两种污泥减量化工艺的研究和对比

赵海云

(中国石化上海石油化工股份有限公司环保水务部，200540)

两种污泥减量化工艺的研究和对比

赵海云

(中国石化上海石油化工股份有限公司环保水务部，200540)

为解决剩余污泥的处置问题，研究好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺和投加化学解偶联剂工艺的控制过程和减量效果。实验结果表明：OSA工艺控制负荷为1.4 kg/(m3·d)时，污泥减量率可达30%；污泥负荷为3.6 kg/(m3·d)时，投加化学解偶联剂工艺的污泥减量率可达50%。但由于化学解偶联剂易发生失效导致成本增加，且解偶联剂会使污泥沉降变差，对污水正常运行产生较大影响，故推荐OSA工艺为污泥减量化技术途径，可减少污泥量(按含水率85%计)6 kt/a，减少污泥处置费用约420万元/a。

剩余污泥 减量化 解偶联 好氧-沉淀-厌氧 解偶联剂

在污水生化处理中，剩余污泥处理费用占整个污水厂总运行费用的25%～40%，有的甚至高达60%[1],已成为污水处理厂的沉重负担。中国石化上海石油化工股份有限公司(简称上海石化)环保水务部剩余污泥处置费用每年高达2 000万元左右，剩余污泥的处置问题已迫在眉睫。因此，从源头上减少剩余污泥的产量，即污泥的减量化，势在必行。

文章主要研究目前关注度较高的解偶联代谢技术，并从易于工艺实现的角度选择好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺和投加化学解偶联剂两种工艺。以上海石化环保水务部1#生化前段污泥为研究对象，通过对两种工艺方法的对比分析，寻找适合上海石化环保水务部的污泥减量化技术。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

试验采用序列间歇式活性污泥法(SBR)反应器，有效容积为8 m3(2 m×1 m×4 m)，内设曝气装置，根据溶解氧质量浓度情况可调整气量大小。实验装置有2套，分别采用OSA工艺和投加化学解偶联剂工艺。

其中OSA工艺在常规活性污泥法的污泥回流过程中设置一个厌氧段，使微生物交替进入好氧和厌氧环境，在厌氧阶段，生物处于饥饿的状态，需要消耗基质进行分解代谢以满足微生物的能量需求，故而使得污泥产率下降。OSA工艺流程如图1所示。

图1 OSA工艺流程

投加化学解偶联剂工艺主要是在传统活性污泥法的曝气池内加入解偶联剂，使氧化和磷酸化解偶联，限制了能量三磷酸腺苷(ATP)的合成，从而进一步抑制细胞的生长，故而能使污泥减量。

1.2 实验材料

实验所用活性污泥取自1#生化一段沉淀池回流活性污泥。所用化学解偶联剂为毒性小、不易累积的3，3’，4’，5—四氯水杨酰苯胺(TCS)[2]。

1.3 实验方法

分别取1#生化一段沉淀池的回流活性污泥8 m3投入各自实验装置内，其中OSA工艺实验进行曝气2 h、厌氧6 h的处理，好氧状态的溶解氧质量浓度控制在2～4 mg/L，厌氧状态下关闭曝气装置，如此连续运行5 d。投加TCS工艺实验选取TCS的投加量为0.8 mg/L[2]，每天投加一次，溶解氧质量浓度控制在2 mg/L以上，实验周期为5 d。两套实验装置均在20～30 ℃条件下进行。

1.4 测定项目和方法

污泥质量浓度(MLSS)采用浊度法测定；

污泥沉降采用SV30(30 min沉降比)法；

溶解氧质量浓度测定采用电极法，在线溶解氧仪实时监测，并且每天进行一次离线比对。

耗氧速率(OUR)的测定参照Method 1683(EPA)的标准方法，使用YSI5100型溶解氧测定仪直接测得。

2 实验结果与分析

2.1 OSA工艺和投加TCS工艺的污泥减量效果对比

通过实验可知，OSA工艺在曝气2 h、厌氧6 h条件下，污泥浓度变化幅度不大，如图2所示；但OUR却发生直线下降，如图3所示，说明污泥内有机物浓度不断降低。由此可知，1#生化沉淀池回流污泥吸附的有机物得到了有效消减，4～5 d后相应能量已得到有效解偶联，污泥削减率达30%左右。

图2 OSA工艺和投加TCS工艺MLSS变化对比

图3 OSA工艺(曝气2 h、厌氧6 h)OUR变化情况

采用投加TCS工艺，仅1～2 d污泥减量率便可达50%左右，具体如图2所示，但在投加3 d后污泥开始出现较为明显的增长，这可能是由于TCS发生化学反应导致解偶联效果丧失。另外，污泥增长还暗示着反应器中存在较高的有机物质和一定的生物量。

2.2 OSA工艺和投加TCS工艺技术参数对比

通过实验得出两套运行工艺各自的运行技术参数，具体如表1所示。两种方法污泥减量效果均较好，但投加TCS工艺运行成本明显高于OSA工艺，且存在一次性投资费用。

表1 OSA工艺和TCS工艺技术经济参数比较

项目投加TCS工艺OSA工艺污泥停留时间/d2～35污泥负荷/(kg·m-3·d-1)3.61.4空气量/(m3·min-1)0.030.005最低溶解氧/(mg·L-1)2厌氧温度/℃20～3020～30污泥减量率/%5030挥发性固体去除率/%7042电耗/(kWh·t-1)0.620.58药剂费用(元·t-1)0.020投资费用(元/·t-1)10

注：1#生化一段沉淀池污泥与挥发性固体的质量比为0.7∶1。

2.3 OSA工艺和投加TCS工艺对运行效果的影响对比

试验还考察了OSA工艺和投加TCS两种方法所造成的解偶联代谢对污泥沉降性能的影响，结果表明：TCS的加入使污泥沉降性能变差，而OSA工艺则可改善污泥的沉降性能，这和其他研究报道一致。

另外，在光学显微镜下观察两组实验装置内污泥的生物相组成，发现都存在着一定数量的原生动物，OSA工艺中的污泥还存在后生动物。但添加了TCS后的污泥中没有发现后生动物，而且原生动物种类和数量均比OSA工艺少，活性也较差。这说明TCS对较高等的后生动物的影响较严重，而对较低等的细菌影响则较小。

3 讨论

3.1 解偶联代谢的作用原理

微生物的生命活动过程需要不断地从外界吸收营养物质，通过代谢活动来维持自身生命活动的需要。在此过程中，产能代谢释放的能量主要有以下几种归属：(1)合成自身和维持自身正常的生命活动的需要；(2)以ATP的形式储存于生物体细胞内部，以备生物体生长繁殖和其他生命活动的需要；(3)以热量的形式散失。从环境工程的角度而言，解偶联的概念就是指基质消耗产生的能量大于生长和维持正常生命活动的能量需求，但过剩的能量并未被贮存，而是以无效的热量形式释放到环境中，导致了污泥的表观产率大大减少。理论上说，污泥生长率的减少意味着污泥产量相应的按比例减少。这也就说明了可以通过控制微生物的代谢状态增大同化与异化作用之间的分离方法，达到过量污泥减量化的目的。

分解代谢和合体代谢关系示意见图4所示。由图4可知：ATP是键能转移的主要途径。一般情况下，微生物的合成代谢通过呼吸(速率控制)与底物的分解代谢进行偶联，当呼吸控制不存在，生物合成速率成为速率控制因素时，解偶联新陈代谢就会发生，并且在微生物新陈代谢过程中产生的剩余能量没有被用来合成生物体，这种现象称为解偶联生长。由此可知，发生解偶联的关键就是抑制好氧呼吸的速率和抑制ATP的合成。

其中OSA的工艺原理可解释为：利用厌氧条件将微生物体内的ATP消耗殆尽，使微生物在好氧条件下先进行ATP的能量储备，分解代谢和合成代谢解偶联，从而导致污泥量的减少。其作用原理也可理解为从厌氧过程转移到好氧过程可达到抑制好氧呼吸的目的，进而发生解偶联新陈代谢。两种作用原理的本质并无不同。

投加化学解偶联剂工艺原理可解释为：解偶联剂可以代谢放出的能量不能偶联ATP的合成，而只能以热量的形式散失掉，这被称为能量溢出。能量溢出使微生物的合成代谢受到抑制，发生分解代谢和合成代谢的解偶联，从而降低污泥产量。

文章的试验结果均能利用以上原理得到很好的解释。

3.2 OSA工艺的应用范围

由实验可以看出，OSA工艺的优势主要有：(1)污泥产率低并且抑制污泥膨胀；(2)投资少，只需插入一级厌氧生物反应器(污泥储罐)，运行成本低；(3)对污水生化处理过程影响较小。

而OSA工艺的工业应用也较多，朱振超和刘振鸿等[3]采用好氧-沉淀-兼氧活性污泥工艺使上海锦纶厂废水处理站的剩余污泥达到零排放；张全等[4]采用该工艺使污泥量由80%减少为15%～20%。在传统活性污泥工艺中，随着污泥负荷率的增加污泥产量也相应增加。但在OSA工艺中污泥产率却呈下降趋势，这表明OSA工艺能处理高浓度有机污染物，而不存在相关的污泥问题。从工业化应用角度看，OSA工艺在高效降低污泥产量、改善运行稳定性上不失为一种有发展前途的工艺。

3.3 包含解偶联剂工艺的应用范围

由试验可以看出，含解偶联剂工艺的污泥减量效果无疑是最好的，但解偶联存在以下3个限制因素：(1)对污水处理效果影响大；(2)使用一段时间后，微生物产生抗性，效果变差；(3)成本增加较大。

针对以上3个限制因素，工艺解决的思路应为：合理选择污泥处理源，建设独立处理系统。即污泥处理负担较高，成本较高(如AB法的A段或初沉污泥量大的工艺)可选用投加解偶联剂，同时设置独立处理系统可以规避其对污水处理效果和微生物抗性的负面影响。当然，其经济性及工艺可行性需进一步论证。

3.4 1#生化一段污泥减量的工艺选择和应用

通过研究结果分析，综合操作可行性和经济性考虑，适合1#生化一段污泥减量的工艺为解偶联技术中的OSA工艺。

在装置有余量的情况下，对1#生化一段污泥采用OSA工艺进行连续3个月的污泥减量，共计减少生化污泥产生量(按含水率85%计)1 525.53 t，同比减少32.8%，共计减少费用106.82万元，其中污泥外运处置费用93.82万元，污泥处理生产费用13万元。

4 结论

(1)以1#生化一段剩余活性污泥为处理对象，对解偶联技术中的OSA工艺和投加解偶联剂工艺进行了实验研究，结果表明两者均能获得较好的污泥减量效果。

(2)OSA工艺的污泥负荷为1.4 kg/(m3·d)，污泥减量率可达30%,在能耗方面有较大优势。

(3)投加TCS工艺污泥负荷为3.6 kg/(m3·d)，TCS投加剂量为0.8 mg/L时，污泥减量率达50%左右。但随着时间增加产生解偶联剂失效导致效果下降，且使用成本较高。

(4)上海石化环保水务部1#生化一段污泥减量的工艺优先采用解偶联技术中的OSA工艺，如全年采用OSA工艺进行污泥减量，则可减少污泥量(按含水率85%计)约6 kt/a，减少污泥处置费用约480万元/a。

[1] Spinosa L.Evolution of sewage sludge regulations in Europe[J].Water Science and Technology,2001,44(10):1-8.

[2] Chen,etal.Utilization of a metabolic uncoupler 3,3’,4’,5-tetrachlosalicylanilide(TCS)to reduce sludge growth in activated sludge culture[J].Water Research,2002,36(8):2077-2083.

[3] Saby S.Feasibilite of using acholrination step to reduce excess sludge in activated sludge process[J].Water Research,2002.36(3):656-666.

[4] Mayhew M.Stephenson T.Low biomass yield activated sludge:a review[J].Environmental Technology,1997(18):883-892.

旭化成和三菱化学拟整合水岛裂解装置

旭化成和三菱化学宣布，双方已签署协议建立一个投资对等的合资企业，拟将其各自的石脑油裂解装置整合运作。

新成立的合资企业被命名为旭化成-三菱化学乙烯公司，将于2016年4月1日投入运营。目前，三菱化学和旭化成在水岛都分别拥有石脑油裂解装置，各自的乙烯产能均为500 kt/a。

(李雅丽摘自PCN,2015-06-01)

韩国GS E&C为乌兹别克斯坦Uzbekneftegaz公司建甲醇制烯烃项目

乌兹别克斯坦Uzbekneftegaz公司与韩国GS工程建设公司(GS E&C)签署了一项投资额为45亿美元的甲醇制烯烃项目谅解备忘录(MOU)。该MOU约定，GS E&C将为Uzbekneftegaz建设一套以天然气甲醇为原料的甲醇制烯烃生产装置。

据悉，2014年9月，中国石油与Uzbekneftegaz签署了一项合作协议，双方将在Uzbekneftegaz的Mubarek天然气处理工厂投建天然气化学品生产工厂，该工厂拟生产聚乙烯和液化气。

(李雅丽摘自PCN,2015-06-01)

Study and Comparison between two Sludge Reduction Processes

Zhao Haiyun

(EnvironmentalProtectionandWaterWorksDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

In order to solve the disposal problem of excess sludge,the control process and sludge reduction effects of Oxic-Settling-Anaerobic (OSA) process and dosing of chemicaluncoupler process were studied.Result showed that for OSA process,the sludge reduction rate could reach 30% at the control load of 1.4 kg/(m3·d),and for dosing of chemicaluncoupler process,the sludge reduction rate could reach 50% at the control load of 3.6 kg/(m3·d).However, chemical uncoupler are likely to lose effectiveness and lead to increase of cost，in addition，uncoupler may worsen the settlement of sludge and thereby exert great effects on normal operation of waste water，so OSA process was recommended as the technological route for sludge reduction，which could reduce sludge by 6 kt/a (calculating with water content of 85%) and reduce expenses on sludge disposal by about RMB 4.2 million/a.

excess sludge，reduction，uncoupling，OSA，uncoupler

2015-06-23。

赵海云，女，1983年出生，2005年毕业于合肥工业大学环境工程专业，工程师，现从事污水处理管理工作。

1674-1099 (2015)04-0035-04

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