污泥消化處理試驗研究
摘要：針對長春市擬建設日處理能力為39萬m3一級污水處理廠投產后產生的初沉池污泥進行可消化性的 研究 ，旨在為北郊污水處理廠提供污泥消化處理設計和運行管理的必要基礎資料。試驗結果表明一級處理后產生的污泥可消化處理。消化后的污泥中重金屬及其它有害物質含量均不超過《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284—84)，可作為農業肥料。
關鍵詞：城市污水 一級處理 初沉池 污泥消化
Abstract: Sludge digestion experiment has been conducted on the primary sludge from the Changchun WTP which will be built with capacity of 390 thousand cubic meters per day to investigate the digestibility and to get information for design and operation of sludge digestion facility. The results is fair and approved that the contents of heavy metals and other hazard substances in the digested sludge is low to meet the requirement of the national standard of pollutants control of agricultural sludge (GB4284-84). It will be best as fertilizer.
1 消化試驗的工藝流程及裝置
本次試驗采用兩套消化裝置，一套用來作污泥投配比試驗，另一套用來作一次加泥的消化歷程試驗。
1.1 消化工藝的流程圖
1.2 污泥消化試驗裝置
消化裝置的主體是有機玻璃柱，有效容積13L，消化柱周圍用電熱絲加熱，用繼電器和節點溫度計進行恒溫控制，上部用泥斗加泥，下部出泥管排放消化后的污泥，柱中心裝設攪拌裝置，產生的氣體通過消化柱上端出氣管進入集氣瓶，從集氣瓶出來的氣體經過氣體流量計隨時記錄產氣量。在消化柱內設玻璃連通管用做觀測柱內液面高度和測定pH值。
2 試驗 內容 、 方法 及條件
試驗污泥是取自截流污水沉淀試驗每天排放的新污泥。
2.1 投配比試驗
消化柱首次加泥13kg，待污泥培養接近成熟后開始每天按投配比例加泥，排泥量按投加量及消化柱的玻璃連通管的液面嚴格控制。柱內保持恒定泥量，隨時觀測柱內溫度和產氣狀況，柱內不斷均勻攪拌，速度為20r/min。
2.2 消化歷程試驗
一次性加泥13kg，中間過程不加新泥也不排泥。
2.3 主要 分析 項目
含水率、pH、VSS、堿度(抽測)、產生的氣體測定CH4、CO2、CO、H2。
表1 消化試驗控制條件
| 投配比試驗(Ⅱ柱) |
消化歷程試驗 (Ⅰ柱) |
||
|
4%投配率 |
5%投配率 |
||
| 首次投泥量/L | 13 | 13 | 13 |
| 每日投泥量/mL | 520 |
650 |
|
| 投加時間 | 每日一次 |
每日一次 |
|
| 控制溫度/℃ | 33±0.5 | 33±0.5 | 33±0.5 |
| 攪拌方式 | 連續 | 連續 | 連續 |
| 消化前后污泥取樣量/g | 20 | 20 | 20 |
3 主要考察的內容
3.1 投配比試驗(Ⅱ柱)
①初沉池污泥消化前后含水率;②不同投配比情況下的產氣量;③氣體成分含量;④污泥消化率;⑤單位污泥產氣量(L/L);⑥初沉池污泥VSS平均含量(g/L)。
3.2 消化歷程試驗(Ⅰ柱)
①考察消化過程中pH變化;②產氣量的變化情況;③污泥消化周期。
4 試驗運行情況
4.1 污泥投配比試驗(Ⅱ柱)
Ⅱ柱從8月22日裝泥，直到8月30日前為污泥培養階段。在此段時間內pH在5.5～6.8之間，產氣量很少，從8月31日起產氣量逐漸增加，9月1日開始向柱內進泥和排泥，到9月5日產氣量基本平衡，其pH迅速提高到7.2以上，9月9日氣體成分分析結果也可看出甲烷比例已達到43%以上。說明厭氧消化的兩個階段兼性厭氧菌和甲烷菌的代謝達到平衡，消化正常運行。從9月9日到9月21日，按4%投配比共運行16天。Ⅱ柱從9月26日重新裝泥，至10月6日10天時間為污泥培養階段，在此階段內pH在5.5～5.8之間，產氣量很少，從10月7日產氣量增加，同時進行5%投配率的進泥和出泥，到10月9日產氣量已達到平衡，柱內pH上升到7.2以上，10月9日氣體分析結果甲烷比例已達到77%，說明代謝平衡，消化正常。從10月9日開始，到11月7日結束，正常運行29天。
4.2 一次投泥消化歷程試驗
Ⅰ柱從9月13日加泥，至10月10日基本不產氣，共運行28天，每天測定柱內pH值并記錄產氣量，監測堿度變化。
5 試驗結果統計及分析(見表2)
表2 污泥消化試驗結果統計表
|
投配比試驗 |
消化歷程試驗 Ⅰ柱 |
|||
|
Ⅱ柱4%投配 |
Ⅱ柱5%投配 |
0 | ||
| 平均含水率/% | 進泥 | 95.64 | 95.95 | 91.81 |
| 出泥 | 92.46 |
92.63 |
94.45 | |
| 平均VSS含量/% | 進泥 | 45.08 | 49.70 | 31.12 |
| 出泥 | 23.24 |
25.59 |
20.08 | |
| pH范圍 | 進泥 | 5.8～6.3 | 5.9～6.8 | 6.2 |
| 出泥 | 7.05～7.5 |
7.2～7.7 |
7.15 | |
|
堿度/mg/L |
2 300 |
2 400～2 700 |
0 | |
|
污泥消化率/VSS% |
48.45 |
48.56 |
35.48 | |
|
日平均產氣量/L/d |
10.81 |
13.30 |
0 | |
|
單位污泥產氣量/L/L |
20.79 |
20.46 |
0 | |
|
單位VSS產氣量/L/g |
1.06 |
1.02 |
美國污水處理廠設計手冊(0.5～0.75) | |
|
分解單位VSS產氣量/L/g |
2.18 |
2.10 |
美國污水處理廠設計手冊(0.87～1.12) | |
|
單位污泥VSS量/g/L |
19.65 |
20.13 |
0 | |
|
VSS負荷/g/(L . d) |
0.79 |
1.01 |
0 | |
5.1 投配率試驗結果分析
5.1.1 VSS負荷
有機物負荷是 影響 污泥消化的重要因素，本試驗用VSS負荷來分析不同污泥投配率的消化效果。
從表2中可見5%投配比的VSS負荷為1.01g/(L . d)，大于4%投配比0.79g/(L . d)的污泥負荷。4%投配率的消化時間為25天，5%投配率的消化時間為20天。根據資料介紹，最佳消化時間為25天左右。
5.1.2 pH值和堿度
從 理論 上看消化反應的兩個階段，第一階段主要是兼性厭氧菌起作用，首先是細菌表面和周圍介質中的酶將高分子有機物水解成水溶性簡單有機物，兼性菌將這些簡單有機物通過細胞膜的選擇吸收并在細胞膜內代謝，產生的揮發性脂肪酸、醇、醛、酮等都是第二階段甲烷菌的養分，產酸菌和甲烷菌必須在適當pH值和堿度范圍內才能保持代謝平衡，消化才能正常進行，試驗中兩種投配比正常運行時pH均在7.05～7.5之間，堿度超過2 300mg/L。說明此時pH值范圍和堿度是較合適的。
5.1.3 VSS的消化率
有機物的消化率隨時間的延長而增加。但本次試驗4%投配率時VSS的消化率僅為48.45%，反略低于5%投配率VSS的48.56%消化率。其主要原因是4%投泥是在8月下旬和9月上旬，這一季節雨量較大，截流污水沉淀試驗污泥中VSS含量較低，僅為45.08%，在含水率相同時， 自然 VSS低時會使消化率有一定下降。因此在試驗結果中并沒有表現出4%投配率的消化率高。
5.1.4 含水率
消化污泥的含水率均較低，為91.81%～95.95%是因為沉淀試驗每天排一次污泥，污泥在池底沉積時間較長，有一定的濃縮。因此提高了污泥有機質的含量，使VSS的量增加，單位污泥產氣量達20.79L/L，但單位VSS產氣量為1.02L/g～1.06L/g。另外含水率低使容積負荷加大。
5.1.5 產氣量
日平均產氣量實際是單位污泥在整個消化過程產氣時的積分和，可用公式表示
式中V——產氣量;
f(t)——是隨時間、有機物濃度、成分、溫度等變化的產氣量的函數;
n——停留天數。
在單位污泥VSS含量相等、消化條件相同時，污泥負荷大，日平均產氣量高，單位污泥產氣量低;污泥負荷小，日平均產氣量低，單位污泥產氣量高。因此在設計中應綜合考慮單位污泥產氣量和平均產氣量，以合理發揮消化設備的處理效果。
5.1.6 氣體成分
污泥消化產生的氣體中主要成分有CH4、CO2、N2、CO等，在試驗過程中對氣體成分的含量做了多次測定，其測定結果統計于表3中。
表3 氣體成分分析表
| 日期 | Ⅰ柱 |
日期 |
Ⅱ柱4%投配比 |
||||||
|
CH4 /% |
CO2 /% |
N2 /% |
H2 |
CH4 /% |
CO2 |
N2 |
H2 | ||
| 9.14 | 2.1 | 0.13 | 73.1 | 微量 | 9.9 | 43.7 | 10.1 | 39.2 | 微量 |
| 9.17 | 6.8 | 0.1 | 63.3 | 微量 | 9.11 | 52.6 | 6.2 | 17.2 | 微量 |
| 9.21 | 11.4 | 0.23 | 67.3 | 微量 | 9.17 | 85.7 | 6.1 | 4.5 | 微量 |
| 9.23 | 77.9 | 11.5 | 8.0 | 微量 | 9.20 | 84.2 | 9.0 | 6.2 | 微量 |
| 9.25 | 78.0 | 16.0 | 7.0 | 微量 | 日期 |
Ⅱ柱5%投配比 |
|||
| 9.27 | 83.0 | 0.6 | 12.0 | 微量 | 10.9 | 77.0 | 9.8 | 6.2 | 微量 |
| 9.28 | 84.3 | 5.8 | 6.5 | 微量 | 10.11 | 76.5 | 9.5 | 5.4 | 微量 |
| 10.5 | 73.5 | 5.1 | 22.0 | 微量 | 10.20 | 81.3 | 5.9 | 6.2 | 微量 |
| 10.9 | 65.0 | 3.3 | 20.9 | 微量 | 11.3 | 68.5 | 9.2 | 4.6 | 微量 |
從本次試驗兩種投配比率單位VSS產氣量看，均高于美國污水處理廠設計手冊所提出的值。另外VSS產氣量和分解單位VSS產氣量均高于美國污水處理廠設計手冊所給的值，基本原因是美國污水處理廠污泥是混合污泥，本次試驗是初沉池污泥。
5.2 污泥消化歷程試驗結果分析
Ⅰ柱進行消化歷程的試驗，考察整個污泥消化周期，并了解污泥消化各時期產氣及pH值變化 規律 。圖1和圖2為全程消化過程產氣量和pH值變化曲線。
圖1 消化歷程產氣量曲線 圖2 消化歷程pH變化曲線
整個產氣過程分為兩部分，前一部分產氣量達到高峰前，產氣量逐日增加。消化過程由酸性發酵向堿性發酵階段過渡，開始階段pH值低，酸度高，后一階段堿度升高，pH值升高到7以上，產氣高峰過后實際上柱內有機物含量下降，營養不再過剩，產氣量逐日下降，當泥中可分解的有機物消耗將盡以后，產氣消化過程結束。可見消化周期為28天～29天。從產氣量變化曲線中可以看出消化12天左右產氣量達到高峰，pH值在7.5左右產氣量最大，說明甲烷菌消化控制pH在7.5左右最為適宜。開始階段抽測的堿度為170mg/L，后一階段抽測的堿度為2 700mg/L。分析結果可見前一階段CH4含量低，N2含量高，中后期CH4含量高，CO2和N2含量低。
6 消化后污泥毒害物質含量的測定
對消化后污泥中的毒害物和成分進行了 分析 和監測，結果見表4。從檢測結果可以看出長春市污水廠消化后的污泥均符合國家規定的《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284—84)。污泥中N、P含量較高，重金屬和其它毒害物質均較低，因此可作為改良土壤用。
表4 污泥樣品檢測結果
| 1＃ | 2＃ | 3＃ | 平均值 | 標準值 | ||
|
毒 害 物 |
pH | 7.4 | 7.5 | 7.3 |
7.4 |
|
| Cu/mg/kg | 64.625 | 111.438 | 79.750 | 85.271 | 500 | |
| Pb/mg/kg | 41.513 | 21.244 | 21.725 | 28.154 | 1 000 | |
| Cd/mg/kg | 0.513 | 0.781 | 0.669 | 0.654 | 20 | |
| Zn/mg/kg | 450.538 | 628.050 | 395.063 | 491.210 | 1 000 | |
| As/mg/kg | 8.320 | 4.710 | 5.660 | 6.230 | 75 | |
| Hg/mg/kg | 0.100 | 0.025 | ＜0.007 | 0.044 | 15 | |
| Cr/mg/kg | 48.200 | 12.931 | 10.906 | 24.012 | 1 000 | |
| CN/mg/kg | 1.000 | 5.250 | 3.000 |
3.083 |
||
| 酚/mg/kg | 1.508 | 12.934 |
未檢出 |
|
||
| 苯并(α)芘/mg/kg | 2.30 | 2.866 | 0.174 | 1.967 | 3 | |
|
肥 分 |
N/mg/kg | 9 220 | 14 390 | 20 100 |
14 570 |
|
| P/mg/kg | 2 689.6 | 2 627.0 | 4 710.5 |
3 324.4 |
||
| K/mg/kg | 14.531 | 13.938 | 15.069 |
14.513 |
||
7 污泥消化試驗結論
(1)長春市伊通河截流污水一級處理的污泥可以消化處理。沉淀污泥有機物含量較高，VSS含量達到50%左右，單位污泥VSS可達到20g/L左右。
(2)污泥的可消化率較高，可達到48%以上(按VSS計)。
(3)單位污泥的產氣量較高，可達到每升濕污泥產氣20L左右(投配率4%～5%)。
(4)單位VSS的產氣量較高，可達到1L/g左右。
(5)試驗4%投配率污泥負荷為0.79g/(L . d)，5%投配率為1.01g/(L . d)，產氣運行良好，可作為污泥消化設計的 參考 。
(6)污泥采取中溫消化33℃±0.5℃是可行的，可作為污泥消化設計的參考。
(7)pH值和酸堿度是污泥消化的重要條件，實際生產應嚴格控制。試驗中pH在7.05～7.5之間，堿度在2 400mg/L～2 700mg/L之間污泥消化正常運行。
(8)初沉池污泥消化產生的氣體CH4含量較高，平均可達75%左右。
(9)消化后污泥中重金屬和其它有害物質含量均不超過《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284-84)，可作為肥料。
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