污泥減量化技術(shù)研究進(jìn)展及趨勢(shì)

李 航， 呂利平， 江 波

(1.重慶市三峽水務(wù)涪陵排水有限責(zé)任公司，重慶 408000；2.長(zhǎng)江師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 408100；3.西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500；4.三峽庫(kù)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防治工程研究中心，重慶 408100)

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污泥減量化技術(shù)研究進(jìn)展及趨勢(shì)

李 航1,3， 呂利平2,3,4， 江 波1

(1.重慶市三峽水務(wù)涪陵排水有限責(zé)任公司，重慶 408000；2.長(zhǎng)江師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 408100；3.西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500；4.三峽庫(kù)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防治工程研究中心，重慶 408100)

針對(duì)現(xiàn)階段污泥處理處置存在的環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題，從目前國(guó)內(nèi)外研究比較集中的超聲波處理、臭氧氧化、熱水解、過(guò)氧乙酸(PAA)氧化、化學(xué)解偶聯(lián)、Fenton氧化、投加微生物制劑、強(qiáng)化微型動(dòng)物捕食作用等技術(shù)出發(fā)對(duì)污泥減量化技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述，詳細(xì)介紹了各種技術(shù)的方法原理,總結(jié)了各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍，并對(duì)污泥減量化技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為污泥減量化技術(shù)的應(yīng)用選擇、下一步研究方向及新工藝的研發(fā)提供參考。

剩余污泥；減量；處理技術(shù)

1 引言

活性污泥法因其工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗沖擊能力強(qiáng)、處理效果好而成為污水處理領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成熟的技術(shù)。目前全世界90%以上的污水處理廠均采用該處理工藝，但大量剩余污泥的產(chǎn)生卻嚴(yán)重制約了該工藝的持續(xù)發(fā)展應(yīng)用[1～3]。據(jù)調(diào)查，城市污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用組成中，污泥處理費(fèi)用一般占其運(yùn)行總費(fèi)用的25%～40%，有的高達(dá)60%[4]，而據(jù)資料顯示，2015年全年污泥產(chǎn)量近3359萬(wàn)t(含水率為80%)[5]，如此之大的產(chǎn)量及如此之高的處理費(fèi)用，勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大壓力。早在1996年，德國(guó)就以立法的形式首先提出了廢物減量化、資源化和無(wú)害化的優(yōu)先順序[6]。如何實(shí)現(xiàn)污泥減量化便成為今后污水處理行業(yè)可持續(xù)發(fā)展首先需要解決的問題。

污泥減量化技術(shù)是指在保證整個(gè)污水處理效果的前提下，采用適當(dāng)?shù)奈锢?、化學(xué)、生物技術(shù)，使處理相同量污水的同時(shí)生物處理系統(tǒng)中污泥的產(chǎn)量減少而出水水質(zhì)不受影響的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)從源頭上降低污泥的產(chǎn)量，減少污泥的外排[7]。

目前污泥減量化技術(shù)研究主要集中在物理、化學(xué)、生物三方面。其中物理技術(shù)主要包括超聲波處理、臭氧氧化、熱水解等；化學(xué)技術(shù)主要包括過(guò)氧乙酸(PAA)氧化、化學(xué)解偶聯(lián)、Fenton氧化等；生物技術(shù)主要包括投加微生物制劑、強(qiáng)化微型動(dòng)物捕食作用等。

2 污泥減量化技術(shù)

2.1 物理技術(shù)

2.1.1 超聲波技術(shù)

超聲波是物理介質(zhì)中的一種彈性機(jī)械波，頻率一般為20～106 kHz。其減量原理是，當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波作用于某一液體時(shí)，液體會(huì)發(fā)生一系列理化反應(yīng)，而超聲波在中低頻率范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生交替的壓縮和擴(kuò)張作用從而產(chǎn)生“空穴”作用[8]，形成較為極端的理化和力學(xué)條件，產(chǎn)生局部的高溫、高壓，再加之機(jī)械剪切力的作用，壓碎細(xì)胞壁擊破細(xì)胞膜，使胞內(nèi)基質(zhì)得到釋放，微生物細(xì)胞得到進(jìn)一步溶解,從而實(shí)現(xiàn)污泥減量。

超聲波處理污泥因其高效、清潔、安全等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室污泥減量研究，并且已取得了較好的研究效果，但又因其處理量小、能耗高等缺點(diǎn)使得難以規(guī)模化應(yīng)用于大型生產(chǎn)運(yùn)行中。綜合考慮其優(yōu)缺點(diǎn)，超聲波處理污泥適用于污水水質(zhì)較單一且污泥產(chǎn)量較少的小型污水處理站。

2.1.2 臭氧氧化

臭氧具有極強(qiáng)的氧化性，能氧化細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，進(jìn)一步破壞胞內(nèi)大分子蛋白質(zhì)、多糖和核酸，使細(xì)胞被氧化分解成H2O和CO2等較穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物質(zhì)。臭氧氧化處理污泥的原理就是將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧通入容器中與剩余污泥充分結(jié)合，利用臭氧的強(qiáng)氧化性氧化分解微生物細(xì)胞，使胞內(nèi)物質(zhì)由污泥相進(jìn)入水相，從而使微生物細(xì)胞分解、死亡，達(dá)到污泥減量的目的。

臭氧氧化處理污泥能提高系統(tǒng)的反硝化能力，改善污泥的沉降性能，但存在處理成本高，出水N、P含量高等問題[9]。臭氧氧化技術(shù)適用于源水可生化性較差的小型工業(yè)廢水處理站。

2.1.3 熱水解

熱水解技術(shù)是污泥經(jīng)高壓蒸汽(溫度約為180 ℃，壓力約為1 MPa)預(yù)處理，溶解污泥中的膠體物質(zhì)，破碎細(xì)胞物質(zhì)，水解大分子物質(zhì)，從而達(dá)到污泥減量的目的。該技術(shù)處理后剩余的高壓蒸汽被回用與新污泥混勻加熱，從而實(shí)現(xiàn)熱回收，降低能耗[10]。

熱水解技術(shù)處理污泥因其能夠溶解部分固態(tài)有機(jī)質(zhì)，能將大分子蛋白質(zhì)和多糖水解成易分解的小分子物質(zhì)，還能殺滅大部分細(xì)菌、病毒和寄生蟲卵以及能耗低、處理效率高、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)而被廣泛推廣。該技術(shù)不僅適用于中小型污水處理廠，還適應(yīng)于大型污水處理廠的新建及改擴(kuò)建。

2.2 化學(xué)技術(shù)

2.2.1 過(guò)氧乙酸(PAA)氧化

過(guò)氧乙酸(PAA) 作為一種理想的微生物氧化劑，對(duì)微生物具有和臭氧相似的強(qiáng)氧化性[11],將其與污泥混合，使污泥微生物細(xì)胞膜、細(xì)胞壁迅速破壞，胞內(nèi)物質(zhì)由污泥相進(jìn)入水相，胞外聚合物(EPS)水解成為小分子可溶性的物質(zhì)[12]。

過(guò)氧乙酸相對(duì)臭氧而言，價(jià)格低廉，反應(yīng)產(chǎn)物醋酸無(wú)毒且具有較強(qiáng)的親和性，能夠迅速殺滅污泥中的病毒、細(xì)菌、真菌及芽孢。但過(guò)氧乙酸具有較強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)設(shè)備防腐性能要求較高，同時(shí)過(guò)氧乙酸很不穩(wěn)定，在室溫下可分解放出氧氣，遇高溫或明火會(huì)發(fā)生自燃、燃燒或爆炸。以上缺點(diǎn)使得過(guò)氧乙酸氧化處理污泥在現(xiàn)有技術(shù)條件下應(yīng)用于工程實(shí)踐還有相當(dāng)大的困難。

2.2.2 化學(xué)解偶聯(lián)

化學(xué)解偶聯(lián)就是在生化處理過(guò)程中通過(guò)人為的添加化學(xué)解偶聯(lián)劑使微生物的分解代謝和合成代謝被解偶聯(lián)，解偶聯(lián)劑的加入將抑制微生物氧化磷酸化過(guò)程，從而抑制微生物的合成，進(jìn)而使得分解代謝速率遠(yuǎn)大于合成速率，過(guò)剩的能量則以熱能形式散發(fā)到環(huán)境中，表現(xiàn)出來(lái)的就是污泥產(chǎn)量減少。常用的化學(xué)解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基苯酚(DNP)、3,3’,4’,5-四氯水楊酰苯胺(TCS)、羰基-氰-對(duì)三氟甲氧基苯肼(FCCP)等[13]。

解偶聯(lián)劑的投加因操作簡(jiǎn)單、成本低廉(無(wú)需外加設(shè)備、解偶聯(lián)劑價(jià)格便宜)、減量效果好而被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室小試研究及中試。但其減量機(jī)理不明晰；對(duì)底物的去除效果存在下降的風(fēng)險(xiǎn)；系統(tǒng)需氧量增加從而增加能耗成本；解偶聯(lián)劑的加入使得污泥性狀發(fā)生改變；大部分解偶聯(lián)劑都難降解且有毒，對(duì)環(huán)境造成二次污染。充分考慮到以上缺點(diǎn)，下一步的工作重點(diǎn)將是化學(xué)解偶聯(lián)劑的污泥減量作用機(jī)理的研究，低毒或無(wú)毒且不影響污染物去除率的新型環(huán)境友好型解偶聯(lián)劑的研發(fā)等。

2.2.3 Fenton氧化

Fenton氧化反應(yīng)主要是由Fe2+催化分解H2O2，生成強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)，并利用其攻擊和破壞有機(jī)污染物，反應(yīng)機(jī)理如下[14-16]：

Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-

(1)

Fe2++·OH→Fe3++OH-

(2)

(3)

Fe3++HO2→Fe2++H++O2

(4)

H2O2+·OH→H2O+HO2·

(5)

其中，步驟(1)決定了整個(gè)反應(yīng)的速度，羥基自由基(·OH)通過(guò)步驟(2)與有機(jī)污染物反應(yīng)而被消耗,其反應(yīng)方程式如下：

RH+·OH→R·+H2O

(6)

R·+O2→RO2·

(7)

RO2·+·OH+O2→…→H2O+CO2

(8)

Fenton氧化處理污泥，能顯著改善污泥的穩(wěn)定性及脫水性能，對(duì)污泥中的有毒有害物質(zhì)能起到明顯的降解作用。但由于H2O2的使用、污泥酸性環(huán)境的調(diào)節(jié)以及大量的能源消耗抬高了其處理成本；H2O2參與反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧氣，存在一定的安全隱患。綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)，F(xiàn)enton氧化處理污泥應(yīng)用前景巨大，符合污泥處理減量化、資源化和無(wú)害化的要求，但需將其與其他處理方法聯(lián)用從而克服現(xiàn)有單獨(dú)Fenton氧化處理污泥存在的弊端。

2.3 生物技術(shù)

2.3.1 投加微生物制劑

微生物制劑是由篩選出的光合細(xì)菌、乳酸菌、放線菌、酵母菌和真菌等10種不同類型，對(duì)污染物具有較強(qiáng)降解能力的特殊功能微生物菌群組成，通過(guò)單獨(dú)培養(yǎng)繁殖，再進(jìn)行共生培養(yǎng)繁殖，使相互之間形成和諧互生的關(guān)系，其活菌數(shù)含量在3×108～2.8×109個(gè)/mL[17]。該技術(shù)就是在好氧前端通過(guò)人為的投加MCPC，從而達(dá)到：①擴(kuò)大系統(tǒng)中能有效降解污染物的微生物菌群，并使之成為優(yōu)勢(shì)菌種，進(jìn)一步強(qiáng)化其降解能力。②延長(zhǎng)泥齡，增加微生物數(shù)量。微生物制劑的加入，由于污泥產(chǎn)量減少，為了維持系統(tǒng)污泥濃度，使得污泥外排量減少，從而增加了系統(tǒng)的有效微生物數(shù)量，并相應(yīng)的延長(zhǎng)了污泥齡，污泥齡的延長(zhǎng)有利于微生物通過(guò)內(nèi)源呼吸消耗掉更多的有機(jī)物，有機(jī)物數(shù)量的減少又使得微生物合成量減少，從而形成一個(gè)良性循環(huán)，達(dá)到污泥進(jìn)一步減量的目的。③強(qiáng)化酶促反應(yīng)。MCPC中微生物能分泌出大量的水解酶，這些酶能將污水中的大分子有機(jī)物及死亡的微生物殘?bào)w分解成小分子有機(jī)物而被微生物所利用，從而達(dá)到污泥減量的目的。由于這些酶僅僅針對(duì)大分子有機(jī)物及死亡的微生物殘?bào)w進(jìn)行分解，不會(huì)對(duì)活的微生物細(xì)胞產(chǎn)生影響，所以投加微生物制劑不會(huì)對(duì)出水水質(zhì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，相反，還能達(dá)到改善出水水質(zhì)的目的。

微生物制劑的使用能有效降低污泥產(chǎn)量，明顯改善出水水質(zhì)，對(duì)現(xiàn)有的處理工藝、運(yùn)行模式不會(huì)產(chǎn)生任何影響，只需在現(xiàn)有處理單元的合適位置投加微生物制劑即可。該技術(shù)普遍適用于活性污泥法工藝的污水處理廠。但減量機(jī)理有待進(jìn)一步研究，在此基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)更加穩(wěn)定、高效、價(jià)廉的多功能微生物制劑。

2.3.2 強(qiáng)化微型動(dòng)物捕食作用

根據(jù)生態(tài)學(xué)理論，物質(zhì)和能量在食物鏈中的傳遞因自身呼吸消耗、分解者利用及下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)所同化而逐級(jí)遞減，且平均效率大約為10%～20%，也就是說(shuō)，在食物鏈中，營(yíng)養(yǎng)級(jí)越高，食物鏈越長(zhǎng)，能量損失越多，用于合成污泥相微生物的能量越少，則污泥產(chǎn)量就會(huì)越低。利用微型動(dòng)物捕食作用實(shí)現(xiàn)污泥減量的原理就是向活性污泥系統(tǒng)中接種高級(jí)別微型動(dòng)物，相應(yīng)地延長(zhǎng)食物鏈，從而使用于微生物合成代謝所需能量的可利用率大大降低，實(shí)現(xiàn)污泥減量。

利用微型動(dòng)物捕食作用，污泥減量效果明顯，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，但微型動(dòng)物的投加會(huì)導(dǎo)致出水N、P濃度增加，存在出水水質(zhì)超標(biāo)的隱患[18]。

3 結(jié)語(yǔ)

在綜合考慮上述方法技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為，下一步污泥減量化技術(shù)的研究重點(diǎn)將從以下幾個(gè)方面展開。

(1)深入研究污泥減量機(jī)理。現(xiàn)有的技術(shù)研究大都停留在減量效果上，僅僅從已有的普遍規(guī)律出發(fā)推導(dǎo)其可行性，而缺乏對(duì)機(jī)理的深入細(xì)致探究，導(dǎo)致對(duì)減量規(guī)律的把握不夠準(zhǔn)確，在技術(shù)的運(yùn)用上缺乏相關(guān)的模型支撐，嚴(yán)重阻礙了技術(shù)的工業(yè)化推廣。為此，應(yīng)綜合利用各種規(guī)律、模型、檢測(cè)手段重點(diǎn)對(duì)污泥相微生物的生成、增殖、消亡、轉(zhuǎn)化等階段的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究，從而為減量規(guī)律的探索提供保證。

(2)開展技術(shù)組合?，F(xiàn)有的污泥減量化技術(shù)都或多或少的存在某方面的缺陷，為了盡可能的發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，最大程度地弱化它們的不足，開展兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上的技術(shù)組合應(yīng)用，這將成為今后污泥減量化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

(3) 開發(fā)新工藝。新工藝的開發(fā)包括兩個(gè)方面：一是新的污水處理工藝，該工藝采用非傳統(tǒng)的活性污泥法，通過(guò)納慮、超濾、膜技術(shù)等手段，從源頭上減少或杜絕污泥的產(chǎn)生。二是新的減量工藝，現(xiàn)有減量技術(shù)大都停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，少部分應(yīng)用于工程實(shí)踐中卻因?yàn)槎苇h(huán)境污染、資金投入巨大、技術(shù)自身缺陷致使應(yīng)用推廣受限。新的減量工藝應(yīng)在充分掌握現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及其減量規(guī)律的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開發(fā)低成本、高效率、易推廣的新型污泥減量技術(shù)。

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Research Progress and Trend of Sludge Reduction Technology

Li Hang1,3,Lü Liping2,3,4,Jiang Bo1

(1.ChongqingThreeGorgesWaterFulingDrainageCo.,Ltd，Chongqing408000;2.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,YangtzeNormalUniversity,Chongqing408100;3.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500;4.ResearchCenterforEnvironmentalMonitoringandHazardPreventionEngineeringinThreeGorgesReservoir,Chongqing408100)

Based onthe environmental, technicaland economic issuesexisting in sludge treatment and disposal at the present stage, from the current domestic and foreign researchesconcentrated on techniques such as ultrasonic treatment, ozone oxidation, thermal hydrolysis, peracetic acid (PAA) oxidation, chemical uncoupling, Fenton oxidation, add microbial agents, strengthen microfauna predation and so on,we expounded the research progress of sludge reduction technology. Weintroducedvarious techniques and method principleandsummarized advantages and disadvantages of various technologies, andapplicable scope.Thefutural developing trend was looked forward, aimed to provide referencefor the application selection of sludge reduction technologies, the direction of future research and new technology research and development.

excess sludge; reduction; processing technology

2016-07-19

重慶市涪陵區(qū)應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目(編號(hào)：FLKJ,2015ABA1036)

李 航(1986—)，男，碩士在讀，工程師，主要從事環(huán)境化工方面的研究工作。

呂利平(1987—)，女，博士在讀，講師，主要從事水處理理論與技術(shù)研究方面的教學(xué)與研究工作。

X703

A

1674-9944(2016)18-0034-03