医用污水处理器原理

孟想成真

医用污水处理器原理是城市污水处理厂运行的必然产物。大量剩余污泥的产生已经成为污水处理厂必须面对的棘手问题。当前我国废水处理的主流模式是集中生化处理，由于污泥处置的投资大，故往往把污水处理和污泥处置分开，形成先污水处理后污泥处置的局面，污水处理厂产生的大量剩余污泥没有引起足够的重视，再加上长时间来我国片面强调污水处理重要性，忽略对污泥处理技术的发展和资金投入，使得我国的污泥处理与处置水平严重滞后于污水处理的发展。
剩余污泥通常含有相当量的有毒有害物质(如寄生虫卵、病原微生物、重金属)及未稳定化的有机物，如果不进行妥善的处理与处置,将会对环境造成直接或潜在的污染。但剩余污泥的处理处置工艺的投资和运行费用昂贵，一般约占污水处理厂总投资的 30%～40 %，甚至能占到 60 %，污泥处理费用占据污水处理厂总运行费用的 20 %～50 %。城市生活污水生物处理工程中污泥产生的主要环节为：格栅、沉砂池、初沉池和二沉池。目前城市污水处理场大多数采用二级处理工艺。
1 污水处理实验设备
污泥减处理与处置的目标
　　污泥处理与处置应首先考虑到污泥的减容和利用。污泥减量化、稳定化、无害化处理后作为资源已经成为一种主流。所以污泥处理与处置主要有以下四大目标：
(1)减量化：减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用;
(2)稳定化：通过处理使污泥稳定化，最终处置后不再产生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染;
(3)无害化：达到污泥的无害化与卫生化，如去除重金属或灭菌等;
(4)资源化：在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、保护环境的目的，如产生沼气等。
1 常见的城市污泥处理处置方法及存在的问题
1.1 填埋
　　污泥卫生填埋技术始于20 世纪60 年代是根据环境保护要求，对传统埋方的改进。污泥可单独或与其他固体废弃物(如城市垃圾)一起填埋，今已经是一种比较成熟的污泥处置技术。这种技术的优点是投资少、容量大、见效快。但其中存在着以下问题：
(1)污泥填埋对污泥的土力学性质(以剪切强度表示：横向剪切强度>25kN/m2)要求较高，需要有大面积的场地和大量的运输费用;
(2)剩余污泥脱水后，一般仍然具有 75 %左右的含水率，因此污泥填埋场地基必须作防渗滤处理，否则就会污染地下水资源;
(3)污泥填埋将会加大埋场压实机械工作难度，同时使填埋场的卫生状况愈加恶劣，也给周围环境带来极大的影响;
(4)近年来各国出于对土地和环境保护的角度，提高了填埋场选址、工艺和污染物处理标准等方面的要求和管理，导致了污泥填埋成本的显著升高。污泥的土地利，有两种方式：农用及园林绿化。污泥的土地利用既可以充分利用 污泥中的养分，又可以解决污泥的最终出路问题，减少污泥对环境造成的二次污染。尹军等研究认为污泥土地利用过程中，应该通盘考虑重金属、病原菌及有毒有机物等污染物质对环境和人类造成的影响，确定合理的污泥施用量与施用年限，使污泥土地利用工作能够合理而安全地进行。　　
1.1 厌氧消化工艺
20 世纪 80 年代以前，大多数的活性污泥均采用厌氧消化法处理，杀灭微生物病菌并生产部分可利用的沼气。影响厌氧消化的影响冈素主要有温度，分为低温、中温和高温二种消化温度;酸碱度，碱度一般应在 100～150 度(以CaO 计);搅拌方式，搅拌可以缩短消化时间，并在一定程度上提高产气量;生、熟污泥配比，投配率一般在 5 %～12 %;碳氮比，一般碳氮比为(10～20)∶1 时，消化效果较好;有毒物质，主要是重金属离子和某些阴离子。在常温厌氧污泥消化的停留时间分析研究中发现，常温消化的反应速率、产气率、有机物分解率均明显低于高、中温消化，为获得同一程度的产气率和有机物分解率，常温消化需 150 d 以上的停留时间，而中、高温则为 12～30 d。由于污泥水解速率低，传统的厌氧消化存在消化速率低、停留时间长(20～30 d)、处理效率低(挥发性固体VS 的去除率 30 %～40 %)等不足。近年来，人们对污泥的预处理进行了大量研究，以期改善污泥的厌氧消化性能，提高处理效率，增大甲烷产量。
1.2 城市污泥好氧消化
　　污泥好氧消化的实质就是是微生物处于内源呼吸阶段，微生物利用氧气、分解可降解的有机物。污泥好氧消化技术早在上世纪 60～70 年代就已经得到了发展，起初是为了减少污泥中的有机物而限制污泥发酵作用，起减少臭气，稳定污泥的目的。污泥好氧消化同时可以减少污泥中的致病微生物数量。另外无你在好氧消化过程中，微生物细胞发生自溶反应是污泥减量，并释放出能量有助于保持较高的温度(40～60 ℃)，导致二氧化碳释放铵态氮的增溶溶解。污泥好氧好氧消化工艺曝气时间长，能耗大，在反应后期由于硝化反应积累产生大量的酸性物质使反应体系内的 pH 降低，抑制消化反应的顺利进行，因此必须向体系内投加碱维持反应进行。目前新研发的适用于中小型污水处理厂自动升温好氧工艺(Auto-Thermophilic Aerobic Digestion，ATAD)不仅能克服传统好氧消化工艺的缺点，而且还具有消化速度快、占地少、构造简单等优点，但是产生的泡沫太多，不易控制且产生的臭味较大。
2 城市污泥处理处置的新技术
2.1 污泥缺氧/好氧消化技术
　　污泥的好氧/缺氧消化工艺适用于小型污水处理厂(≤20000m3/d)，与好氧消化工艺比较，其曝气时间缩短，能耗降低，同时反应过程中可以利用缺氧段反硝化作用所产生的碱度缓冲好氧消化反应过程中产生酸性物质，防止反应器中 pH 下降。张艳萍、彭永臻研究表明好氧/缺氧消化能够满足污泥稳定的要求，在常温条件下，消化 16 d，VS 去除率即可达到 38.2 %，同时好氧/缺氧消化对污泥中总氮的去除率高于传统的好氧消化，达到 36.4%，而且能够降低消化污泥上清液中的氨氮和硝态氮浓度。因此污泥好氧/缺氧在节能、提高总氮去除率、维持 pH 和碱度平衡等方面优于传统的好氧消化。
2.2 细菌捕食
　　有些细菌对污泥减量化能起促进作用，例如乳酸菌，乳酸菌最大的特点就是能产生大量的乳酸降低周围环境的 pH 呈酸性可抑制污泥系统中某些菌群大生长。乳酸菌能利用污泥中的某些还原性物质进行生长代谢，从而起到了降解污泥的作用。污泥中大多存在肠道病原菌和寄生虫，乳酸菌能分泌抑菌素，降低污泥的毒性但其作用效果受污泥浓度和发酵时间制约。由于其本身分解代谢时所需的营养物质如葡萄糖等。从污泥中都得不到有效满足，妨碍了正常的生长。所以若只用乳酸菌处理污泥，其处理效果维持时间一般不会太长这一点看乳酸菌在污泥处理中实际是起辅助作用。姚飞等研究表明在研制的复合菌剂中，乳酸菌将是保证环境 pH 稳定的菌，同时也具有一定的污泥降解能力及除臭能力。与其他有益菌综合作用，相辅相成，更有效地降解污泥;
2.3 生物细胞溶解系统
　　通过强化细菌的隐性生长也可以达到污泥减量的目的。所谓隐性生长是指细菌利用衰亡细菌所形成的二次基质生长。整个过程包含了溶胞和生长。利用各种溶胞技术，使细菌能够迅速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用，是在污泥减量过程中广为应用的手段。促进细胞溶解，在传统模型中可以认为是增大了细胞衰减速率，这样可以降低剩余污泥的产量;
2.4 臭氧减少剩余污泥量
　　臭氧氧化使污泥减量的机理是：臭氧的强氧化性能通过各种作用破坏污泥中微生物的细胞壁，使细胞质进入到污泥中。对回流污泥使用臭氧氧化，能使回流中 COD 增加，加大了细胞的可生化性，使剩余污泥量减小。污泥臭氧氧化期间，生物体的降解可用两种机理描述：
3(1)污泥中的生物细胞被破坏分解;
(2)矿化，即溶解的有机物在后续氧化时转变成 CO2。
　　溶解的有机物在后续氧化时转变成 CO2。王琳等用接触反应柱对污泥在臭氧氧化过程中性质的变化进行了研究。在臭氧投量为 0.1 g 时，污泥中的溶解性 COD 质量浓度从 256 mg/L 增加到 2126 mg/L，污泥沉降速度由初始的 0.19 cm/min 增至 1.43 cm/min，滤饼的含水率由初始的 76.6 %降至 70.6 %。臭氧氧化后污泥絮体被分解，产生大量悬浮粒子，使污泥上清液的浊度和悬浮物浓度增加。
　　臭氧氧化处理后污泥的过滤性能恶化，污泥比阻增大。在日本的 Shima 污水处理厂应用臭氧技术运行了 9 个月而没有剩余污泥产生。这一运行效果是由于臭氧对部分回流污泥进行臭氧氧化所致，由此提高其生化降解性并在曝气池中强化生物氧化降解。该厂处理污水量为 450 m3/d。试验证明，污泥减少量与臭氧投加剂量和被处理的污泥量成比例。该厂试验证明，为完全消除剩余活性污泥所需的臭氧剂量为每千克污泥 0.034 kg 臭氧，而需要处理的回流污泥量为常规污水处理厂剩余污泥量的 4 倍。
4 结语
　　城市污泥的处理和处置要充分考虑社会、经济、环境等各方面因素。城市污泥作为一种固体废物，其自身潜在的价值有待开发。目前中国常见的处理处置措施是填埋和堆肥，其它技术如污泥厌氧中温消化发展迅速，已经开始大规模应用。而发达的国家和地区由于土地的限制，也有将其进行焚烧处理的。总之污泥安全有效地处理处置需要政府、科研机构以及社会大众的共同参与才能完成。

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