使用污泥预处理和膜式生物反应器的污泥处理方法 【技术领域】
本发明涉及一种使用污泥预处理设备和膜式生物反应器的污泥处理方法和设备。通过采用化学和/或物理污泥预处理和膜分离技术，本发明极大地改进了在污水/废水处理过程中产生的污泥的处理效率。背景技术
活化污泥工艺和其应用—它采用微生物以分解有机化合物—已用于处理废水和/或污水污泥。但这些常规方法导致了微生物浓度上升，而微生物本身应予化污和消除。因此，这些方法需要其它步骤来抽出部分产生的污泥，以便于处理系统的安全操作和有效地进行固/液分离，其中抽出的污泥要进一步由化学、物理和/或生物学方法进行处理，以使其体积和质量降低。随后，产生的污泥饼要作填埋、焚烧处理和/或扔入海中。
无氧化污工艺和曝气化污工艺是用于降低污泥体积的已知方法。在这两类方法中，生物反应器在未提供有机底物和微生物的情况下操作，污泥的内在生物降解或内源化污被诱发。
更具体地说，在无氧化污工艺中，通过控制温度和pH值等参数，在不提供O2的情况下诱导了污泥的生物降解。通常，在无氧化污过程中污泥的生物降解发生很慢。大约用30天可减少20-30％的污泥(Sludgeinto Biosolids’L.Spinosa and P.A.Vesilind，IWA Publishing，2001)。
另一方面，在曝气化污工艺中，用连续的曝气来引发污泥的生物降解(见图1)。由此，与无氧化污工艺相比，曝气化污工艺具有的一个优点是，它可将用于分解在污泥中的有机化合物的停留时间降低到15-20天。但它需要另增用于曝气的费用。
因此，常规的降低污泥量地方法有以下缺陷：
i)相对长的停留时间和低的降低效率(约20-40％)，和ii)高的处理费用。而且，较低的微生物如细菌和真菌等的可生物降解性被认为是导致这些缺陷的实际原因[Mu11er J.Disintegration as a key-stepin sewage sludge treatment.Wat.Sci.Technol.41(8)，123-130(2000)]。
污泥的生物降解通常是由两步完成的：i)通过水解将污泥中的微生物溶解，和ii)溶解的有机化合物或废物的分解。微生物的水解的第一步被认为是在生物污泥分解中的速率控制步骤，因为细胞膜和细胞壁阻止了细胞成分的水解。
因此，一直存在着强烈的需求，即增加污泥中微生物的可生物降解性，以改进处理效率。发明内容
任何本文中提及的公开文献在此声明并入本申请中，以便更充分地描述本发明所涉及的现有技术。
在理解本发明时重要的是，应当注意，在此所使用的所有技术和科学术语，除非另有定义，都与本领域普通技术人员通常理解的意义相同。其中使用的各种技术也都是本领域普通技术人员所知的那些，除非另有说明。
对具体设备、细胞处理条件等或其子类的提及并不意味着限于它们，而应当理解为包括所有相关的材料，它们是本领域普通技术人员应当认为对该讨论所涉及的部分是有关的和有价值的。
本发明的一个目的是提供更为有效和低成本的方法和系统，来进行有机污泥处理。为了达到该目的，本发明采用了污泥预处理工艺，以增加污泥中微生物和其它生物物质颗粒的可生物降解性。
特别地，为了增加微生物的可生物降解性，污泥首先经历化学和/或物理预处理如臭氧处理和热或碱性处理，其中微生物的细胞壁被破裂，细胞成分的水解因而强化和加速。此后，经预处理的污泥被转入装备有浸入式膜——包括中空纤维或平面型膜——的生物反应器中。在该生物反应器中，经预处理的污泥迅速发生生物降解，同时伴随着由膜过滤实现的固-液分离。
此外，本发明的生物反应器可以包括常规的曝气设备和绝氧罐，以用于产生于曝气设备中的含氮成分(NO2和NO3等)的硝酸化和/或脱硝酸化。附图说明
图1是常规的曝气污泥化污工艺的一个示意图；
图2是在膜式生物反应器工艺中的废水处理工艺的一个示意图；
图3是本发明的污泥处理工艺的一个示意图；
图4表示了在带有和不带有预处理单元的生物反应器中混合的液体悬浮的固体浓缩物，该预处理是碱性处理加臭氧处理。具体实施方式
本发明的优选实施方案描述于下列实施例。对本领域普通技术人员而言，在参考了此处公开的说明书内容和本发明的实践后，其它落在权利要求的范围中的实施方案将都是显知的。应当理解，说明书加上实施例都应理解为示例性的，本发明的范围和实质内容应由权利要求确定。此处的实施例用于示例解释实施本发明时的不同形式，而不能以任何方式构成对发明范围的限制。实施例没有包括对常规方法如曝气或污泥化污和膜式分离等的详细描述。这些方法对本领域普通技术人员而言是熟知的、且已在多种公开出版物中叙及。此外，所有此处提及的出版物均并入本文作为参考。
下面对本发明设备的具体操作方法及其特征进行描述。
图3给出了本发明污泥处理过程示意图，其中包括预处理设备(10)以及用于污泥分解的膜反应器(20)。下面对此进行详细的描述。污泥预处理设备(10)及其使用过程
在生物废水处理过程中所产生的污泥的大部分包含有微生物群。为了增加污泥的溶解度及可生物降解性，在将其进行脱除之前，先进行生物和/或物理处理。当微生物的细胞壁裂开后，细胞中的有机成分被释放出来并且高分子材料通过水解转化为低分子材料。因而，增加并加速了污泥的可生物降解性。可将臭氧(O3)处理、热处理、化学处理单独或结合用于分解细胞壁的预处理过程。
参照图3，预处理设备包括：碱处理罐(11)，用于盛装如NaOH及Ca(OH)2等碱剂；臭氧处理罐(12)，用于臭氧处理；以及经预处理的均化罐(13)。如表1所示，最初的悬浮固体的浓度以及COD(Cr)(化学爆气量)分别是11,440mg/l以及13,890mg/l。预处理后污泥的可生物降解性的水平通过透气性测定(respirometric)方法进行测试。测试结果证明，污泥中可溶解的有机物成分分额及污泥的可生物降解性通过预处理后均得到明显的提高。在预处理过程中，碱处理与臭氧处理的结合显示出最好的效果。
表1.各种污泥预处理过程显示的增溶和可生物降解性效果。预处理过程 初始漂流物 质的浓度 (mg/l)溶解效率(％) 可生物降解性(％) 备注 生物降解周 期(5天) 生物降解周期 (10天)未经预处理 11440 3 12 25碱处理 23 31 43 pH值12，处 理3小时热处理 17 16 32 60℃处理3 小时臭氧处理 28 34 51 0.05g O3/g-SS碱处理+热处理 32 31 58 pH值12，60 ℃处理3小 时臭氧处理+碱处理 39 38 69 pH值12， 0.05g O3/g-SS
●COD(Cr)：13890mg/l.
●SS：悬浮固体用于污泥分解的膜反应器(20)及其使用过程
用于污泥分解的膜反应器(20)包括一个用于分解有机物的生物反应器(21)，以及一个用于固-液分离的浸入式膜组件(22)。在膜过滤的过程中，施加吸滤压来分离固体材料。预处理的结果使生物反应器中固体污泥的分解效率大大地提高了，其理由如下：i)由于生物降解速率或者是内呼吸作用或多或少地与污泥浓度成正比，在生物反应器(21)内的污泥的高浓度将会导致内呼吸速率的增加，以及ii)通过预处理将污泥中很大一部分转化为可生物降解的物质。
尽管膜分离系统使得在生物反应器中保持污泥的相对高的浓度成为一种可能，但污泥的浓度还是应当控制在一定的水平。生物反应器中特别高的污泥浓度经常会引起一些重大问题，如膜堵塞以及氧气传输速率的明显下降。在反应器中不可降解的无机成分的积累同样是一个问题，会导致反应器混合液中有机成分分额的降低。因而，为了避免无机成分的积累，持续地从生物反应器(21)中抽取一部分污泥(大约原始流入的污泥的20％)并排出。也就是说，一部分污泥循环至碱处理罐(11)，而另一部分污泥则被抽取并从处理系统中排出。
参照图4，列出了曝气化污加膜分离的预处理过程的作用，其中预处理为在pH值12下的碱处理及后续的剂量为0.02g O3/gSS的臭氧处理。
在这一对比实验中，除了其中一个实验中没有采用预处理过程外，其它操作条件均相同。水力停留时间为5天。对于未经过污泥预处理的过程，污泥分解的速率很低，以致于污泥在生物反应器中的沉积速率很高。因而就需要增加停留时间或者抽出更多的污泥，以使得生物反应器(21)中的污泥浓度保持在一个适当的水平。
对于包括预处理在内的处理过程，本发明中污泥的分解速率相对较高，而生物反应器中污泥的浓度增加很慢。因此，抽取相对少量的污泥就可以将生物反应器(21)中污泥的浓度保持在所需的水平。
另一方面，当生物反应器中污泥的浓度增加后，就会使浸在膜组件(22)中的膜的孔堵塞。曝气管放置在膜组件的底部区域以保证由空气泡所产生的液流可以防止膜堵塞。实用性
如上所述，本发明涉及一种用于处理多余污泥和/或生物废水处理工厂所产生的初始污泥的方法和设备。根据本发明，不仅可以缩短污泥化污的周期，而且可以增加固体脱除速率。因而，本发明提供了一种用于解决环境污染问题的较经济的手段。
由于本发明参照具体的实施例进行了具体的描述，本领域的普通技术人员应当能够理解，任何形式上或细节上的变化均未脱离由后附权利要求所定义的本发明的实质和范围。