1目標(biāo)和意義選題背景1.1.1污泥處理現(xiàn)實狀況伴隨當(dāng)代污水處理設(shè)施普及、處理率提升和處理程度深化，污水處理廠剩下污泥產(chǎn)生量將有較大增加，由此引發(fā)二次污染問題日益嚴(yán)重。污水生化處理本質(zhì)是以污水中呈膠體和溶解狀態(tài)有機物作為微生物營養(yǎng)起源，將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和生物物質(zhì)，而過量生物物質(zhì)組成了生化處理產(chǎn)生剩下污泥。剩下污泥屬于固體廢棄物，含有大量有毒有害物質(zhì)及未穩(wěn)定化有機物質(zhì)，假如沒有得到適當(dāng)處置，排放后會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。污泥量通常占污水量0.3%~0.5%(體積)或者約為污水處理量1%~2%(質(zhì)量)，假如深度處理，污泥量會增加0.5~1倍。現(xiàn)在，世界上超出90%城市污水處都采取活性污泥法，這么愈加大了污泥處理量。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在我國城市污水年排放量為414億m3，二級處理率達成15%，污泥產(chǎn)生量大約為1500萬噸。用現(xiàn)階段常規(guī)污泥處理系統(tǒng)(不包含最終處置)建造大中型污水處理廠污泥處理工程所花費資金，約占二級處理廠全部費用40%，這對于我國現(xiàn)在經(jīng)濟發(fā)展是一筆巨大負擔(dān)。現(xiàn)在污泥慣用處理和處置方法如表1.1：表1.1 慣用污泥處理和處置方法處理方法應(yīng)用情況土地填埋運行成本低，但需有大面積可供填埋土地，易造成地下水污染焚燒可靠有效，但基建投資和運行費用較高制作建材制作磚、瓦、水泥原料、路面和路基材料等海洋處置用于沿海城市，易對海洋環(huán)境造成污染農(nóng)田利用用作農(nóng)肥，但需控制重金屬、有毒有害物質(zhì)和難降解具備生物積累性化合物對農(nóng)作物危害不論進行污泥利用還是填埋處置，污泥處理最終目標(biāo)與其余廢棄物處理一樣，都是以減量化、無害化、資源化為標(biāo)準(zhǔn)。但慣用污泥處理方法都存在著缺點，為了完善這些缺點，污泥減量技術(shù)就產(chǎn)生了。1.1.2臭氧氧化污泥減量技術(shù)現(xiàn)在，污泥破解方法有物理方法，化學(xué)方法以及生物方法。物理污泥破解方法包含：加熱法和機械法。化學(xué)污泥破解方法包含：熱化學(xué)法，臭氧氧化法和氯氣氧化法。生物污泥破解法是指投加能分泌胞外酶細菌，也能夠直接投加酶抑制劑或抗菌素對微生物進行污泥破解。其中，利用臭氧實現(xiàn)污泥減量化就是一個主要污泥減量伎倆。在各種污泥減量方法中,臭氧氧化法具備效率高、能耗低特點,并能實現(xiàn)污水處理廠污泥零排放,而且曝氣池中也沒有惰性物質(zhì)過量累積,可使MLVSS/MLSS值從運行早期0.87降到0.81。臭氧具備強氧化性，被廣泛用于污水處理廠中以提升污水生物降解能力，臭氧是強細胞溶解劑，能夠強化細菌隱性生長，增大細胞衰減速率，降低剩下污泥產(chǎn)量，它可與污泥中化合物發(fā)生直接反應(yīng)或間接反應(yīng),這兩種反應(yīng)是同時進行。圖1.1臭氧在水中反應(yīng)機理間接反應(yīng)首先臭氧分解形成羥基自由基為主一系列次生氧化劑，鏈引發(fā)劑如OH-等會加速此步反應(yīng)，而后羥基自由基無選擇性地與溶解物發(fā)生快速反應(yīng)(K=108~1010L/mol.s)。在臭氧分解生成羥基自由基OH.后，OH·可與有機物發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，抽氫反應(yīng)和羥基加成反應(yīng)，從而達成降解有機物目標(biāo)。直接反應(yīng)臭氧分子具備偶極性、親核性和親電性，這三種性質(zhì)決定了臭氧直接氧化有機物反應(yīng)機理。其中包含：環(huán)加成反應(yīng)，親核反應(yīng)和親電反應(yīng)。鑒于此，廣大環(huán)境科學(xué)工作者不停對此法進行改進，試圖找出最優(yōu)臭氧氧化污泥減量技術(shù)。1.2選題技術(shù)現(xiàn)實狀況在90年代早期，日本就開始了利用臭氧氧化技術(shù)進行污泥減量研究，1994年日本Yasui等人就正式提出了臭氧氧化污泥減量工藝。而后進行了從小試至工業(yè)化規(guī)模處理不一樣廢水一系列工藝可行性研究，在出水水質(zhì)沒有顯著惡化前提下，該工藝能做到污泥零排放。在連續(xù)了10各月左右工業(yè)化規(guī)模處理制藥廢水試驗中，在550Kg/dBOD負荷下，投加臭氧0.015Kg/KgSS時，經(jīng)過臭氧氧化和生化處理，臭氧化處理污泥中約1/3能夠被礦化，臭氧處理污泥量達成預(yù)計剩下污泥量3.3倍時，活性污泥系統(tǒng)無剩下污泥排放。因為零污泥排放，進水中所含部分無機固體在反應(yīng)器內(nèi)累積，污泥中有機物百分比在運行期間從85%降至75%，從而使得污泥SVI值較傳統(tǒng)活性污泥法低。可行性研究表明該工藝不但在技術(shù)上可行，而且運行成本僅為傳統(tǒng)污泥處理處置工藝(污泥衛(wèi)生填埋處置)47%。在此研究基礎(chǔ)上，Sakai將此技術(shù)應(yīng)用于日本Shima污水處理廠450m3/d城市污水活性污泥處理系統(tǒng)中。臭氧投加量為0.034kg/kgSS時，處理污泥量為預(yù)計剩下污泥量4倍時，可做到剩下污泥完全減量。經(jīng)過五個月無剩下污泥排放運行，進水中30%無機物在污泥中積累，但沒有觀察到惰性有機物積累。出水水質(zhì)除SS比未經(jīng)臭氧處理時高2~15mg/L，其余指標(biāo)均無顯著改變。而后，Skataywni等人在AO工藝中增加了臭氧破解污泥和磷回收工序。Song等人將膜生物反應(yīng)器與臭氧破解污泥技術(shù)相結(jié)合，Muller等人又將各種不一樣機械法與臭氧氧化法等污泥破解技術(shù)進行了比較，發(fā)覺臭氧氧化法能夠達成最好污泥破解效果。這為臭氧氧化污泥減量奠定了堅實基礎(chǔ)。在我國，哈爾濱大學(xué)王琳研究表明，在臭氧氧化過程中，污泥中蛋白質(zhì)含量降低靠近90%，SVI值較平穩(wěn)，污泥沉淀性能良好。蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系金瑞洪進行了臭氧對活性污泥特征影響研究，認為活性污泥經(jīng)過臭氧化，污泥濃度降低且污泥活性下降。其中臭氧投加量低于0.19O3/gSS時污泥活性即大幅下降，而后污泥濃度才伴隨臭氧量增加而顯著降低。1.3選題意義因為社會生產(chǎn)力發(fā)展，工業(yè)化程度加大，人口數(shù)量日益增大，人類居住生活日趨集中，生活生產(chǎn)污水排放量也日益增大。在未來生活中，污水處理廠剩下污泥也將變成新環(huán)境問題，怎樣找到科學(xué)、經(jīng)濟、有效路徑來降低污泥對人類危害是我們科研人員要處理問題，同時也是我們研究主要目標(biāo)。臭氧氧化污泥減量技術(shù)將生物與化學(xué)處理技術(shù)相結(jié)合，既能發(fā)揮傳統(tǒng)活性污泥法專長，又結(jié)合臭氧強氧化性特點，能有效降解污泥，經(jīng)濟、實用，便于操作管理，有遠期效益。污泥減量化研究適應(yīng)了污水處理系統(tǒng)實現(xiàn)良性運行、預(yù)防污水處理出現(xiàn)二次污染，使污水治理更具備環(huán)境效益需要。2主要研究內(nèi)容利用臭氧實現(xiàn)污泥減量是一個較為有效可行污泥減量方法，這一點經(jīng)被實踐所證實，而污泥減量化是建立在保持污水處理系統(tǒng)性能穩(wěn)定基礎(chǔ)上，在利用臭氧氧化剩下污泥同時，需要研究污泥減量工藝對于污水處理系統(tǒng)性能影響。為了深入探索臭氧在污泥減量過程作用機理，尋求更經(jīng)濟可行應(yīng)用方案，本論文將從下面幾個方面進行探討:1.臭氧化污泥減量機理;2.研究不一樣臭氧投加量、臭氧濃度、pH對臭氧破解效果影響，以及處理前后污泥性狀改變，分析不一樣處理條件對污泥破解效果影響;3.分析臭氧破解污泥反應(yīng)機理。在試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用多元線性.回歸方法。4水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性分析5.經(jīng)過試驗考查其在活性污泥系統(tǒng)中可生化性，對臭氧氧化污泥減量技術(shù)可行性進行分析。3設(shè)計技術(shù)路線污泥污泥污泥破解試驗不一樣處理條件對破解影響臭氧氧化前后污泥性狀改變確定關(guān)鍵影響原因確定臭氧處理程度臭氧氧化污泥減量系統(tǒng)可行性分析臭氧化反應(yīng)產(chǎn)物分析臭氧氧化污泥破解機理水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性分析4設(shè)計時間安排畢業(yè)設(shè)計時間安排如表4.1所表示：表4.1畢業(yè)設(shè)計時間安排時間內(nèi)容-3-8至-3-21資料查找并完成開題匯報-3-22至-4-4完成試驗儀器購置，為試驗做好前期準(zhǔn)備。-4-5至-5-4單一變量法對影響試驗各種原因進行研究-5-5至-5-15活性污泥減量化工藝對于水質(zhì)特征影響-5-16至-6-2工藝過程性能優(yōu)化-6-3至-6-18論文撰寫已經(jīng)有參考文件：[1]金瑞洪,NGWunJern.臭氧應(yīng)用與SBR剩下污泥減量研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),,36(2):239-245[2]何圣兵,薛罡,王寶貞.污泥臭氧化減量技術(shù)影響因子[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),,18(3):20-22[3]孫德棟,王琳,黃海萍.利用臭氧氧化實現(xiàn)污泥減量[J].水處理技術(shù),,32(6):48-51[4]汪啟光.污泥臭氧破解及其減量機理與效能研究[D]，浙江：浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境工程系，.5[5]王琳，王寶貞，張相忠.利用臭氧氧化實現(xiàn)污泥減量[J].中國給排水，，19(5):38-40[6]洪荷芳.臭氧-高效復(fù)合菌污泥減量新技術(shù)研究[D],四川：四川大學(xué)環(huán)境工程學(xué),.4[7]杜汪洋.低濃度臭氧-生化法在活性污泥減量中試驗研究[D]，合肥：合肥工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程，.5[8]徐新華，趙偉榮.水域廢水臭氧處理[M],北京：化學(xué)工業(yè)出版社，[9]FernandoJ.Beltran.OzoneReactionKineticsforWaterandWastewaterSystems[M],CRCPressLLC,小議污泥能源化利用前提條件——德國漢堡污泥消化發(fā)電干化焚燒項目標(biāo)數(shù)據(jù)解讀

德國漢堡在Koehlbrandhoeft污水處理廠內(nèi)建設(shè)了一個包含厭氧消化、沼氣發(fā)電、污泥干化、污泥焚燒在內(nèi)多個工藝組合能源化綜合利用項目，從概念上看是十分先進，國內(nèi)已經(jīng)有多篇介紹。本文依照這些文章所提供數(shù)據(jù)，結(jié)合漢堡公用排水企業(yè)（HamburgPublicSewageCompany）在年報等公開出版物中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，試圖對這一十分復(fù)雜項目進行一個量化解讀。

一、基本情況依照MathiasL?ser在布拉格大學(xué)（）講課統(tǒng)計（WasteWaterTreatmentinHamburg），漢堡污水處理及其污泥處置主要情況以下：漢堡人口約170萬，有兩座污水處理廠（K?hlbrandh?ftandDradenau），設(shè)計處理能力為180萬加上相當(dāng)于40萬人口當(dāng)量工業(yè)或商業(yè)污水。日處理污水量約45萬立方米，年均1.4億立方米。污水產(chǎn)生污泥，首先采取10座、單體容積8000立方米蛋形消化器進行中溫（35度）處理，有機質(zhì)降解率約50%，產(chǎn)生沼氣約84000立方米/日，消化對象也包含每年大約26000噸來自其它污水廠污泥和有機廢物。消化后污泥經(jīng)機械脫水，從含水率97%降為80%，然后采取熱干化，從80%降至58%。1997年底建設(shè)了污泥焚燒裝置，該裝置除處理干化污泥外，也焚燒大約17000噸外來廢物。依照HSE（漢堡排水企業(yè)）年報，處理污水量1.455億立方米，為1.443億立方米，分別產(chǎn)生污泥干固體44110和45130噸。污水廠年耗電1.19億度，項目發(fā)電可滿足自用電65%，所需熱量0.87億千瓦亦可從污泥中取得65%，此能源自足率在德國處于領(lǐng)先位置。依照漢堡城市排水企業(yè)R.D.Thierbach等《漢堡Koehlbrandhoeft污水處理廠對沼氣和污泥焚燒能源利用》一文介紹（盧志等在《中國給水排水》.5上發(fā)論文《德國漢堡污水處理廠污泥循環(huán)處理模式探討》與該文基本相同），該項目可滿足用電量60%和熱量100%。消化后污泥含水率約為96.7％，離心脫水后含水率為78％，然后在蒸汽加熱干化機中干化到含水率為58％。沼氣用于發(fā)電，燃氣輪機發(fā)電裝機量為4950kWh，高溫?zé)煔饨?jīng)冷卻鍋爐產(chǎn)生蒸汽，蒸汽首先用于發(fā)電，然后抽出部分0.7MPa蒸汽用于污泥干化。污泥焚燒爐產(chǎn)生蒸汽（4MPa400度）與前述蒸汽是采取同一臺2MW蒸汽渦輪發(fā)電機進行發(fā)電。干化系統(tǒng)為三流，兩用一備，每流各兩臺干化機。流化床焚燒爐亦為兩用一備。經(jīng)過干化后污泥量約為100000噸/年，進行焚燒處理柵渣（含固率20-35%）約6000噸。沼氣產(chǎn)量74000立方米/日，燃氣輪機發(fā)電4.95MW，冷卻鍋爐產(chǎn)蒸汽量22噸/時，流化床焚燒爐產(chǎn)蒸汽量9噸/時，年發(fā)電量63000MW。依照給出物料平衡表，進入消化罐生污泥185tds/d，消化后為115tds/d，即70tds/d轉(zhuǎn)化為沼氣。115tds/d中有7tds/d隨上清液回流至污水廠，這么實際脫水污泥為108tds/d。發(fā)電效率約20-22%。依照給出能量平衡圖，生污泥和柵渣總能量為34MW，其中生成沼氣18MW，進入焚燒系統(tǒng)能量為16MW。沼氣18MW中，煙氣和輻射損失4.4MW，發(fā)電4.8MW，產(chǎn)生蒸汽8.8MW。進入焚燒爐16MW中，產(chǎn)生蒸汽約12MW，煙氣和輻射損失4MW。這么，在總蒸汽20.8MW中，發(fā)電2.5MW，透平冷凝損失10.3MW，抽汽用于干化8MW。在用于干化8MW中，6.5MW可回收熱水，用于辦公樓和消化加熱，冷凝和輻射損失1.5MW。

二、數(shù)據(jù)辨析

1、污泥量依照給出干化后含固率42%、污泥量100000t/a、每日275t/d計，此項目所考慮運行日數(shù)可能為100000/275=364天。以年柵渣6000干噸計，每日柵渣量為6000/364=16.5干噸，與給出16tds/d柵渣量基本相符。但一篇文章中給出275tds/d污泥量數(shù)據(jù)與物料平衡圖中185tds/d相差太大，也與年報中數(shù)字相差太大，在這里有必要做個簡單判斷。依照水量和污泥干固體量可知，當(dāng)年日均污水處理量為1.443*108/364/104=39.7萬立方米/日，萬噸污水濕泥產(chǎn)量為15.3噸（以含固率20%計）。假如日產(chǎn)污泥275tds/d話，萬噸污水濕泥產(chǎn)量為34.7噸。假如是185tds/d話，萬噸污水濕泥產(chǎn)量為23.3噸。依照年報中所提及處理外來污泥量26000tds/d，筆者認為物料平衡圖中給出185tds/d可能最靠近項目標(biāo)設(shè)計值，而275tds/d數(shù)不知何據(jù)。所以本文以185tds/d為依據(jù)進行反推。

2、發(fā)電量蒸汽系統(tǒng)圖中給出了5.2MW蒸汽發(fā)電量。但同一篇文件，給出實際蒸汽汽輪機設(shè)計值是2MWel。依照發(fā)電總量63000MWh/a考慮，發(fā)電裝機量應(yīng)為63000/364/24=7.2MWh，但依照給出沼氣燃氣輪機4.95MW和蒸汽輪機2MW看，實際裝機量為6.95MWh。按照實際裝機看，年實際發(fā)電量應(yīng)為60655MW，與給出63000MW還比較靠近。所以筆者認為蒸汽系統(tǒng)圖中5.2MW應(yīng)該是熱能數(shù)據(jù)。

3、干化蒸汽量以干化所需循環(huán)蒸汽10t/a計，循環(huán)量為10/364/24=13.75t/d。以108tds/d干化處理量考慮，從22%含固率干化至42%，需要蒸發(fā)9749kg/h水，按照4臺干化機運行考慮，單機蒸發(fā)量2437kg/h。依照熱平衡圖給出干化需熱量8MWh計算，則升水蒸發(fā)量凈熱耗為706kcal/kg。這一數(shù)值也比較靠近實際。這么，每千克用于干化蒸汽實際吸熱量為8MW*1000*860/13750=500kcal/kg。升水蒸發(fā)量蒸汽耗為13750/9749=1.41kg/kg。

4、沼氣產(chǎn)率 按照10個消化池、單體有效容積8000立方米計算，74000立方米沼氣量，相當(dāng)于池容產(chǎn)氣率為0.925m3/m3，已屬于很高水平（高碑店設(shè)計值0.425，實際0.2左右）。 假如按照設(shè)計值，揮發(fā)性有機質(zhì)降解率取0.5話，該項目實現(xiàn)有機質(zhì)降解70tds/d，意味著入消化器干基有機質(zhì)含量高達76%！（70/0.5/185=76%）

5、污泥和柵渣干基發(fā)燒量已知入爐干化污泥和柵渣干固體量分別為4504和688kg/h，總發(fā)燒量16MW，則這種混合燃料平均干基熱值為16*1000*860/(4504+688)=2650kcal/kg.ds。假如假設(shè)污泥厭氧消化后干基熱值為2600kcal/kg，則柵渣熱值就相當(dāng)于2981kcal/kg。從焚燒角度看，平均干基熱值在2650kcal/kg污泥及柵渣，在含固率40%左右時是完全能夠?qū)崿F(xiàn)良好自持燃燒。

6、廢棄物平均熱值 假如不進行厭氧消化，沼氣18MW能量仍考慮在污泥中，此項目所處理總干固體量為8108kg.ds/h，能量為34MW，則廢棄物平均干基熱值為3606kcal/kg.ds。

7、發(fā)電機熱效率 以燃氣發(fā)電機裝機量4950kWh、消耗熱量18MW計，燃氣發(fā)電機熱效率為4.95/18=27.5%。這一數(shù)值與現(xiàn)在經(jīng)典燃氣發(fā)電35-40%熱效率相比，顯得較低，但其功效還在于產(chǎn)生大量蒸汽用于發(fā)電和供熱。蒸汽發(fā)電形式相當(dāng)于背壓抽汽機組，其發(fā)電熱效率較高，約為38.5%。

8、自用電滿足率 依照年報，項目所在污水處理廠電耗為1.19億度/年，相當(dāng)于每小時電耗13635kWh。假如確如年報或文件所言，該項目發(fā)電量應(yīng)可滿足本廠60-65%需求，則需產(chǎn)電8.2MW以上，而實際只有6.95MW。顯然，年報和介紹材料中數(shù)據(jù)還是略顯樂觀了些。 筆者認為，這個項目給出自用電滿足率是沒有什么參考意義，因為其它起源污泥、柵渣、其它有機廢物占有主要百分比。

9、脫水污泥收率 依照脫水前干基固體量115tds/d、脫水后干基固體量108tds/d考慮，固體收率為94%。

三、經(jīng)濟分析經(jīng)過對技術(shù)數(shù)據(jù)辨析能夠確認，該項目所公布數(shù)據(jù)是基本靠譜。經(jīng)過這些技術(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合國內(nèi)造價和成本，應(yīng)該能夠大致判斷此項目假如在國內(nèi)實施投資和成本概念。

1、

參考污泥量對污泥處理處置成本進行比較，需要一個共同基點，這個基點我們選擇為未經(jīng)消化、經(jīng)過脫水所形成含固率20%濕泥。在漢堡項目中，消化前干固體量為185tds/d，按照機械脫水固體收率94%計算，可取得含固率20%脫水污泥870噸/日。

2、

電能產(chǎn)值以實際發(fā)電量6950kWh計算，假設(shè)消化、脫硫、發(fā)電、脫水、干化、焚燒等各項設(shè)施自用電量占總發(fā)電量26%（筆者測算數(shù)據(jù)），電價以0.65元/千瓦考慮，則天天發(fā)電產(chǎn)值（可對外銷售）為80231元/日。折合噸濕泥產(chǎn)值（不考慮柵渣）92元。

3、

人員和藥劑成本此項目組成極為復(fù)雜，運行難度較大，假設(shè)消化（含脫硫、發(fā)電）、脫水和干化、焚燒三大系統(tǒng)總運行人數(shù)為30人，人均年薪4萬元，則人員成本為3300元/日。考慮到沼氣脫硫、機械脫水、焚燒煙氣處理均需要大量化學(xué)藥劑，以噸污泥25元考慮，每日藥劑成本最低為27138元。

4、

投資假設(shè)消化部分投資40萬元/噸濕泥（參考上一篇《國內(nèi)污泥厭氧消化裝置停運或運行不良原因淺析》），干化投資25萬元（注意，不含備用，干化入口濕泥處理量491噸/日，已去掉了消化降解部分），焚燒投資40萬元（也不含備用），不考慮其它成本（如土建、安裝、稅費等），則一個類似項目在中國實施投資最低在66719萬元，折合噸濕泥平均投資77萬元。

5、

維護成本考慮維護成本為投資2.5%，則每日維護費為45869元。

6、

總直接處理成本上述直接成本（人員、藥劑、維護）之和為70907元/日，折合82元/噸濕泥。未考慮焚燒灰渣處置成本。

7、

折舊及財務(wù)成本考慮年利率5.94%、還款付息期，則折舊和財務(wù)成本為150259元/日，相當(dāng)于每噸濕泥173元。總結(jié)一下，該項目靠污泥厭氧消化產(chǎn)電，可產(chǎn)生一定收入，甚至可高于整個項目標(biāo)直接運行成本，但假如考慮折舊話，這類項目依然有著很高成本負擔(dān)。即，假如處理費不高于162元/噸濕泥，運行商一定是賠本。就投資而言，此項目對于一個處理規(guī)模僅39.7萬立方米/日污水廠來說，泥區(qū)投資假如折合到噸水里，需要1681元/立方米·日，已遠遠高于現(xiàn)在國內(nèi)市政污水廠1000元/立方米·日造價水平。

四、結(jié)語

漢堡項目可能是我所見到國外污泥處置項目中，能源利