污泥减量化水处理技术的研究进展

来源：东隆  日期：2014-06-05

传统的污泥处理是先经过浓缩、稳定脱水等预处理后，再进行土地利用、卫生填埋和焚烧等最终处置。但上述方法投资和运行费用巨大，约占污水厂总运行费用的40%～65%。
针对污泥处理过程中的环境问题和经济效益，20世纪90年代提出了剩余污泥减量化的概念。污泥减量化是使整个污水处理系统在保证污水处理效能的前提下，采用适当的物理、化学、生物等方法，使向外排放的生物量达到最少，从而实现从“源头”上减少污泥的产量。目前污泥减量化技术已经成为国内外的研究热点。


一、基于微生物隐性生长的污泥减量技术

微生物基于自身细胞溶解产物的生长方式称为隐性生长。整个过程包含了溶胞和生长，其中溶胞为限制步骤。因此，溶胞效率的提高能够导致污泥产量的减少。利用各种物理、化学等溶胞技术，使细菌能够迅速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用，是污泥减量过程中广为应用的手段。


1、臭氧氧化污泥减量技术

臭氧是一种十分活泼的氧化剂，可与污泥中的化合物发生直接或间接反应。同时臭氧还能氧化污泥中不易水解的大分子物质。臭氧氧化污泥减量是基于使部分活性污泥变成二氧化碳和水、部分溶解成可生物降解的有机物从而被生物降解，通过投加臭氧甚至能建立污泥零排放系统。
为了减少剩余污泥生物产量，Yasui等把臭氧氧化引入到传统的活性污泥系统中，试验结果表明，部分回流污泥由臭氧氧化后回流到曝气池，可使剩余污泥量减少40%—60%。金瑞洪等利用SBR和污泥臭氧化及回流装置组成污水处理系统，当臭氧投加量为0.5gO3/gSS且污泥回流量为0.4L/（L·d）时，污泥表观产率可接近零，且系统对COD的去除率、污泥沉降性能未发生明显变化。Lee等在低温下将活性污泥工艺和臭氧氧化工艺组合，通过优化臭氧氧化率和频率，在112d内实现了污泥的“零排放”。
在传统的污泥减量系统中，污泥中的碳虽可以被臭氧氧化成CO2，但是氮和磷却因臭氧氧化作用而溶解在污泥上清液中，并在系统中积累，导致出水氮、磷浓度升高。针对这一问题，Dytczak等将采用A/O—SBR工艺中的部分污泥经臭氧氧化后重新回流到系统中，并利用臭氧氧化污泥释放的额外碳使系统反硝化效率提高了60%。Saktaywin等则针对系统中磷积累问题进行了积极探索，并开发出一个集污泥减量与磷回收于一体的新型污水处理系统，该系统包括传统的A/O除磷工艺、污泥臭氧化接触反应器和磷回收工艺等3个子系统；通过数学模拟，对该系统达到稳定运行时的各物质进行了物料平衡分析，证明该工艺是可行的，可在减少污泥量的同时实现磷的回收。
随着污水处理新工艺的产生，臭氧氧化污泥减量处理技术也在不断进步。Song等首次将臭氧氧化技术与MBR组合，并对两套MBR进行了对比试验。结果发现，在无臭氧氧化污泥回流的反应器中，污泥产率约为1.04g/d，而有臭氧氧化污泥回流的反应器中污泥的产率几乎为零；在营养物去除方面，有臭氧氧化污泥回流的MBR要优于无臭氧氧化污泥回流的反应器，两系统对总氮的去除率分别为70.4%和68.7%，对总磷的去除率分别为54.4%和46.2%。Oh Y K等的研究表明，当臭氧与碱联合使用时，可以降低臭氧的投加量，在pH值为11、臭氧剂量为0.02gO3/gSS的条件下，MBR能够在没有大量生物量积累的情况下稳定运行200d，期间膜通透压力＜6.7kPa，没有发生重大膜污染。
目前，国外已将臭氧应用于二级污水处理厂生物处理系统的污泥减量，但臭氧生产投资相对较大，因此如何降低其投加剂量是值得大家关注的问题。


2、氯氧化污泥减量技术

利用氯气实现污泥减量的原理和臭氧相同，都是利用其氧化性使微生物细胞壁破裂，促进隐性生长。Saby等研究了氯气替代臭氧的可行性，当污泥中氯气量为133mg/（g·d）时，可使污泥减量65%；但污泥的沉降性能会变差，污泥絮体平均直径由15um降至3um左右，而且粒径分布更集中，出水中溶解性COD浓度显著增加。虽然氯气比臭氧价廉，但氯气能够和污泥中的有机物反应生成三氯甲烷（THMs）等氯代有机毒物，是不容忽视的问题。


3、超声波污泥减量化技术

超声波技术能够破解污泥絮体物、分解细胞、释放细胞物质和胞外聚合物（EPS），是一种破解污泥的有效方法。功率较强的超声波能够使水体出现空化现象，在声空化过程中产生的小气泡破裂会产生高温（5000K）、高压（50MPa）现象，同时空化产生的剪切力会破解污泥絮体。超声波处理产生的·OH会和EPS反应，从而改善了污泥的脱水性能和可生物降解性。Yoon等用超声波处理MBR的部分回流污泥，结果显示在实现污泥减量的同时，MBR的实际有机负荷F/M显著高于表观值。还有人研究了超声波和SBR结合的污泥减量效果，当部分污泥被强度为120Kw/kgDS的超声波处理15min时，剩余污泥减少了91.1%，污泥的沉降性能未受影响，对COD的去除率为81.1%，对TN的去除率为66%左右，但出水磷浓度较高。
超声波用于污泥减量的缺点是声能利用效率低、能耗大，目前还未在工程上应用，但该工艺与其他污泥处置工艺联用，将会具有广阔的应用前景。


4、Fenton试剂法

Fenton试剂的氧化能力很强，在外界物质（如Fe2+、紫外光UV、太阳光等）的激发下会产生·OH，能够破坏污泥絮体，使污泥细胞中的物质得到分解，提高了污泥的可生化性，然后把这些破解的污泥回流到生物反应系统中，被微生物二次利用，可达到污泥减量的目的。
Tokumura等通过太阳光—Fenton反应来处理活性污泥，发现反应系统内的悬浮污泥浓度减少了40%；用太阳光代替昂贵的且对人体有害的UV来激发·OH的产生，不但能够节省能源，而且产生的SCOD还是UV作为光源时的1.5倍，表明太阳光比UV作为光源时的溶胞能力强。


二、基于代谢解偶联的污泥减量化技术

微生物的分解代谢过程能够分解复杂的有机物产生能量，合成代谢则利用这些能量合成细胞需要的物质，其中能量转化是以ATP的形式来实现的。对于大部分好氧微生物，ATP是由氧化磷酸化产生的，在这个过程中电子通过电子转换系统从电子供体（底物）转换到电子受体（O2），通过限制呼吸速率将细菌的分解代谢和合成代谢偶联在一起。然而，若呼吸作用的控制不存在，则取而代之的是合成过程的速率受到限制，那么就会发生代谢偶联。因此，剩余的自由能量因不能合成代谢所利用，从而引起生物量的产量减少。
在某些条件下，如存在质子载体、重金属、剩余能量、异常温度、营养物质缺乏和好氧/厌氧交替循环时，可导致代谢偶联的发生，这种解偶联方法将加大分解代谢和合成代谢之间在能量供需上的矛盾，从而使供给合成代谢的能量受到限制。当能量解偶联发生时，就会出现生物增长量的减少，即表现为污泥减量。


1、投加解偶联剂

解偶联剂通常是脂溶性的小分子物质且一般含有酸性基团（如2，4—二硝基苯酚），其作用机理是通过与H+的结合降低细胞膜对H+的阻力，使膜两侧的质子浓度梯度降低，降低后的质子浓度梯度不足以驱动ATP合成酶合成ATP，从而减少了氧化磷酸化作用合成的ATP量，氧化过程中产生的能量最终以热的形式被释放，从而降低污泥的产量。目前关于解偶联剂在污泥减量化处理技术中的应用报道很多。Xue等在污水生物处理系统中对间氯酚、对氯酚、间硝基酚和邻硝基酚四种解偶联剂进行了污泥减量试验，发现间氯酚的效果最好，当其浓度为20mg/L时污泥减量约80%。马宗凯等采用SBR培养装置，研究了铜离子与2，6—二氯苯酚（DCP）解偶联剂协同作用下的污泥减量效果，当DCP浓度为20mg.L，Cu2+和DCP对污泥减量有明显的协同作用。
投加解偶联剂是减少污泥产量的最简单方法之一，因为它只需要投加解偶联剂，无需改变现有工艺就可实现污泥减量。但化学解偶联剂的使用可能会降低系统对COD的去除率、增加氧的消耗和恶化污泥的性质（如沉淀性和脱水性变差）。由于大部分解偶联剂是生物异源物质且对环境具有潜在的危害，因此对解偶联剂的实际应用应慎重，在今后的研究中应进一步重视其对环境的影响，同时还应对解偶联机理和解偶联剂对营养物去除的影响作深入研究。


2、好痒—沉淀—厌氧（OSA）工艺

生物在好氧和缺氧（或厌氧）环境之间的转换可促使生物的代谢解偶联，为此形成的好氧—沉淀—缺氧（或厌氧）（OSA）工艺可使污泥的产率下降。其基本原理是：在常规活性污泥法（CAS）的污泥回流过程中增设一个厌氧段，使微生物交替进入好氧和厌氧环境，细胞在好氧阶段形成ATP不能立即用于合成新的细胞，而在厌氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗，微生物分解和合成代谢相对分离，而不像通常条件下紧密偶联，从而达到污泥减量的效果。
Westgarth等首次报道了在污泥回流过程中增加一个厌氧段可减少一半剩余污泥。此后，Chudoba等对OSA工艺进行了大量研究，发现OSA工艺的污泥产率与CAS相比降低了20%～65%，SVI值也比CAS工艺低，污泥的沉降性能得到有效改善，Saby等研究了OSA工艺缺氧段保持较低的氧化还原电位（ORP）对污泥产量的影响，结果表明在缺氧区ORP值＜100mV时有利于剩余污泥减量；当ORP从100mV降到-250mV时，污泥的减少量从23%增加到58%。俞晓勇等研究了添加化学解偶联剂3，3，4，5—四氯水杨酰苯胺（TCS）联合OSA工艺所引起的污泥减量效果，结果表明该工艺的污泥减少量为46.9%，高于单独的OSA工艺和单独添加TCS的CAS工艺生物污泥减量效果。
与CAS工艺相比，OSA工艺具有以下优势：（1）能耗低、无二次污染、污泥减量效果好；（2）污泥产量低且沉降性能好；（3）对COD的去除效率高，有利于高浓度有机废水的处理；（4）OSA工艺和除磷工艺相似，有利于除磷菌的生长，因此对磷的去除效率高。其缺点是：（1）OSA工艺只有在进水有机物浓度较高的条件下才能体现出优越性，若进水有机物浓度较低，则和常规活性污泥法相比没有太大优势；（2）OSA工艺的水力停留时间较长（是常规活性污泥法的2倍），使得在较低有机物浓度下的处理和常规活性污泥法相比在污泥产率方面没有优势；（3）对氮等营养物质的去除能力差。
2008年日本的Ichinari等在传统的净化槽前增加一个污泥好氧消化池（简称ASD，由好氧生物滤池和沉淀池组成），与ASD结合的净化槽试验Ⅰ系统与传统净化槽系统Ⅱ相比，污泥产量减少了35%，但系统最终出水的BOD5和SS浓度稍高于传统的净水槽，冬季出水的BOD5和SS浓度甚至更高，因此将来可以通过增加沉淀池的容积、限定合适的好氧条件弥补出水水质变差。


3、高S0/X0条件下的解偶联

在高S0/X0（初始底物浓度/初始污泥浓度）条件下，微生物在分解代谢中产生ATP的速率要大于在合成代谢中消耗的速率，ATP产生积累后可能引起能量的消散，从而降低微生物产率系数。目前对高S0/X0条件下的解偶联有两种解释：一种认为在高S0/X0条件下，一些离子（如H+或K+）能穿过细胞膜，降低跨膜电位，引起能量溢出；第二种认为在高S0/X0条件下，微生物的代谢途径发生了改变，绕过了能量储存的糖酵解途径，引起代谢解偶联。Liu等研究了在基质过量条件下能量消散的动力学模型，证明在S0/X0值增加时，微生物解偶联生长部分增多。
虽然对高S0/X0条件下微生物生长动力学模型已有较深入研究，但还不能应用于实际污水处理过程。这是因为城市生活污水的实际S0/X0值多为0.01～0.13，而要实现解偶联则需S0/X0约为8～10。因此，既要满足较高的S0/X0使代谢解偶联，又要满足出水水质达标，将会大大增加投资和处理成本；而且在高S0/X0条件下，微生物产生的不完全代谢产物还可能对整个处理过程产生影响。


4、高浓度溶解氧的解偶联作用

细胞表面的疏水性、微生物活性和EPS的产生都和反应器中的溶解氧水平有关，这预示着溶解氧对活性污泥的能量代谢有一定影响，进而影响碳在分解代谢和合成代谢中的分布。目前，对高浓度溶解氧能减少污泥产量的机理有两种解释，Mcwhirter认为高浓度溶解氧将会产生更多的活性生物量，因而使得真正的污泥负荷降低，从而导致相对较低的污泥产率；然而，Abbassi等认为增加氧的浓度可以提高氧的深度扩散，使污泥絮体内部好氧区域扩大，絮体内水解的生物量都可以被好氧降解，从而使污泥量得以减少；在试验规模的CAS反应器中，当溶解氧从1.8mg/L增加到6.0mg/L时，剩余污泥产量从0.28mgMLSS/mgBOD5下降到0.02 mgMLSS/mgBOD5。
采用高浓度溶解氧工艺来实现污泥减量无需对原有设备进行大规模改造，仅需增大曝气量，操作简单，在相同的污泥停留时间下纯氧系统中的污泥产率仅为空气系统的60%，即使在高污泥负荷率下，污泥量也可比传统工艺减少54%。与传统空气曝气工艺相比，纯氧工艺能使曝气池中维持较高的MLSS，污泥沉降和浓缩性能好、污泥产量低、氧气转移效率高、运行稳定。因此，高溶解氧工艺在剩余污泥减量和工艺运行效能的提高方面有很大的潜力。但增大曝气量势必增加能耗和运行费用，目前该工艺仍处于实验室研究阶段，离工业化应用还有一段距离。


5、同时解偶联污泥减量和脱氮集成工艺

王建龙等为提高传统污水处理工艺内源反硝化脱氮效率，在系统内部同时实现污泥减量，设计了水解酸化/缺氧/好氧（H/A/O）生物脱氮及污泥减量化工艺，试验采用连续流处理装置，以实际生活污水为研究对象。结果表明，在进水COD为220～410mg/L、 NH4+—N为36～58mg/L、总水力停留时间为11h、硝化液回流比为300%、无外加碳源和碱度条件下，对COD、NH4+—N和TN的平均去除率分别超过90%、95%和75%。污水经水解酸化预处理后，反硝化速率大大升高，水解酸化段利用水解酸化作用对回流剩余污泥的减量达到56.2%。
针对OSA工艺对氮、磷营养物去除能力差的问题，卢艳华等在A/O脱氮工艺中引入解偶联池进行污泥减量化研究，结果表明解偶联池的引入对系统的COD去除效果、硝化效果没有影响，但系统总的脱氮率略有降低。


三、基于微型动物捕食作用的污泥减量技术

1、接种微型动物

接种微型动物的方法即在原有的污水处理系统中接种微型原、后生动物进行污泥减量。现阶段，蠕虫是活性污泥中观察到的最大后生动物，比较常见的蠕虫有颤蚓、红斑瓢体虫、仙女虫等，一般红斑瓢体虫或仙女虫在系统中占据优势。
魏源送等将蠕虫接种到活性污泥中试系统中，整个试验过程中红斑瓢体虫和仙女虫交替占据优势地位，显著降低了污泥产率（仙女虫比红斑瓢体虫具有更大的污泥减量能力），而且明显提高了污泥的沉降性能；但蠕虫密度越高，出水水质越差；蠕虫生长不会影响硝化过程，但当仙女虫占优时，出水PO34-浓度会升高。
Rensink等奖颤蚓接种到有塑料载体的活性污泥曝气池中，污泥产量从0.50gMLSS/gCOD下降到0.40gMLSS/gCOD；由于污泥频繁地通过蚓类的肠道，污泥特性大大改变，SVI值从90mL/g下降到45mL/g，污泥的脱水性得到有效改善。
Liang等基于碳形式的转化比较了红斑瓢体虫、大型溞、颤蚓和卷贝等4种后生动物的污泥减量效果，得出红斑瓢体虫对污泥的减量效果最好。之后，Liang等又研究了在CAS工艺中接种红斑瓢体虫的污泥减量效果，考察了红斑瓢体虫的生长及其对处理效果的影响，结果表明，由红斑瓢体虫引起的相对污泥减少量大约为39%～65%，红斑瓢体虫的存在有益于污泥的稳定和磷的去除，并且不影响系统对COD和氨氮的去除。Song等研究了污泥减量的速度和红斑瓢体虫的密度、生长速度的相关性，指出在红斑瓢体虫的密度为315条/mL时污泥减量的速度达到最大【445mg/（L·d）】，SRT能够有效控制红斑瓢体虫的增长密度；同时红斑瓢体虫的生长与溶胞污泥中可利用挥发性有机物（AVSS）成正比，当AVSS浓度为3000mg/L时，红斑瓢体虫的密度达到最大。


2、生物相分离工艺

在好氧生物处理中，虽然寡毛类后生动物的存在可以降低污泥的产量，但生物反应器的设计是基于细菌的生长，而不是基于寡毛类后生动物的生长，因而限制了寡毛类后生动物的生长，使其污泥减量的潜能得不到有效发挥。为此需设计一个适合寡毛类后生动物生长的反应器，用它来处理活性污泥系统中排放的剩余污泥，或者与活性污泥系统作为一个整体来处理回流污泥，以此实现污泥减量化。
魏源送等利用寡毛纲类蠕虫反应器（由游离型蠕虫生长区和附着型蠕虫生长区组成）处理剩余污泥，在反应器中接种了附着型蠕虫颤蚓，污泥平均减量达57%，远高于对照反应器；蠕虫的生长可改善污泥的沉降性能，但对污泥粒径的影响不大；高浓度的NH4+—N对蠕虫有毒害作用，会抑制蠕虫的生长；蠕虫生长对硝化过程没有影响，但会导致一定程度的氮、磷释放。
早在1996年Lee等首先进行了二段系统处理人工合成污水的研究，第一段为分散细菌培养阶段，促进分散细菌生长的同时达到对有机物的降解；第二阶段为捕食阶段，该阶段的反应器可以是活性污泥或MBR，促进原、后生动物的生长；该系统的污泥产量仅为0.105～0.117gTSS/gCOD，是常规工艺污泥产量的30%～50%。Huang等在CAS工艺中增加了一个污泥回流反应器，在其中接种颤蚓进行污泥减量。颤蚓的污泥减量率为0.18～0.81mgVSS/（mg颤蚓·d），回流污泥反应器的污泥减量负荷为650～1080mgVSS/（L·d），颤蚓没有影响系统对COD和氨氮的去除率，但出水TN浓度略有升高。
Guo等开发了一体化立体循环化沟（Integrated Oxidation Ditch with  Vertical Circle，IODVC）和颤蚓反应器的耦合工艺来研究污泥的减量效果。在颤蚓反应容器中湿颤蚓的最大密度达17600g/m3；采用颤蚓反应器处理剩余污泥的运行模式，剩余污泥减少46.4%；采用颤蚓反应器处理回流污泥的运行模式，平均污泥产量为6.19×10-5kgSS/kgCOD。
Feng等采用三相流化床和污泥减量固定床联合工艺进行了污泥减量的试验，结果表明，当进水COD为500～600mg/L、TN为22.1～26.6mg/L时，系统对COD的平均去除率达到95%，对TN的去除率达28%～55%，且同时实现了污泥减量。
生物捕食污泥减量工艺具有较好的污泥减量效果，与其他物理、化学污泥减量技术相比，具有低成本、无污染的优点，有较好的应用前景。但还需要解决下列问题：


（1） 鉴于微型动物对环境的敏感性，应控制适合微生物生长的环境；

（2） 由于微生物摄食还会造成氮、磷的释放，对氮、磷没有去除作用，因此要结合其他方法同时进行脱氮除磷的研究；

（3） 利用先进的生物技术手段来揭示生物捕食过程中捕食生物和细菌的关系，以及基质在生物体内的转化规律；

（4） 是否有新的物质随出水释放到环境中；

（5） 工艺的持久性，即工艺是否运行很长一段时间后仍没有剩余污泥产生。

四、基于维持代谢的污泥减量技术

1965年Pirt把微生物用于维持其生命功能的这部分能量称为维持代谢能量，这部分能量将用来完成包括细胞物质的交换、主动运输、自身的位置移动等基本的生命活动。这种代谢对污泥减量化的重要作用在于污水有机基质的消耗未被合成新的细胞组分，即污泥的产率与此种代谢成反比关系。因此，可通过延长SRT和降低污泥负荷率（F/M）使能量的供给在理论上等于维持代谢能量，从而达到污泥减量的目的。
基于此原理的一种典型工艺是MBR，从理论上讲MBR的SRT可以无限长，可使污泥达到自身氧化，因而剩余污泥产量少，甚至可以达到无剩余污泥排放。Yamamoto等指出在MBR中可能需要高于500d的长SRT来实现剩余污泥的零排放。然而，MBR在长SRT下运行时，能耗高，膜易结垢，需频繁清洗和更换膜组件，从而大大增加了操作成本。因此，污泥的零排放在MBR的实际应用中是不可行的，应确立一个最佳排泥时间以优化操作参数。针对上述问题，Xing等通过在MBR中增设斜板，使反应器中保留了较高的污泥浓度，实现了SRT的无限延长，也避免了膜组件的堵塞等问题，试验运行123d达到了污泥的零排放。Wang等通过在好氧SBR反应器中加入淹没式网孔过滤单元处理剩余污泥，使反应器的MLSS保持在25～32g/L的高污泥浓度，反应器在HRT为10d的室温条件下运行360d后系统的平均污泥减少率达到83.9%，出水COD浓度很低，对TN和TP的去除率都在71%以上。
通过微生物的代谢解偶联、隐性生长、微型动物捕食以及其他污泥减量化工艺都可以实现对污泥的减量，但从经济与环境效益来说，基于由生物作用引起的污泥减量应该是今后发展的重要方向之一，如何解决生物污泥减量化工艺中出水氮、磷超标是需要引起重视的问题。同时污泥减量化工艺应向多种手段联合的方向发展，从而实现经济和环境效益的最优化。


               


 
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