污泥減量化技術研究進展及趨勢

李 航， 呂利平， 江 波

(1.重慶市三峽水務涪陵排水有限責任公司，重慶 408000；2.長江師范學院 化學化工學院，重慶 408100；3.西南石油大學 化學化工學院，成都 610500；4.三峽庫區環境監測與災害防治工程研究中心，重慶 408100)

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污泥減量化技術研究進展及趨勢

李 航1,3， 呂利平2,3,4， 江 波1

(1.重慶市三峽水務涪陵排水有限責任公司，重慶 408000；2.長江師范學院 化學化工學院，重慶 408100；3.西南石油大學 化學化工學院，成都 610500；4.三峽庫區環境監測與災害防治工程研究中心，重慶 408100)

針對現階段污泥處理處置存在的環境、技術、經濟問題，從目前國內外研究比較集中的超聲波處理、臭氧氧化、熱水解、過氧乙酸(PAA)氧化、化學解偶聯、Fenton氧化、投加微生物制劑、強化微型動物捕食作用等技術出發對污泥減量化技術的研究進展進行了闡述，詳細介紹了各種技術的方法原理,總結了各種技術的優缺點、適用范圍，并對污泥減量化技術的未來發展趨勢進行了展望，以期為污泥減量化技術的應用選擇、下一步研究方向及新工藝的研發提供參考。

剩余污泥；減量；處理技術

1 引言

活性污泥法因其工藝結構簡單、抗沖擊能力強、處理效果好而成為污水處理領域應用最廣泛、最成熟的技術。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生卻嚴重制約了該工藝的持續發展應用[1～3]。據調查，城市污水處理廠運行費用組成中，污泥處理費用一般占其運行總費用的25%～40%，有的高達60%[4]，而據資料顯示，2015年全年污泥產量近3359萬t(含水率為80%)[5]，如此之大的產量及如此之高的處理費用，勢必會對環境產生不利影響，對經濟產生巨大壓力。早在1996年，德國就以立法的形式首先提出了廢物減量化、資源化和無害化的優先順序[6]。如何實現污泥減量化便成為今后污水處理行業可持續發展首先需要解決的問題。

污泥減量化技術是指在保證整個污水處理效果的前提下，采用適當的物理、化學、生物技術，使處理相同量污水的同時生物處理系統中污泥的產量減少而出水水質不受影響的技術，從而實現從源頭上降低污泥的產量，減少污泥的外排[7]。

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

2 污泥減量化技術

2.1 物理技術

2.1.1 超聲波技術

超聲波是物理介質中的一種彈性機械波，頻率一般為20～106 kHz。其減量原理是，當一定強度的超聲波作用于某一液體時，液體會發生一系列理化反應，而超聲波在中低頻率范圍內會產生交替的壓縮和擴張作用從而產生“空穴”作用[8]，形成較為極端的理化和力學條件，產生局部的高溫、高壓，再加之機械剪切力的作用，壓碎細胞壁擊破細胞膜，使胞內基質得到釋放，微生物細胞得到進一步溶解,從而實現污泥減量。

超聲波處理污泥因其高效、清潔、安全等優點而被廣泛應用于實驗室污泥減量研究，并且已取得了較好的研究效果，但又因其處理量小、能耗高等缺點使得難以規模化應用于大型生產運行中。綜合考慮其優缺點，超聲波處理污泥適用于污水水質較單一且污泥產量較少的小型污水處理站。

2.1.2 臭氧氧化

臭氧具有極強的氧化性，能氧化細胞膜和細胞壁，進一步破壞胞內大分子蛋白質、多糖和核酸，使細胞被氧化分解成H2O和CO2等較穩定的無機物質。臭氧氧化處理污泥的原理就是將臭氧發生器產生的臭氧通入容器中與剩余污泥充分結合，利用臭氧的強氧化性氧化分解微生物細胞，使胞內物質由污泥相進入水相，從而使微生物細胞分解、死亡，達到污泥減量的目的。

臭氧氧化處理污泥能提高系統的反硝化能力，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]。臭氧氧化技術適用于源水可生化性較差的小型工業廢水處理站。

2.1.3 熱水解

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

熱水解技術處理污泥因其能夠溶解部分固態有機質，能將大分子蛋白質和多糖水解成易分解的小分子物質，還能殺滅大部分細菌、病毒和寄生蟲卵以及能耗低、處理效率高、無二次污染等優勢而被廣泛推廣。該技術不僅適用于中小型污水處理廠，還適應于大型污水處理廠的新建及改擴建。

2.2 化學技術

2.2.1 過氧乙酸(PAA)氧化

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

過氧乙酸相對臭氧而言，價格低廉，反應產物醋酸無毒且具有較強的親和性，能夠迅速殺滅污泥中的病毒、細菌、真菌及芽孢。但過氧乙酸具有較強的腐蝕性，對設備防腐性能要求較高，同時過氧乙酸很不穩定，在室溫下可分解放出氧氣，遇高溫或明火會發生自燃、燃燒或爆炸。以上缺點使得過氧乙酸氧化處理污泥在現有技術條件下應用于工程實踐還有相當大的困難。

2.2.2 化學解偶聯

化學解偶聯就是在生化處理過程中通過人為的添加化學解偶聯劑使微生物的分解代謝和合成代謝被解偶聯，解偶聯劑的加入將抑制微生物氧化磷酸化過程，從而抑制微生物的合成，進而使得分解代謝速率遠大于合成速率，過剩的能量則以熱能形式散發到環境中，表現出來的就是污泥產量減少。常用的化學解偶聯劑有2,4-二硝基苯酚(DNP)、3,3’,4’,5-四氯水楊酰苯胺(TCS)、羰基-氰-對三氟甲氧基苯肼(FCCP)等[13]。

解偶聯劑的投加因操作簡單、成本低廉(無需外加設備、解偶聯劑價格便宜)、減量效果好而被廣泛應用于實驗室小試研究及中試。但其減量機理不明晰；對底物的去除效果存在下降的風險；系統需氧量增加從而增加能耗成本；解偶聯劑的加入使得污泥性狀發生改變；大部分解偶聯劑都難降解且有毒，對環境造成二次污染。充分考慮到以上缺點，下一步的工作重點將是化學解偶聯劑的污泥減量作用機理的研究，低毒或無毒且不影響污染物去除率的新型環境友好型解偶聯劑的研發等。

2.2.3 Fenton氧化

Fenton氧化反應主要是由Fe2+催化分解H2O2，生成強氧化性的羥基自由基(·OH)，并利用其攻擊和破壞有機污染物，反應機理如下[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)決定了整個反應的速度，羥基自由基(·OH)通過步驟(2)與有機污染物反應而被消耗,其反應方程式如下：

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定性及脫水性能，對污泥中的有毒有害物質能起到明顯的降解作用。但由于H2O2的使用、污泥酸性環境的調節以及大量的能源消耗抬高了其處理成本；H2O2參與反應時會產生氧氣，存在一定的安全隱患。綜合以上優缺點，Fenton氧化處理污泥應用前景巨大，符合污泥處理減量化、資源化和無害化的要求，但需將其與其他處理方法聯用從而克服現有單獨Fenton氧化處理污泥存在的弊端。

2.3 生物技術

2.3.1 投加微生物制劑

微生物制劑是由篩選出的光合細菌、乳酸菌、放線菌、酵母菌和真菌等10種不同類型，對污染物具有較強降解能力的特殊功能微生物菌群組成，通過單獨培養繁殖，再進行共生培養繁殖，使相互之間形成和諧互生的關系，其活菌數含量在3×108～2.8×109個/mL[17]。該技術就是在好氧前端通過人為的投加MCPC，從而達到：①擴大系統中能有效降解污染物的微生物菌群，并使之成為優勢菌種，進一步強化其降解能力。②延長泥齡，增加微生物數量。微生物制劑的加入，由于污泥產量減少，為了維持系統污泥濃度，使得污泥外排量減少，從而增加了系統的有效微生物數量，并相應的延長了污泥齡，污泥齡的延長有利于微生物通過內源呼吸消耗掉更多的有機物，有機物數量的減少又使得微生物合成量減少，從而形成一個良性循環，達到污泥進一步減量的目的。③強化酶促反應。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物及死亡的微生物殘體分解成小分子有機物而被微生物所利用，從而達到污泥減量的目的。由于這些酶僅僅針對大分子有機物及死亡的微生物殘體進行分解，不會對活的微生物細胞產生影響，所以投加微生物制劑不會對出水水質產生實質性影響，相反，還能達到改善出水水質的目的。

微生物制劑的使用能有效降低污泥產量，明顯改善出水水質，對現有的處理工藝、運行模式不會產生任何影響，只需在現有處理單元的合適位置投加微生物制劑即可。該技術普遍適用于活性污泥法工藝的污水處理廠。但減量機理有待進一步研究，在此基礎上應進一步開發更加穩定、高效、價廉的多功能微生物制劑。

2.3.2 強化微型動物捕食作用

根據生態學理論，物質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養級所同化而逐級遞減，且平均效率大約為10%～20%，也就是說，在食物鏈中，營養級越高，食物鏈越長，能量損失越多，用于合成污泥相微生物的能量越少，則污泥產量就會越低。利用微型動物捕食作用實現污泥減量的原理就是向活性污泥系統中接種高級別微型動物，相應地延長食物鏈，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，實現污泥減量。

利用微型動物捕食作用，污泥減量效果明顯，不會對環境造成二次污染，但微型動物的投加會導致出水N、P濃度增加，存在出水水質超標的隱患[18]。

3 結語

在綜合考慮上述方法技術優缺點的基礎上，筆者認為，下一步污泥減量化技術的研究重點將從以下幾個方面展開。

(1)深入研究污泥減量機理。現有的技術研究大都停留在減量效果上，僅僅從已有的普遍規律出發推導其可行性，而缺乏對機理的深入細致探究，導致對減量規律的把握不夠準確，在技術的運用上缺乏相關的模型支撐，嚴重阻礙了技術的工業化推廣。為此，應綜合利用各種規律、模型、檢測手段重點對污泥相微生物的生成、增殖、消亡、轉化等階段的反應機理進行深入研究，從而為減量規律的探索提供保證。

(2)開展技術組合。現有的污泥減量化技術都或多或少的存在某方面的缺陷，為了盡可能的發揮它們的優勢，最大程度地弱化它們的不足，開展兩項或兩項以上的技術組合應用，這將成為今后污泥減量化技術的發展趨勢。

(3) 開發新工藝。新工藝的開發包括兩個方面：一是新的污水處理工藝，該工藝采用非傳統的活性污泥法，通過納慮、超濾、膜技術等手段，從源頭上減少或杜絕污泥的產生。二是新的減量工藝，現有減量技術大都停留在實驗室研究階段，少部分應用于工程實踐中卻因為二次環境污染、資金投入巨大、技術自身缺陷致使應用推廣受限。新的減量工藝應在充分掌握現有技術優缺點及其減量規律的基礎上，重點開發低成本、高效率、易推廣的新型污泥減量技術。

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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

重慶市涪陵區應用技術研究與開發資金項目(編號：FLKJ,2015ABA1036)

李 航(1986—)，男，碩士在讀，工程師，主要從事環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研究方面的教學與研究工作。

X703

A

1674-9944(2016)18-0034-03