污泥的性質(zhì)和成分相對于生活污水更復(fù)雜，受到污水以及處理方式等多因素的影響，剩余污泥處理處置不僅難度大，而且費用較高(占污水總處理費用的30%〜60%)，導(dǎo)致國內(nèi)長期存在“重污水處理，輕污泥處理處置”的傾向，進(jìn)而使得污泥處理處置技術(shù)發(fā)展滯后，嚴(yán)重落后于污水的處理技術(shù)囚。截至2019年2月底，全國設(shè)市城市累計建成污水處理廠5500多座，污水處理能力達(dá)2.04x109m3/d，年產(chǎn)生含水量80%的污泥5000多萬噸(不含工業(yè)污泥4000多萬噸)。大量剩余污泥的產(chǎn)生成為世界污水處理廠所必須面對的棘手問題，而我國這一問題更為嚴(yán)重。
目前，由于處理處置費用高昂以及存在潛在的二次環(huán)境污染風(fēng)險，傳統(tǒng)的污泥處理與處置的可持續(xù)性差，人們開始由污泥的末端治理轉(zhuǎn)向源頭控制。近年來，作為源頭控制的污泥原位減量技術(shù)成了研究熱點。超聲波污泥減量的原理即是基于細(xì)胞粉碎后釋放出胞內(nèi)物質(zhì)，作為營養(yǎng)物質(zhì)供微生物生長，從源頭控制污泥減量的技術(shù)。本研究以城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥為研究對象，對超聲波污泥減量技術(shù)進(jìn)行工程應(yīng)用研究，以考察污泥減量效果及其對污水廠生化系統(tǒng)的影響。
一、試驗裝置與方法
1.1 試驗裝置
本研究所采用的超聲波污泥減量裝置如圖1所示，該裝置是由中國船舶第七一五研究所開發(fā)研制，主要由集裝箱、螺桿泵、切割機、超聲波處理設(shè)備、控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng)組成。超聲波污泥減量裝置裝機功率15kW，處理污泥量1~5m3/h，污泥破壁率大于2%。
1.2 試驗方法
以浙江金華某污水處理廠A區(qū)和B區(qū)兩條平行運行的污水處理系統(tǒng)為比較對象。A區(qū)作為超聲組，部分剩余污泥經(jīng)超聲波作用后返回生化池A區(qū)缺氧段，工藝流程圖見圖2，B區(qū)作為對照組。通過比較A區(qū)與B區(qū)好氧池出水水質(zhì)，評價超聲波污泥減量對原生化系統(tǒng)的影響。通過比較試驗前后污水廠污泥排放量，檢驗超聲波污泥減量效果。
1.3 分析方法
污泥上清液COD、TN、TP：泥樣經(jīng)自然沉降12h，取上清液送樣至污水處理廠化驗室，稀釋合適倍數(shù)，COD采用快速消解分光光度法檢測，TN、TP按照國標(biāo)方法檢測。
污泥含水率：由水分分析檢測儀檢測。
污泥產(chǎn)生量：取自污水處理廠日報表。
二、結(jié)果與討論
2.1 超聲污泥處理后上清液水質(zhì)指標(biāo)的變化
分別取二沉池、濃縮池污泥進(jìn)行超聲波污泥處理預(yù)實驗，超聲功率1kW，處理量0.25m3/h，經(jīng)超聲波處理后污泥上清液的主要水質(zhì)指標(biāo)變化見表E其中處理后2是一次重復(fù)試驗。由表1可知，污泥經(jīng)過超聲波處理后，污泥上清液COD、TN、TP均有增加。說明超聲波處理污泥過程產(chǎn)生空化現(xiàn)象，能夠破解污泥中微生物的胞外聚合物、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)以及有機物殘體等。大部分超聲破解污泥的研究都發(fā)現(xiàn)污泥的超聲破解過程中有機物、氮、磷從污泥固相向液相轉(zhuǎn)變同。分析認(rèn)為超聲波對污泥的作用有三個方面：其一是將菌膠團(tuán)打散，使其中的可利用物質(zhì)暴露出來；其二是擊破微生物細(xì)胞，使其內(nèi)部物質(zhì)釋放出來，后者可作為碳源和催化劑；其三是將一些難降解物質(zhì)轉(zhuǎn)化成易降解物質(zhì)。
COD，TN、TP的釋放不但和能量輸入有關(guān)，也和污泥特性有關(guān)。由于濃縮池污泥濃度是二沉池的2~5倍，污泥有部分厭氧作用，變化更為明顯。經(jīng)過超聲波作用后，污泥上清液COD增加幅度差異最大，二沉池污泥增加約20mg/L，濃縮池污泥增加200mg/Lo很明顯，超聲處理濃縮池剩余污泥非常適用于污水處理廠進(jìn)行超聲波污泥減量工程。
2.2 超聲污泥減量對出水COD的影響
如圖3所示，超聲組與對照組生化池出水COD變化趨勢相同，經(jīng)計算，超聲組平均值為43.67mg/L，對照組平均值為43.59mg/L。超聲污泥減量對系統(tǒng)出水COD影響較小的原因：一是污泥經(jīng)超聲處理后，被束縛在微生物細(xì)胞內(nèi)的有機物被釋放出來，這些有機物屬于易降解的物質(zhì)，可以直接被微生物利用而降解；二是超聲波可以使大分子有機物分解成小分子，由不易被生物利用的有機物變?yōu)橐妆簧锢玫挠袡C物，有利于污水處理中去除難降解有機物冋；三是超聲處理過程中未被破碎的細(xì)胞也會參與對有機物COD的去除?；谝陨显?，超聲波污泥減量不會影響系統(tǒng)岀水COD的變化。
2.3 超聲污泥減量對出水TN的影響
如圖4所示，超聲組與對照組生化池出水TN變化趨勢相同，超聲組平均值為9.66mg/L，對照組平均值為10.62mg/Lo超聲組出水總氮降低的原因可能是此時的進(jìn)水總氮濃度降低，而進(jìn)水COD濃度基本沒有變化，使得超聲組進(jìn)入缺氧池的碳氮比增加。由于在缺氧段，異養(yǎng)型兼性反硝化菌成為優(yōu)勢菌群，反硝化菌利用污水中可降解的有機物作為電子供體，以硝酸鹽作為電子受體，將回流混合液中的硝態(tài)氮還原成氣態(tài)氮而釋放，從而達(dá)到脫氮的目的[隔。污水中的碳氮比高，則其中可降解有機物濃度就高，就可以為反硝化過程提供充足的碳源，促進(jìn)反硝化過程的進(jìn)行，脫氮效果就好。在超聲試驗組工藝線的缺氧池投加破解污泥，作為碳源以供反硝化菌利用，雖然能提高去除率，但系統(tǒng)仍需要補充乙酸鈉作為碳源，才能滿足反硝化的要求。
2.4 超聲污泥減量對出水TP的影響
如圖5所示，超聲組與對照組生化池岀水TP變化趨勢一致，超聲組平均值為0.28mg/L，對照組平均值為0.25mg/Lo分析認(rèn)為，磷的去除主要是利用污泥當(dāng)中的聚磷菌微生物，能夠過量地從外部環(huán)境體系攝取磷，并將磷以聚磷酸鹽的形態(tài)貯藏在菌體內(nèi)，形成含磷較高污泥，排出系統(tǒng)外，從而達(dá)到除磷的目的。本研究出水TP影響不大的原因可能是由于超聲污泥回流過程中補充了聚磷菌與反硝化菌生長所必須的碳源和其他營養(yǎng)物質(zhì)，使聚磷菌成為優(yōu)勢菌，提高系統(tǒng)的除磷能力。但超聲污泥回流也會給系統(tǒng)增加更多的磷，使得污泥中增加的聚磷菌把投加超聲污泥中的磷吸收。超聲污泥減量過程把含磷污泥破碎又回到系統(tǒng)，如果回流比過高，使高磷污泥不能及時排出反應(yīng)器，從而增加了出水磷濃度。本研究超聲處理剩余污泥的比例為50%，出水均未超出城鎮(zhèn)污水處理廠一類A級標(biāo)準(zhǔn)。
2.5 超聲污泥減量對污泥產(chǎn)量的影響
本研究試驗污泥減量評價取上一年同期(即2018年9〜11月)與試驗期間(即2019年9〜11月)進(jìn)行對比(表2)。有機負(fù)荷是生化產(chǎn)泥的最主要影響因素，通過有機負(fù)荷比例的修正會得到相對比較準(zhǔn)確的結(jié)果。污泥減量率RSP(%)采用如下公式計算：
式中，為當(dāng)年某期間污泥產(chǎn)量;購是前一年同期間污泥產(chǎn)量；s為修正系數(shù)，是前一年同期有機負(fù)荷與當(dāng)年某期有機負(fù)荷比值。
本研究中，污水處理廠A區(qū)作為超聲污泥減量試驗組，B區(qū)作為對照，共用污泥脫水系統(tǒng)，A區(qū)超聲組污泥減量率按系統(tǒng)修正減量率的2倍核算。根據(jù)表2的統(tǒng)計，2019年9〜11月，污水處理廠有機負(fù)荷為255t，污泥絕干量為114.5t；2018年同期，有機負(fù)荷184t，污泥絕干量為96.18to經(jīng)計算修正減量為14.1%，即超聲污泥減量組污泥減量28.2%。
三、結(jié)論
(1)剩余污泥經(jīng)過超聲波處理后，污泥上清液COD、TN、TP均有增加，濃縮池污泥更適合于超聲波污泥減量工程化應(yīng)用。
(2)超聲組與對照組生化池岀水COD、TN、TP變化趨勢相同，試驗采用50%剩余污泥超聲回流，出水COD.TP略高于對照組，TN低于對照組1.0mg/L。超聲污泥減量的同時，可以為生化系統(tǒng)補充適量的碳源，提高系統(tǒng)脫氮能力。
(3)超聲波污泥減量系統(tǒng)運行后，未對污水處理廠生化系造成影響，超聲波污泥減量28.2%。
(4)超聲波污泥減量不僅減少污泥的產(chǎn)生量，還可以解決污水脫氮除磷過程中碳源不足的問題，其社會效益、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境效益顯著。（ >
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