利用环境化学和生物技术综合处理污泥的处置工程.docx

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利用环境化学和生物技术综合处理污泥的处置工程

利用环境化学和生物技术综合处理污泥的处置工程

张满效，周茹宝

（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，730000

兰州石化职业技术学院,730060）

近年来，为了有效防治水污染，城市污水处理厂的建设逐步受到重视，很多城市将污水处理厂的建设纳入了市政基础建设，但因经济、技术和其他原因，建设速度远远赶不上水污染防治的需要。

根据建设部的预测，2005年我国大中型城市入管网的污水处理率将达到47%，2015年将达70%，每年我国将有200多亿立方米的污水急待处理。

污水中的污染物和营养成分在大量繁殖的细菌作用下，在化学药剂的作用下形成聚集，逐渐增大的团粒结构最终在水中沉淀下来，形成污泥。

进一步添加高分子絮凝剂，采用物理方法浓缩，可以脱去大部分或一部分所谓的自由态水，形成我们所见到的脱水污泥。

污泥的处置是一个棘手的问题。

按照我国的城市人口基数，既便只有1亿人口产生的污水被处理，每天也将产生25000吨含固率20％的污泥泥饼。

这部分泥饼如果按照最高2米来堆放，每年需要600个国际标准足球场。

对于城市来说，周边土地资源已经难以满足需要。

因此污泥的合理处置势在必行，我国当前面临的问题是尽快发展污泥处置技术来应对不断增长的污泥污染，但由于我国在污泥管理方面对污泥的理化指标和感官指标控制的重视程度不够，城市污泥处理和利用起步晚、缺乏资金、水平落后，远远滞后于城市发展。

在现有经济技术条件下，55.7%的污泥未经任何稳定措施,大量未经处理的污泥必然对环境造成严重的二次污染，近50%的污泥未经任何干化处理，13.79%的污泥未经任何处置。

对生态环境和人民健康造成了严重的威胁。

利用工程菌生产溶菌酶投入污泥处理过程，发展新的污泥处置技术具有广阔的市场前景。

污泥中含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物以及重金属等难以降解的有毒有害物质。

由于污泥含水量高、体积大，给堆放和运输带来了困难。

城市污泥如果处理不当或不规范处理，将对生态环境和人民健康造成严重的潜在威胁。

因此，实现污泥的减容化、无害化、稳定化及资源化，已经成为我国乃至全世界环境科学界深为关注的课题之一。

我国是一个发展中国家，城市污泥处理技术还在刚刚起步，探索适合我国国情，合理、有效、投资少，见效快的城市污泥处理方法和环节，保证经济社会全面可持续发展，目前显得尤为必要。

当前，国内处理城市污泥的一般流程是：

污泥→浓缩→消化→脱水→卫生填埋、焚烧、或农用。

污泥经浓缩、消化后，尚有95%—97%的含水率，体积仍然很大，为了综合利用和最终处理，须对污泥干化和脱水。

机械脱水是目前国内外普遍采用的方法。

机械脱水前，污泥必须经过预处理。

主要方法有化学调节法、热处理法及冷冻法。

化学调节法增加了二次污染的可能性，一定程度上限制了对污泥的后续综合利用；热处理法及冷冻法要增加投入，增加了处理成本。

由于污泥含水量高、体积大，出水泥面升高，造成出水飘泥，影响水质，极大地增加了污水处理厂的生产成本，严重影响污水处理效果。

而且，污泥量过大时，给堆放和运输带来了困难，不规范处理、掩埋都可能造成大量的污泥污染物随渗滤液从地表进入深层，甚至威胁地下水和江河湖海。

无规则的弃置仍是主要消纳途径，其中一小部分进入了农田，这些弃置无论在近期还是远期都将成为地表水和地下水的潜在污染源。

因此，实现污泥的减容化、无害化、稳定化及资源化，已经成为我国乃至全世界环境科学界深为关注的课题之一。

化学处理进行混凝沉淀，凝聚剂采用碱式氯化铝，斜管沉淀。

该项技术目前虽已经达国际先进水平，但污水处理过程中产生的初沉污泥、剩余污泥和化学污泥集中汇集，经重力浓缩、污泥调质后，进入板框压滤机压滤脱水，滤液重返污水处理系统，处理系统的污泥含水率仅能达到80％左右的水平。

意大利的污泥主要处置目前还是填埋，但是其中有相当比例（超过30％）经过了干化处理，实现了大规模减量。

部分干化后的污泥用于建材，农用部分相对比例较小，焚烧为零。

总的来看，意大利的环境政策倾向保守，其原因可能在于意大利先于其它欧洲国家，有过惨痛的环境灾难和教训（塞维索的二恶英污染事故），此外作为欧洲最重要的旅游资源地，每年有超过3000万的各国游客来意大利度假，她同时也是世界上最主要的美食输出国，因此公众舆论对环境问题极为敏感。

各国根据其地理环境和土地资源状况，制订有不同的方针。

日本由于土地极为狭小，采取全部焚烧的策略，这种不惜代价的焚烧，是其经济发达程度可以承受的。

欧共体将污泥解释为一种资源，因此其导引要求各国从资源利用的角度去鼓励农用，限制填埋，鼓励一切形式的能源利用。

各国根据自身的地理条件，采取的政策多有不同。

德国多采取干化、半干化后焚烧，使用大量森林垃圾等作为补充能源。

意大利旅游资源极为重要，限制焚烧，鼓励减量，因此多为干化后填埋或做建材。

法国、西班牙都在积极推行干化减量和鼓励农用的政策。

总之，污泥减量的必要性是其中的主要经济因素，干化则是主要的技术手段和趋势。

溶菌酶是由弗莱明在1922年发现的,它是一种有效的抗菌剂，全称为l.4-β-N-溶菌酶，又称胞壁质酶或粘肽N-乙酰基胞壁酰水解酶,它能切断肽聚糖中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之间的β-l.4糖苷键之间的联结，破坏肽聚糖支架，在内部渗透压的作用下细胞胀裂开，引起细菌裂解。

溶菌酶广泛存在于自然界中的各种微生物、原生动物、人和动、植物组织中。

例如，人乳中的含量约为0.1-0.5mg/ml,鸡卵清中的含量约为3mg/ml，牛乳中的含量约为0.7mg/gal，人的白血球、血清、胎盘以及番木瓜、凤梨的鲜汁中也都含有丰富的溶菌酶。

不同来源的溶菌酶，其结构和功能上有相当的差异，抗菌谱也不尽相同。

溶菌酶的化学性质非常稳定，pH值在1.2～11.3范围内剧烈变化时，其结构几乎不变；溶菌酶的热稳定性较好，pH值4～7、100℃处理1min仍能保持原酶活性。

碱和氧化剂对它起阻遏作用，而Nacl则起活化作用。

粉状溶菌酶若采用低温干燥贮存，则几乎可永不变质。

即使在pH值为中性的水溶液中，该酶也可维持数天而不损失其活性。

人溶菌酶比蛋清溶菌酶具有更高的溶菌活性和热稳定性。

人溶菌酶的溶菌活性比蛋清溶菌酶高出3倍,且热稳定性也高于蛋清溶菌酶。

溶菌酶能直接水解革兰阳性菌，一定条件下，还能水解革兰阴性菌如大肠杆菌等。

溶菌酶能与带负电荷的病毒蛋白直接作用，与DNA、RNA、脱辅基蛋白形成复盐，使病毒失活。

溶菌酶的这些特性被应用于污水处理及污泥脱水和污泥消化的预处理中。

日本的角野立夫等1984年公布专利：

采用固定化溶菌酶技术处理含有生物难降解物质废水。

在公告中，生物难降解物质是指黑腐酸以及黑腐酸结构类似的有机物。

研究表明，溶菌酶可以改善污泥脱水性能，并且能分解消化污泥中的的大部分细菌。

研究还表明：

溶菌酶能加快污泥脱水速率，使泥饼的含水量下降，可以很大的提高污泥泥饼的固体含量，减少污泥体积。

但人溶菌酶制备材料相当有限。

通常人溶菌酶是从人奶、胎盘或尿液中少量提取,来源极其困难,无法进行工业化生产，所以溶菌酶生产成本高成为其在城市污泥处理应用中的瓶颈。

随着现代生物技术的迅猛发展，利用基因工程技术构建工程菌生产溶菌酶，降低成本，或直接将工程菌或筛选的微生物菌群投入污泥处理过程，达到脱水、无害化、稳定化同步进行，这对改进城市污泥处理工艺，减低污泥处理成本，维护生态环境和人民健康，无疑具有积极的现实意义。

因而人溶菌酶的广泛应用只能寄希望于采用DNA重组技术,利用原核或真核表达系统进行大规模生产。

选用构建合适的能专门表达人溶菌酶的温控型大肠杆菌表达载体，进行连接反应；转化反应成功后；进行人溶菌酶基因的诱导表达；对表达产物进行分离纯化并检测。

进一步完善人溶菌酶基因工程菌的构建，最终实现转基因药物的规模化工业生产。

并以人溶菌酶基因作为目的基因，检测所建立的表达系统的有效性和可靠性，进一步实验确立人溶菌酶在污泥脱水和污泥消化过程中的最佳剂量、最适温度、pH值等工艺条件，为大规模推广应用打好基础。

诱导目的蛋白的表达

Lane1：

空pET-28a载体

Lane2、3、6、11：

分别为未诱导

Lane4、5、9、10：

分别为诱导1—4小时，约16kD处有目的蛋白出现

Lane7：

Marker：

97、66、45、30、20.1、14.4kD

Lane8：

阳性对照：

卵清溶菌酶（Sigma）

用溶菌酶作污泥调理剂，既能破坏菌胶团结构，改善污泥性能，显著加快脱水速率，又可以杀菌，最大限度地减少病原体，抑制腐化潜力，极大地降低污水处理的成本消耗，提高污水处理的效果。

在生物氧化池中（如图所示）加入溶菌酶或能够生产溶菌酶的高产菌系，在活动填料区（第一区域）再加入高效絮聚剂,以提高填料中生物膜的拉伸粘度，延长生物膜与污水接触的时间，提高微生物捕捉污水中养料的效率，使污水中的生物难降解物质，诸如黑腐酸及与黑腐酸结构类似的有机物质得以分解消化，减少污泥的含水量及其沉积容量。

图1生物氧化池

从调节池泵至混合器的污水混入空气。

带气污水进入生物

氧化池，高效絮聚剂和溶菌酶由a处加入。

污水在三个区

域分别停留1个小时，经第2和第3区域沉降的污泥，由

脉冲器再次泵入调节池。

3区上层清水经过滤后自b排出。

工程菌酶活力：

黑色为100iu/T污水，红色为50iu/T污水，黄色为25iu/T污水。

工程菌在污水中溶菌酶活性为100iu/T、浓度为0.25g（溶菌酶）/T、在1区引入时间为75min，经过一系列综合处理污泥的脱水率可以达到33.26％，意味着污泥的含水量仅有66%以下，基本上达到预期的效果。

石化废水成分复杂，含有毒难降解有机物种类多，浓度高。

目前，石化工业的出水COD浓度高，达不到国家排放标准。

迫切需要找到一种既高效又经济的治理方法，改善环境质量，实现水资源的循环利用。

生物强化技术具有速度快、消耗低、效率高、条件温和，无二次污染、对环境友好等显著优点，而生物强化技术的基础是获得理想的外源降解微生物。

我们通过用常用的牛肉膏蛋白胨培养基，从石化污水污泥中培养优势菌群，从而筛选出所期望得到理想菌种，进而通过分子生物学技术对所筛选的菌株进行分子鉴定和分析。

通过对兰州石化污水和污泥中优势菌群进行培养后，我们从分离到的菌株中筛选出22株进行生理生化分析和驯化培养。

考察了这些菌种在不同温度和pH值的生长情况，并进行了COD的去除效果的检测，并通过测定其16SrDNA序列进而进行系统发育分析和鉴定。

生理生化分析发现，培养温度在25℃-40℃之间，大部分菌种生长情况都比较好，其中在30℃时菌液浓度达到最高。

pH7是菌种的最适生长pH值。

对COD的去除效果研究发现，在实验污水的COD初始浓度为7000-15000mg/L，初始pH值为7，在30℃恒温摇床内150r/min的振荡速率的发酵条件下，大部分菌种均有较好的处理效果。

基于16SrDNA序列的系统发育学研究发现这些细菌分别属于芽孢杆菌属（Bacillus）、黄杆菌属（Flavobacterium）、梭状芽孢杆菌属（Clostridium）、不动杆菌属（Acinetobacter）红球菌属（Schizopylium）、微杆菌属（Microbacterium）、短波单胞杆菌属

依据16SrDNA序列建立的部分菌株的系统发育树

（Brevundimonas）和微小杆菌属（Exiguobacterium）。

多数其他有机废水降解微生物的研究中也发现了相似的结果。

因此，对这22个菌株降解性能的进一步研究，通过驯化、诱突、杂交、代谢控制或者基因工程手段，可能可以筛选培育出理想的处理石化污水污泥的微生物。

调节池：

把不同水质级不同浓度的水混合均匀，并将微生物菌群一次性引入，在池内的生物载体上逐渐形成菌群生物膜。

利用微生物菌群（生物膜）的新陈代谢作用吸附、吸收、消化、分解污水和污泥中有机污染物和重金属，使之转化成为稳定的无害化物质，有利于下一步的生物氧化处理，提高处理效率，减少污泥的束缚水膜厚度，破坏污泥的胶体结构，以消除污泥的毛细管/间隙水、胶态/表面吸附水及化学性结合水；至于细胞内的水和分子水则依赖于溶菌酶的作用。

本研究在调节池内设有特殊的生物载体，便于微生物结膜繁衍生存。

在该装置安装完毕正常运行后，一次性加入培植的微生物菌群。

该菌群所含的种类多、菌谱宽，降解有机物能力强。

它们是由不同自然水体中含有的各种微生物通过分别分离提纯、培植驯化、浓缩固化后而配制成高活性、高浓度、多组合粉粒剂。

在常温、常压情况下，粉粒剂可保存6年以上。

应用时，针对不同的污染水体、水质及其污水中污染因子和浓度情况，选择降解性能有最佳优势的微生物菌种群（分为A、B、C、D、E型等系列）及所需数量，将菌群复壮后，再投放到调节池内，便可吸收消化分解污水中的有机污染物及其他有害成份。

污泥处理和中水回用的简易流程如下：

污水→格栅→调节池→生物氧化池→澄清池→消毒→清水

生物氧化池的建造可以省去一般污水处理装置中的SBR反应器、中间池、污泥浓缩缸、淤泥调质缸、二沉池、回流装置和排蓄池等，

同时，也省缴了排污费。

如果按每小时100吨处理能力设计，基建投资约为700万元，可节约投资30%，吨水处理成本2元多，节约50%；年最大运行成本为235万元，减少了37%；少交排污费61万元，节约了80%。

经过综合处理，石化污水的重新利用成为可能（如下表）

项目

处理前

处理后

污水pH

9.84

6.80

污水COD（mg/l）

7000-15000

200-1000

污水挥发酚（mg/l）

15.4

<5.9

污水油类（mg/l）

30.5

<17.3

污水苯胺（mg/l）

97.6

<44.6

污水硫化物（mg/l）

51.0

<25.3

污水硝基苯（mg/l）

67.6

<24.2

污水氨氮（mg/l）

7.78

<1.0

污水丙酮（mg/l）

102

<45.0

污水B0D5（mg/l）

6000

<170.0

污泥含水量（%）

>90

<66

根据国家规划，到2010年，城市污水集中处理要达到40%，需新建污水处理厂1000余座，一座中型处理厂造价在7.5亿—10亿元，年运行费需数千万元乃至上亿元。

而污泥处理环节所需的投资占总投资的20%—50%，最大可达70%。

可见污泥处理是污水处理系统中最重要的环节之一。

降低此环节的投资和运行费用，将直接影响污水处理的经济效益。

重组基因工程菌生产溶菌酶应用于污水处理及污泥脱水和污泥消化的预处理中，集污泥脱水和污泥消化于一体，又可与现有的污泥处理工艺相配套、衔接，降低了成本，缩短了污泥处理时间，投资少，经济效益显著，同时，最大限度地减少病原体，抑制腐化潜力；溶菌酶本身无毒无害，在自然条件下可降解，不会造成二次污染，因此具有良好的社会效益和生态效益。

我国城市化正在加速，广大中、小城市及企业急需投资省、运行费用低的新工艺，重组基因工程菌生产溶菌酶应用于污水处理及污泥脱水和污泥消化的预处理，非常适宜在国内中、小型污水处理厂、企业推广应用。