城市污水處理廠優(yōu)化污泥處理系統(tǒng)的研究
1 引言
水環(huán)境是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)能否良性循環(huán)、發(fā)展的制約因素之一，改善和保護水環(huán)境是保護整體環(huán)境的前提。改善和保護水環(huán)境首先要對生活污水和工業(yè)廢水進行治理，然而在污水處理過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。這種污泥中含有有機物、重金屬、病原菌等，若處理不當很容易造成對環(huán)境的二次污染，使污水處理廠不能充分發(fā)揮其功能。另外，污泥處理和處置費用在整個污水處理廠處理費用中占到40%左右。可見，無論在污染控制上還是在運行費用上，污泥處理和處置都起到舉足輕重的作用。因此，對污泥處理系統(tǒng)的研究具有重要意義。
污泥的處理和處置主要有減量化、穩(wěn)定化、資源化。城市污水處理廠污泥的穩(wěn)定化技術主要有厭氧消化、好氧消化、污泥堆肥以及污泥焚燒等。污泥濃縮、脫水以及焚燒是污泥減容的主要技術。填埋、焚燒、作農肥、投海和制造建筑材料等是目前污泥處置和綜合利用的主要途徑。
一些較發(fā)達國家的污水污泥處理已經比較完善，如德國，其污水處理已經進展到除磷脫氮的普及階段，污泥處理在普及脫水階段的基礎上，開始步入污泥烘干階段。污泥基本上都經過濃縮、消化、脫水處理，污泥消化產生的沼氣普遍用于發(fā)電。為防止污泥對農作物生長的不良影響以及二次污染，德國已經不準將污泥用于農田。在日本，污泥處理工藝比較先進，主要工藝流程有：
（1） 濃縮→脫水→焚燒；
（2） 濃縮→消化→脫水→焚燒；
。3） 濃縮→消化→脫水。
該三種處理工藝占日本全部污泥處理的70%以上，可見，日本污泥最終處置已以污泥焚燒為主導工藝（目前占60%以上）。
近十年來，我國城市污水處理有了較大的發(fā)展，全國已建成400多座城市污水處理廠，城市污水處理率34%以上，全國已建成的污水處理廠中采用污泥中溫消化的污水處理廠約占25%，采用污泥濃縮脫水的污水處理廠約占60%，另外還有小部分采用好氧消化和污泥自然干化處理。我國城市污水處理廠污泥處理起步較晚，在國家“七五”、“八五”、“九五”科技攻關中，對污泥處理和處置做了大量的研究工作（以天津為主要科研基地），使我國的污泥處理技術得到了一定程度提高，但與國外先進國家相比，污泥處理和處置還有一定差距。我國大多數(shù)較早建設的污水處理廠沒有完善的污泥處理系統(tǒng)，新建較大型污水處理廠雖然一般都有比較完善的污泥處理工藝，但真正完全投入運行且運行情況良好的還不多，利用污泥消化產生的沼氣發(fā)電的更少。究其原因，一方面是我國經濟實力所限，另一方面是我國污泥處理起步較晚，缺乏設計及運行經驗。
目前，我國除了不斷引進、吸收國外先進成熟的污水污泥處理新工藝和新技術外，更為關鍵的是要對我國現(xiàn)有典型的污水處理廠污泥處理系統(tǒng)進行大量研究、測定與分析，從我國國情出發(fā)，總結自己的經驗，因地制宜地采用合理的污泥處理工藝、處置方式和設計參數(shù)，提高我國污泥的處理和處置水平。本文主要以高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)為研究對象，分析在實際測定資料基礎上的初步結果。
2 高碑店污水處理廠現(xiàn)況
高碑店污水處理廠是我國目前最大的二級城市污水處理廠，處理能力為100萬m3／d，分為一期50萬m3／d（Ⅰ系列和Ⅱ系列）和二期50萬m3／d（Ⅲ系列和Ⅳ系列），自1993年建成投產以來，污水處理工藝運行良好，污泥處理系統(tǒng)中的濃縮、二級污泥中溫厭氧消化、脫水也已投入運行。目前，利用沼氣發(fā)電也已開始運轉。高碑店污水處理廠現(xiàn)在實際處理污水量最大可達80萬噸／天，污水處理工藝比較典型（A－O及A－A－O），污泥處理系統(tǒng)也比較完善。二期工程工藝（第Ⅲ系列和第Ⅳ系列）為曝氣池前置1／9段缺氧區(qū)，第Ⅳ系列還設置了曝氣池內回流，以提高對N的去除率。
為了使高碑店污水處理廠處理水資源化再利用工程的順利安全實施以及更好地保護環(huán)境，目前正在對高碑店污水處理廠一期工程進行改造，以改善其出水水質，提高N、P的去除率。改造后的一期工程污水處理工藝為倒置型A－A－O工藝，污泥處理工藝也不同于二期工程（其二沉池剩余污泥泵入初沉池，然后與初沉污泥一起進入污泥濃縮池，濃縮后再進行消化和脫水）。為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單獨進行機械濃縮，初沉池污泥仍進原有濃縮池，同時將濃縮池改造為濃縮酸化池，其上清液作為碳源排入水處理系統(tǒng)。將消化池上清液和脫水機濾液及沖洗水收集后進行化學除磷。這樣，高碑店污水處理廠將會有三種不同的污水處理工藝和兩種污泥處理工藝。污泥來自污水，二者相輔相成，污泥的特性及組分必然隨污水處理工藝的不同而有所不同，同時，不同的污泥處理工藝對污水處理效果也有一定影響。因此，對高碑店污水處理廠污水、污泥處理工藝進行總結、研究和分析，并進行必要的實驗，對今后污水處理廠的設計、運行以及老廠的改造具有重要參考和指導意義。
高碑店污水處理廠污泥處理工藝流程如下：
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3 研究內容
為了系統(tǒng)的研究高碑店污水處理廠污泥處理系統(tǒng)，以及污水處理系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)之間的相互影響，在北京市科委支持下，我們與高碑店污水處理廠合作，正在進行城市污水處理廠優(yōu)化污泥處理系統(tǒng)的研究。研究內容主要有：
。1）對高碑店污水處理廠進水水質進行測定
測定進水水質，包括COD、BOD、N、P以及重金屬如Cu、Cr和Zn等。污泥產生于污水，污泥的成份必然隨污水水質的不同而不同，只有將二者結合起來對污泥進行研究，才會對今后同類污水處理廠的設計與運行具有真正的指導意義。
。2）對高碑店污水處理廠污泥特性及污泥處理單元的運行情況進行分析
測定初沉污泥、混合污泥（混合污泥是指剩余污泥回到初沉池后與初沉池污泥的混合污泥）、二沉剩余活性污泥、濃縮污泥、消化污泥和脫水后污泥的含水率（含固率）、揮發(fā)性固體（即有機物含量）、熱值、肥分、大腸桿菌及重金屬含量等；測定污泥處理工藝中各階段污泥中N、P含量，并測定原水及二沉池出水中N、P的含量，分析不同污水處理工藝對N、P的去除情況以及其對污泥性能和污泥處理工藝的影響；高碑店污水處理廠一期工程中消化池的攪拌形式采用沼氣攪拌，二期工程攪拌形式為機械攪拌。通過示蹤劑等方法，分析兩種不同攪拌形式的攪拌效果；測定實際運行條件下的產氣量及CH4含量，考察消化池的運行情況；考察加藥種類、加藥量等與脫水性能的關系。
通過上述測定和研究，探討污泥處理系統(tǒng)的設計參數(shù)，了解污水處理系統(tǒng)的不同對污泥處理系統(tǒng)的影響，污泥處理系統(tǒng)的不同對污水處理廠出水的影響，為今后污水處理廠的設計提供技術支持。
4 進展情況和初步結果
該研究從2002年1月份開始，已進行了春、夏、秋、冬四個季度的測定工作和部分污泥脫水性能的試驗。測定內容包括：原水、初沉池出水、二沉池出水水質；污泥處理工藝各階段污泥的常規(guī)參數(shù)；混合污泥、剩余污泥、消化污泥的脂肪、蛋白質含量；泥餅的熱值、重金屬含量等。其中水區(qū)測定的是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ系列，泥區(qū)測定的是一期工藝。測定工作主要在高碑店污水處理廠化驗中心進行，污泥脫水性能的研究目前主要在實驗室進行。消化池攪拌效果評價正在準備過程中，整個研究預期在2003年底完成。下面僅對2002年的測定資料進行初步分析。
（1）水質測定初步分析
2002年水質測定結果
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注：#：因實際運行調整，所有IV系列有關數(shù)據(jù)均為冬、春、夏三個季度測定數(shù)據(jù)（下同）。
*：脫水機沖洗混合液是指脫水濾液和濾布沖洗水的混合液。
表1給出2002年水質測定中主要參數(shù)、不同測點的各季平均值的變化范圍。因為高碑店污水處理廠運行過程中存在固體內循環(huán)，故出現(xiàn)初沉池進水中各項水質指標遠高于處理廠進水水質指標。分析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，高碑店污水處理廠進水、濃縮池上清液和消化池上清液變化范圍較大，進水水質夏季好于秋冬季，濃縮池上清液和消化池上清液的變化大的原因尚需進一步研究。但出水水質變化不大，三種不同的水處理工藝出水沒有明顯的差別。II系設有脫氮除磷的功能，但從測定結果看，其除磷效果只稍微優(yōu)于III、IV系列，而脫氮效果還不如III系列。這主要是因為在測定其間II系列污泥系統(tǒng)的改造還沒有完成，剩余污泥仍然是進入初沉池與初沉污泥一起進入濃縮池，使脫氮除磷的功能就沒有很好地發(fā)揮出來。對高碑店污水處理廠進水及二沉出水中的主要重金屬進行測定結果表明，除鎘外其它主要重金屬含量均能滿足《農田灌溉水質標準》中的要求（表略）。
（2）污泥特性初步分析
高碑店污水處理廠混合污泥、二沉剩余污泥、消化污泥及泥餅含水率與其它污水處理廠沒有大的差別（見表2）。初沉污泥有機份含量為45%～60%，剩余污泥有機份含量在50～70%。II系列剩余污泥中的TP略高于III、IV系列。
高碑店污水處理廠污泥有機物中的三項主要成分（脂肪、蛋白及碳水化合物）含量在表3中給出，表中的數(shù)據(jù)為2002年5、7、8、10、11月份測定的結果。從測定結果可看出，高碑店污水處理廠的污泥屬于高碳水化合物、高蛋白、低脂肪的污泥，這種污泥產氣率偏低。
表2 污泥測定結果
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表2 污泥測定結果
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表3 污泥中脂肪、蛋白及碳水化合物
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2002年對高碑店污水處理廠泥餅熱值的測定結果為：濃縮污泥經脫水后熱值為9.83～14.36 MJ／kg，消化后污泥經脫水后泥餅熱值為11.12 MJ／kg，混合污泥（消化污泥與濃縮污泥混合）經脫水后泥餅熱值為10.98～11.91 MJ／kg？梢，泥餅的熱值一般在10 MJ／kg以上，是一般煤的燃燒熱值（30 MJ／kg）的1／3以上，如果將污泥混入煤中作為燃料燃燒將有較大的經濟效益，同時也為城市大量的污泥處理提供了一種變廢為寶的可行方法。
5 小結
由于本課題目前正在進行中，測定數(shù)據(jù)還不全面，而且在2002年測定時，高碑店污水處理廠一期工程改造還未完成，因此，還需進一步測定數(shù)據(jù)。通過前一階段的研究，初步得出如下結果：高碑店污水處理廠的污泥屬于高碳水化合物、高蛋白、低脂肪的污泥，這種污泥產氣率偏低；旌衔勰嘤袡C份含量為45%～60%，剩余污泥有機份含量在50%～70%；泥餅的熱值為9.83～14.36 MJ／kg，是一般煤燃燒熱值的1／3以上，可考慮將其混入煤中作為燃料使用。
為了進一步分析不同水處理工藝對污泥特性的影響，待一期改造完成后，應進行水處理工藝與污泥特性之間關系的測定分析；利用示蹤劑方法分析消化池的攪拌效果，分析消化池的運行情況；進行污泥脫水性能試驗，找出較適合于高碑店污水處理廠污泥的脫水藥劑及較適宜的投藥量；評價脫水污泥的綜合利用價值，分析其可能的最終處置途徑。
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