城市污水廠污泥原位減量技術綜述

王宇哲，陸 海

（吉林建筑大學市政與環境工程學院，長春 130118）

隨著我國城市化進程的日益加快，城市污水處理廠的數量與處理規模不斷擴大，大量的剩余污泥已成為污水處理廠運行過程中的一項重大負擔[1]。剩余污泥含有大量有機物、氮、磷、寄生蟲、微生物及重金屬等多種有毒有害物質，且常伴有惡臭氣味，若不及時進行適當處理處置而直接排放，將會嚴重威脅人類的生活與健康[2]。

對活性污泥進行最終處置的傳統方法主要有干燥焚燒法、堆肥法、衛生填埋法及農田利用法等。無論采用上述哪種方法，中間的處理費用和最終的處置費用均較高，占污水處理總費用的25%～65%[3]。已有的研究成果表明，原位減量技術在保證污染物去除效能的前提下，可通過解偶聯代謝、維持代謝、微生物捕食與溶胞-隱性生長的污泥減量機理及相應工程技術，使污水處理過程中剩余污泥的排放量降到最低[4-7]。對污水廠剩余污泥進行原位減量，可促進水處理過程的良性循環，避免對環境造成二次污染，并能夠大大降低污泥處理處置的費用，這是一種新興的污泥處置方式。污泥原位減量技術研究現狀如下。

1 解偶聯代謝

微生物的分解代謝與合成代謝緊密相連。若處于化學解偶聯劑、重金屬等一些特殊環境中，分解代謝產生的能量則不能有效儲存，微生物合成代謝遭受抑制，Yobs系數逐漸減小，二者不再緊密偶聯，從而達到剩余污泥原位減量的目的[8]。目前主要可通過投加化學解偶聯劑，以及高S0/X0（底物濃度/污泥濃度）下解偶聯技術兩種技術來實現解偶聯代謝。

1.1 投加解偶聯劑

當解偶聯劑與氫離子相結合時，細胞膜可減緩對氫離子的阻力，而當氫離子跨越細胞膜后，細胞膜兩側的質子梯度也隨之降低。由于跨膜梯度的高低決定ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）合成量，故跨膜梯度降低后，ATP的合成量隨之減少，剩余能量則基本以熱能形式散失，污泥產量大大降低[9]。目前，常用的解偶聯劑主要有：2,4-二硝基苯酚（DNP）、對-硝基苯酚（p-NP）、3,3′,4′,5-四氯水楊酰苯胺（TCS）以及四羥四基硫酸磷（THPS）等[10]。

在具體的研究過程中，ZeboLiu等人研究發現，添加 0.5 mg/L TCS、20 mg/L p-NP、0.02 mg/L THPS，剩余污泥量分別降為最初的82%、72%以及70%[11]。C.Aragóna等人研究發現，添加30 mg/L DNP、40 mg/L TCS，剩余污泥量分別降為原來的86%及51%[12]。S.Rho等人運用CAS系統，通過不斷調節TCS投加量探究污泥減量效果，發現TCS投加量由0.5 mg/L逐漸增加至1.0 mg/L時，剩余污泥降低為原來的20.4%[13-14]。Zheng G H等人向SBR系統分別添加2.0 mg/L TCS、5.0 mg/L DNP、100 mg/L p-NP，發現添加100 mg/L p-NP情況下污泥減量效果最佳[15-17]。Guo xuesong等人運用A2O（厭氧-缺氧-好氧法）系統發現，THPS添加量由1.08 mg/L增加至1.86 mg/L時，剩余污泥量為原來的75%左右[18]。

綜上，當TCS、p-NP、THPS、DNP投加量分別控制在0.5～40 mg/L、20～100 mg/L、0.02～1.86 mg/L、5～30 mg/L時，污泥減量效果良好。當繼續增加投加量或經常使用，微生物會產生馴化作用，解偶聯劑效果漸漸喪失，污泥減量效果則大大降低。

1.2 高S0/X0下的解偶聯技術

當污泥濃度遠不及底物濃度時，微生物合成代謝消耗ATP的速率與其分解代謝產生ATP的速率相差甚遠，二者則發生解偶聯現象。ATP大量積累致使能量發生泄漏，微生物產率系數降低。

Liu等人研究發現，底物濃度與污泥濃度比例增大至某一特定數值時，微生物群內部大多會發生解偶聯生長[19]。謝敏麗等人采用間歇式活性污泥法探究發現，污泥濃度占底物濃度的1/6時，Yobs穩定于某一特定數值[20]。實際污水有機物濃度遠遠達不到此數值，這限制了該技術在污水處理的廣泛應用。

2 維持代謝

微生物只有達到自身代謝所需能量后方可將剩余的能量用于生物合成，在污泥停留時間增加與污泥負荷率降低共同作用下，供給的能量只能滿足污泥微生物代謝需求，污泥生成量降低從而達到污泥減量的目的。MBR反應器（膜生物反應器）是一種維持代謝的典型工藝。其獨有的透氣膜為附著微生物提供充足的氧氣，使生物膜充分與污水接觸，從而高效去除水中污染物。同時，較長的污泥齡大大促進難降解有機物降解，剩余污泥數量也隨之降低。

Canales等人運用MBR-熱減處理相結合工藝探究污泥減量效果，發現處理溫度控制在90℃并處理3 h，剩余污泥量約為原來的40%[21]。蔡玲飛運用SBMBR反應器（序批式膜生物反應器）探究熱水解對污泥減量效果，發現處理溫度控制在80℃以上時大約處理0.5 h，剩余污泥約為原來的77.9%[22]。Xing等人研究發現，增設斜板不僅可較好地保持MBR反應器內較高的污泥濃度，而且能夠順利解決膜組件堵塞問題，降低運行成本，4個月后剩余污泥取得了零排放效果[23]。

綜上，將處理溫度控制在80～90℃、處理時間控制在0.5～3 h時，污泥減量取得良好的效果。若能在MBR中增添斜板，不僅能夠較好解決膜組件堵塞問題，降低運行成本，還會使污泥減量效果更加理想。

3 微生物捕食

微生物的繁殖增長離不開從外界汲取營養、攝入能量，以營養與能量為紐帶形成各種生物之間的鏈系，即食物鏈。除了細菌作為生物鏈中不可或缺的一部分，活性污泥中還存在原生動物與后生動物，它具有捕食污泥微生物的本領。當能量從低級逐漸向高級傳遞時，它隨食物鏈的延長而大量消耗，合成新生物的數量則隨之減少，污泥產生量也隨之減少[24]。

梁鵬等人通過間歇試驗對比厭氧消化、好氧消化與顫蚓攝食對污泥減量效果，發現顫蚓攝食對污泥的減量速率是其余兩種方式污泥減量速率的1.44倍與4.33倍[25]。陳丹等人研究發現，在SBR反應器中添加蚯蚓后，剩余污泥為最初的52.4%左右[26]。劉宏波等人采用SFDMBR（自生動態膜生物反應器）-生態調控組合技術，探究蠕蟲對其污泥減量效果，發現利用蠕蟲可實現剩余污泥零排放的目標[27]。

雖然微生物捕食能使污泥減量取得一定的效果，但原生動物與后生動物的生長情況較難把握。同時，運用此方法進行污泥減量時，絲狀菌可能會大量增長繁殖，導致污泥結構松散、沉降性能不佳，進而引發污泥膨脹。

4 溶胞-隱性生長

當前，溶胞-隱性生長也成為國內外學者密切關注的焦點。溶胞-隱性生長，即微生物利用其本身細胞溶解釋放基質而再次增長，該過程包括溶胞和利用兩個主要步驟。溶胞是關鍵步驟，可通過酶的水解、超聲波等方式實現[28-29]。

超聲波技術是當前應用較多的一項技術，原理是在壓縮與擴張交替作用下使水體產生空化作用，水體通過空化作用產生超強的水力剪切力，大大促進微生物細胞破解[30]。劉峻等人運用超聲波處理剩余污泥，考察聲能密度、作用時間與污泥回流比等多種影響因素對污泥減量的效果，結果表明，當污泥回流比控制在約為4.2%、聲能密度控制在0.4 W/mL、超聲時間達到5 min時，剩余污泥量可降低至原來的4.19%[31]。沈會山等人運用SBR（序批式活性污泥法）系統，采用高聲能密度方式探究污泥減量效果，試驗發現，當聲能密度控制在1 W/mL、預處理6 min，污泥回流比控制在33.3%時，剩余污泥降為原來的54.64%[32]。劉煥枝運用SBR系統，通過調節聲能密度探究污泥減量效果，結果證明聲能密度控制在1.2 W/mL、預處理15 min，剩余污泥量可降為原來的40%左右[33]。張光明等人運用SBR反應器，發現回流比控制在14.3%，聲能密度控制在1.6 W/mL，預處理15 min時，剩余污泥同樣可降為原來的40%[34]。

綜上可知，將聲能密度控制在0.4～1.6 W/mL，污泥回流比控制在4.2%～33.3%，超聲時間為5～15 min時，污泥減量效果良好。

5 結論

當TCS、p-NP、THPS、DNP投加量分別控制在0.5～ 40 mg/L、20～ 100 mg/L、0.02～ 1.86 mg/L、5～30 mg/L時，污泥減量效果十分良好；高溫條件下（80～90℃)，處理5～30 min，污泥減量可取得理想的效果。若能在MBR中增添斜板，可提高污泥減量效果；將聲能密度控制在0.4～1.6 W/mL、作用5～15 min、回流比控制在4.2%～33.3%時，可取得較好的污泥減量效果。

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