带状污泥在城市污水中重现的可行性研究
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摘要：以往垃圾简单填埋处理的渗滤水主要是依靠下层土地来净化，但是，日久天长或地质构造环境发生变化，渗滤水往往对地下水或周围环境造成污染。调查结果表明，所有的垃圾简单填埋处理后，在填埋场周围的地下水均受到污染，许多有毒有害物质在一般地下水中不存在，却在填埋场周围的地下水中出现。因此，现代意义的垃圾卫生填埋处理已发成底部密封型结构，或底部和四周都密封的结构，从而防止了渗滤水的流出和地下水的渗入，并且对渗滤水进行收集和处理，有效地保证了环境的安全。
关键词：城市垃圾填埋场 渗滤水处理技术
以往垃圾简单填埋处理的渗滤水主要是依靠下层土地来净化，但是，日久天长或地质构造环境发生变化，渗滤水往往对地下水或周围环境造成污染。调查结果表明，所有的垃圾简单填埋处理后，在填埋场周围的地下水均受到污染，许多有毒有害物质在一般地下水中不存在，却在填埋场周围的地下水中出现。因此，现代意义的垃圾卫生填埋处理已发成底部密封型结构，或底部和四周都密封的结构，从而防止了渗滤水的流出和地下水的渗入，并且对渗滤水进行收集和处理，有效地保证了环境的安全。
垃圾渗滤水的来源
垃圾渗滤水产生的主要来源有：
（1）降水的渗入降水包括降雨和降雪，它是渗滤水产生的主要来源；
（2）外部地表水的流入这包括地表径流和地表灌溉；
（3）地下水的流入当填埋场内渗滤水水位低于场处地下水水位，并没有设置防渗系统时，地下水就有可能渗人填埋场内；
（4）垃圾本身含有的水分这包括垃圾本身携带的水份以及从大气和雨水中的吸附量；
（5）垃圾地降解过程中产生的水分垃圾中的有机组分在填埋场内分解时会产生水份；
这些含有高浓度污染物质的渗滤水是垃圾填埋处理中最主要的污染源，如果不采取有效措施加以控制，则会污染地表水或地下水。
垃圾渗滤水的产生量
渗滤水的产生量受多种因素的影响，如降雨量、蒸发量。地面流失、地下水渗入、垃圾的特征、地下层结构、表层覆土和下层排水设施情况等：
（1）降雨量和蒸发量是影响渗滤水产生的重要因素，这可以从当地的气象资料来获得。
（2）填埋场表面的斜坡恨重要，在平缓的斜坡上，水易于集结，因而大量渗滤，而在较陡的斜坡上，水容易流掉，从而减少了到达垃圾中的水量。垃圾填埋场的最终覆土层一般做成中心高、四周低的拱型，保持1-2%的坡度，这样可使部分降雨沿地表流走。但当表面准斜坡大于8%左右时，表面径流就有可能侵蚀垃圾堆的顶部覆盖物，使填埋场暴露，因此。表面斜坡应小得足以预防表面侵蚀。
（3）填埋最终覆土后，表面上长有植物，可以通过根系吸收水分，并通过叶面蒸发作用减少渗滤水发生量。
（4）地下水的渗透，要根据场内渗滤水水位和场外地下水来定，对于防渗情况良好的填埋场，可以不考虑渗滤水的渗出和外部地下水的渗入。
渗滤水产生量波动较大，但对于同一地区填埋场，其单位面积的年平均产生量是在一定范围内变化的。
垃圾渗滤水的水质特征
由于渗滤水的来源使得渗滤水的水质具有与城市污水所不同的特点：
有机物浓度高渗滤水中的BOD5和COD浓度最高可达几万mg/L，主要是在酸性发酵阶段产生，pH达到或略低于7，BOD5与COD比值为0.5－0.6。
金属含量高渗滤水中含有十多种金属离子，其中铁和锌在酸性发酵阶段较高，铁的浓度可达200mg/L左右，锌的浓度可达130mg/L左右。
水质变化大渗滤水的水质取决于填埋场的构造方式，垃圾的种类、质量、数量以及填埋年数的长短，其中构造方式是最主要的。
氨氮含量高渗滤水中的氨氛浓度随着垃圾填埋年数的增加而增加，可以高达1700mg/L左右。当氨氮浓度过高时，会影响微生物的活性，降低生物处理的效果。
营养元素比例失调对于生化处理，污水中适宜的营养元素比例是BOD5：N：P＝100：5：1，而一般的垃圾渗滤水中的BOD5/P大都大于300，与微生物生长所需的磷元素相差较大。
其他特点渗滤水在进行生机处理时会产生大量泡沫，不利于处理系统正常运行。由于渗滤水中含有较多难降解有机物，一般在生化处理后，COD浓度仍在500－2000mg/L范围内。
垃圾渗滤水的影响因素
垃圾填埋场结构直接影响到渗滤水的降解和稳定。国土比较宽阔的欧美国家，由于缺乏填埋场早期稳定化或土地再利用的必要性，多采用厌氧性填埋方式，同时回收甲烷气体用于发电。但厌氧性填埋方式对渗滤水中污染物质分解速度慢，井已近年来由于甲烷气破坏臭氧层，使这些国家开始采用好氧性填埋方式。如氧性填埋是利用鼓风机直接向宽厚的填埋场中鼓风，通常情况下，好氧性结构的垃圾填埋场能够使渗滤水中污染物质快速降解，并很快达到稳定。但好氧性垃圾填埋场的建设和维护费用相当高，而且对运行操作要求十分严格。日本福冈大学的Matsufji教授根据填埋层中空气的存在状况，提出并开发了“准好氧性填埋方式”。
与垃圾的厌氧性和好氧性填埋相比，准好氧性结构能够渗滤水中污染物质快速降解，从而使渗滤水水质稳定化期间明显缩短。实际中由于准好氧性结构的垃圾填埋场在费用上与厌氧性填埋没有大的差别，而在有机物分解方面又与垃圾的好氧性填埋相近，因此，得到越来越广泛地应用。
另外，渗滤水的化学特性还取决于以下几个方面：
（1）垃圾的组成成分垃圾的组成成分直接影响到渗滤水的化学特性。
（2）垃圾的加工填埋前将垃圾破碎能增大垃圾的表面积，增加填埋场的密度，降低垃圾对水的渗透性，增大垃圾的持水能力，从而增长了垃圾与水的接触时间，加速垃圾的降解，使渗滤水中污染物的浓度增加。
（3）填埋时间垃圾填埋后，其填埋年龄不同，降解速率及持水能力和水的渗透性能均不相同，产生渗滤水的组成及其各组成浓度均不相同。通常，埋填时间越长，渗滤水的浓度越低。
（4）填埋场的供水填埋场的供水速率大小直接决定了填埋场内垃圾的湿度。当供水率很小时，垃圾场内垃圾的湿度小于60%，垃圾的降解速率不能达到最大值。当供水率很大时，渗滤水就会被供水所稀释。
（5）填埋场的深度当垃圾的透水性能相同时，填埋场越深，渗滤水的填埋场内滞留时间越长，渗滤液的强度越大（所合组分浓度越高）。
论文作者：张崇华 张天成 施汉昌 张庆杰
摘要：带状污泥是一种在废水处理中具有实用意义的微生物聚集体。它在清华大学环境工程实验室的实验研究过程中被首次发现和命名。带状污泥的基本特点是由以丝状菌为主的微生物凝聚而成，当在水中呈悬浮状时，其长度可达数厘米。带状污泥含水率低于普通活性污泥絮体的含水率，并具有良好的沉淀性能。由于对带状污泥的实验室研究是用葡萄糖配水进行的，为了研究其在城市污水处理中的应用前景，我们在北京高碑店污水处理厂用城市污水进行了带状污泥重现的可行性研究。实验表明带状污泥在城市污水处理中是完全可以产生的，并对高有机负荷和高水力负荷条件下运行具有良好的适应能力。本文介绍了带状污泥的形成条件，水力负荷对有机物去除率的影响，水中溶解氧的影响和带状污泥的沉淀特性试验。
一、前言
带状污泥是在清华大学环境工程系的实验室里发现的一种新的可以利用的微生物聚集体 [1] 。其基本特征是:以丝状菌为主体组成大块或条带状的活性污泥，在水平自由漂浮时，长度可达5～7 cm。由于带状污泥具有含水率低，沉降速度快，不产生污泥膨胀的优点，从而使得对它的研究具有十分重要的意义。考虑到带状污泥是在实验室里以葡萄糖为基质培养出来的，我们在北京高碑店污水厂，用城市污水为进水基质进行了带状污泥的再现性研究。本文即是关于这一研究的情况总结。
二、试验工艺及方法
(一)现场试验的水质条件采用北京高碑店污水处理厂的初沉池出水作为本试验的进水。其平均水质指标如表1所示。
(二)试验工艺流程及设备采用实验室的原套设备。其工艺流程如图1。
(三)试验方法
试验从两方面进行:(1)考察带状污泥是否形成，其影响因素如何?(2)考察形成的带状污泥的一些基本特性。
试验所检测的项目:COD cr 、BOD 5 、总固体、悬浮固体、MLSS及MLVSS、温度、pH。试验采样每隔2h一次，24h的混合水样由该厂化验室按标准方法 [2] 配合化验。溶解氧用溶解氧仪随时检测。
三、试验结果及分析
(一)带状污泥的再现
1.再现:城市污水在以下方面不同于实验室的葡萄糖合成废水，(1)BOD 5 不高，本试验的进水BOD 5 值一般在90～180mgL之间:(2)可生化性比葡萄糖合成废水差；(3)成份复杂。一个可以预计的困难是为了保持纤维填料池的高负荷必须提高进水水力负荷，这样，大大地提高了水力冲刷作用，加上水质的差别使我们担心带状污泥的再现。
试验结果表明，在一定条件下，带状污泥完全可以再现。下面的一组照片表明了城市污水培养出的带状污泥的情况。从外观看，城市污水培养的带状污泥更大、更密实，且颜色呈灰黑色，而不是黄色。
2.带状污泥形成的影响因素:在诸多的影响因素之中，本文着重讨论如下因素。
(1)有机负荷(水力负荷)的影响，进行了如下三方面的试验:1)将负荷从低逐步提高(其它条件不变)，以观察带状污泥出现的情况；2)在一定的水力负荷下考察形成的带状污泥的稳定性；3)形成带状污泥后，把负荷逐步降下来观察带状污泥有何变化。现将试验结果分述如下。
将负荷逐步提高，带状污泥由小到大逐步稳定出现。试验结果如表2所示。一般说来，对城市污水而言，如有机负荷小于10kg COD/M 3 ·d，或3kgCOD/m 3 ·d，则带状污泥不易形成，即便形成，长度也仅在1～2cm左右。如果有机负荷大于5kgBOD 5 /m 3 .d，则可以形成带状污泥。这是因为填料池中生物膜的生长状况，直接影响曝气池中带状污泥的形成。当BOD 5 负荷大于5kg/m 3 ·d时，填料上的生物膜生长迅速，其长度超出纤维球上纤维长度的1～2 cm或更多。在一定的水力冲刷和气体搅拌作用下，这些周边上的生物膜不断脱落。观察表明，脱落下来的生物膜本身就长达2～3 cm。当它们进入曝气池后，经少量曝气及缓慢搅拌作用后，微生物一方面进一步利用吸附于其上的有机养份，一方面借助絮凝作用吸附或网捕小的菌胶团，最终发育成长为长达5～7cm左右的带状污泥。
2.一旦带状污泥形成后，只要条件不变，可以稳定存在，这一结果如图2所示。
3.形成稳定的带状污泥后，如把水力负荷逐步降下(有机负荷的平均值当然也降下了)，只要时间长到足以改变填料池的生物膜的状态，则曝气池的带状污泥又逐步减小减少。试验结果如图3所示，由图3知，当水量从100 L/h，减至80L/h后，仅五天时间，带状污泥的长度就从平均4-6cm降至1～2cm，并在今后稳定于此数值上。当水量从80L/h降至60L/h，带状污泥进一步变小。试验获得的MLSS和30分钟沉降比数据表明，系统的有机负荷下降(通过调节进水水量处降低负荷)，则曝气池中的带状污泥量本身在减少。以上三个试验说明，有机负荷(水力负荷)对带状污泥的形成是至关重要的。
(2)溶解氧及气体搅拌作用 试验表明，当曝气池溶解氧在1～6mg/L范围内，带状污泥的形成与溶解氧无关，沉降性能差别不明显。即溶解氧不是带状污泥形成的制约因素。
试验还表明，气体的搅拌作用有助于形成微生物聚集体，当曝气池内污泥浓度较低时尤其如此。
(3)温度的影响 当进水温度低于15℃后，微生物的活动受到明显的影响。当水温为13℃时，BOD 5 负荷为5kg/m 3 ·d，即对应进水水量为100L/h时，填料池中生物膜不可能长到伸出纤维球纤维长度外1～2cm的程度。这时要形成带状污泥就必须提高BOD 5 负荷至10kg/m 3 ·d。当然，这种情况下出水效果不易保证。
综上所述可知，a.采用纤维填料池为第一级、完全混合式曝气池为第二级；b.在适当的水温条件下(水温不低于15℃):c.让第一级在高负荷下运行，形成连续性的生物膜脱落；d.脱落的生物膜进入第二级曝气池，且在一定的曝气强度下运行，e.稳定运行，即可形成带状污泥。
(二)带状污泥的基本特性
1.沉降特性带状污泥的沉降特性与普通活性污泥不同。它既不象离散颗粒那样在沉淀过程中保持其原始大小形状基本不变，彼此不发生粘结现象，也不象絮凝颗粒那样，由于不断结成新的粒度较大，沉淀速度较快的颗粒，从而原始颗粒不复存在了。带状污泥的沉降特性不能用通常的离散颗粒和絮凝颗粒的沉淀试验来概括。一般说来，生长良好的带状污泥，用1000mL量筒取样后做静置沉淀试验，可观察到如下现象:大的带状污泥(长为3～7cm)将卷裹着细小的活性污泥，在1分钟之内沉到筒底，稍小一些的带状污泥(0.5～3 cm)，也在3 min之内沉到泥面。整个沉淀过程见不到明显的浑液面。试验还表明，带状污泥5min 沉降比与30min沉降比相差极小，故它在5min内完成沉降过程。
由于带状污泥沉降性能上的特殊性，我们进行了清水中单个带状污泥沉降的试验。其方法如下:用烧杯取出带状污泥悬液，用玻璃棒挑出每根带状污泥，在滤纸上测量其长，宽后，放入2 m高的清水柱内，观察其沉降速度，其结果如表3所示。单个带状污泥的沉降速度一般在1m/min。
2.含水特性试验测定了纤维填料上生物膜的含水率，其方法是:取出一串维纤填料(上含8个球)，让明水滴干(滴5 min)，剪下每个纤维球，称重，然后，置于烤箱中在60℃下烘至恒重，称重，计算得生物膜的含水率为92.5%(不包括纤维球外延的粘液层)。用玻璃棒挑出带状污泥，测得含水率为96.5%。可见，无论是纤维上生长的生物膜，还是带状污泥本身，其含水率都很低，这种带状污泥若进入污泥处置工段，可能比传统活性污泥有优越性。
3.机械强度带状污泥具有很好的机械强度。在试验过程中，采用穿孔管大气泡曝气，气水比高达20∶1，曝气4 h后，观察不到明显的带状污泥解体现象。从曝气池取出一小烧杯带状污泥悬浮液，经2h磁力搅拌，也无明显破碎现象。为此，我们在工艺流程中加了一个隔栅，可将纤维填料池出水中的稍长一些的生物膜(如1～2 cm以上)隔住，其结果可以用于控制泥龄。这样做的一个好处是隔住的污泥不必进入曝气池，从而节省了稳定这部分泥所需的能量。
4.生物相特性带状污泥生物相的最大特点是，以丝状菌为骨架，菌胶团及固着型纤毛虫缠绕其上(见照片5)。
纤维填料的生物膜与带状污泥的生物相有一定的差别。一般纤维填料上的生物膜里丝状菌更为发达，但其束状性较差。钟虫、累枝虫、线虫较少且较小，而带状污泥内的丝状菌成良好束状。钟虫、累枝虫较多。这些均和实验室得到的带状污泥的生物相特性相似。
(三)试验运行效果分析及工艺实质
表4是试验运行的结果。本工艺在去除BOD 5 及COD cr 方面的效果是很好的，由表4可知，当水量为100L/h(对应的纤维填料池的有机负荷为15kgCOD cr /m 3 ·d)，整个工艺的水力停留时间仅为1.6h，而BOD 5 的去除率仍在87～90%范围内，出水BOD 5 小于20mg/L。对应的C OD cr 的去除率也在60%以上。应当指出，本试验采用的合建式曝气池，其沉淀区仅数十分钟的停留时间(对水量100L/h而言)，加上水力负荷过高，托起细小悬浮物，故出水悬浮固体较多。这一问题可以通过调整填料池与曝气池的比例，控制污泥龄来解决。
通过以上分析，可对本工艺的实质作如下说明:(1)在第一级纤维填料池适当地提高负荷后，使得填料上的生物膜中优势种群为丝状菌。由于丝状菌具有很强的处理能力，故填料池可以在高负荷情况下仍完成其降解大部分有机物的任务；(2)利用第二级曝气，使纤维填料池上脱落下来的生物膜逐步稳定，而形成带状污泥。带状污泥虽仍然是丝状菌占优，由于它的密度比一般活性污泥大，含水率低，而且体积大，带状污泥中的微生物能态也低，故沉降问题得以解决，而绝不会发生污泥膨胀。因此，带状污泥的形成使得人们高效地利用丝状菌降解水中有机物成为可能。
四、结论
1.采用第一级纤维填料池，第二级曝气池工艺，在高负荷情况下运转，以城市污水为进水基质，可以形成带状污泥。
2.形成的带状污泥以丝状菌为骨架，菌胶团及固着型纤毛虫缠绕其上。
3.带状污泥在清水中的沉速为1m/min。其5min沉降比与30min沉降比相差极小。带状污泥含水率为96.5%，具有一定的机械强度可用载流或打捞的办法从曝气池中除去。
4.带状污泥的出现，使得利用丝状菌高效地去除废水中的有机物成为可能。
参考文献
[1] Zhang Chonghua.et al.A Study of a Novel Approach of High Aerobic Biological Treatment Process. paper presented at Wastewater Treatment Conference at Tongji University .Shanghai. China May 1987.
[2] Standard Methods For the Examination of Water and Wastewater. 15th ed. American Public Health Association. 1980.