污泥消化处理试验研究

简介： 针对长春市拟建设日处理能力为39万m3一级污水处理厂投产后产生的初沉池污泥进行可消化性的研究，旨在为北郊污水处理厂提供污泥消化处理设计和运行管理的必要基础资料。试验结果表明一级处理后产生的污泥可消化处理。消化后的污泥中重金属及其它有害物质含量均不超过《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)，可作为农业肥料。
关键字：城市污水 一级处理 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　消化试验的工艺流程及装置
　　本次试验采用两套消化装置，一套用来作污泥投配比试验，另一套用来作一次加泥的消化历程试验。
1.1　消化工艺的流程图

1.2　污泥消化试验装置
　　消化装置的主体是有机玻璃柱，有效容积13L，消化柱周围用电热丝加热，用继电器和节点温度计进行恒温控制，上部用泥斗加泥，下部出泥管排放消化后的污泥，柱中心装设搅拌装置，产生的气体通过消化柱上端出气管进入集气瓶，从集气瓶出来的气体经过气体流量计随时记录产气量。在消化柱内设玻璃连通管用做观测柱内液面高度和测定pH值。

2　试验内容、方法及条件
　　试验污泥是取自截流污水沉淀试验每天排放的新污泥。
2.1　投配比试验
　　消化柱首次加泥13kg，待污泥培养接近成熟后开始每天按投配比例加泥，排泥量按投加量及消化柱的玻璃连通管的液面严格控制。柱内保持恒定泥量，随时观测柱内温度和产气状况，柱内不断均匀搅拌，速度为20r/min。
2.2　消化历程试验
　　一次性加泥13kg，中间过程不加新泥也不排泥。
2.3　主要分析项目
　　含水率、pH、VSS、碱度(抽测)、产生的气体测定CH₄、CO₂、CO、H₂。

表1　消化试验控制条件

	投配比试验(Ⅱ柱)		消化历程试验 (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
投加时间	每日一次	每日一次
控制温度/℃	33±0.5	33±0.5	33±0.5
搅拌方式	连续	连续	连续
消化前后污泥取样量/g	20	20	20

3　主要考察的内容
3.1　投配比试验(Ⅱ柱)
　　①初沉池污泥消化前后含水率；②不同投配比情况下的产气量；③气体成分含量；④污泥消化率；⑤单位污泥产气量(L/L)；⑥初沉池污泥VSS平均含量(g/L)。
3.2　消化历程试验(Ⅰ柱)
　　①考察消化过程中pH变化；②产气量的变化情况；③污泥消化周期。

4　试验运行情况
4.1　污泥投配比试验(Ⅱ柱)
　　Ⅱ柱从8月22日装泥，直到8月30日前为污泥培养阶段。在此段时间内pH在5.5～6.8之间，产气量很少，从8月31日起产气量逐渐增加，9月1日开始向柱内进泥和排泥，到9月5日产气量基本平衡，其pH迅速提高到7.2以上，9月9日气体成分分析结果也可看出甲烷比例已达到43%以上。说明厌氧消化的两个阶段兼性厌氧菌和甲烷菌的代谢达到平衡，消化正常运行。从9月9日到9月21日，按4%投配比共运行16天。Ⅱ柱从9月26日重新装泥，至10月6日10天时间为污泥培养阶段，在此阶段内pH在5.5～5.8之间，产气量很少，从10月7日产气量增加，同时进行5%投配率的进泥和出泥，到10月9日产气量已达到平衡，柱内pH上升到7.2以上，10月9日气体分析结果甲烷比例已达到77%，说明代谢平衡，消化正常。从10月9日开始，到11月7日结束，正常运行29天。
4.2　一次投泥消化历程试验
　　Ⅰ柱从9月13日加泥，至10月10日基本不产气，共运行28天，每天测定柱内pH值并记录产气量，监测碱度变化。

5　试验结果统计及分析(见表2)

表2　污泥消化试验结果统计表

		投配比试验		消化历程试验 Ⅰ柱
		Ⅱ柱4%投配	Ⅱ柱5%投配	0
平均含水率/%	进泥	95.64	95.95	91.81
	出泥	92.46	92.63	94.45
平均VSS含量/%	进泥	45.08	49.70	31.12
	出泥	23.24	25.59	20.08
pH范围	进泥	5.8～6.3	5.9～6.8	6.2
	出泥	7.05～7.5	7.2～7.7	7.15
碱度/mg/L		2 300	2 400～2 700	0
污泥消化率/VSS%		48.45	48.56	35.48
日平均产气量/L/d		10.81	13.30	0
单位污泥产气量/L/L		20.79	20.46	0
单位VSS产气量/L/g		1.06	1.02	美国污水处理厂设计手册(0.5～0.75)
分解单位VSS产气量/L/g		2.18	2.10	美国污水处理厂设计手册(0.87～1.12)
单位污泥VSS量/g/L		19.65	20.13	0
VSS负荷/g/(L . d)		0.79	1.01	0

5.1　投配率试验结果分析
5.1.1　VSS负荷
　　有机物负荷是影响污泥消化的重要因素，本试验用VSS负荷来分析不同污泥投配率的消化效果。
　　从表2中可见5%投配比的VSS负荷为1.01g/(L ^. d)，大于4%投配比0.79g/(L ^. d)的污泥负荷。4%投配率的消化时间为25天，5%投配率的消化时间为20天。根据资料介绍，最佳消化时间为25天左右。
5.1.2　pH值和碱度
　　从理论上看消化反应的两个阶段，第一阶段主要是兼性厌氧菌起作用，首先是细菌表面和周围介质中的酶将高分子有机物水解成水溶性简单有机物，兼性菌将这些简单有机物通过细胞膜的选择吸收并在细胞膜内代谢，产生的挥发性脂肪酸、醇、醛、酮等都是第二阶段甲烷菌的养分，产酸菌和甲烷菌必须在适当pH值和碱度范围内才能保持代谢平衡，消化才能正常进行，试验中两种投配比正常运行时pH均在7.05～7.5之间，碱度超过2 300mg/L。说明此时pH值范围和碱度是较合适的。
5.1.3　VSS的消化率
　　有机物的消化率随时间的延长而增加。但本次试验4%投配率时VSS的消化率仅为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，这一季节雨量较大，截流污水沉淀试验污泥中VSS含量较低，仅为45.08%，在含水率相同时，自然VSS低时会使消化率有一定下降。因此在试验结果中并没有表现出4%投配率的消化率高。
5.1.4　含水率
　　消化污泥的含水率均较低，为91.81%～95.95%是因为沉淀试验每天排一次污泥，污泥在池底沉积时间较长，有一定的浓缩。因此提高了污泥有机质的含量，使VSS的量增加，单位污泥产气量达20.79L/L，但单位VSS产气量为1.02L/g～1.06L/g。另外含水率低使容积负荷加大。
5.1.5　产气量
　　日平均产气量实际是单位污泥在整个消化过程产气时的积分和，可用公式表示

式中V——产气量；
　f(t)——是随时间、有机物浓度、成分、温度等变化的产气量的函数；
　　n——停留天数。
　　在单位污泥VSS含量相等、消化条件相同时，污泥负荷大，日平均产气量高，单位污泥产气量低；污泥负荷小，日平均产气量低，单位污泥产气量高。因此在设计中应综合考虑单位污泥产气量和平均产气量，以合理发挥消化设备的处理效果。
5.1.6　气体成分
　　污泥消化产生的气体中主要成分有CH₄、CO₂、N₂、CO等，在试验过程中对气体成分的含量做了多次测定，其测定结果统计于表3中。

表3　气体成分分析表

　　从本次试验两种投配比率单位VSS产气量看，均高于美国污水处理厂设计手册所提出的值。另外VSS产气量和分解单位VSS产气量均高于美国污水处理厂设计手册所给的值，基本原因是美国污水处理厂污泥是混合污泥，本次试验是初沉池污泥。
5.2　污泥消化历程试验结果分析
　　Ⅰ柱进行消化历程的试验，考察整个污泥消化周期，并了解污泥消化各时期产气及pH值变化规律。图1和图2为全程消化过程产气量和pH值变化曲线。

　　　　　　
图1　消化历程产气量曲线　　　　　　　　　　图2　消化历程pH变化曲线

　　整个产气过程分为两部分，前一部分产气量达到高峰前，产气量逐日增加。消化过程由酸性发酵向碱性发酵阶段过渡，开始阶段pH值低，酸度高，后一阶段碱度升高，pH值升高到7以上，产气高峰过后实际上柱内有机物含量下降，营养不再过剩，产气量逐日下降，当泥中可分解的有机物消耗将尽以后，产气消化过程结束。可见消化周期为28天～29天。从产气量变化曲线中可以看出消化12天左右产气量达到高峰，pH值在7.5左右产气量最大，说明甲烷菌消化控制pH在7.5左右最为适宜。开始阶段抽测的碱度为170mg/L，后一阶段抽测的碱度为2 700mg/L。分析结果可见前一阶段CH₄含量低，N₂含量高，中后期CH₄含量高，CO₂和N₂含量低。

6　消化后污泥毒害物质含量的测定
　　对消化后污泥中的毒害物和成分进行了分析和监测，结果见表4。从检测结果可以看出长春市污水厂消化后的污泥均符合国家规定的《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)。污泥中N、P含量较高，重金属和其它毒害物质均较低，因此可作为改良土壤用。

表4　污泥样品检测结果

		1＃	2＃	3＃	平均值	标准值
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	未检出
	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　污泥消化试验结论
　　(1)长春市伊通河截流污水一级处理的污泥可以消化处理。沉淀污泥有机物含量较高，VSS含量达到50%左右，单位污泥VSS可达到20g/L左右。
　　(2)污泥的可消化率较高，可达到48%以上(按VSS计)。
　　(3)单位污泥的产气量较高，可达到每升湿污泥产气20L左右(投配率4%～5%)。
　　(4)单位VSS的产气量较高，可达到1L/g左右。
　　(5)试验4%投配率污泥负荷为0.79g/(L ^. d)，5%投配率为1.01g/(L ^. d)，产气运行良好，可作为污泥消化设计的参考。
　　(6)污泥采取中温消化33℃±0.5℃是可行的，可作为污泥消化设计的参考。
　　(7)pH值和酸碱度是污泥消化的重要条件，实际生产应严格控制。试验中pH在7.05～7.5之间，碱度在2 400mg/L～2 700mg/L之间污泥消化正常运行。
　　(8)初沉池污泥消化产生的气体CH₄含量较高，平均可达75%左右。
　　(9)消化后污泥中重金属和其它有害物质含量均不超过《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)，可作为肥料。

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