臭氧氧化法活性污泥零排放技術的基礎研究

徐繼虹

【摘?要】在污水處理環節中，污泥是不可避免的固體廢棄物，為了實現污泥的無害化、減量化、資源化，國內外水處理領域研究人員提出了諸多理念和研究了多項技術，臭氧氧化法是其中之一。臭氧氧化法處理活性污泥，是通過氧化將活性污泥變成可生物降解的有機物，然后回流到生化處理環節，被微生物利用、降解，從而實現對活性污泥的零排放。本文主要圍繞臭氧氧化法展開，分析并探討其作為活性污泥零排放技術的理論基礎和研究應用進展，推動我國水處理領域污泥零排放技術發展。

【關鍵詞】活性污泥;污泥零排放技術;臭氧氧化法

引言：

生物處理法是污水處理領域中十分重要的處理工藝類別之一，能耗低、出水質量穩定、成本低、無二次污染、抗沖擊能力強，在城市、城鎮、鄉村污水處理領域發揮了重要的作用。但隨著生物處理法的大面積應用，生物處理環節中產出的污泥如何處理也成為不可不重視的問題。污泥的產量每年都在遞增，年產量早已經超出3000萬噸，污泥的處理費用占污水處理廠運轉成本的20%以上，污泥堆放、填埋會侵占土地、污染土壤和地下水、產生有毒有害氣體。因此，對污泥進行無害化、減量化、資源化處理是必然趨勢。

1.臭氧氧化法

臭氧是一種強氧化劑，氧化還原電位僅次于氟，且分子中的氧原子表現出強烈的親電子性，所以臭氧在空氣或水體中分解形成的氧原子具有很高的氧化能力。臭氧在空氣中的分解速率與臭氧的濃度、溫度成正比，在水體中的分解速率與水體pH值成正比，從分解速度上來看水體中的臭氧分解速度快于空氣中的。臭氧氧化反應過程可分為直接反應和間接反應兩種，其中直接反應是臭氧的主要氧化途徑。臭氧氧化法使污泥減量的反應原理：活性污泥本身為活性污泥法等生物處理工藝的產物，其中包括無機物、難降解的有機物、有活性的微生物、微生物代謝產物等。通過投加臭氧可以破壞微生物的結構，釋放出蛋白質、核酸等容易被降解的物質，破壞菌膠團的存在比例，提高活性污泥的可降解程度，從而實現污泥產量的降低，甚至污泥零排放。傳統生物處理工藝中，污泥回流設施的目的主要在于保持生物處理池體中活性污泥的濃度，保證處理出水的水質，但由于菌膠團的存在，導致污泥產率較高。加入臭氧氧化環節后，重進進入生物處理池體的污泥可生化性提高，污泥產量必然大幅度降低。

2.以臭氧氧化為基礎的活性污泥零排放技術研究進展

2.1 臭氧對污泥中固體物質的影響

對活性污泥進行臭氧氧化，能夠促使污泥中的蛋白質、多聚糖、酯類化合物結構發生明顯變化，這是因為臭氧氧化作用破壞了微生物的組織結構，使得微生物細胞中的蛋白質、糖類等物質流出。根據實驗室實驗數據可知，每克干污泥的臭氧投加量在0.38g時，蛋白質含量下降10%，多聚糖含量下降63%，有機碳含量下降40%;當投加量提升到0.5g時，蛋白質、多聚糖、有機物的含量下降90%以上，能夠有效促成污泥回流后的生物降解作用，減少污泥的排放量。

2.2 臭氧對污泥液相成分的影響

臭氧破壞了微生物的組織結構，使得蛋白質、多聚糖、脂類化合物、核酸等物質被釋放出來，從污泥中的固相轉為液相，因此，與污泥固相變化相比，液相變化應當與之相反。污泥液相的成分變化多以COD、總有機碳TOC、總凱氏氮TKN等指標變化為標準。根據實驗室實驗數據可知，每克污泥上清液的臭氧投加量為從0上升到0.2g的過程中，剩余COD值、溶解COD值也一路上升，且上升速度非常快;每克污泥上清液的臭氧投加量為0.2g時，溶解COD值已經從0.06g/L上升值2.3g/L。

2.3 對污泥減量效果的影響

想要實現污泥增加量為0，臭氧氧化過程中的污泥回流比率需要控制適當，控制臭氧的濃度、臭氧與活性污泥的接觸時長。每一個污水處理廠中建設的生物反應池或選用的生物反應器尺寸都各有不同，處理量與當地排水需求有較大關系，具體的污泥減量效果、污泥回流比率、臭氧接觸時間、臭氧濃度需要進行實地實驗計算。從相關領域研究人員的研究結果中可知，臭氧計量范圍在每克干污泥0.03～0.05g內能夠實現污泥減量效果與臭氧投加成本之間的平衡;臭氧化污泥體積流量在0.5～1%范圍內，污泥產量是未加臭氧前的50～71%，并未能達到零排放。由此可見，理論上將生物處理工藝產生的剩余污泥全部進行臭氧氧化，然后進行回流，就可以實現污泥零排放，但實際操作過程中尚不能達到理想程度。

2.4 對脫氮除磷的影響

結合諸多有關臭氧氧化污泥減量的實驗數據可知，臭氧氧化后進行污泥回流的處理方式對污水處理系統出水水質的影響很小，而且能夠在一定程度上促進生物處理中的反硝化作用效率。在脫氮除磷方面，臭氧氧化+污泥回流的方式會影響污水處理系統中磷含量的去除和回收。在生物生態領域內，磷被越來越多的專家學者證實是一種不可再生的有限資源，污泥零排放會導致污水系統中堆積大量的磷，直接排放又會影響水體環境，進行磷的回收十分有必要。目前，已經有研究人員開發了集污泥零排放和磷回收為一體的處理系統，但雙方必然進行一定的讓步，污泥減量化但無法實現零排放，同時完成對磷元素盡可能多的回收。

3.臭氧氧化法活性污泥零排放技術的經濟效益

傳統污水處理過程中，污泥的脫水、干燥、焚燒、填埋等處理方式都需要消耗一定量的資金，這些也是污水處理廠運行成本的一部分。目前常見的污泥減量化處理方式中，利用H2O2進行污泥減量處理，成本是每噸1900歐;利用95℃環境熱解進行污泥減量處理，成本每噸488歐，但減量效果只有33%，低于H2O2的50%;而利用臭氧氧化進行污泥減量處理，成本僅為每噸367歐，且減量效果可達到70%，優勢一目可見。

結束語：

臭氧氧化法在對污泥中固體物質和上清液的處理效果、對污泥減量效果、脫氮除磷影響、經濟效益等幾個方面，都有一定的優勢和可行性，是水處理領域中實現污泥減量化、零排放的重要技術手段之一。

參考文獻：

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（作者單位：中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司研究院）