污泥是指污水處理過程中所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物。污泥處理就是降低污泥含水率使污泥減容化、穩(wěn)定化的過程, 其工藝通常由污泥濃縮、穩(wěn)定和脫水等單元組成, 污泥穩(wěn)定多采用厭氧消化和石灰穩(wěn)定 (深度脫水) 法。伴隨著污泥含水率的降低, 污泥處理會產(chǎn)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(jìn)水的1%~2%) 、污染物濃度高、溫度高 (30℃左右) 等特點(diǎn), 分別占全廠COD、氮和磷負(fù)荷的5%~20%、10%~80%和10%~50%[3~5]。污泥水直接回流至進(jìn)水口, 既會造成污染物重復(fù)處理, 又易導(dǎo)致出水難以達(dá)標(biāo)[6,7], 因此, 明確污泥水水質(zhì)特性, 開發(fā)其處理技術(shù)對污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行也具有重要意義。

1 污泥水來源與水質(zhì)特性

不同污水處理廠的污泥水性質(zhì)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(guān)。消化上清液的SS較低, 如果不排放則其污泥水SS可高達(dá)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(jī)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(jī)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(huán)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(xiàn)高pH、高鈣和低磷的特點(diǎn), 這主要是因為污泥調(diào)理階段石灰和FeCl3的加入, 造成磷酸根與Ca2+和Fe3+反應(yīng)生成沉淀而去除。

2 污泥水處理技術(shù)

2.1 污泥水物化處理技術(shù)

2.1.1 SS去除技術(shù)

由表1知, 污泥水SS濃度高, 波動范圍大, 而化學(xué)需氧量 (COD) 、總氮 (TN) 和總磷 (TP) 主要以顆粒態(tài)和膠體態(tài)存在, SS去除是降低污泥水中污染物的關(guān)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(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺 (PAM) 比聚合氯化鋁 (PAC) 產(chǎn)生的絮團(tuán)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(yù)處理效果, 發(fā)現(xiàn)投加PAC會導(dǎo)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(dá)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(xù)處理。深度脫水污泥水吹脫時, 需要考慮碳酸鈣結(jié)垢問題。

2.2 污泥水生物脫氮技術(shù)

荷蘭應(yīng)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(dú)處理高氨氮的污泥水 (見表1) 對污水處理廠升級和節(jié)省處理費(fèi)用具有重要意義。

2.2.1 傳統(tǒng)脫氮技術(shù)

由表1知, 污泥水BOD5/TN低于4, 不能滿足常規(guī)硝化-反硝化脫氮的碳源要求。于莉芳等采用序批式反應(yīng)器 (SBR) 處理污泥厭氧消化液時, 氨氮去除率可達(dá)99.3%, 但碳源不足導(dǎo)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(dá)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(yīng)器 (MBR) 強(qiáng)化脫氮除磷中試系統(tǒng)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(dá)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(tǒng)的濃縮脫水污泥水往往面臨堿度不足的問題。Hu等研究發(fā)現(xiàn), 向污泥水處理MBR中投加碳酸氫鈉堿度能夠?qū)⑵銫OD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(xiàn)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(jīng)濟(jì)有效的污泥水脫氮模式。

2.2.2 生物添加富集硝化菌的強(qiáng)化硝化技術(shù)

(1) 接種強(qiáng)化硝化技術(shù)。接種強(qiáng)化硝化技術(shù)是向生物處理系統(tǒng)中引入具有特定功能的微生物, 改善原有系統(tǒng)對目標(biāo)污染物的去除效果。

(2) InNitri工藝。InNitri工藝是最早利用污泥消化液培養(yǎng)硝化菌投加污水處理主系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化硝化的工藝。InNitri采用單獨(dú)反應(yīng)器 (容積為主系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(yùn)行和系統(tǒng)除磷, 因此其尚未有實際工程應(yīng)用的報道。

(3) BABE工藝。針對污泥水高氨氮的水質(zhì)特性, Salem等[5]開發(fā)了在污泥回流管線富集硝化菌的反應(yīng)器, 從而形成側(cè)流富集硝化菌、主流強(qiáng)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(yǎng)的硝化菌與主系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的硝化菌在種群、生態(tài)環(huán)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(tǒng)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(yīng)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(shù)后, 出水氨氮由9.9~13.3mg/L降低至5.2 mg/L。當(dāng)然, 也有報道認(rèn)為外部培養(yǎng)會形成特殊的硝化菌群, 并不一定能適應(yīng)主體污水處理系統(tǒng)的環(huán)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(tǒng)工藝可節(jié)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(yōu)勢種群, 利用污泥消化液較高的溫度和污泥齡控制能夠?qū)崿F(xiàn)短程硝化反硝化。Sharon工藝成功應(yīng)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(jié)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(huán)節(jié), 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(diǎn)。

(2) 化學(xué)混凝能夠有效去除污泥水中的SS和總磷, 根據(jù)污泥水水質(zhì)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(xiàn)側(cè)流富集硝化菌強(qiáng)化主流污水處理系統(tǒng)硝化在污水處理廠升級改造中具有良好的應(yīng)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。