關鍵詞：污泥水;污水處理;污泥脫水;深度脫水;

前言

污泥是指污水處理過程中所產生的固態、半固態及液態的廢棄物。污泥處理就是降低污泥含水率使污泥減容化、穩定化的過程, 其工藝通常由污泥濃縮、穩定和脫水等單元組成, 污泥穩定多采用厭氧消化和石灰穩定 (深度脫水) 法。伴隨著污泥含水率的降低, 污泥處理會產生大量污水, 即污泥水。污泥水主要包括濃縮池上清液、厭氧消化池排出的上清液和脫水車間排出的濾液。污泥水具有體積小 (水量僅為污水處理廠進水的1%~2%) 、污染物濃度高、溫度高 (30℃左右) 等特點, 分別占全廠COD、氮和磷負荷的5%~20%、10%~80%和10%~50%[3~5]。污泥水直接回流至進水口, 既會造成污染物重復處理, 又易導致出水難以達標[6,7], 因此, 明確污泥水水質特性, 開發其處理技術對污水處理廠的穩定運行也具有重要意義。

1 污泥水來源與水質特性

不同污水處理廠的污泥水性質由于污水處理工藝、污泥來源 (初沉池污泥、剩余污泥等) 、污泥處理工藝等的不同而存在較大差異。

消化污泥水懸浮物 (SS) 濃度相差很大, 這與厭氧消化的排泥方式有關。消化上清液的SS較低, 如果不排放則其污泥水SS可高達22g/L。各類污泥水含氮污染物濃度均較高, 且溶解性氮主要以氨氮形式存在。污泥在機械濃縮和脫水過程, 間隙水被擠出, 部分胞外聚合物溶出, 所以有機污染物、氮和磷濃度較高。同時在濃縮、脫水和厭氧消化的厭氧環境下污泥中磷又重新釋放, 所以污泥水含磷量很高, 且大部分以磷酸根形式存在。深度脫水污泥水呈現高pH、高鈣和低磷的特點, 這主要是因為污泥調理階段石灰和FeCl3的加入, 造成磷酸根與Ca2+和Fe3+反應生成沉淀而去除。

2 污泥水處理技術

2.1 污泥水物化處理技術

2.1.1 SS去除技術

由表1知, 污泥水SS濃度高, 波動范圍大, 而化學需氧量 (COD) 、總氮 (TN) 和總磷 (TP) 主要以顆粒態和膠體態存在, SS去除是降低污泥水中污染物的關鍵。劉范嘉等研究了混凝沉淀對污泥濃縮池上清液和脫水濾液的處理效果, 發現聚丙烯酰胺 (PAM) 比聚合氯化鋁 (PAC) 產生的絮團大, 更容易沉淀, PAM混凝對SS、COD和BOD5的去除率在90%以上。周振等比較了PAC、聚合氯化鐵 (PFC) 和PAM對濃縮脫水污泥水的預處理效果, 發現投加PAC會導致污泥沉降性能惡化。而投加PFC和PAM均能改善污泥水沉降性能。

2.1.2 吹脫法去除氨氮

pH>10時, 氨氮主要以NH3存在, 采用吹脫法可以將其去除。Gu2tin等研究了pH、溫度和氣體流速對吹脫去除厭氧消化上清液中氨氮的影響, 其氨氮和總氮去除率可達92.2%和88.3%。吹脫法對高pH、高堿度的深度脫水污泥水的氨氮去除具有更好的效果, 并能同步降低污泥水pH, 有助于其后續處理。深度脫水污泥水吹脫時, 需要考慮碳酸鈣結垢問題。

2.2 污泥水生物脫氮技術

荷蘭應用水研究基金會的研究表明, 與回流至污水處理工藝相比, 單獨處理高氨氮的污泥水 (見表1) 對污水處理廠升級和節省處理費用具有重要意義。

2.2.1 傳統脫氮技術

由表1知, 污泥水BOD₅/TN低于4, 不能滿足常規硝化-反硝化脫氮的碳源要求。于莉芳等采用序批式反應器 (SBR) 處理污泥厭氧消化液時, 氨氮去除率可達99.3%, 但碳源不足導致其TN去除率僅為38.1%。陳青青等采用SBR處理污泥厭氧消化液時, 氨氮和TKN去除率可達99.3%和97.4%, 但TN去除率僅為24.3%。劉范嘉等采用膜-生物反應器 (MBR) 強化脫氮除磷中試系統處理混凝沉淀后的濃縮脫水污泥水時, 出水COD、BOD5、氨氮、TN和TP濃度分別可達70.8 mg/L、8.7mg/L、15.1mg/L、29.7mg/L和0.38mg/L。

除碳源匱乏外, 傳統的濃縮脫水污泥水往往面臨堿度不足的問題。Hu等研究發現, 向污泥水處理MBR中投加碳酸氫鈉堿度能夠將其COD去除和硝化效率分別提高14.6%和38.3%, 并能緩解膜污染, 實現硝化菌的富集。為了降低成本, 也可以將高pH的深度脫水污泥水作為堿度和碳源來源, 形成一種經濟有效的污泥水脫氮模式。

2.2.2 生物添加富集硝化菌的強化硝化技術

(1) 接種強化硝化技術。接種強化硝化技術是向生物處理系統中引入具有特定功能的微生物, 改善原有系統對目標污染物的去除效果。瑞典皇家工學院開發的污泥水單獨處理污泥回流生物強化技術, 通過側流反應器處理污泥水, 將富集培養的硝化菌以一定的濃度連續投加到主流污水處理系統以增強其硝化能力, 實現短污泥齡硝化。與傳統活性污泥法相比, 接種強化不但能提高難降解COD和氨氮的去除效果, 還能改善污泥性能。

(2) InNitri工藝。InNitri工藝是最早利用污泥消化液培養硝化菌投加污水處理主系統進行強化硝化的工藝。InNitri采用單獨反應器 (容積為主系統中曝氣池的3%) 處理污泥消化液 (30~35℃, 300~900mg/L氨氮) 和一部分初沉池出水, 在10℃時硝化污泥齡僅需7~10d, 明顯低于傳統脫氮工藝的13~18d。InNitri工藝對污水處理廠升級改造投資可降低10%~15%。然而, 由于InNitri工藝中僅發生硝化, 需外加大量堿度, 且出水中高濃度的NO3--N也不利于沉淀池運行和系統除磷, 因此其尚未有實際工程應用的報道。

(3) BABE工藝。針對污泥水高氨氮的水質特性, Salem等[5]開發了在污泥回流管線富集硝化菌的反應器, 從而形成側流富集硝化菌、主流強化硝化能力的BABE工藝。與InNitri工藝相比, BABE工藝存在二沉池污泥回流, 這既可以利用回流污泥中的堿度, 又可保證富集培養的硝化菌與主系統中占主導地位的硝化菌在種群、生態環境等方面的一致性, 而且硝化菌包含在生物絮體中, 不易被主流處理系統中原生動物捕食。此外, 較小的回流污泥量和較短的停留時間也能使反應器保持較高的溫度, 從而獲得較高的硝化速率。荷蘭Garmerwolde污水處理廠采用BABE技術后, 出水氨氮由9.9~13.3mg/L降低至5.2 mg/L。當然, 也有報道認為外部培養會形成特殊的硝化菌群, 并不一定能適應主體污水處理系統的環境。

2.2.3 短程硝化反硝化與厭氧氨氧化

由于污泥水C/N較低, 短程硝化反硝化工藝首先在有氧條件下利用亞硝化菌將NH4+氧化成NO2-, 然后在缺氧條件下將NO2-反硝化為N2, 該工藝較傳統工藝可節省25%的供氧和40%的碳源。在較短的HRT和30~40℃的條件下, 亞硝化菌可通過種群競爭成為優勢種群, 利用污泥消化液較高的溫度和污泥齡控制能夠實現短程硝化反硝化。Sharon工藝成功應用于荷蘭Dokhaven和U-trecht污水處理廠污泥消化液處理, 脫氮率高于90%。

3 結論與展望

(1) 污泥水主要來自污水處理廠污泥濃縮、消化、脫水等環節, 濃縮脫水和厭氧消化污泥水具有SS含量高、氮磷含量高、脫氮除磷碳源和堿度相對不足的特點。

(2) 化學混凝能夠有效去除污泥水中的SS和總磷, 根據污泥水水質確定合適的混凝劑和成本低廉的除磷劑是今后的主要研究趨勢。

(3) 利用污泥水的高氨氮實現側流富集硝化菌強化主流污水處理系統硝化在污水處理廠升級改造中具有良好的應用前景。SHARON和ANAM-MOX工藝能夠有效解決污泥水脫氮存在的碳源不足的問題。

原標題:污水處理廠污泥水處理技術研究進展