4～6小时后，再返回到曝气池中。
添加化学解耦联剂于废水生物处理系统，能大大降低剩余污泥产量，但可能会影响出水质量和污泥的沉降性能，改变污泥的微生物种群结构。另外，长期向废水处理系统投加解耦联剂，可能导致微生物的适应性。OSA工艺的污泥减量化效果虽然不及添加化学解耦联剂，但其可提高基质的去除能力，改善污泥的沉降性。污泥的产生是多种过程的综合反应，两种减量化技术的交替循环联合使用可以获得较好的技术效果。
之所以选取TCS作为解耦联剂，因其是肥皂、树脂、香波等的组成原料，无毒性，不至于对水体造成污染，同时又具有较高的解耦联能力。将其和OSA工艺联合，实行交替解耦联作用，一方面可使解耦联剂的添加量大为减少，降低运行费用，阻碍微生物对其的适应性，改善污泥的沉降性能。另一方面还可通过协同解耦联作用提高污泥减量化效果。这将是控制剩余污泥产量的一个有实用前景的创新技术。
本发明对传统的活性污泥工艺进行了改进，改进后的工艺与传统的活性污泥法相比，可以减少剩余污泥的产量约40-50％，从源头防治了污泥的污染问题。而且可以改善污泥的沉降性能，工艺的运行性能与传统活性污泥工艺基本相同，具有设备简单、投资少、污染小、运行管理方便、运行成本低等优点，适合工业污水和城镇生活污水处理厂应用。
本发明的显著进步和优点在于：
污泥减量化是由于活性污泥中的生物发生解耦联代谢。在污水生物处理系统添加化学解耦联剂(TCS)和进行曝气—沉淀—缺氧工艺(OSA)都能降低剩余污泥产量，单独添加TCS会影响出水质量和污泥的沉降性能，改变污泥的微生物种群结构。将添加解耦联剂和OSA工艺结合起来，特别是将生物污泥进行缺氧处理，使排出污泥在缺氧贮存罐中停留4-6小时，污泥中的生物在缺氧、无营养物质的状态下为维持生存，将首先消耗自身体内贮存的ATP，当进入曝气池这个有氧、有营养物质的环境中，产生的ATP将先用于填补体内的ATP，这样用于生长的能量就大大减少，生长率下降，发生解耦联代谢，污泥产量减少。OSA工艺的污泥减量化效果虽然不及添加化学解耦联剂，但其可提高基质的去除能力，改善污泥的沉降性。本发明将化学解耦联剂TCS和OSA相结合，实行交替解耦联作用，一方面可使解耦联剂的添加量大为减少，降低运行费用，阻碍微生物对其的适应性，改善污泥的沉降性能。另一方面还可通过协同解耦联作用提高污泥减量化效果。这将是控制剩余污泥产量的一个有创新的技术。
投资与运行成本低。一般大型污水处理厂将污泥进行厌氧消化处理，目前我国的污泥厌氧消化处理设备绝大部分都是进口，设备的运行费用昂贵，管理复杂。本发明的TCS与OSA工艺只需添加极少量的化学解耦联剂，投资建设一个缺氧贮存罐(池)，而且污泥在缺氧池中只停留4-6小时，相当于一个小型曝气池，一般小型污水处理厂都可以承受，且管理方便，运行费用低。
环境、社会与经济效益三丰收。目前我国的中、小型污水处理厂难以实行污泥厌氧消化，大部分只是将污泥脱水后运往郊区简单填埋，这必将对填埋地周围的整个生态环境造成严重影响，破坏农村土地资源和自然生态环境，从而危害到整个社会的和谐安定。本发明的剩余污泥减量化活性污泥新工艺，可减少剩余污泥约40-50％。一般污水处理厂每年可减少几千到几万吨的干污泥，污泥处理与处置理费用，处理成本保守以500元/吨计，每年就能下降几百万元至几千万元不等。
附图说明
图1是传统活性污泥工艺；
图2是剩余污泥减量化活性污泥新工艺。
上述图中，1为污水，2为曝气池，3为曝气头，4为沉淀池，5为出水，6为剩余污泥，7为回流污泥，8为污泥缺氧池。
具体实施方式
实施例1：本试验采用的活性污泥工艺为实验室规模的完全混合活性污泥工艺，曝气池有效容积为12.5L，沉淀池有效容积为2.2L(见附图1)。试验装置共2套，两个装置都接种宁波污水处理厂二沉池活性污泥10克，以相同速率(1.5升/小时)向曝气池输入相同水质的生活污水(COD为600mg/L，BOD5为260mg/L，总氮浓度为80mg/L，氨氮浓度为40mg/L)，每日处理生活污水总量为36升。曝气池连续曝气，曝气池中的泥水混合物进入沉淀池，沉淀池中的污泥全部回流进入曝气池中，使曝气池中污泥浓度(MLSS)逐渐增加。待曝气池中污泥浓度(混合液悬浮固体MLSS)超过4500mg/L，一部分污泥回流进入曝气池，使曝气池中污泥浓度维持在4500～5000mg/L，多余部分污泥作为剩余污泥排放。这样两套装置连续运行2个月达到稳定后(即出水COD浓度连续15天小于100mg/L，肉眼观察污泥絮体明显，污泥沉降性能好，污泥体积沉降指数小于100，显微镜检查污泥发现出现相同类型的原生动物和后生动物，如钟虫、纤毛虫和轮虫等，表示污泥已经培养成熟)。然后其中一套装置作为对照，仍然继续按原样运行，而另一套装置作为试验装置，采用本发明的剩余污泥减量化的新型活性污泥工艺，即为添加TCS和OSA相结合的工艺。每天向曝气池投加TCS 30mg(在曝气池中的浓度为2.4mg/L)，并且在污泥回流途中添加一个污泥贮存罐，回流污泥先在贮存罐中缺氧环境中停留4小时，然后再回流进入沉淀池中，其余均和对照的传统活性污泥工艺相同。两套装置所排放的剩余污泥烘干后，计算干重(克)，每天排放的剩余污泥干重累积计量。如此连续运行180天，得出180天的剩余污泥总量，再计算污泥产率(污泥总量/180，克/天)，同时在运行期间每隔三天测定两套装置的进水和出水COD浓度、总氮浓度、氨氮浓度、污泥的体积沉降指数(SVI)，以比较两套装置的运行效能(即出水质量)和污泥的沉降性能(见表1)。本实施例的活性污泥新工艺的污泥产率可比传统活性污泥工艺装置减少33％，两套装置的出水质量几乎相同，均达到国家规定的排放标准，污泥的沉降性能与对照的传统工艺持平(SVI值均小于100)，采用高效液相色谱仪检查出水中的TCS，发现为零。
表1 2套装置运行效能比较
| 污泥产率 | 出水COD浓度(mg/L) | 出水总氮浓度(mg/L) | 出水氨氮浓度(mg/L) | SVI | |
| 对照工艺 | 2.425g/d | 46.58 | 52.02 | 31.96 | 58.29 |
| 活性污泥新工艺 | 1.625g/d | 52.56 | 52.43 | 32.66 | 63.52 |
实施例2：与实施例1不同的是在活性污泥新工艺装置中，每天向曝气池投加TCS 30mg(在曝气池中的浓度为2.4mg/L)，回流污泥在缺氧池停留5.6小时。本实施例的活性污泥新工艺的污泥产率可比传统活性污泥工艺装置减少39％，两套装置的出水质量几乎相同，均达到国家规定的排放标准，污泥的沉降性能与对照的传统工艺持平(SVI值均小于100)，采用高效液相色谱仪检查出水中的TCS，发现为零。
实施例3：与实施例1不同的是在活性污泥新工艺装置中，每天向曝气池投加TCS 40mg(在曝气池中的浓度为3.2mg/L)，回流污泥在缺氧池停留5.6小时。本实施例的活性污泥新工艺的污泥产率可比传统活性污泥工艺装置减少42％，两套装置的出水质量几乎相同，均达到国家规定的排放标准，污泥的沉降性能与对照的传统工艺持平(SVI值均小于100)，采用高效液相色谱仪检查出水中的TCS，发现为零(见表2)。
表2 2套装置运行效能比较
| 污泥产率 | 出水COD浓度(mg/L) | 出水总氮浓度(mg/L) | 出水氨氮浓度(mg/L) | SVI | |
| 对照工艺 | 2.364g/d | 44.22 | 50.28 | 32.30 | 60.23 |
| 活性污泥新工艺 | 1.371g/d | 53.23 | 51.57 | 33.69 | 70.92 |
实施例4：与实施例1不同的是在活性污泥新工艺装置中，每天向曝气池投加TCS 50mg(在曝气池中的浓度为4.0mg/L)，回流污泥在缺氧池停留5.6小时。本实施例的活性污泥新工艺的污泥产率可比传统活性污泥工艺装置减少49％，两套装置的出水质量几乎相同，均达到国家规定的排放标准，污泥的沉降性能与对照的传统工艺持平(SVI值均小于100)，采用高效液相色谱仪检查出水中的TCS，发现为零(见表3)。
表3 2套装置运行效能比较
| 污泥产率 | 出水COD浓度(mg/L) | 出水总氮浓度(mg/L) | 出水氨氮浓度(mg/L) | SVI | |
| 对照工艺 | 2.296g/d | 42.33 | 49.85 | 32.04 | 60.23 |
| 活性污泥新工艺 | 1.171g/d | 56.03 | 53.07 | 34.39 | 75.21 |
实施例5：与实施例1不同的是在活性污泥新工艺装置中，每天向曝气池投加TCS 50mg(在曝气池中的浓度为4.0mg/L)，回流污泥在缺氧池停留10小时。本实施例的活性污泥新工艺的污泥产率可比传统活性污泥工艺装置减少50％，两套装置的出水质量几乎相同，均达到国家规定的排放标准，污泥的沉降性能与对照的传统工艺持平(SVI值均小于100)，采用高效液相色谱仪检查出水中的TCS，发现为零。
实施例6：与实施例1不同的是在活性污泥新工艺装置中，每天向曝气池投加TCS 80mg(在曝气池中的浓度为6.4mg/L)，回流污泥在缺氧池停留5.6小时。本实施例的活性污泥新工艺的污泥产率可比传统活性污泥工艺装置减少56％，活性污泥新工艺装置的出水COD去除率比对照工艺下降约7％，但还是达到了国家规定的排放标准，污泥的沉降性能有所下降，SVI值平均为120，而对照的传统工艺仍然小于100(平均为63)，采用高效液相色谱仪检查出水中的TCS，发现为零。
实施例7：与实施例1不同的是在活性污泥新工艺装置中，每天向曝气池投加TCS 100mg(在曝气池中的浓度为8.0mg/L)，回流污泥在缺氧池停留5.6小时。本实施例的活性污泥新工艺的污泥产率可比传统活性污泥工艺装置减少61％，活性污泥新工艺装置的出水COD去除率比对照工艺下降约12％，但还是达到了国家规定的排放标准，污泥的沉降性能有所下降，SVI值平均为130，而对照的传统工艺仍然小于100(平均为61)，采用高效液相色谱仪检查出水中的TCS，发现为零。
考察以上各个实施例，虽然投加TCS越多，剩余污泥的减量化效果越好，但会影响工艺的运行效能，COD去除率下降，污泥的沉降性能下降。综合考虑剩余污泥的减量化效果，以及出水水质和污泥的沉降性能，可以认为实施例4为最优的技术方案，即每天在12.5升曝气池中投加TCS 50mg(在曝气池中的浓度为4.0mg/L)，回流污泥在缺氧池停留5.6小时。以下的实施例8即采用实施例5的技术参数，进行工厂规模的中试试验。
实施例8：一个日处理生活污水20万吨的城市污水处理厂，每天产生含水率为78％的污泥35吨。采用本发明的剩余污泥减量化的新型活性污泥工艺，每天向曝气池投加TCS 1kg(在曝气池中的浓度为4-5mg/L)，回流污泥在缺氧池停留5.6小时。剩余污泥量比原来采用的传统工艺减少50％左右，则每年废弃污泥产生量可以减少6200吨。建设费用中扣除增加污泥缺氧池和相应管路和泵的建设费用约50万元，运行费用中扣除投加TCS的费用和泵的用电费约10万元/年。如果污水处理厂产生后的污泥采用厌氧消化处理，则投资费用可减少近800万元，每年污泥的处理与处置理费用就能减少31万元。由此而减少的对环境的污染危害，对保护国土资源、保护自然环境的好处是难以用金钱估量的。
Claims (4)
1、一种剩余污泥减量化的活性污泥新工艺，其特征在于包括以下步骤：
a、在曝气池中加入接种污泥和污水，在曝气池中连续曝气，然后将充分曝气的泥水混合液引入沉淀池中沉淀，再将沉淀池中污泥全部回流到曝气池中，与正常流入污水共同曝气，使曝气池中污泥逐步增加；
b、待曝气池中污泥浓度超过一定浓度时，使沉淀池中一部分污泥返回流到曝气池，多余部份为排放物排出，并烘干计量；
c、以b步所述的曝气池中按污水量加入2～8mg/L的解耦联剂3，3′，4′，5-四氯水杨酰苯胺，搅拌均匀使其发生解耦联反应，然后放入污水正常曝气，并把经解耦联反应后的泥水混合液引到沉淀池中；
d、将c步所述的沉淀污泥一部分在贮存容器内缺氧4～6小时，其余部份为排放物排出，并烘干计量；
e、将d步所述的经缺氧处理过的污泥引回曝气池中与流入污水共同曝气和解耦联反应，返回c步，继续循环进行。
2、根据权利要求1所述的一种剩余污泥减量化的活性污泥新工艺，其特征在于所述污泥贮存容器为使污泥呈缺氧状态4～6小时后，再返回曝气池中。
3、根据权利要求1所述的一种剩余污泥减量化的活性污泥新工艺，其特征在于所述曝气池中污泥在污水中含固量维持在4500～5000mg/L。
4、根据权利要求1所述的一种剩余污泥减量化的活性污泥新工艺，其特征在于加入曝气池中的解耦联剂浓度为4～5mg/L。
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