城市污水污泥稳定问题及多级厌氧处理工艺研究
论文作者：林秀军 王凯军 李宝林 吴冰
摘要：本文对污泥处理中的有关 理论 问题 进行了探讨，明确了污泥、水解和液化以及污泥稳定性等概念。针对污泥稳定化程度评价指标，对厌氧稳定性试验、污泥碱解试验和污泥液化等试验 方法 进行了深入的对比 研究 ，提出了液化试验可以作为可行的污泥稳定化(降解程度)评价指标的试验方法。同时通过对厌氧处理工艺的综述研究，认为应该将现有的污泥厌氧工艺相关成熟技术最大程度的集成和整合，提出了多级厌氧处理工艺，在理论 分析 和试验研究的基础上，以城市污泥为对象进行了多级厌氧消化工艺的试验研究，并在工程上进行了验证，表明该工艺可使污泥在较短的停留时间(t=7d)达到稳定。
关键词：污泥 稳定性 水解 液化 多级污泥厌氧消化
1 概述
近年来，随着我国 经济 的高速 发展 及环保意识的增强，大量新建的城市污水处理厂在不断的投入运行，但随之而来污泥处理则成为新的污染问题。因此，对污水处理技术予以充分重视的同时，能否解决好污泥问题也是污水净化成功与否的决定性因素之一，因而有必要加强污泥处理与利用的研究。
污水处理厂的污泥一般是由松散的物质组成，含水率较高(95%～99%)，体积庞大，性质很不稳定，极易腐化，不利于运输和处置，应及时进行减容化和稳定化处理，使含有病原微生物、散发出恶臭的腐化物质数量减少并使其分解。稳定化是污泥处理工艺中的关键环节和主要目的。稳定的方法有好氧消化、厌氧消化、污泥堆肥、热解和化学稳定等方法。消化池是利用厌氧发酵的方法来达到污泥稳定化的目的，污泥堆肥是采用好氧的方式达到稳定化的目的，焚烧法是在极端条件下取得无机物的彻底矿化。
在污泥处理技术中污泥厌氧消化投资高，污泥处理部分投资和运行费用约占污水处理厂的20～40%，同时由于其技术复杂性，能够正常运行的很少。针对这种情况，近年来国内在中小型(甚至大型)污水处理厂大多采用国外引进的延时曝气氧化沟、SBR等低负荷工艺。首先，低负荷曝气池的池容和设备是中、高负荷活性污泥工艺的几倍，相应的投资要高几倍;其次，延时曝气对污泥采用好氧稳定，能耗比中、高负荷活性污泥工艺要高40～50%左右。从可持续发展角度讲，大规模的采用延时曝气的低负荷工艺是不适合 中国 国情的。
1.1 污泥的定义
在污水处理领域，对于污泥和污泥稳定化程度的概念是模糊的，明确污泥的定义和建立污泥稳定化程度评价指标，找出可行的测定污泥稳定化(降解程度)的指标具有重要意义。
污泥一词也不是一个 科学 的定义， 自然 界中污泥的产生是与水体中固体物的沉积有关，一般称为淤泥。从这个意义上讲只有沉淀下来的颗粒物才成为污泥。在科学界对污泥的定义也是不同的，比如化学上是根据颗粒尺寸来定义水中有机物形态：溶解性(<0.001μm)、胶体(0.001～1.0μm)，超胶体(1～100μm)和可沉物(>100μm)。工程上是通过采用的分离方法来定义无机物的形态，一般讲污泥是大于滤纸或过滤器孔径(如1～4μm)的颗粒物质，这包括化学家定义的部分超胶体和可沉物。
污泥的降解过程经历了固体的液化和水解，虽然液化和水解两词在描述污泥甲烷化之前产生的中间产物是可互用的，但它们不是严格的同义词。水解是有明确定义的化学名词，是指复杂化合物加水分解为小分子的过程(可以用于超胶体、胶体和溶解性物质)。而液化的定义是相当任意的，液化仅涉及到将固体物质转移到液相，因此液化的对象是污泥。从工程上的定义可知，如果污泥在分解或降解过程中尺寸发生变化，当其粒径小于过滤器孔径时，就可认为已经完成了污泥分解或降解过程。
1.2 污泥稳定化定义
污泥稳定化的含义针对污泥中有机质而言，事实上是与污泥中有机物的矿化过程相关的。所谓有机物的矿化过程(污泥的稳定化)是在一定条件下，通过物理化学或生化反应，使污泥中的有机物发生分解或降解为矿化程度较高的无机化合物，如H2O/CO2或CH4/CO2的过程。根据定义污泥的稳定化不仅与有机物含量有关，其还与是否在一定条件下有机物的分解或降解反应有关，这里所谓一定条件是指时间和环境条件。例如，在采用厌氧UASB工艺处理污水中形成的颗粒污泥，其有机质的含量有时高达90%以上，但是其在环境中是稳定的，在相当长的一段时间内不再发生(明显发生)降解反应，也可以认为它是稳定的。
评价污泥的稳定化程度有好氧和厌氧的多种测定方法，但是 目前 缺乏标准性和规范性。一般可以用污泥中有机物的减少程度或产物的生成量来衡量，在污泥厌氧消化工艺中，人们一般是采用甲烷的产量来评价污泥稳定化程度;也有采用污泥的减量来评价污泥的稳定性。但是，由于在生物反应过程中有机物的降解是与微生物的增殖同时发生，所以不能仅仅以污泥的减量来直接评价污泥稳定化过程。同时，也不宜采用污泥中有机物的比值(如MLVSS/MLSS)来直接衡量污泥的稳定化程度。
2 污泥稳定性的测试方法
2.1污泥碱解试验研究
在强碱的条件下，各种有机物均可快速发生水解。采用碱解污泥的方法，可以在较短的时间内考察污泥中化合物分解的情况。通过碱解试验可了解污泥最大可水解的量，这间接代表厌氧条件下污泥水解最大可能程度。这一方法是物化方法，间接地反映了污泥可生物降解的量。测试是在恒温的装置(图1a)，采用氢氧化钠试剂在厌氧条件下搅拌反应24小时，测定液化的COD的变化程度，被用来做为评价污泥可以达到的最大液化程度。
2.2 污泥厌氧稳定化试验
通过测定污泥在厌氧条件下产气来判定污泥的稳定化程度，这是污泥厌氧消化的基础。试验方法是将污泥放入30℃的培养瓶内，在100 d的试验期间有机物得到最大程度的降解，通过测量甲烷产量评价有机物的降解量。试验装置是在锥形瓶中放入一定量的污泥，要求其污泥浓度大约为5 gVSS/L，将锥形瓶放置于30℃的恒温水浴箱中，每日人工摇动混合1～2次。污泥降解产生的气体，进入分液漏斗，漏斗中为浓度1.5% NaOH溶液吸收气体中的CO2，测量量筒中液体体积即为污泥产生的甲烷(CH4)气体体积(图1b)。
2.3 污泥液化和酸化试验
污泥厌氧降解试验达到稳定所需时间长(需100 d)，其实用意义不大。因此须开发一种较快的评价污泥稳定性的方法。由于在水解(酸化)阶段污泥形态发生变化，而甲烷化阶段是由小分子(已不是污泥)转化为沼气的过程，也就是说污泥的降解或稳定化仅仅发生在水解阶段，所以可采用污泥液化率评价污泥稳定性。由于污泥液化时间短，可以忽略甲烷的产生，反应器是敞开并带有搅拌装置进行。
2.4 试验结果
试验是用5升温控反应器(图1c)，所采用的污泥取自方庄污水处理厂初沉池排放的污泥。取24、48和72小时混合样(保持在4℃冰箱内的)。SS的测定采用滤纸(孔径4.4 mm)过滤，过滤液的VFA采用气相色谱法分析。COD的分析采用微量COD方法，其他全部按标准方法测定。CODt为原污水或污泥-COD、CODd为离心样品COD。
2.4.1 碱解试验结果
由于污泥碱解稳定化程度与用碱量、污泥浓度和环境温度有一定的关系，采用正交试验的方法对最佳碱解条件进行探索。试验的设计和结果见表1。
表1 污泥碱解条件试验设计方案和结果
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试验号 |
NaOH（mmol／L） |
污泥浓度（g／L） |
试验温度（℃） |
污泥碱解率（%） |
NaOH／污泥（g／g） |
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
1（10） 2（17.5） 3（30） 1 2 3 1 2 3 |
1（5） 1 1 2（10） 2 2 3（15） 3 3 |
3（35） 1（35） 2（35） 2 3 1 1 2 3 |
19.5 37.1 36.1 20.5 36.8 38.9 9.1 27.0 41.9 |
0.08 0.14 0.24 0.04 0.07 0.12 0.027 0.047 0.08 |
从表1的数据分析污泥浓度与加碱量的关系，可知存在一个加碱量的下限，如果加碱量低于这个下限，碱解效果就极差。比较1号和9号试验，它们的加碱量均为0.08g/g，但碱解效果却相差很远，这说明加碱量下限在0.08g/g附近。NaOH剂量大于0.08g/g时，经过24h.反应后pH值仍在8～9之间，说明加碱量是过量的。但当NaOH剂量不足时(4号试验)，最终pH值呈中性，说明碱已耗尽，同时碱解率也不足，7号试验得到的效果更差。污泥碱解24小时后，其溶解出的CODd占总CODt的范围比例与加碱量、污泥浓度有一定关系。如表所示，每克污泥加碱量范围在大于0.10gNaOH时，碱解效果较好，一般的碱解率大于35%。
表2为不同碱解时间下溶出CODd占总溶出CODd的百分数。一般来说，用离心+抽滤方法测定的值更能代表溶解性COD的值。从表2可以看出，污泥碱解一般发生在最初的10小时内，此时的碱解速度很快，离心后的污泥CODd占总溶出量的92%以上。这个结论和Huang等的结论比较一致。他们采用17.5 mmol/L钠碱作水解预处理时(厌氧条件)，约1/3的总污泥COD能够在24 h内溶解，约80%以上的溶解发生在最初的8h。
表2 条件试验不同碱解时间下污泥CODd占总溶出CODd的百分数
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试验号
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2 h.
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6 h.
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10 h.
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18 h.
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1
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A／B
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2
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A／B
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54／54
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76／65
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92／81
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98／82
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3
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A／B
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|
|
|
|
4
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A／B
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78／57
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82／64
|
95／82
|
99／91
|
|
5
|
A／B
|
67／55
|
83／60
|
95／77
|
100／81
|
|
6
|
A／B
|
73／44
|
81／63
|
94／84
|
98／91
|
|
7
|
A／B
|
|
|
|
|
|
8
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A／B
|
66／65
|
81／66
|
92／77
|
99／79
|
|
9
|
A／B
|
62／57
|
83／64
|
95／76
|
98／87
|
注：A：离心处理时的百分数(%);B：离心+过滤处理时的百分数(%)
2.4.2 厌氧稳定性试验结果
为了保证试验的可靠性，进行了2组平行试验，将产气量转化为COD的值(表示为COD-CH4)，现将污泥试验中具有代表性的几组数据列于表3。污泥降解是一个十分缓慢的过程，历时100 d的污泥已处于较为稳定的状态。
表3 污泥厌氧稳定化100 d试验数据
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1＃
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2＃
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时间（d） |
累计产气量mg COD－CH4／L
|
占总COD（%）
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累计产气量mg COD－CH4／L
|
占总COD（%）
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|
0 |
0
|
0
|
0
|
0
|
|
30 |
898
|
18.3
|
730
|
14.9
|
|
70 |
1265
|
25.7
|
1167
|
23.8
|
|
100 |
1310
|
26.7
|
1217
|
24.8
|
注：1初始条件：CODt=4911 mg/L，TSS=10 g/L，VSS=4.5 g/L;2.COD-CH4为产气转化为COD的值
如表3所示，污泥在100 d的测定时，污泥的降解率仅为25%左右，与污泥碱解的结论相比较，在碱解试验中污泥可以发生水解量为35%，高于厌氧稳定化试验的数据。这是可以理解的，因为碱解为化学反应，试验的条件强于生物反应。另外，厌氧稳定性试验中有一部分污泥已水解，但未完全降解转化为气体。污泥厌氧稳定化试验与碱解量之间的比例关系为70%左右。
2.4.3污泥液化试验结果
如图2a所示CODd曲线一直呈上升趋势，在第10 d左右达到最高峰，然后趋于平稳;VFA曲线也有类似趋势，但平稳期稍有滞后。试验结果表明，污泥在前10 d内已达到水解酸化的高峰，此时已有35%左右的总COD转化为溶解性COD，这结果与碱解试验结论(污泥稳定化时可转化率为35%)相当，说明经10 d的水解酸化污泥已基本稳定化。
从图2a中还可以看出，反应产物的产生依赖于反应时间，但更依赖于温度。在30℃时液化的CODd明显地高于20℃。对于水解污泥在20℃和30℃条件下，经过10 d的反应时间产生的溶解性COD分别为0.162和0.287 kgCOD/kgVSS或分别相当于总COD的13.5%和24%。从30℃的试验结果来看很明显在第6 d后甲烷化反应导致了VFA的减少。在污泥液化试验中，由于不同污泥的性质不同，有些情况会产生一定程度的甲烷化。在测试中收集和测量产生的甲烷是必要的，产生甲烷可换算为VFA和COD。
从不同污泥样品的液化试验结果来看，初沉污泥被液化的CODd和VFA浓度均高于水解污泥(图2b)。这表明污泥液化试验确实可以评价不同污泥样品的稳定化程度。可以认为间歇污泥液化试验是一种迅速而有效评价污泥稳定化程度的方法。
。
3 多级厌氧消化工艺的 研究
3.1城市污水污泥的研究进展
目前 世界各国在污泥处理的领域仍以污泥厌氧消化工艺为主。厌氧消化工艺是在四、五十年代开发的成熟的污泥处理工艺。欧美英各国多数污水处理厂都建有污泥消化池，这种工艺水力停留时间长，一般停留时间的设计标准是20～30 d，为防止短路和加热，需设置搅拌和加温设备。美国犹他大学Ghosh教授从70年代开始了污泥两相消化研究，从微生物生长特点、生长动力学等基础研究的角度上，证明了两相工艺的优越性。但其采用的处理构筑物仍然为传统完全混合式的消化池，在停留时间和减少投资等方面并没有取得突破性的进展。自两相消化工艺提出以来，国内外在这一领域进行了不少研究。我国广州能源所、成都生物所、清华大学等地均在有机废水和农业废弃物方面进行了大量的工作，上海市政设计院也对城市污水污泥的两相净化作了大量研究。
同时，在70年代末期各种新型厌氧工艺得到 发展 ，例如厌氧滤池(AF)，上流式厌氧污泥床反应器(UASB)和厌氧流化床(FB)等。这些反应器的一个共同的特点是可将固体停留时间与水力停留时间相分离，使固体停留时间长达上百天。这使厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天可以缩短到几小时或几天。美国的康奈尔大学Jewell教授利用厌氧接触膜膨胀床(AFEFB)反应器处理含纤维素废水时发现，该反应器处理纤维素固体基质只需传统消化池5%的池容即可达到相同的处理效果。北京环保所王凯军在改进的上流式污泥床(水解池)处理城市污水时，发现在水解池2～3 h的停留时间下，在处理污水的同时，被截留的污泥50%以上得到了消化。有理由认为自70年代后期研究者开发的各种新型的厌氧反应器，例如：UASB反应器、厌氧滤池、厌氧消化床等存在着巨大的开发潜力，其完全有可能成为处理污泥新型反应器或其组成单元之一。这一信息也许揭示了新的反应器在污泥处理上的巨大潜力。
事实上，目前对于城市污水污泥的处理，厌氧接触工艺已不是先进的工艺。近年来在高含悬浮物固体 工业 废水处理领域中最为广泛的是酒精糟液的处理技术，南阳酒精厂COD浓度为25～30 g/L，悬浮物浓度35 g/L，pH 4.5～5.0。采用两个5000 m3/d的消化池并联运行，停留时间大约为10 d，相当于COD容积负荷3.0 kg/m3·d，悬浮物负荷为2.0～3.0 kg SS/m3·d。在城市需气量较多时，酒精糟液不通过固液分离而直接进入消化池，COD负荷为5～6 kg/m3·d。厌氧消化COD、BOD和SS处理效率分别为75.6%、90.8%和45.5%。
污泥中温厌氧消化工艺的停留时间一般大于20 d(在20～30 d的范围)，相当于悬浮物负荷为1.0～1.5 kg SS/m3·d，COD负荷最多为2.0 kg/m3·d。就酒糟废液的处理能力和负荷而言，则大大高于城市污泥厌氧消化工艺。从这个意义上讲城市污水污泥的厌氧处理技术不但大大落后于污水厌氧处理技术的发展，而且还落后于厌氧工业废水处理技术的发展。
3.2 新工艺的构思
在对城市污水污泥特性和各种厌氧反应器了解的基础上，借鉴国内外的研究结果和带有共性的研究思路，新的城市污水污泥处理系统的思想是充分利用现有的成熟工艺的优点，将现有的成熟技术最大程度的整合，集中突破技术整合过程中的技术难点和关键。并将治污、产气、综合利用三者相结合，使废物资源化、环境效益与 经济 效益和 社会 效益相统一。具体工艺的基本思想是分为如下三个处理阶段。
3.2.1 第一级处理阶段是液化和分离装置
第一级反应器应该具有将固体和液体状态的废弃物部分液化(水解和酸化)的功能。其中液化的污染物去UASB反应器(为第二级处理的一部分)，固体部分根据需要进行进一步消化或直接脱水处理。可采用加温完全混合式反应器(CSTR)作为酸化反应器，采用CSTR反应器的优点是反应器采用完全混合式，由于不产气可以采用不密封或不收集沼气的反应器。
3.2.2 第二级处理阶段
第二级处理包括一个固液分离装置，可采用机械或上流式中间分离装置或设施。中间分离的主要功能是达到固液分离的目的，保证出水中悬浮物含量少，有机酸浓度高，为后续的UASB厌氧处理提供有利的条件。分离后的固体可被进一步干化或堆肥并作为肥料或有机复合肥料的原料。
3.2.3 第三级处理阶段
在第二阶段的固液分离装置应该去除大部分(80～90%)的悬浮物，使得污泥转变为简单污水。城市污泥经CSTR反应器酸化后出水中含有高浓度VFA，需要有高负荷去除率的反应器作为产甲烷反应器。UASB反应器在处理进水稳定且悬浮物含量低时具有一定的优势，而且UASB在世界范围内的 应用 相当广泛，已有很多的运行经验。
3.3 试验流程
CSTR反应器有效容积为20 L，反应控制在恒温和搅拌的条件下。物料在CSTR反应器中进行水解、酸化反应，反应器后接一上流式中间分离池，上流式中间分离池的作用是分离在CSTR反应器内产生的有机酸。经液化后的水在UASB反应器内充分地降解，产气经水封后由转子流量计测定产率，水则排到排水槽内，部分出水回流到中间分离池(图3)。
图3 多级厌氧消化工艺流程图
试验采用分批投料，连续运行的方式，试验温度保持在中温35℃。试验采用的污泥为高碑店污水处理厂的污水污泥，其污泥有机物含量较低VSS/TSS=45%。根据试验的进展逐步改变运行条件，提高负荷率和缩短停留时间，并考察反应器的运行情况。在稳定条件下重点考察两组试验条件，即：CSTR=10d，中间分离池=1d，UASB=1d;另一组为：CSTR=5d，沉淀回流池=1d，UASB=1d。
3.4 结果与讨论
由于污泥消化过程污泥培养阶段耗时较长，启动初期的监测数据没有实际意义。整个过程的各个反应器的停留时间和有机负荷的变化见图4。从停留时间和有机负荷提高的情况来看，酸化池的有机负荷最终提高到15kgCOD/m3·d，而UASB的负荷稳定在5 kgCOD/m3·d。
在整个运行运行期间，作为最终出水UASB反应器的COD和SS去除率和出水浓度与反应器的停留时间有着密切的联系(图5a)。当总停留时间(T)为7 d时，COD的去除率在85%左右，SS的去除率在80～85%之间;而当T=12 d时，COD及SS去除率一直保持在95%以上。
由图5b可见，CSTR的HRT=5 d时，CODd/CODt在35～40%左右，污泥液化效果明显;而当HRT=10 d时，由于停留时间较长， CODd/CODt在55%以上。说明停留时间对污泥的液化效果 影响 很大。试验开始测定了污泥样品溶解性CODd值，进水CODd/CODt的比例为8.1%左右。从上面讨论可见，污泥在CSTR反应器中停留10 d时，其进一步水解COD占总COD的50%，而当停留时间为5 d时，水解COD的比例占总COD的30%左右。对比污泥稳定性指标，与厌氧消化工艺对比可知CSTR池停留时间HRT=5 d，经过水解的污泥就可以达到相当的稳定化。因此，在以后的生产性试验中，取CSTR反应器的HRT=5d。
然而由图6a可见，VFA上升比例相对不高。进水中CODv/CODt的比例在7%左右;经5 d液化后，CODv/CODt在25%左右，经10 d液化，比例降到在20%以下。表明当CSTR反应器的停留时间延长，发生甲烷化反应。在最终UASB反应器中，厌氧主要在产甲烷阶段进行，CODv/CODd回落至5%左右。
由图6b可见，虽然两组试验的停留时间和负荷各不相同，但从试验的结果来看UASB的去除效率却基本相同，VFA的去除率为90%左右，对COD的去除率为83%左右。VFA的去除效率较好，产酸相产生的挥发酸基本在反应器中得到降解。COD的去除率不如VFA，这是因为UASB进水中，除了VFA外，还有一部分不溶性COD尚未水解为可溶性COD，这部分COD没有在反应器中得到去除。
3.5 新工艺的生产性应用
目前，工业废水和小型生活污水处理厂，普遍采用对好氧剩余污泥直接脱水的 方法 处理污泥。剩余活性污泥存在着耗药量大，脱水比较困难的缺点。北京市中日友好 医院 污水处理厂日处理水量为2000m3/d，原污泥的处置方案为活性污泥经浓缩后，运至城市污水处理厂消纳，但在实际运行过程中经常出现由于污泥无稳定出路，而影响污水处理厂运转的情况。为了使活性污泥得到稳定的处置，实际工程中采用的一体化设备如图7所示，各反应器的停留时间分别为：
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反应器
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污泥酸化池
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中间分离池
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UASB反应器
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停留时间(d）
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5
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1
|
1
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二沉池排出的剩余污泥首先排入污泥酸化池进行水解酸化处理，然后进入中间分离池，该池排出的上清液进入UASB反应器，进行高浓度、低悬浮物有机废水的降解;从中间分离池排出的污泥经测定已基本稳定化，污泥量较常规处理减少了三分之二，脱水性能大大改善;而且病菌和虫卵杀灭率达到99.99%，完全符合国家关于医院污水厂污水污泥无害化标准，从而彻底解决污泥消纳的 问题 。
4 结论
本文对污泥水解和液化以及污泥稳定性等概念进行了定义。通过厌氧稳定性试验、污泥碱解试验和污泥液化等试验方法对污泥稳定化程度评价指标进行了深入的对比研究，提出液化试验可以作为简单可行的污泥稳定化(降解程度)指标的试验方法。
同时根据我国城市污水处理发展的现状，通过对于厌氧处理工艺的综述研究，将现有的相关成熟技术最大程度的集成和整合，研究突破整合过程中的技术难点和关键，提出了多级厌氧处理工艺。本研究在 理论 分析 和试验研究的基础上，以城市污泥为对象进行了多级厌氧消化工艺的试验研究，并在工程上进行验证。结果证实工艺是可行的，可使污泥在较短的总停留时间(T=7 d)达到稳定化。
参考 文献 ：
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