污泥减量化技术研究进展

鲁智礼，庞朝辉，，王海燕，周岳溪，柳栋升，3，张 娜，4

(1.华北水利水电学院 环境与市政工程学院，河南 郑州 450011;2.中国环境科学研究院 水污染控制技术研究中心，北京 100021;3.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京100083;4.河北工程大学 城市建设学院，河北 邯郸 056038)

污泥减量化技术研究进展

鲁智礼1，庞朝辉1，2，王海燕2，周岳溪2，柳栋升2，3，张 娜2，4

(1.华北水利水电学院 环境与市政工程学院，河南 郑州 450011;2.中国环境科学研究院 水污染控制技术研究中心，北京 100021;3.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京100083;4.河北工程大学 城市建设学院，河北 邯郸 056038)

针对当前日益突出的污泥处理处置难等问题，分别从物理法、化学法和生物法等方面阐述了当前污泥减量化技术的研究发展现状，介绍了各种工艺的基本原理、特点和存在的问题。结合国内外污泥减量化技术的研究进展，提出了未来污泥减量化技术的发展方向。

剩余污泥;污泥减量;污泥产率;解偶联;生物处理

好氧生物废水处理技术日趋成熟，其中活性污泥法是目前世界上应用最为广泛的废水生物处理工艺。但该工艺的主要缺点是在运行过程中会产生大量剩余污泥［1］。剩余污泥处理装置的投资和运行费用约占整个废水处理厂投资及运行费用的25% ～65%［2］，巨大的污泥处置费用已成为废水生物处理技术面临的严峻问题。为解决这一问题，20世纪90年代产生了新的污泥处理与处置概念——污泥减量化技术。污泥减量化是指在保证整个废水处理系统处理效能的前提下，采用适当的物理、化学和生物方法，使向外排放的固体生物量达到最小，从而实现从源头上减少污泥的产量［3］。当前对污泥减量化技术的研究已成为国内外关注的焦点。

本文对国内外污泥减量化技术的研究现状和最新研究进展进行了综合概述，并对污泥减量化技术进行了展望。

1 基于物理方法的污泥减量化技术

1.1 机械破碎技术

机械破碎法即利用机械压力所产生的能量将微生物细胞壁打破，使细胞内的物质释放出来，从而使污泥量得到削减。Strünkmann等［4］对球磨破碎和高压搅拌技术实现污泥减量的可应用性进行了比较研究，同时运行两组不同污泥龄的机械破碎法与膜生物法组合工艺，低污泥龄(20 d)的污泥产率(每单位COD中含有的总悬浮固体(TSS)质量，下同)为0.19 g/g，而高污泥龄(54 d)的组合工艺的污泥产率仅为0.06 g/g。从而得出在高污泥龄条件下机械破碎法与膜生物法组合工艺可显著减小污泥产率。但由于机械破碎法需要能耗较高，且能量利用率低，限制了其规模应用。

1.2 超声波技术

超声波技术通过交替的扩张和压缩作用使水体产生空化作用，由空化作用而引起的强大的水力剪切力对破解污泥微生物细胞有很好的效果，同时也可改善污泥水解速率缓慢的问题［5］。Mohammadi等［6］在中试规模的SBR中考察了超声波对污泥减量的影响。实验结果表明:增加超声波强度可以提高污泥减量效果;但当每千克VSS吸收的能量超过35 MJ时，进一步增加能量对污泥减量效果几乎没有影响。Liu等［7］在稳定的连续流系统中采用超声波处理剩余污泥，在声能密度为0.4 W/mL、超声时间为5 min、污泥回流比为1∶24时，剩余污泥体积减少90%以上，且出水水质稳定。超声波污泥减量技术对声能的利用效率低且能耗大，但若将该工艺与其他污泥处置工艺相结合，同时优化运行参数、提高超声效率，则其组合工艺在工程上的应用前景将会十分广阔。

2 基于化学方法的污泥减量化技术

2.1 氧化技术

2.1.1 臭氧氧化技术

臭氧污泥减量化技术是基于臭氧的强氧化性，使部分活性污泥被直接氧化成CO2和水等无机物，部分活性污泥溶解成可生物降解的有机物。Kamiya等［8］采用传统的好氧反应系统，在每克TSS的臭氧加入量为0.01 g的条件下，污泥量减少率可达50%;当每克TSS的臭氧加入量达0.02 g时，可以实现污泥零排放。Lee等［9］在低温下将活性污泥工艺和臭氧氧化工艺组合，进行中试实验，先按每千克SS 0.05 kg的加入量向剩余污泥中加入臭氧，进行破解，然后回流到生化反应器中，经过112 d的运行，其间无剩余污泥排放。在臭氧污泥减量过程中，污泥中的氮和磷因臭氧氧化作用而溶解在上清液中，并在系统中积累，导致出水中氮磷浓度升高。Kondo等［10］针对系统中营养物去除和磷积累问题进行了积极探索，并研制出集污泥减量与磷回收于一体的新型废水处理系统。该系统包括3个子系统:传统的A2/O除磷系统、污泥臭氧氧化接触反应器系统和磷吸附系统。

目前，国外虽已将臭氧氧化技术应用于二级废水生物处理系统的污泥减量，但存在的一系列问题还有待于进一步研究，如:臭氧氧化作用不具有选择性，也能与其他还原物质反应，使一些难降解有机物随水流出;对氮磷的去除效果不好;无污泥排放时，重金属会在污泥中积累等。

2.1.2 氯氧化技术

氯气也是一种十分活泼的氧化剂，其污泥减量的原理同臭氧氧化技术基本相同，均是利用其氧化性破解微生物细胞壁，释放出细胞质被微生物二次利用。Takdastan等［11］证明了氯气氧化污泥减量的可行性。采用两个SBR进行对比实验，经80 d的运行，实验结果表明:当每克MLSS的氯气加入量为15 mg时，污泥可减量48%;但出水中溶解性COD略有上升，投加氯气的反应器和未投加氯气的反应器的COD去除率分别为55%和95%。

从经济效益的角度考虑，氯氧化的运行成本低廉。但是在氯氧化过程中，氯气能够和污泥中的有机物反应生成三氯甲烷等毒性副产物。

2.1.3 Fenton 试剂氧化技术

Fenton试剂是一种氧化能力极强的试剂，能破解微生物细胞壁，使细胞中的有机物质得以释放和溶解，破解后的污泥回流到生物反应系统中，被微生物二次利用，以达到污泥减量的目的。He等［12］采用MBR和Fenton试剂氧化技术组合工艺与单独的MBR工艺进行对比实验，把经Fenton试剂氧化破解后的剩余污泥的pH调至7.0，再回流到MBR中。经过60 d的运行，对照组MBR工艺的污泥产率(以MLSS计)为0.150 g/g;MBR和Fenton试剂氧化技术组合工艺的污泥产率(以MLSS计)仅为0.006 g/g，且MLVSS 与MLSS 的比值稳定在0.85，出水COD和TN去除率均优于对照组，证明Fenton试剂氧化技术有较好的污泥减量效果。影响Fenton试剂氧化性能的因素包括废水pH、反应温度和催化剂种类等多个方面。因此，该技术的广泛应用还有赖于对其污泥减量的影响因素进行更深入的研究。

2.2 解偶联技术

2.2.1 投加解偶联剂

大部分解偶联剂(如甲酚、2，6－二氯苯酚和对硝基苯酚等)为脂溶性小分子物质，其作用机理是通过与H+结合，减小细胞膜对H+的阻力，使H+跨过细胞膜，造成细胞膜两侧的质子梯度降低，不足以促使三磷酸腺苷(ATP)酶合成ATP，氧化过程中所产生的能量最终以热的形式被释放，从而降低了污泥产量。Ma等［13］在SBR活性污泥系统中，研究2，6－二氯苯酚解偶联剂与Cu2+协同作用下的污泥减量效果。当2，6－二氯苯酚加入量为20 mg/L、Cu2+加入量为1 mg/L时，系统连续运行30 d，污泥量减少率达75%，出水COD仅比投加解偶联剂实验前高7%，同时出水中2，6－二氯苯酚质量浓度仅为0.28 mg/L，Cu2+的去除率更达 90%以上。Zheng 等［14］研究了分别以2，4，5 － 三氯苯酚(TCP)和丙二酸(MA)作为解偶联剂对SBR系统污泥减量的影响。研究表明:当TCP加入量为2 mg/L时，可以实现污泥量减少率约47%，同时COD去除率和污泥的沉降性能不受影响;当MA加入量为10 mg/L时，可实现30%的污泥量减少率，但COD去除率减小，同时严重破坏了污泥的沉降性能。

投加解偶联剂无需改变原有工艺设备就可实现污泥减量，但大部分解偶联剂是生物异源物质且不易降解或对生物有毒害作用，会给水处理和环境带来新的污染。因此对解偶联剂的应用应持谨慎态度，同时应对解偶联污泥减量机理和对营养物质去除的影响做更加深入的研究。

2.2.2 控制溶解氧浓度解偶联

在高浓度溶解氧条件下，微生物氧化有机物的速率加快，ATP的产生量也随之增加。由于ATP合成酶在ATP浓度较高时会对ATP进行水解，可能会形成质子，从而发生解偶联代谢。Abbassi等［15］的实验表明污泥产率与有机负荷和氧浓度有关，从而建立了污泥絮体中底物去除率、氧利用效率和污泥产率之间的数学模型，其研究结果证明高溶解氧浓度可以减小污泥产率，从而使污泥减量。Zhang等［16］研究了压力作用下生物接触氧化过程中污泥减量的技术参数特征，表明高溶解氧浓度对污泥减量起了关键性作用。采用高浓度溶解氧解偶联技术无需对原有设备进行大规模改造，仅需增加曝气量，操作简便易行。但是要维持高浓度溶解氧就必须增加曝气量，势必要增加运行能耗和费用，从而增加运行成本，制约了其工业应用。

在低溶解氧条件下，也可取得一定的污泥减量效果。胡学斌等［17］着重研究了低溶解氧浓度对污泥减量的影响，研究表明在低溶解氧条件下投加低剂量TCP时，SBR系统实现污泥量减少率34.6%，并可同时获得良好的除磷脱氮效果。Peng等［18］在SBR系统中控制低溶解氧时，异养微生物可以利用硝酸盐作为电子受体，当系统中发生厌氧反硝化时，污泥产量明显减小，而且出水水质良好。虽然低溶解氧条件下污泥减量工艺运行成本低，但其机理尚不明确，有待深入研究。

2.2.3 好氧—沉淀—厌氧(OSA)工艺

在厌氧条件下，好氧微生物的分解代谢受到抑制，微生物本身没有足够的能量用于自身的生长，必须利用体内贮存的ATP作为能源维持正常的生理活动。因此，处于此阶段的微生物细胞在好氧阶段所贮存的ATP将被大量消耗，合成代谢因能量不足而受到抑制，细胞自身的合成不能够进行，导致形成分解代谢与合成代谢的解偶联，从而使污泥产率降低。基于此理论而形成的OSA工艺可以实现污泥减量的目的。Sun等［19］研究了OSA工艺中污泥在厌氧和好氧段之间的交替次数对污泥减量的影响。当污泥在厌氧和好氧段每天交替1次时，污泥量减少率达52.8%;当每天交替4次时，可实现污泥量减少率77.4%。实验证明污泥在厌氧和好氧段的每天交替次数对OSA工艺的污泥减量至关重要。

OSA工艺的污泥产率低且沉降性能好，适宜于处理高浓度有机废水且对磷的去除效果好;但OSA工艺的HRT较长，在进水有机物浓度较低的情况下，对氮等营养物质的去除效果不好。未来应在缩短OSA工艺的HRT和提高其出水水质等方面进行深入研究，以期发挥其最大优势。

3 基于生物方法的污泥减量化技术

3.1 生物捕食

3.1.1 接种微生物

从生态学角度考虑，能量在食物链中由低营养级向高营养级传递时发生损失，且能量损失总量越大，生物产生量越小。基于此理论，延长食物链和强化食物链中的生物捕食作用均可以达到污泥减量的目的。Huang等［20］将传统活性污泥系统与接种了蟺蚓的再生污泥反应系统组合，通过再生污泥反应系统中的蟺蚓捕食作用实现污泥减量。其污泥减量效率为每天每毫克蟺蚓减少0.18 mg VSS，最高可达每天每毫克蟺蚓减少0.81 mg VSS。蟺蚓的存在对COD和NH+4－N去除率没有影响，有助于污泥沉降性能的提高，TP去除率减小5%左右。Song等［21］对红斑瓢体虫的密度和生长速率对污泥减量效果的影响进行了一系列实验，结果表明:红斑瓢体虫的生长速率与经超声杀菌溶胞后污泥中的可利用挥发性有机物(AVSS)成正比，当AVSS质量浓度大于3 000 mg/L时，红斑瓢体虫的密度达到最大;当红斑瓢体虫的密度为315条/mL时，污泥减量的速率达最大，为445 mg/(L·d)。

3.1.2 两段式生物相分离技术

两段式生物相分离技术即第一段为分散细菌培养阶段，在无污泥停留的情况下，保持细菌快速分散生长而不形成菌胶团，并对废水中的有机物进行高速降解;第二段为生物捕食阶段，主要为原、后生动物提供良好的生长条件，维持一定的原、后生动物数量，对污泥中的微生物进行捕食、减量。Feng等［22］对三相流化床生物反应器(TFB)和污泥减量固定床生物反应器(SFB)两段式反应器进行研究。废水经过第一段TFB时碳和氮化合物被去除，产生的剩余污泥和有机碳剩余物流入第二段SFB，通过微型动物的捕食进行进一步的降解。通过470 d的连续运行，COD去除率可达95%，TN去除率约为25%～55%，SS由TFB流出时的160 mg/L降为SFB流出时的28 mg/L，污泥减量效果良好。由于两段式生物相分离法的第一段HRT较长，大大增加了反应器容积、投资和运行成本。因此，两段式生物相分离技术还需对各项运行参数进行进一步优化。

3.2 膜生物技术

膜生物技术是指将污泥截留在膜反应器内，以延长污泥泥龄，加强微生物的分解和代谢作用，使污泥得到降解，从而实现污泥减量。Rosenberger等［23］对MBR进行了3年的中试规模研究，在整个运行期间实现了污泥零排放。虽然膜生物法很好地实现了污泥减量，甚至实现了污泥零排放，但是对氮和磷等营养物的去除率不高。为解决这一问题，目前多将膜生物法与其他工艺进行组合。Banu等［24］对A2/O－MBR组合工艺对污泥减量和除磷的效果进行了研究，结果表明该组合工艺在实现污泥减量的同时，磷去除率高达74% ～82%。但由于MBR易发生污堵而使膜通量减小，影响膜的使用且导致费用上升，这极大地限制了该技术的大规模应用，所以如何控制膜污染将会是未来研究的重点。

4 展望

随着废水处理能力和处理效率的提高，污泥的产量也在急剧增加，污泥的处理成本和处理难度也随之增加，污泥减量化技术的发展显得尤为重要。目前，污泥减量化的发展重点主要集中在污泥产生过程中实现污泥减量和污泥产生后减少污泥排放量。以解偶联代谢、维持代谢、生物强化及生物捕食为理论基础的生物污泥减量化技术已逐渐应用到废水生物处理工艺中，从经济和环境效益的角度考虑，生物污泥减量化技术将是未来发展的重要方向之一。如何解决生物污泥减量工艺中出水氮、磷超标的问题是今后关注的重点。以现有活性污泥处理工艺为基础，与污泥减量技术组合进行污泥减量化工艺开发将会是今后研究的热点。

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Research Progresses in Sludge Reduction Technologies

Lu Zhili1，Pang Zhaohui1，2，Wang Haiyan2，Zhou Yuexi2，Liu Dongsheng2，3，Zhang Na2，4
(1.School of Environmental and Municipal Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011，China;2.Research Center for Water Pollution Control Technology，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100021，China;3.Civil and Environmental Engineering School，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;4.College of Urban Construction，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China)

According to the present increasing severity of sludge treatment and disposal problems，the status of research and development in sludge reduction technologies are expounded in aspects of physical，chemical and biological processes.The basic principle，characteristics and existing problems of each process are introduced.Based on the research progresses at home and abroad，the development direction of sludge reduction technologies is put forward.

excess sludge;sludge reduction;sludge generation rate;uncoupling;biological treatment

TU992.3

A

1006－1878(2011)06－0506－05

2011－06－15;

2011－07－10。

鲁智礼(1968—)，男，河南省郸城县人，大学，副教授，主要研究方向为水处理理论与技术。电话0371－65790224，电邮 luzhili@ncwu.edu.cn。联系人:庞朝辉，电话 010－84915322，电邮 pangzhh@126.com。

中国环境科学研究院中央公益性科研院所基本科研业务专项资助项目(2007KYYW10)。

(编辑 王 馨)