污泥減量化技術(shù)研究進(jìn)展

魯智禮，龐朝輝，，王海燕，周岳溪，柳棟升，3，張 娜，4

(1.華北水利水電學(xué)院 環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450011;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100021;3.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;4.河北工程大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

污泥減量化技術(shù)研究進(jìn)展

魯智禮1，龐朝輝1，2，王海燕2，周岳溪2，柳棟升2，3，張 娜2，4

(1.華北水利水電學(xué)院 環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450011;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100021;3.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;4.河北工程大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

針對當(dāng)前日益突出的污泥處理處置難等問題，分別從物理法、化學(xué)法和生物法等方面闡述了當(dāng)前污泥減量化技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了各種工藝的基本原理、特點和存在的問題。結(jié)合國內(nèi)外污泥減量化技術(shù)的研究進(jìn)展，提出了未來污泥減量化技術(shù)的發(fā)展方向。

剩余污泥;污泥減量;污泥產(chǎn)率;解偶聯(lián);生物處理

好氧生物廢水處理技術(shù)日趨成熟，其中活性污泥法是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的廢水生物處理工藝。但該工藝的主要缺點是在運行過程中會產(chǎn)生大量剩余污泥［1］。剩余污泥處理裝置的投資和運行費用約占整個廢水處理廠投資及運行費用的25% ～65%［2］，巨大的污泥處置費用已成為廢水生物處理技術(shù)面臨的嚴(yán)峻問題。為解決這一問題，20世紀(jì)90年代產(chǎn)生了新的污泥處理與處置概念——污泥減量化技術(shù)。污泥減量化是指在保證整個廢水處理系統(tǒng)處理效能的前提下，采用適當(dāng)?shù)奈锢怼⒒瘜W(xué)和生物方法，使向外排放的固體生物量達(dá)到最小，從而實現(xiàn)從源頭上減少污泥的產(chǎn)量［3］。當(dāng)前對污泥減量化技術(shù)的研究已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。

本文對國內(nèi)外污泥減量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜合概述，并對污泥減量化技術(shù)進(jìn)行了展望。

1 基于物理方法的污泥減量化技術(shù)

1.1 機械破碎技術(shù)

機械破碎法即利用機械壓力所產(chǎn)生的能量將微生物細(xì)胞壁打破，使細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)釋放出來，從而使污泥量得到削減。Strünkmann等［4］對球磨破碎和高壓攪拌技術(shù)實現(xiàn)污泥減量的可應(yīng)用性進(jìn)行了比較研究，同時運行兩組不同污泥齡的機械破碎法與膜生物法組合工藝，低污泥齡(20 d)的污泥產(chǎn)率(每單位COD中含有的總懸浮固體(TSS)質(zhì)量，下同)為0.19 g/g，而高污泥齡(54 d)的組合工藝的污泥產(chǎn)率僅為0.06 g/g。從而得出在高污泥齡條件下機械破碎法與膜生物法組合工藝可顯著減小污泥產(chǎn)率。但由于機械破碎法需要能耗較高，且能量利用率低，限制了其規(guī)模應(yīng)用。

1.2 超聲波技術(shù)

超聲波技術(shù)通過交替的擴張和壓縮作用使水體產(chǎn)生空化作用，由空化作用而引起的強大的水力剪切力對破解污泥微生物細(xì)胞有很好的效果，同時也可改善污泥水解速率緩慢的問題［5］。Mohammadi等［6］在中試規(guī)模的SBR中考察了超聲波對污泥減量的影響。實驗結(jié)果表明:增加超聲波強度可以提高污泥減量效果;但當(dāng)每千克VSS吸收的能量超過35 MJ時，進(jìn)一步增加能量對污泥減量效果幾乎沒有影響。Liu等［7］在穩(wěn)定的連續(xù)流系統(tǒng)中采用超聲波處理剩余污泥，在聲能密度為0.4 W/mL、超聲時間為5 min、污泥回流比為1∶24時，剩余污泥體積減少90%以上，且出水水質(zhì)穩(wěn)定。超聲波污泥減量技術(shù)對聲能的利用效率低且能耗大，但若將該工藝與其他污泥處置工藝相結(jié)合，同時優(yōu)化運行參數(shù)、提高超聲效率，則其組合工藝在工程上的應(yīng)用前景將會十分廣闊。

2 基于化學(xué)方法的污泥減量化技術(shù)

2.1 氧化技術(shù)

2.1.1 臭氧氧化技術(shù)

臭氧污泥減量化技術(shù)是基于臭氧的強氧化性，使部分活性污泥被直接氧化成CO2和水等無機物，部分活性污泥溶解成可生物降解的有機物。Kamiya等［8］采用傳統(tǒng)的好氧反應(yīng)系統(tǒng)，在每克TSS的臭氧加入量為0.01 g的條件下，污泥量減少率可達(dá)50%;當(dāng)每克TSS的臭氧加入量達(dá)0.02 g時，可以實現(xiàn)污泥零排放。Lee等［9］在低溫下將活性污泥工藝和臭氧氧化工藝組合，進(jìn)行中試實驗，先按每千克SS 0.05 kg的加入量向剩余污泥中加入臭氧，進(jìn)行破解，然后回流到生化反應(yīng)器中，經(jīng)過112 d的運行，其間無剩余污泥排放。在臭氧污泥減量過程中，污泥中的氮和磷因臭氧氧化作用而溶解在上清液中，并在系統(tǒng)中積累，導(dǎo)致出水中氮磷濃度升高。Kondo等［10］針對系統(tǒng)中營養(yǎng)物去除和磷積累問題進(jìn)行了積極探索，并研制出集污泥減量與磷回收于一體的新型廢水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng):傳統(tǒng)的A2/O除磷系統(tǒng)、污泥臭氧氧化接觸反應(yīng)器系統(tǒng)和磷吸附系統(tǒng)。

目前，國外雖已將臭氧氧化技術(shù)應(yīng)用于二級廢水生物處理系統(tǒng)的污泥減量，但存在的一系列問題還有待于進(jìn)一步研究，如:臭氧氧化作用不具有選擇性，也能與其他還原物質(zhì)反應(yīng)，使一些難降解有機物隨水流出;對氮磷的去除效果不好;無污泥排放時，重金屬會在污泥中積累等。

2.1.2 氯氧化技術(shù)

氯氣也是一種十分活潑的氧化劑，其污泥減量的原理同臭氧氧化技術(shù)基本相同，均是利用其氧化性破解微生物細(xì)胞壁，釋放出細(xì)胞質(zhì)被微生物二次利用。Takdastan等［11］證明了氯氣氧化污泥減量的可行性。采用兩個SBR進(jìn)行對比實驗，經(jīng)80 d的運行，實驗結(jié)果表明:當(dāng)每克MLSS的氯氣加入量為15 mg時，污泥可減量48%;但出水中溶解性COD略有上升，投加氯氣的反應(yīng)器和未投加氯氣的反應(yīng)器的COD去除率分別為55%和95%。

從經(jīng)濟效益的角度考慮，氯氧化的運行成本低廉。但是在氯氧化過程中，氯氣能夠和污泥中的有機物反應(yīng)生成三氯甲烷等毒性副產(chǎn)物。

2.1.3 Fenton 試劑氧化技術(shù)

Fenton試劑是一種氧化能力極強的試劑，能破解微生物細(xì)胞壁，使細(xì)胞中的有機物質(zhì)得以釋放和溶解，破解后的污泥回流到生物反應(yīng)系統(tǒng)中，被微生物二次利用，以達(dá)到污泥減量的目的。He等［12］采用MBR和Fenton試劑氧化技術(shù)組合工藝與單獨的MBR工藝進(jìn)行對比實驗，把經(jīng)Fenton試劑氧化破解后的剩余污泥的pH調(diào)至7.0，再回流到MBR中。經(jīng)過60 d的運行，對照組MBR工藝的污泥產(chǎn)率(以MLSS計)為0.150 g/g;MBR和Fenton試劑氧化技術(shù)組合工藝的污泥產(chǎn)率(以MLSS計)僅為0.006 g/g，且MLVSS 與MLSS 的比值穩(wěn)定在0.85，出水COD和TN去除率均優(yōu)于對照組，證明Fenton試劑氧化技術(shù)有較好的污泥減量效果。影響Fenton試劑氧化性能的因素包括廢水pH、反應(yīng)溫度和催化劑種類等多個方面。因此，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用還有賴于對其污泥減量的影響因素進(jìn)行更深入的研究。

2.2 解偶聯(lián)技術(shù)

2.2.1 投加解偶聯(lián)劑

大部分解偶聯(lián)劑(如甲酚、2，6－二氯苯酚和對硝基苯酚等)為脂溶性小分子物質(zhì)，其作用機理是通過與H+結(jié)合，減小細(xì)胞膜對H+的阻力，使H+跨過細(xì)胞膜，造成細(xì)胞膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度降低，不足以促使三磷酸腺苷(ATP)酶合成ATP，氧化過程中所產(chǎn)生的能量最終以熱的形式被釋放，從而降低了污泥產(chǎn)量。Ma等［13］在SBR活性污泥系統(tǒng)中，研究2，6－二氯苯酚解偶聯(lián)劑與Cu2+協(xié)同作用下的污泥減量效果。當(dāng)2，6－二氯苯酚加入量為20 mg/L、Cu2+加入量為1 mg/L時，系統(tǒng)連續(xù)運行30 d，污泥量減少率達(dá)75%，出水COD僅比投加解偶聯(lián)劑實驗前高7%，同時出水中2，6－二氯苯酚質(zhì)量濃度僅為0.28 mg/L，Cu2+的去除率更達(dá) 90%以上。Zheng 等［14］研究了分別以2，4，5 － 三氯苯酚(TCP)和丙二酸(MA)作為解偶聯(lián)劑對SBR系統(tǒng)污泥減量的影響。研究表明:當(dāng)TCP加入量為2 mg/L時，可以實現(xiàn)污泥量減少率約47%，同時COD去除率和污泥的沉降性能不受影響;當(dāng)MA加入量為10 mg/L時，可實現(xiàn)30%的污泥量減少率，但COD去除率減小，同時嚴(yán)重破壞了污泥的沉降性能。

投加解偶聯(lián)劑無需改變原有工藝設(shè)備就可實現(xiàn)污泥減量，但大部分解偶聯(lián)劑是生物異源物質(zhì)且不易降解或?qū)ι镉卸竞ψ饔?，會給水處理和環(huán)境帶來新的污染。因此對解偶聯(lián)劑的應(yīng)用應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度，同時應(yīng)對解偶聯(lián)污泥減量機理和對營養(yǎng)物質(zhì)去除的影響做更加深入的研究。

2.2.2 控制溶解氧濃度解偶聯(lián)

在高濃度溶解氧條件下，微生物氧化有機物的速率加快，ATP的產(chǎn)生量也隨之增加。由于ATP合成酶在ATP濃度較高時會對ATP進(jìn)行水解，可能會形成質(zhì)子，從而發(fā)生解偶聯(lián)代謝。Abbassi等［15］的實驗表明污泥產(chǎn)率與有機負(fù)荷和氧濃度有關(guān)，從而建立了污泥絮體中底物去除率、氧利用效率和污泥產(chǎn)率之間的數(shù)學(xué)模型，其研究結(jié)果證明高溶解氧濃度可以減小污泥產(chǎn)率，從而使污泥減量。Zhang等［16］研究了壓力作用下生物接觸氧化過程中污泥減量的技術(shù)參數(shù)特征，表明高溶解氧濃度對污泥減量起了關(guān)鍵性作用。采用高濃度溶解氧解偶聯(lián)技術(shù)無需對原有設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改造，僅需增加曝氣量，操作簡便易行。但是要維持高濃度溶解氧就必須增加曝氣量，勢必要增加運行能耗和費用，從而增加運行成本，制約了其工業(yè)應(yīng)用。

在低溶解氧條件下，也可取得一定的污泥減量效果。胡學(xué)斌等［17］著重研究了低溶解氧濃度對污泥減量的影響，研究表明在低溶解氧條件下投加低劑量TCP時，SBR系統(tǒng)實現(xiàn)污泥量減少率34.6%，并可同時獲得良好的除磷脫氮效果。Peng等［18］在SBR系統(tǒng)中控制低溶解氧時，異養(yǎng)微生物可以利用硝酸鹽作為電子受體，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生厭氧反硝化時，污泥產(chǎn)量明顯減小，而且出水水質(zhì)良好。雖然低溶解氧條件下污泥減量工藝運行成本低，但其機理尚不明確，有待深入研究。

2.2.3 好氧—沉淀—厭氧(OSA)工藝

在厭氧條件下，好氧微生物的分解代謝受到抑制，微生物本身沒有足夠的能量用于自身的生長，必須利用體內(nèi)貯存的ATP作為能源維持正常的生理活動。因此，處于此階段的微生物細(xì)胞在好氧階段所貯存的ATP將被大量消耗，合成代謝因能量不足而受到抑制，細(xì)胞自身的合成不能夠進(jìn)行，導(dǎo)致形成分解代謝與合成代謝的解偶聯(lián)，從而使污泥產(chǎn)率降低?；诖死碚摱纬傻腛SA工藝可以實現(xiàn)污泥減量的目的。Sun等［19］研究了OSA工藝中污泥在厭氧和好氧段之間的交替次數(shù)對污泥減量的影響。當(dāng)污泥在厭氧和好氧段每天交替1次時，污泥量減少率達(dá)52.8%;當(dāng)每天交替4次時，可實現(xiàn)污泥量減少率77.4%。實驗證明污泥在厭氧和好氧段的每天交替次數(shù)對OSA工藝的污泥減量至關(guān)重要。

OSA工藝的污泥產(chǎn)率低且沉降性能好，適宜于處理高濃度有機廢水且對磷的去除效果好;但OSA工藝的HRT較長，在進(jìn)水有機物濃度較低的情況下，對氮等營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果不好。未來應(yīng)在縮短OSA工藝的HRT和提高其出水水質(zhì)等方面進(jìn)行深入研究，以期發(fā)揮其最大優(yōu)勢。

3 基于生物方法的污泥減量化技術(shù)

3.1 生物捕食

3.1.1 接種微生物

從生態(tài)學(xué)角度考慮，能量在食物鏈中由低營養(yǎng)級向高營養(yǎng)級傳遞時發(fā)生損失，且能量損失總量越大，生物產(chǎn)生量越小?；诖死碚?，延長食物鏈和強化食物鏈中的生物捕食作用均可以達(dá)到污泥減量的目的。Huang等［20］將傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)與接種了蟺蚓的再生污泥反應(yīng)系統(tǒng)組合，通過再生污泥反應(yīng)系統(tǒng)中的蟺蚓捕食作用實現(xiàn)污泥減量。其污泥減量效率為每天每毫克蟺蚓減少0.18 mg VSS，最高可達(dá)每天每毫克蟺蚓減少0.81 mg VSS。蟺蚓的存在對COD和NH+4－N去除率沒有影響，有助于污泥沉降性能的提高，TP去除率減小5%左右。Song等［21］對紅斑瓢體蟲的密度和生長速率對污泥減量效果的影響進(jìn)行了一系列實驗，結(jié)果表明:紅斑瓢體蟲的生長速率與經(jīng)超聲殺菌溶胞后污泥中的可利用揮發(fā)性有機物(AVSS)成正比，當(dāng)AVSS質(zhì)量濃度大于3 000 mg/L時，紅斑瓢體蟲的密度達(dá)到最大;當(dāng)紅斑瓢體蟲的密度為315條/mL時，污泥減量的速率達(dá)最大，為445 mg/(L·d)。

3.1.2 兩段式生物相分離技術(shù)

兩段式生物相分離技術(shù)即第一段為分散細(xì)菌培養(yǎng)階段，在無污泥停留的情況下，保持細(xì)菌快速分散生長而不形成菌膠團，并對廢水中的有機物進(jìn)行高速降解;第二段為生物捕食階段，主要為原、后生動物提供良好的生長條件，維持一定的原、后生動物數(shù)量，對污泥中的微生物進(jìn)行捕食、減量。Feng等［22］對三相流化床生物反應(yīng)器(TFB)和污泥減量固定床生物反應(yīng)器(SFB)兩段式反應(yīng)器進(jìn)行研究。廢水經(jīng)過第一段TFB時碳和氮化合物被去除，產(chǎn)生的剩余污泥和有機碳剩余物流入第二段SFB，通過微型動物的捕食進(jìn)行進(jìn)一步的降解。通過470 d的連續(xù)運行，COD去除率可達(dá)95%，TN去除率約為25%～55%，SS由TFB流出時的160 mg/L降為SFB流出時的28 mg/L，污泥減量效果良好。由于兩段式生物相分離法的第一段HRT較長，大大增加了反應(yīng)器容積、投資和運行成本。因此，兩段式生物相分離技術(shù)還需對各項運行參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 膜生物技術(shù)

膜生物技術(shù)是指將污泥截留在膜反應(yīng)器內(nèi)，以延長污泥泥齡，加強微生物的分解和代謝作用，使污泥得到降解，從而實現(xiàn)污泥減量。Rosenberger等［23］對MBR進(jìn)行了3年的中試規(guī)模研究，在整個運行期間實現(xiàn)了污泥零排放。雖然膜生物法很好地實現(xiàn)了污泥減量，甚至實現(xiàn)了污泥零排放，但是對氮和磷等營養(yǎng)物的去除率不高。為解決這一問題，目前多將膜生物法與其他工藝進(jìn)行組合。Banu等［24］對A2/O－MBR組合工藝對污泥減量和除磷的效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該組合工藝在實現(xiàn)污泥減量的同時，磷去除率高達(dá)74% ～82%。但由于MBR易發(fā)生污堵而使膜通量減小，影響膜的使用且導(dǎo)致費用上升，這極大地限制了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，所以如何控制膜污染將會是未來研究的重點。

4 展望

隨著廢水處理能力和處理效率的提高，污泥的產(chǎn)量也在急劇增加，污泥的處理成本和處理難度也隨之增加，污泥減量化技術(shù)的發(fā)展顯得尤為重要。目前，污泥減量化的發(fā)展重點主要集中在污泥產(chǎn)生過程中實現(xiàn)污泥減量和污泥產(chǎn)生后減少污泥排放量。以解偶聯(lián)代謝、維持代謝、生物強化及生物捕食為理論基礎(chǔ)的生物污泥減量化技術(shù)已逐漸應(yīng)用到廢水生物處理工藝中，從經(jīng)濟和環(huán)境效益的角度考慮，生物污泥減量化技術(shù)將是未來發(fā)展的重要方向之一。如何解決生物污泥減量工藝中出水氮、磷超標(biāo)的問題是今后關(guān)注的重點。以現(xiàn)有活性污泥處理工藝為基礎(chǔ)，與污泥減量技術(shù)組合進(jìn)行污泥減量化工藝開發(fā)將會是今后研究的熱點。

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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。

魯智禮(1968—)，男，河南省鄲城縣人，大學(xué)，副教授，主要研究方向為水處理理論與技術(shù)。電話0371－65790224，電郵 luzhili@ncwu.edu.cn。聯(lián)系人:龐朝輝，電話 010－84915322，電郵 pangzhh@126.com。

中國環(huán)境科學(xué)研究院中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項資助項目(2007KYYW10)。

(編輯 王 馨)