城市污水厂污泥原位减量技术综述

王宇哲，陆 海

（吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118）

随着我国城市化进程的日益加快，城市污水处理厂的数量与处理规模不断扩大，大量的剩余污泥已成为污水处理厂运行过程中的一项重大负担[1]。剩余污泥含有大量有机物、氮、磷、寄生虫、微生物及重金属等多种有毒有害物质，且常伴有恶臭气味，若不及时进行适当处理处置而直接排放，将会严重威胁人类的生活与健康[2]。

对活性污泥进行最终处置的传统方法主要有干燥焚烧法、堆肥法、卫生填埋法及农田利用法等。无论采用上述哪种方法，中间的处理费用和最终的处置费用均较高，占污水处理总费用的25%～65%[3]。已有的研究成果表明，原位减量技术在保证污染物去除效能的前提下，可通过解偶联代谢、维持代谢、微生物捕食与溶胞-隐性生长的污泥减量机理及相应工程技术，使污水处理过程中剩余污泥的排放量降到最低[4-7]。对污水厂剩余污泥进行原位减量，可促进水处理过程的良性循环，避免对环境造成二次污染，并能够大大降低污泥处理处置的费用，这是一种新兴的污泥处置方式。污泥原位减量技术研究现状如下。

1 解偶联代谢

微生物的分解代谢与合成代谢紧密相连。若处于化学解偶联剂、重金属等一些特殊环境中，分解代谢产生的能量则不能有效储存，微生物合成代谢遭受抑制，Yobs系数逐渐减小，二者不再紧密偶联，从而达到剩余污泥原位减量的目的[8]。目前主要可通过投加化学解偶联剂，以及高S0/X0（底物浓度/污泥浓度）下解偶联技术两种技术来实现解偶联代谢。

1.1 投加解偶联剂

当解偶联剂与氢离子相结合时，细胞膜可减缓对氢离子的阻力，而当氢离子跨越细胞膜后，细胞膜两侧的质子梯度也随之降低。由于跨膜梯度的高低决定ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）合成量，故跨膜梯度降低后，ATP的合成量随之减少，剩余能量则基本以热能形式散失，污泥产量大大降低[9]。目前，常用的解偶联剂主要有：2,4-二硝基苯酚（DNP）、对-硝基苯酚（p-NP）、3,3′,4′,5-四氯水杨酰苯胺（TCS）以及四羟四基硫酸磷（THPS）等[10]。

在具体的研究过程中，ZeboLiu等人研究发现，添加 0.5 mg/L TCS、20 mg/L p-NP、0.02 mg/L THPS，剩余污泥量分别降为最初的82%、72%以及70%[11]。C.Aragóna等人研究发现，添加30 mg/L DNP、40 mg/L TCS，剩余污泥量分别降为原来的86%及51%[12]。S.Rho等人运用CAS系统，通过不断调节TCS投加量探究污泥减量效果，发现TCS投加量由0.5 mg/L逐渐增加至1.0 mg/L时，剩余污泥降低为原来的20.4%[13-14]。Zheng G H等人向SBR系统分别添加2.0 mg/L TCS、5.0 mg/L DNP、100 mg/L p-NP，发现添加100 mg/L p-NP情况下污泥减量效果最佳[15-17]。Guo xuesong等人运用A2O（厌氧-缺氧-好氧法）系统发现，THPS添加量由1.08 mg/L增加至1.86 mg/L时，剩余污泥量为原来的75%左右[18]。

综上，当TCS、p-NP、THPS、DNP投加量分别控制在0.5～40 mg/L、20～100 mg/L、0.02～1.86 mg/L、5～30 mg/L时，污泥减量效果良好。当继续增加投加量或经常使用，微生物会产生驯化作用，解偶联剂效果渐渐丧失，污泥减量效果则大大降低。

1.2 高S0/X0下的解偶联技术

当污泥浓度远不及底物浓度时，微生物合成代谢消耗ATP的速率与其分解代谢产生ATP的速率相差甚远，二者则发生解偶联现象。ATP大量积累致使能量发生泄漏，微生物产率系数降低。

Liu等人研究发现，底物浓度与污泥浓度比例增大至某一特定数值时，微生物群内部大多会发生解偶联生长[19]。谢敏丽等人采用间歇式活性污泥法探究发现，污泥浓度占底物浓度的1/6时，Yobs稳定于某一特定数值[20]。实际污水有机物浓度远远达不到此数值，这限制了该技术在污水处理的广泛应用。

2 维持代谢

微生物只有达到自身代谢所需能量后方可将剩余的能量用于生物合成，在污泥停留时间增加与污泥负荷率降低共同作用下，供给的能量只能满足污泥微生物代谢需求，污泥生成量降低从而达到污泥减量的目的。MBR反应器（膜生物反应器）是一种维持代谢的典型工艺。其独有的透气膜为附着微生物提供充足的氧气，使生物膜充分与污水接触，从而高效去除水中污染物。同时，较长的污泥龄大大促进难降解有机物降解，剩余污泥数量也随之降低。

Canales等人运用MBR-热减处理相结合工艺探究污泥减量效果，发现处理温度控制在90℃并处理3 h，剩余污泥量约为原来的40%[21]。蔡玲飞运用SBMBR反应器（序批式膜生物反应器）探究热水解对污泥减量效果，发现处理温度控制在80℃以上时大约处理0.5 h，剩余污泥约为原来的77.9%[22]。Xing等人研究发现，增设斜板不仅可较好地保持MBR反应器内较高的污泥浓度，而且能够顺利解决膜组件堵塞问题，降低运行成本，4个月后剩余污泥取得了零排放效果[23]。

综上，将处理温度控制在80～90℃、处理时间控制在0.5～3 h时，污泥减量取得良好的效果。若能在MBR中增添斜板，不仅能够较好解决膜组件堵塞问题，降低运行成本，还会使污泥减量效果更加理想。

3 微生物捕食

微生物的繁殖增长离不开从外界汲取营养、摄入能量，以营养与能量为纽带形成各种生物之间的链系，即食物链。除了细菌作为生物链中不可或缺的一部分，活性污泥中还存在原生动物与后生动物，它具有捕食污泥微生物的本领。当能量从低级逐渐向高级传递时，它随食物链的延长而大量消耗，合成新生物的数量则随之减少，污泥产生量也随之减少[24]。

梁鹏等人通过间歇试验对比厌氧消化、好氧消化与颤蚓摄食对污泥减量效果，发现颤蚓摄食对污泥的减量速率是其余两种方式污泥减量速率的1.44倍与4.33倍[25]。陈丹等人研究发现，在SBR反应器中添加蚯蚓后，剩余污泥为最初的52.4%左右[26]。刘宏波等人采用SFDMBR（自生动态膜生物反应器）-生态调控组合技术，探究蠕虫对其污泥减量效果，发现利用蠕虫可实现剩余污泥零排放的目标[27]。

虽然微生物捕食能使污泥减量取得一定的效果，但原生动物与后生动物的生长情况较难把握。同时，运用此方法进行污泥减量时，丝状菌可能会大量增长繁殖，导致污泥结构松散、沉降性能不佳，进而引发污泥膨胀。

4 溶胞-隐性生长

当前，溶胞-隐性生长也成为国内外学者密切关注的焦点。溶胞-隐性生长，即微生物利用其本身细胞溶解释放基质而再次增长，该过程包括溶胞和利用两个主要步骤。溶胞是关键步骤，可通过酶的水解、超声波等方式实现[28-29]。

超声波技术是当前应用较多的一项技术，原理是在压缩与扩张交替作用下使水体产生空化作用，水体通过空化作用产生超强的水力剪切力，大大促进微生物细胞破解[30]。刘峻等人运用超声波处理剩余污泥，考察声能密度、作用时间与污泥回流比等多种影响因素对污泥减量的效果，结果表明，当污泥回流比控制在约为4.2%、声能密度控制在0.4 W/mL、超声时间达到5 min时，剩余污泥量可降低至原来的4.19%[31]。沈会山等人运用SBR（序批式活性污泥法）系统，采用高声能密度方式探究污泥减量效果，试验发现，当声能密度控制在1 W/mL、预处理6 min，污泥回流比控制在33.3%时，剩余污泥降为原来的54.64%[32]。刘焕枝运用SBR系统，通过调节声能密度探究污泥减量效果，结果证明声能密度控制在1.2 W/mL、预处理15 min，剩余污泥量可降为原来的40%左右[33]。张光明等人运用SBR反应器，发现回流比控制在14.3%，声能密度控制在1.6 W/mL，预处理15 min时，剩余污泥同样可降为原来的40%[34]。

综上可知，将声能密度控制在0.4～1.6 W/mL，污泥回流比控制在4.2%～33.3%，超声时间为5～15 min时，污泥减量效果良好。

5 结论

当TCS、p-NP、THPS、DNP投加量分别控制在0.5～ 40 mg/L、20～ 100 mg/L、0.02～ 1.86 mg/L、5～30 mg/L时，污泥减量效果十分良好；高温条件下（80～90℃)，处理5～30 min，污泥减量可取得理想的效果。若能在MBR中增添斜板，可提高污泥减量效果；将声能密度控制在0.4～1.6 W/mL、作用5～15 min、回流比控制在4.2%～33.3%时，可取得较好的污泥减量效果。

1 王广华.ClO2耦合超声波破解污泥溶出机理与微生物隐性生长的污泥减量研究[D].广州：华南理工大学，2011.

2 林嘉添.ClO2耦合超声波破解污泥隐形生长在污水处理系统中污泥减量研究[D].广州：华南理工大学，2012.

3 Liu Y，Tay J.H.Strategy for minimization of excess sludge production from the activated sludge process[J].Biotechnology Advances，2001，19（2）：97-107.

4 张自杰.排水工程（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

5 朱 英，赵由才，李鸿江.城镇污水处理厂污泥填埋方法与技术分析[J].中国给水排水，2007，26（20）：12-15.

6 胡和平，刘 军，罗 刚，等.活性污泥工艺中污泥减量化技术研究进展[J].水资源保护，2007，23（6）：32-35.

7 何 赞，王海燕，田华菡.污泥减量化水处理技术的研究进展[J].中国给水排水，2009，25（8）：1-7.

8 寇青青，朱世云，覃 宇，等.污泥减量化技术研究进展[J].净水技术，2012，31（6）：4-8.

9 李立欣，赵乾身，马 放，等.废水处理中污泥减量技术现状及发展趋势[J].水处理技术，2015，1（4）：1-4.

10 刘宇辉，解庆林.解偶联污泥减量技术的研究进展[J].净水技术，2016，35（1）：70-74.

11 Liu Zebo.The potential of PNP，TCS and THPS as uncouplers to reduce waste activated sludge（ WAS）[D].Australia：RMIT University，2011.

12 Aragóna C，Quirogab J M，Coello M D.Comparison of four chemical uncouplers for excess sludge reduction[J].Environmental Technology，2009，30（7）：707-714.

13 Rho S，Nam G N，Shin J Y，etal.Effect of 3,3′,4′,5-tetrachlorosalicylanilide on reduction of excess sludge and nitrogen removal in biological wastewater treatment process[J].Journal of Microbiology and Biotechnology，2007，17（7）：1183-1190.

14 Chen G H，Mo H K，Liu Y.Utilization of a metabolic uncoupler，3,3′,4′,5-tetrachlorosalicyl anilide （TCS） to reduce sludge growth in activated sludge culture[J].Water Research，2002，36（8）：2077-2083.

15 Zheng G H，Li M N，Wang L，etal.Feasibility of 2,4,6-trichlorophenol and malonic acid as metabolic uncoupler for sludge reduction in the sequence batch reactor for treating organic wastewater[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2008，144（2）：101-109.

16 Chen Guowei，Yu Hanqing，Xi Pengge，etal.Modeling the yield of activated sludge in the presence of 2，4-dinitrophenol[J].Biochemical Engineering Journal，2008，40（1）：150-156.

17 Takdastan A，Eslami A.Application of energy spilling mechanism by paranitrophenol in biological excess sludge reduction in batchactivated sludge reactor[J].International Journal of Energy and Environmental Engineering，2013，4（26）：24-26.

18 Guo Xuesong，Yang Jianming，Liang Yuan，etal.Evaluation of sludge reduction by an environmentally friendly chemical uncoupler in a pilot-scale anaerobic/anoxic/oxic process[J].Bioprocess and Biosystems Engineering，2013，37（3）：553-560.

19 Liu Y.The S0/X0 dependent dissolved organic carbon distribution in substrate-sufficient batch culture of activated sludge[J].Water Research，2000，34（5）：1645-1651.

20 谢敏丽，刘 雨，杨学富.S0/X0对剩余污泥产率的影响研究[J].北京工商大学学报（自然科学版），2002，20（1）：3-6.

21 E Riera-Franco de Sarabia，J A Gallego-Juarez，G Rodriguez-Corral，etal.Application of high-power ultrasound to enhance fluid/solid particula separation progress[J].Ultrasonics，2000，（38）：642-646.

22 蔡玲飞.MBR热水解污泥减量技术及处理污水的研究[D].杭州：浙江工业大学，2011.

23 Xing CH，Yamamoto K，Fukushi K.Performance of an inclined -plate membrane bioreactor at zero excess sludge discharge[J].J Membr Sci，2006，275（1）：175-186.

24 鲁智礼，庞朝辉，王海燕，等.污泥减量化技术研究进展[J].化工环保，2011，31（6）：506-510.

25 梁 鹏，黄 霞，钱 易，等.3种生物处理方式对污泥减量效果的比较及优化[J].环境科学，2006，27（11）：2339-2343.

26 陈 丹，吕 彦，赵辰莹，等.在SBR处理系统中蚯蚓对污泥减量的作用[J].净水技术，2012，31（6）：65-68.

27 刘宏波，杨昌柱，濮文虹，等.利用蠕虫实现自生动态膜生物反应器污泥减量研究[J].中国给水排水，2007，23（5）：5-9.

28 Qi Yang，Kun Luo，Li Xiaoming，etal.Enhanced efficiency of biological excess sludge hydrolysis under anaerobic digestion by additional enzymes[J].Bioresource Technology，2010，101（9）：2924-2930.

29 Zhang Guangming，He Junguo，Zhang Panyue，etal.Ultrasonic reduction of excess sludge from activated sludge system II：Urban sewage treatment[J].Journal of Hazardous Materials，2009，164（2）：1105-1109.

30 余林锋，汤 兵，余国骏.超声波调理污泥的研究进展[J].化工环保，2007，27（5）：426-430.

31 刘 峻，刘永德，赵继红.超声处理对系统剩余污泥减量效果的研究[J].中国给水排水，2011，27（1）：58-61.

32 沈会山，胡勇有，王广华，等.超声波处理回流剩余污泥SBR工艺的污泥减量效能[J].环境工程学报，2012，6（6）：2077-2081.

33 刘焕枝.超声波/臭氧-隐性生长污泥过程减量技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

34 张光明，杨金美，王 伟.SBR反应器污泥减量化研究[J].给水排水，2006，32（10）：36-41.