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城市污水处理厂优化污泥处理系统的研究

2005-12-29  简单如我

城市污水处理厂优化污泥处理系统的研究

论文作者:冯运玲 方先金 段素娟


1 引言

  水环境是生态环境系统能否良性循环、发展的制约因素之一,改善和保护水环境是保护整体环境的前提。改善和保护水环境首先要对生活污水和工业废水进行治理,然而在污水处理过程中污染物一部分被微生物降解成水和二氧化碳,一部分以污泥的形式存在。这种污泥中含有有机物、重金属、病原菌等,若处理不当很容易造成对环境的二次污染,使污水处理厂不能充分发挥其功能。另外,污泥处理和处置费用在整个污水处理厂处理费用中占到40%左右。可见,无论在污染控制上还是在运行费用上,污泥处理和处置都起到举足轻重的作用。因此,对污泥处理系统的研究具有重要意义。
  污泥的处理和处置主要有减量化、稳定化、资源化。城市污水处理厂污泥的稳定化技术主要有厌氧消化、好氧消化、污泥堆肥以及污泥焚烧等。污泥浓缩、脱水以及焚烧是污泥减容的主要技术。填埋、焚烧、作农肥、投海和制造建筑材料等是目前污泥处置和综合利用的主要途径。
  一些较发达国家的污水污泥处理已经比较完善,如德国,其污水处理已经进展到除磷脱氮的普及阶段,污泥处理在普及脱水阶段的基础上,开始步入污泥烘干阶段。污泥基本上都经过浓缩、消化、脱水处理,污泥消化产生的沼气普遍用于发电。为防止污泥对农作物生长的不良影响以及二次污染,德国已经不准将污泥用于农田。在日本,污泥处理工艺比较先进,主要工艺流程有:
  (1) 浓缩→脱水→焚烧;
  (2) 浓缩→消化→脱水→焚烧;
  (3) 浓缩→消化→脱水。
  该三种处理工艺占日本全部污泥处理的70%以上,可见,日本污泥最终处置已以污泥焚烧为主导工艺(目前占60%以上)。
  近十年来,我国城市污水处理有了较大的发展,全国已建成400多座城市污水处理厂,城市污水处理率34%以上,全国已建成的污水处理厂中采用污泥中温消化的污水处理厂约占25%,采用污泥浓缩脱水的污水处理厂约占60%,另外还有小部分采用好氧消化和污泥自然干化处理。我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚,在国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关中,对污泥处理和处置做了大量的研究工作(以天津为主要科研基地),使我国的污泥处理技术得到了一定程度提高,但与国外先进国家相比,污泥处理和处置还有一定差距。我国大多数较早建设的污水处理厂没有完善的污泥处理系统,新建较大型污水处理厂虽然一般都有比较完善的污泥处理工艺,但真正完全投入运行且运行情况良好的还不多,利用污泥消化产生的沼气发电的更少。究其原因,一方面是我国经济实力所限,另一方面是我国污泥处理起步较晚,缺乏设计及运行经验。
  目前,我国除了不断引进、吸收国外先进成熟的污水污泥处理新工艺和新技术外,更为关键的是要对我国现有典型的污水处理厂污泥处理系统进行大量研究、测定与分析,从我国国情出发,总结自己的经验,因地制宜地采用合理的污泥处理工艺、处置方式和设计参数,提高我国污泥的处理和处置水平。本文主要以高碑店污水处理厂污泥处理系统为研究对象,分析在实际测定资料基础上的初步结果。

2 高碑店污水处理厂现况

  高碑店污水处理厂是我国目前最大的二级城市污水处理厂,处理能力为100万m3/d,分为一期50万m3/d(Ⅰ系列和Ⅱ系列)和二期50万m3/d(Ⅲ系列和Ⅳ系列),自1993年建成投产以来,污水处理工艺运行良好,污泥处理系统中的浓缩、二级污泥中温厌氧消化、脱水也已投入运行。目前,利用沼气发电也已开始运转。高碑店污水处理厂现在实际处理污水量最大可达80万吨/天,污水处理工艺比较典型(A-O及A-A-O),污泥处理系统也比较完善。二期工程工艺(第Ⅲ系列和第Ⅳ系列)为曝气池前置1/9段缺氧区,第Ⅳ系列还设置了曝气池内回流,以提高对N的去除率。为了使高碑店污水处理厂处理水资源化再利用工程的顺利安全实施以及更好地保护环境,目前正在对高碑店污水处理厂一期工程进行改造,以改善其出水水质,提高N、P的去除率。改造后的一期工程污水处理工艺为倒置型A-A-O工艺,污泥处理工艺也不同于二期工程(其二沉池剩余污泥泵入初沉池,然后与初沉污泥一起进入污泥浓缩池,浓缩后再进行消化和脱水)。为防止二沉池剩余污泥中的磷重新返回到污水中去,改造后的一期工程中二沉池剩余污泥直接单独进行机械浓缩,初沉池污泥仍进原有浓缩池,同时将浓缩池改造为浓缩酸化池,其上清液作为碳源排入水处理系统。将消化池上清液和脱水机滤液及冲洗水收集后进行化学除磷。这样,高碑店污水处理厂将会有三种不同的污水处理工艺和两种污泥处理工艺。污泥来自污水,二者相辅相成,污泥的特性及组分必然随污水处理工艺的不同而有所不同,同时,不同的污泥处理工艺对污水处理效果也有一定影响。因此,对高碑店污水处理厂污水、污泥处理工艺进行总结、研究和分析,并进行必要的实验,对今后污水处理厂的设计、运行以及老厂的改造具有重要参考和指导意义。
  高碑店污水处理厂污泥处理工艺流程如下:

3 研究内容

  为了系统的研究高碑店污水处理厂污泥处理系统,以及污水处理系统和污泥处理系统之间的相互影响,在北京市科委支持下,我们与高碑店污水处理厂合作,正在进行城市污水处理厂优化污泥处理系统的研究。研究内容主要有:
  (1)对高碑店污水处理厂进水水质进行测定
  测定进水水质,包括COD、BOD、N、P以及重金属如Cu、Cr和Zn等。污泥产生于污水,污泥的成份必然随污水水质的不同而不同,只有将二者结合起来对污泥进行研究,才会对今后同类污水处理厂的设计与运行具有真正的指导意义。
  (2)对高碑店污水处理厂污泥特性及污泥处理单元的运行情况进行分析
  测定初沉污泥、混合污泥(混合污泥是指剩余污泥回到初沉池后与初沉池污泥的混合污泥)、二沉剩余活性污泥、浓缩污泥、消化污泥和脱水后污泥的含水率(含固率)、挥发性固体(即有机物含量)、热值、肥分、大肠杆菌及重金属含量等;测定污泥处理工艺中各阶段污泥中N、P含量,并测定原水及二沉池出水中N、P的含量,分析不同污水处理工艺对N、P的去除情况以及其对污泥性能和污泥处理工艺的影响;高碑店污水处理厂一期工程中消化池的搅拌形式采用沼气搅拌,二期工程搅拌形式为机械搅拌。通过示踪剂等方法,分析两种不同搅拌形式的搅拌效果;测定实际运行条件下的产气量及CH4含量,考察消化池的运行情况;考察加药种类、加药量等与脱水性能的关系。
  通过上述测定和研究,探讨污泥处理系统的设计参数,了解污水处理系统的不同对污泥处理系统的影响,污泥处理系统的不同对污水处理厂出水的影响,为今后污水处理厂的设计提供技术支持。

4 进展情况和初步结果

  该研究从2002年1月份开始,已进行了春、夏、秋、冬四个季度的测定工作和部分污泥脱水性能的试验。测定内容包括:原水、初沉池出水、二沉池出水水质;污泥处理工艺各阶段污泥的常规参数;混合污泥、剩余污泥、消化污泥的脂肪、蛋白质含量;泥饼的热值、重金属含量等。其中水区测定的是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ系列,泥区测定的是一期工艺。测定工作主要在高碑店污水处理厂化验中心进行,污泥脱水性能的研究目前主要在实验室进行。消化池搅拌效果评价正在准备过程中,整个研究预期在2003年底完成。下面仅对2002年的测定资料进行初步分析。
  (1)水质测定初步分析

1 2002年水质测定结果

 

处理厂
进水

初沉进水

初沉出水II

初沉出水III

初沉出水IV

二沉出水II

二沉出水III

二沉出水IV#

浓缩池上清液

消化池
上清液

脱水机冲洗混合液*

BOD5(mg/L)

106~165

320~1420

130~162

108~149

126~153

8~15

9~15

10~13

600~3900

3160~5950

150~580

COD(mg/L)

220~360

708~2660

210~342

194~300

249~312

35~47

39~48

39~43

770~12500

1460~13500

295~1200

SS
(mg/L)

106~240

600~2570

80~147

91~152

119~253

10~17

8~18

10~17

2100~13100

1600~13500

430~1570

NH3-N(mg/L)

32~40

32~46

36~46

37~48

36~47

2~29

0.7~20

0.4~10

34~75

140~570

20~100

TN
(mg/L)

42~55

60~158

53~57

50~59

50~61

29~40

28~33

28~33

200~1150

530~1070

90~270

TP
(mg/L)

6~9

11~25

6~11

6.5~11

8~10

1.8~6

3.8~6.6

3.7~6.5

20~116

150~360

19~41

      注:#:因实际运行调整,所有IV系列有关数据均为冬、春、夏三个季度测定数据(下同)。
        *:脱水机冲洗混合液是指脱水滤液和滤布冲洗水的混合液。

  表1给出2002年水质测定中主要参数、不同测点的各季平均值的变化范围。因为高碑店污水处理厂运行过程中存在固体内循环,故出现初沉池进水中各项水质指标远高于处理厂进水水质指标。分析表中数据可以发现,高碑店污水处理厂进水、浓缩池上清液和消化池上清液变化范围较大,进水水质夏季好于秋冬季,浓缩池上清液和消化池上清液的变化大的原因尚需进一步研究。但出水水质变化不大,三种不同的水处理工艺出水没有明显的差别。II系设有脱氮除磷的功能,但从测定结果看,其除磷效果只稍微优于III、IV系列,而脱氮效果还不如III系列。这主要是因为在测定其间II系列污泥系统的改造还没有完成,剩余污泥仍然是进入初沉池与初沉污泥一起进入浓缩池,使脱氮除磷的功能就没有很好地发挥出来。对高碑店污水处理厂进水及二沉出水中的主要重金属进行测定结果表明,除镉外其它主要重金属含量均能满足《农田灌溉水质标准》中的要求(表略)。
  (2)污泥特性初步分析
  高碑店污水处理厂混合污泥、二沉剩余污泥、消化污泥及泥饼含水率与其它污水处理厂没有大的差别(见表2)。初沉污泥有机份含量为45%~60%,剩余污泥有机份含量在50~70%。II系列剩余污泥中的TP略高于III、IV系列。
  高碑店污水处理厂污泥有机物中的三项主要成分(脂肪、蛋白及碳水化合物)含量在表3中给出,表中的数据为2002年5、7、8、10、11月份测定的结果。从测定结果可看出,高碑店污水处理厂的污泥属于高碳水化合物、高蛋白、低脂肪的污泥,这种污泥产气率偏低。

2 污泥测定结果

 

混合污泥II

混合污泥III

混合污泥IV

剩余污泥II

剩余污泥III

剩余污泥IV

浓缩排泥

一消出泥

二消出泥

泥饼

NH3-N
(mg/L)

50~200

58~124

58~100

0.6~30

0.6~19

0.8~9

85~227

220~317

251~288

TN
(mg/L)

270~1330

280~1150

300~1210

131~505

124~305

133~266

400~1770

506~1170

437~1666

TP
(mg/L)

130~400

216~312

213~241

41~120

40~78

38~72

176~388

236~309

161~439

含水率
(%)

97~97.6

96.9~97.3

96.8~97.3

99.5~99.7

99.6~99.7

99.6~99.7

96.2~97.7

97.1~98.2

96.8~97.5

74~80

有机份
(%)

50~58

43~59

46~60

50~64

51~63

51~65

51~55

40~51

39.4~45.2

52~57

3 污泥中脂肪、蛋白及碳水化合物

成分

初沉污泥

二沉剩余污泥

浓缩污泥

一消污泥

二消污泥

脂肪 (%)

6.0~12.2

3.2~9.3

3.4~11.3

7.0~11.3

6.8~13.3

蛋白 (%)

35.4~46.1

45.2~82.9

37.2~55.4

39.2~48.6

33.5~51.6

碳水化合物 (%)

34.1~54.4

13.1~50.6

41.1~52.8

40~56.2

35.1~59.7

  2002年对高碑店污水处理厂泥饼热值的测定结果为:浓缩污泥经脱水后热值为9.83~14.36 MJ/kg,消化后污泥经脱水后泥饼热值为11.12 MJ/kg,混合污泥(消化污泥与浓缩污泥混合)经脱水后泥饼热值为10.98~11.91 MJ/kg。可见,泥饼的热值一般在10 MJ/kg以上,是一般煤的燃烧热值(30 MJ/kg)的1/3以上,如果将污泥混入煤中作为燃料燃烧将有较大的经济效益,同时也为城市大量的污泥处理提供了一种变废为宝的可行方法。

5 小结

  由于本课题目前正在进行中,测定数据还不全面,而且在2002年测定时,高碑店污水处理厂一期工程改造还未完成,因此,还需进一步测定数据。通过前一阶段的研究,初步得出如下结果:高碑店污水处理厂的污泥属于高碳水化合物、高蛋白、低脂肪的污泥,这种污泥产气率偏低。混合污泥有机份含量为45%~60%,剩余污泥有机份含量在50%~70%;泥饼的热值为9.83~14.36 MJ/kg,是一般煤燃烧热值的1/3以上,可考虑将其混入煤中作为燃料使用。
  为了进一步分析不同水处理工艺对污泥特性的影响,待一期改造完成后,应进行水处理工艺与污泥特性之间关系的测定分析;利用示踪剂方法分析消化池的搅拌效果,分析消化池的运行情况;进行污泥脱水性能试验,找出较适合于高碑店污水处理厂污泥的脱水药剂及较适宜的投药量;评价脱水污泥的综合利用价值,分析其可能的最终处置途径。

 

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