污泥减量化技术研究进展

孙 中

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

引言

近年来，随着污水处理的快速发展，我国有较高的污水处理能力，所制定的标准也逐渐接近发达国家，并且处理后的污水能符合各种场合的要求，污水处理技术也日渐成熟，但是对于污泥的处理却不尽如人意，污水处理厂的剩余污泥逐年递加，产生如此多的污泥却仅有30%能够得到无害化处理，其余污泥都以填埋或焚烧的形式处理。填埋是早期作为污泥处置的主要方法，但是处理不当会产生温室气体并且污染土层。目前，许多国家正在减少污泥填埋的比率。污泥焚烧是利用高温将污泥烧成灰尘，需要耗费大量能量，燃烧不充分会产生二噁英，处理成本巨大，与资源化理念背道而驰。因此，在保证污水处理效果的同时，妥善处理污泥和减少剩余污泥的产出刻不容缓，本文主要介绍以减少污泥产出为目的污泥减量化技术。

污泥是一种胶状固体物质，其主要特性是含水率高、产量大、成分复杂，不同污水处理厂因处理污水成分不同而导致产出剩余污泥成分各不相同，这也导致对污泥的处理不可一概而论，需对症下药。

污水中重金属通过吸收、吸附、共沉等方式进入到污泥中，重金属能在农作物中富集，从而间接危害人体健康。常见的重金属包括锌、铅、铜、镉、铬、汞和砷等。重金属具有易积累、易流失的特点，若没能妥善处理，极易污染土壤、地下水。

1 污泥减量化的原理

污泥上微生物在细胞外酶的作用下，以环境中的底物作为基质，对自身进行增殖。这部分净增殖的微生物以剩余污泥的形式排出系统。在内源呼吸期已死亡的微生物分解，一部分重新变回基质，一部分慢速降解的物质被水解成基质，还有一部分惰性物质残留在环境中。因此原位剩余污泥的减少可以分为2个方面，抑制微生物的增殖；在微生物已经完成增殖后，对细菌进行特定的处理使得剩余污泥减少，之后再排出系统。

1.1 解偶联

微生物的新陈代谢分为合成代谢和分解代谢，呼吸链与氧化磷酸反应之间有耦合作用，即在氢离子浓度梯度的影响下，进行电子传递和ATP合成，微生物在分解底物的同时还会有一部分进行自身增殖。解偶联就是改变氢离子浓度梯度，破坏耦合作用，打破分解代谢和合成代谢的平衡，减少污泥产量。

投加解偶联剂是较常用的方法，其可以与氢离子相结合，相当于载体的作用，促进氢离子的跨膜运输，改变浓度梯度，对酶的驱动力下降，从而减少ATP。魏源送等[1]对比不同解偶联剂的处理效果，结果表明，2,4,5-三氯苯酚(TCP)的效果最好。解偶联剂的缺点是其本身作为化合物，有可能对水体造成二次污染。长时间使用同一种解偶联剂还会使微生物产生免疫，降低处理效果。在经济上，解偶联剂造价高，长期使用并不划算。

1.2 隐性生长

在细胞代谢过程中，加大细胞的分解过程，破坏细胞膜，导致胞内物质散出并作为基质被其他细菌利用，在裂解的基础上实现细胞增殖，这种方式被称之为隐性生长。其中的碳利用率较低，部分碳源以二氧化碳的形式散发到大气中，从而实现污泥减量的目的。其中破坏细胞膜是关键步骤，称溶胞技术。污泥减量则由不同的溶胞方式做基础开展研究，其中包括物理溶胞、化学溶胞、生物溶胞。

物理溶胞包括超声波、热解、微波、机械破碎等，物理方法普遍操作简单，降解速度快，安全可靠，但是其成本高，能量消耗大，经济效益较低。吴少奇等[2]研究表明，经过超声波预处理后，有机物从紧实的胞外聚合物转化为可溶性胞外聚合物，并且可溶性胞外聚合物的COD从232mg·L-1增加到2180mg·L-1，因此可以证明超声波可以有效破坏胞外膜。但与未经超声波处理的污泥相比，检测出类腐殖酸这种难降解的物质，阻碍了后续厌氧消化的进行。

化学溶胞包括过氧化氢、芬顿试剂、酸碱、臭氧等，化学方法处理效果好，但有可能产生有毒副产物，使污泥沉降性能变差，降低活性污泥的处理效率，减弱氮磷的去除效果，有腐蚀性的药剂对设备造成安全隐患。张彦平等[3]实验表明，加入高铁酸盐后5min胞外聚合物变发生了溶解，但由于Fe和其氧化物可与溶出物反应，致使反应最后趋于稳定，并指出高铁酸盐氧化污泥最佳时间为60min。

生物溶胞是投加能分泌胞外酶的细菌、酶制剂或抗菌素等方法来提高微生物的代谢活动。孟文茹[4]实验表明，嗜热溶胞酶可以在适宜的条件下分泌胞外酶进行生物溶胞技术，可与超声联合使用，与对照组相比增加了41.4%污泥减量率，并指出嗜热菌与K+联合预处理时，厌氧消化的产甲烷性能最好。

1.3 生物捕食

向污水中加入经过人为驯化的微生物可以减少污泥的产生。其作用是增加污水中的食物链，而食物链越长，能量损失越多；新加入的微生物本身也需要呼吸，因此可以消耗水中的有机物，增加CO2、H2O、能量。若一直投加外部菌群会使系统对其产生依赖性，降低处理效果。并且外加的微生物是有生命的活物，不可控因素很多，导致其处理效果波动巨大，有时严重影响除磷效果。艾翠玲等[5]研究生物水蚯蚓对污泥的影响，以组合材料作为载体，投加水蚯蚓反应器的平均剩余污泥产率，对比空白实验，约下降95.11%；但提出若以弹性材料作为载体效果则不明显。

2 污泥减量化的技术

2.1 OSA工艺

OSA工艺是在传统的活性污泥反应器的回流阶段添加一个厌氧反应区，污泥在厌氧反应区停留一段时间后再流入主反应区。最早认为OSA工艺降低污泥产率机理是解偶联作用，后又有人认为是污泥衰减起着重要作用。宁欣强等[6]对A-OSA反应中的微生物进行分析特征磷脂脂肪酸PLFA组成以及生物量变化，结果表明，减量工艺贮泥池中活体微生物生物量明显减少，从微生物学角度证实了污泥衰减为OSA工艺污泥减量机制。秦浩然[7]以OSA-MBR中试实验装置为研究对象，在厌氧回流前平均每日剩余污泥产量为925.94g，在厌氧污泥回流后平均每日剩余污泥产量为633.86g。在实际污水处理厂条件下，剩余污泥减量率达到40.51%。并且对污水中的COD、TN、NH4+没有过多影响，对TP的去除效率有显著提高。

2.2 超声波工艺

超声波通过超空化效应，破解污泥是在极短时间内产生极高的温度和压强，从而破坏细胞膜，裂解细胞。闫怡新等[8]探讨了超声对污泥减量化的机理和影响因素，研究表明，超声破解污泥的频率一般采用20～40kHz，超声强度宜采用9.7kW·h·kg-1(以VSS计)，采用小超声功率和长辐射时间。王泽刚等[9]利用超声对造纸厂的污泥进行处理，结果表明，经超声处理后污泥处理效果好、时间短，并经计算每天可以减少3t污泥。李道甲等[10]建立连续流超声波调控活性污泥系统对低温(15℃左右)活性污泥进行研究，对比没有超声处理，有超声处理后最高污泥减少率达到45.71%。超声波工艺最明显的缺点便是与其他技术相比能耗太高，为了降低其能耗，可以与其他技术联合使用或者采用低强度超声波，此技术仍需继续深入。

2.3 臭氧工艺

臭氧氧化是较热处理和高压分解效率更高的方法，其缺点在于水中的溶解度和稳定性较低，利用率低。任宏祥等[11]研究表明，臭氧投加量处于0.05～0.15g·g-1TSS时效果最好，污泥质量大幅下降，粒径变小。袁晓玲等[12]将纳米微气泡与臭氧相结合，其污泥减量率可达到15%左右。王志彬等[13]探究污泥臭氧溶胞的优化控制，结果表明，微孔曝气能提高臭氧氧化效率；由于胞内物质能被臭氧矿化，所以前期高浓度臭氧处理效果好，后期低浓度臭氧处理效果好；综合来说，臭氧投加量应该低于0.01g O3·(gMLSS)-1并且使用较小的进气流量。

2.4 湿式氧化法

湿式氧化是在高温高压下，与氧气发生反应，生成强氧化产物，与水中的有机物和大分子发生反应生成无机物和小分子的过程。周仰原等[14]将湿式氧化污泥减量技术用于含有苯系物、杂环、酮类等有毒有害物质的活性污泥；在240℃、1MPa的条件下反应1h，SS和COD的去除率可达40%和60%以上；结果表明，湿式氧化可用于已内酰胺污泥的减量化处理，并且氧气和温度是影响污泥减量的重要因素。如何定向转化为酸类物质，进行资源化利用是此技术后续的主要研究方向。

2.5 化学试剂氧化技术

芬顿氧化属于高级氧化技术，能有效破解污泥细胞，能在分解的同时增强其沉降性能。但对过氧化氢利用率低、反应速度慢、成本高。曾凡银等[15]将芬顿试剂与阳离子PAM组合用于污水处理，单独添加芬顿试剂和单独添加PAM对污泥减量分别为20.12%和23.64%，而两者联合使用污泥减量29.63%，且时间也大幅度减少。

3 总结

上述实验在经济、技术、环境保护和能源消耗方面都拥有各自的优缺点，虽然都不完美，但发展非常迅速。我国对环境越来越重视，绿水青山就是金山银山，对待水处理也应该在保持处理效果的同时尽可能减少对生态的破坏。对于污泥源头的减量化研究也是要长期研究的课题，以污泥零排放作为目标，遵循可持续发展理念，才是保证我国在污水处理方面行之有效的方法。