污泥減量化技術(shù)研究進展

孫 中

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

引言

近年來，隨著污水處理的快速發(fā)展，我國有較高的污水處理能力，所制定的標準也逐漸接近發(fā)達國家，并且處理后的污水能符合各種場合的要求，污水處理技術(shù)也日漸成熟，但是對于污泥的處理卻不盡如人意，污水處理廠的剩余污泥逐年遞加，產(chǎn)生如此多的污泥卻僅有30%能夠得到無害化處理，其余污泥都以填埋或焚燒的形式處理。填埋是早期作為污泥處置的主要方法，但是處理不當會產(chǎn)生溫室氣體并且污染土層。目前，許多國家正在減少污泥填埋的比率。污泥焚燒是利用高溫將污泥燒成灰塵，需要耗費大量能量，燃燒不充分會產(chǎn)生二噁英，處理成本巨大，與資源化理念背道而馳。因此，在保證污水處理效果的同時，妥善處理污泥和減少剩余污泥的產(chǎn)出刻不容緩，本文主要介紹以減少污泥產(chǎn)出為目的污泥減量化技術(shù)。

污泥是一種膠狀固體物質(zhì)，其主要特性是含水率高、產(chǎn)量大、成分復雜，不同污水處理廠因處理污水成分不同而導致產(chǎn)出剩余污泥成分各不相同，這也導致對污泥的處理不可一概而論，需對癥下藥。

污水中重金屬通過吸收、吸附、共沉等方式進入到污泥中，重金屬能在農(nóng)作物中富集，從而間接危害人體健康。常見的重金屬包括鋅、鉛、銅、鎘、鉻、汞和砷等。重金屬具有易積累、易流失的特點，若沒能妥善處理，極易污染土壤、地下水。

1 污泥減量化的原理

污泥上微生物在細胞外酶的作用下，以環(huán)境中的底物作為基質(zhì)，對自身進行增殖。這部分凈增殖的微生物以剩余污泥的形式排出系統(tǒng)。在內(nèi)源呼吸期已死亡的微生物分解，一部分重新變回基質(zhì)，一部分慢速降解的物質(zhì)被水解成基質(zhì)，還有一部分惰性物質(zhì)殘留在環(huán)境中。因此原位剩余污泥的減少可以分為2個方面，抑制微生物的增殖；在微生物已經(jīng)完成增殖后，對細菌進行特定的處理使得剩余污泥減少，之后再排出系統(tǒng)。

1.1 解偶聯(lián)

微生物的新陳代謝分為合成代謝和分解代謝，呼吸鏈與氧化磷酸反應(yīng)之間有耦合作用，即在氫離子濃度梯度的影響下，進行電子傳遞和ATP合成，微生物在分解底物的同時還會有一部分進行自身增殖。解偶聯(lián)就是改變氫離子濃度梯度，破壞耦合作用，打破分解代謝和合成代謝的平衡，減少污泥產(chǎn)量。

投加解偶聯(lián)劑是較常用的方法，其可以與氫離子相結(jié)合，相當于載體的作用，促進氫離子的跨膜運輸，改變濃度梯度，對酶的驅(qū)動力下降，從而減少ATP。魏源送等[1]對比不同解偶聯(lián)劑的處理效果，結(jié)果表明，2,4,5-三氯苯酚(TCP)的效果最好。解偶聯(lián)劑的缺點是其本身作為化合物，有可能對水體造成二次污染。長時間使用同一種解偶聯(lián)劑還會使微生物產(chǎn)生免疫，降低處理效果。在經(jīng)濟上，解偶聯(lián)劑造價高，長期使用并不劃算。

1.2 隱性生長

在細胞代謝過程中，加大細胞的分解過程，破壞細胞膜，導致胞內(nèi)物質(zhì)散出并作為基質(zhì)被其他細菌利用，在裂解的基礎(chǔ)上實現(xiàn)細胞增殖，這種方式被稱之為隱性生長。其中的碳利用率較低，部分碳源以二氧化碳的形式散發(fā)到大氣中，從而實現(xiàn)污泥減量的目的。其中破壞細胞膜是關(guān)鍵步驟，稱溶胞技術(shù)。污泥減量則由不同的溶胞方式做基礎(chǔ)開展研究，其中包括物理溶胞、化學溶胞、生物溶胞。

物理溶胞包括超聲波、熱解、微波、機械破碎等，物理方法普遍操作簡單，降解速度快，安全可靠，但是其成本高，能量消耗大，經(jīng)濟效益較低。吳少奇等[2]研究表明，經(jīng)過超聲波預處理后，有機物從緊實的胞外聚合物轉(zhuǎn)化為可溶性胞外聚合物，并且可溶性胞外聚合物的COD從232mg·L-1增加到2180mg·L-1，因此可以證明超聲波可以有效破壞胞外膜。但與未經(jīng)超聲波處理的污泥相比，檢測出類腐殖酸這種難降解的物質(zhì)，阻礙了后續(xù)厭氧消化的進行。

化學溶胞包括過氧化氫、芬頓試劑、酸堿、臭氧等，化學方法處理效果好，但有可能產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物，使污泥沉降性能變差，降低活性污泥的處理效率，減弱氮磷的去除效果，有腐蝕性的藥劑對設(shè)備造成安全隱患。張彥平等[3]實驗表明，加入高鐵酸鹽后5min胞外聚合物變發(fā)生了溶解，但由于Fe和其氧化物可與溶出物反應(yīng)，致使反應(yīng)最后趨于穩(wěn)定，并指出高鐵酸鹽氧化污泥最佳時間為60min。

生物溶胞是投加能分泌胞外酶的細菌、酶制劑或抗菌素等方法來提高微生物的代謝活動。孟文茹[4]實驗表明，嗜熱溶胞酶可以在適宜的條件下分泌胞外酶進行生物溶胞技術(shù)，可與超聲聯(lián)合使用，與對照組相比增加了41.4%污泥減量率，并指出嗜熱菌與K+聯(lián)合預處理時，厭氧消化的產(chǎn)甲烷性能最好。

1.3 生物捕食

向污水中加入經(jīng)過人為馴化的微生物可以減少污泥的產(chǎn)生。其作用是增加污水中的食物鏈，而食物鏈越長，能量損失越多；新加入的微生物本身也需要呼吸，因此可以消耗水中的有機物，增加CO2、H2O、能量。若一直投加外部菌群會使系統(tǒng)對其產(chǎn)生依賴性，降低處理效果。并且外加的微生物是有生命的活物，不可控因素很多，導致其處理效果波動巨大，有時嚴重影響除磷效果。艾翠玲等[5]研究生物水蚯蚓對污泥的影響，以組合材料作為載體，投加水蚯蚓反應(yīng)器的平均剩余污泥產(chǎn)率，對比空白實驗，約下降95.11%；但提出若以彈性材料作為載體效果則不明顯。

2 污泥減量化的技術(shù)

2.1 OSA工藝

OSA工藝是在傳統(tǒng)的活性污泥反應(yīng)器的回流階段添加一個厭氧反應(yīng)區(qū)，污泥在厭氧反應(yīng)區(qū)停留一段時間后再流入主反應(yīng)區(qū)。最早認為OSA工藝降低污泥產(chǎn)率機理是解偶聯(lián)作用，后又有人認為是污泥衰減起著重要作用。寧欣強等[6]對A-OSA反應(yīng)中的微生物進行分析特征磷脂脂肪酸PLFA組成以及生物量變化，結(jié)果表明，減量工藝貯泥池中活體微生物生物量明顯減少，從微生物學角度證實了污泥衰減為OSA工藝污泥減量機制。秦浩然[7]以O(shè)SA-MBR中試實驗裝置為研究對象，在厭氧回流前平均每日剩余污泥產(chǎn)量為925.94g，在厭氧污泥回流后平均每日剩余污泥產(chǎn)量為633.86g。在實際污水處理廠條件下，剩余污泥減量率達到40.51%。并且對污水中的COD、TN、NH4+沒有過多影響，對TP的去除效率有顯著提高。

2.2 超聲波工藝

超聲波通過超空化效應(yīng)，破解污泥是在極短時間內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度和壓強，從而破壞細胞膜，裂解細胞。閆怡新等[8]探討了超聲對污泥減量化的機理和影響因素，研究表明，超聲破解污泥的頻率一般采用20～40kHz，超聲強度宜采用9.7kW·h·kg-1(以VSS計)，采用小超聲功率和長輻射時間。王澤剛等[9]利用超聲對造紙廠的污泥進行處理，結(jié)果表明，經(jīng)超聲處理后污泥處理效果好、時間短，并經(jīng)計算每天可以減少3t污泥。李道甲等[10]建立連續(xù)流超聲波調(diào)控活性污泥系統(tǒng)對低溫(15℃左右)活性污泥進行研究，對比沒有超聲處理，有超聲處理后最高污泥減少率達到45.71%。超聲波工藝最明顯的缺點便是與其他技術(shù)相比能耗太高，為了降低其能耗，可以與其他技術(shù)聯(lián)合使用或者采用低強度超聲波，此技術(shù)仍需繼續(xù)深入。

2.3 臭氧工藝

臭氧氧化是較熱處理和高壓分解效率更高的方法，其缺點在于水中的溶解度和穩(wěn)定性較低，利用率低。任宏祥等[11]研究表明，臭氧投加量處于0.05～0.15g·g-1TSS時效果最好，污泥質(zhì)量大幅下降，粒徑變小。袁曉玲等[12]將納米微氣泡與臭氧相結(jié)合，其污泥減量率可達到15%左右。王志彬等[13]探究污泥臭氧溶胞的優(yōu)化控制，結(jié)果表明，微孔曝氣能提高臭氧氧化效率；由于胞內(nèi)物質(zhì)能被臭氧礦化，所以前期高濃度臭氧處理效果好，后期低濃度臭氧處理效果好；綜合來說，臭氧投加量應(yīng)該低于0.01g O3·(gMLSS)-1并且使用較小的進氣流量。

2.4 濕式氧化法

濕式氧化是在高溫高壓下，與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成強氧化產(chǎn)物，與水中的有機物和大分子發(fā)生反應(yīng)生成無機物和小分子的過程。周仰原等[14]將濕式氧化污泥減量技術(shù)用于含有苯系物、雜環(huán)、酮類等有毒有害物質(zhì)的活性污泥；在240℃、1MPa的條件下反應(yīng)1h，SS和COD的去除率可達40%和60%以上；結(jié)果表明，濕式氧化可用于已內(nèi)酰胺污泥的減量化處理，并且氧氣和溫度是影響污泥減量的重要因素。如何定向轉(zhuǎn)化為酸類物質(zhì)，進行資源化利用是此技術(shù)后續(xù)的主要研究方向。

2.5 化學試劑氧化技術(shù)

芬頓氧化屬于高級氧化技術(shù)，能有效破解污泥細胞，能在分解的同時增強其沉降性能。但對過氧化氫利用率低、反應(yīng)速度慢、成本高。曾凡銀等[15]將芬頓試劑與陽離子PAM組合用于污水處理，單獨添加芬頓試劑和單獨添加PAM對污泥減量分別為20.12%和23.64%，而兩者聯(lián)合使用污泥減量29.63%，且時間也大幅度減少。

3 總結(jié)

上述實驗在經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境保護和能源消耗方面都擁有各自的優(yōu)缺點，雖然都不完美，但發(fā)展非常迅速。我國對環(huán)境越來越重視，綠水青山就是金山銀山，對待水處理也應(yīng)該在保持處理效果的同時盡可能減少對生態(tài)的破壞。對于污泥源頭的減量化研究也是要長期研究的課題，以污泥零排放作為目標，遵循可持續(xù)發(fā)展理念，才是保證我國在污水處理方面行之有效的方法。