污泥减量化技术研究进展及趋势

摘要：针对现阶段污泥处理处置存在的环境、技术、经济问题，从目前国内外研究比较集中的超声波处理、臭氧氧化、热水解、过氧乙酸（PAA）氧化、化学解偶联、Fenton氧化、投加微生物制剂、强化微型动物捕食作用等技术出发对污泥减量化技术的研究进展进行了阐述，详细介绍了各种技术的方法原理，总结了各种技术的优缺点、适用范围，并对污泥减量化技术的未来发展趋势进行了展望，以期为污泥减量化技术的应用选择、下一步研究方向及新工艺的研发提供参考。

关键词：剩余污泥；减量；处理技术

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：16749944（2016）18003403

1引言

活性污泥法因其工艺结构简单、抗冲击能力强、处理效果好而成为污水处理领域应用最广泛、最成熟的技术。目前全世界90%以上的污水处理厂均采用该处理工艺，但大量剩余污泥的产生却严重制约了该工艺的持续发展应用＼[1～3＼]。据调查，城市污水处理厂运行费用组成中，污泥处理费用一般占其运行总费用的25%～40%，有的高达60%[4]，而据资料显示，2015年全年污泥产量近3359万t（含水率为80%）[5]，如此之大的产量及如此之高的处理费用，势必会对环境产生不利影响，对经济产生巨大压力。早在1996年，德国就以立法的形式首先提出了废物减量化、资源化和无害化的优先顺序[6]。如何实现污泥减量化便成为今后污水处理行业可持续发展首先需要解决的问题。

污泥减量化技术是指在保证整个污水处理效果的前提下，采用适当的物理、化学、生物技术，使处理相同量污水的同时生物处理系统中污泥的产量减少而出水水质不受影响的技术，从而实现从源头上降低污泥的产量，减少污泥的外排[7]。

目前污泥减量化技术研究主要集中在物理、化学、生物三方面。其中物理技术主要包括超声波处理、臭氧氧化、热水解等；化学技术主要包括过氧乙酸（PAA）氧化、化学解偶联、Fenton氧化等；生物技术主要包括投加微生物制剂、强化微型动物捕食作用等。

2污泥减量化技术

2.1物理技术

2.1.1超声波技术

超声波是物理介质中的一种弹性机械波，频率一般为20～106 kHz。其减量原理是，当一定强度的超声波作用于某一液体时，液体会发生一系列理化反应，而超声波在中低频率范围内会产生交替的压缩和扩张作用从而产生“空穴”作用[8]，形成较为极端的理化和力学条件，产生局部的高温、高压，再加之机械剪切力的作用，压碎细胞壁击破细胞膜，使胞内基质得到释放，微生物细胞得到进一步溶解，从而实现污泥减量。

超声波处理污泥因其高效、清洁、安全等优点而被广泛应用于实验室污泥减量研究，并且已取得了较好的研究效果，但又因其处理量小、能耗高等缺点使得难以规模化应用于大型生产运行中。综合考虑其优缺点，超声波处理污泥适用于污水水质较单一且污泥产量较少的小型污水处理站。

2.1.2臭氧氧化

臭氧具有极强的氧化性，能氧化细胞膜和细胞壁，进一步破坏胞内大分子蛋白质、多糖和核酸，使细胞被氧化分解成H2O和CO2等较稳定的无机物质。臭氧氧化处理污泥的原理就是将臭氧发生器产生的臭氧通入容器中与剩余污泥充分结合，利用臭氧的强氧化性氧化分解微生物细胞，使胞内物质由污泥相进入水相，从而使微生物细胞分解、死亡，达到污泥减量的目的。

臭氧氧化处理污泥能提高系统的反硝化能力，改善污泥的沉降性能，但存在处理成本高，出水N、P含量高等问题[9]。臭氧氧化技术适用于源水可生化性较差的小型工业废水处理站。

2.1.3热水解

热水解技术是污泥经高压蒸汽（温度约为180 ℃，压力约为1 MPa）预处理，溶解污泥中的胶体物质，破碎细胞物质，水解大分子物质，从而达到污泥减量的目的。该技术处理后剩余的高压蒸汽被回用与新污泥混匀加热，从而实现热回收，降低能耗[10]。

热水解技术处理污泥因其能够溶解部分固态有机质，能将大分子蛋白质和多糖水解成易分解的小分子物质，还能杀灭大部分细菌、病毒和寄生虫卵以及能耗低、处理效率高、无二次污染等优势而被广泛推广。该技术不仅适用于中小型污水处理厂，还适应于大型污水处理厂的新建及改扩建。

2.2化学技术

2.2.1过氧乙酸（PAA）氧化

过氧乙酸（PAA） 作为一种理想的微生物氧化剂，对微生物具有和臭氧相似的强氧化性[11]，将其与污泥混合，使污泥微生物细胞膜、细胞壁迅速破坏，胞内物质由污泥相进入水相，胞外聚合物（EPS）水解成为小分子可溶性的物质[12]。

过氧乙酸相对臭氧而言，价格低廉，反应产物醋酸无毒且具有较强的亲和性，能够迅速杀灭污泥中的病毒、细菌、真菌及芽孢。但过氧乙酸具有较强的腐蚀性，对设备防腐性能要求较高，同时过氧乙酸很不稳定，在室温下可分解放出氧气，遇高温或明火会发生自燃、燃烧或爆炸。以上缺点使得过氧乙酸氧化处理污泥在现有技术条件下应用于工程实践还有相当大的困难。

2.2.2化学解偶联

化学解偶联就是在生化处理过程中通过人为的添加化学解偶联剂使微生物的分解代谢和合成代谢被解偶联，解偶联剂的加入将抑制微生物氧化磷酸化过程，从而抑制微生物的合成，进而使得分解代谢速率远大于合成速率，过剩的能量则以热能形式散发到环境中，表现出来的就是污泥产量减少。常用的化学解偶联剂有2，4-二硝基苯酚（DNP）、3，3’，4’，5-四氯水杨酰苯胺（TCS）、羰基-氰-对三氟甲氧基苯肼（FCCP）等[13]。

解偶联剂的投加因操作简单、成本低廉（无需外加设备、解偶联剂价格便宜）、减量效果好而被广泛应用于实验室小试研究及中试。但其减量机理不明晰；对底物的去除效果存在下降的风险；系统需氧量增加从而增加能耗成本；解偶联剂的加入使得污泥性状发生改变；大部分解偶联剂都难降解且有毒，对环境造成二次污染。充分考虑到以上缺点，下一步的工作重点将是化学解偶联剂的污泥减量作用机理的研究，低毒或无毒且不影响污染物去除率的新型环境友好型解偶联剂的研发等。

2.2.3Fenton氧化

Fenton氧化反应主要是由Fe2+催化分解H2O2，生成强氧化性的羟基自由基（・OH），并利用其攻击和破坏有机污染物，反应机理如下：

Fe2++H2O2Fe3++・OH+OH- （1）

Fe2++・OHFe3++OH- （2）

Fe2++HO2・Fe3++HO-2 （3）

Fe3++HO2Fe2++H++O2 （4）

H2O2+・OHH2O+HO2・ （5）

其中，步骤（1）决定了整个反应的速度，羟基自由基（・OH）通过步骤（2）与有机污染物反应而被消耗，其反应方程式如下：

RH+・OHR・+H2O （6）

R・+O2RO2・ （7）

RO2・+・OH+O2…H2O+CO2 （8）

Fenton氧化处理污泥，能显著改善污泥的稳定性及脱水性能，对污泥中的有毒有害物质能起到明显的降解作用。但由于H2O2的使用、污泥酸性环境的调节以及大量的能源消耗抬高了其处理成本；H2O2参与反应时会产生氧气，存在一定的安全隐患。综合以上优缺点，Fenton氧化处理污泥应用前景巨大，符合污泥处理减量化、资源化和无害化的要求，但需将其与其他处理方法联用从而克服现有单独Fenton氧化处理污泥存在的弊端。

李航，等：污泥减量化技术研究进展及趋势环境与安全

2.3生物技术

2.3.1投加微生物制剂

微生物制剂是由筛选出的光合细菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌和真菌等10种不同类型，对污染物具有较强降解能力的特殊功能微生物菌群组成，通过单独培养繁殖，再进行共生培养繁殖，使相互之间形成和谐互生的关系，其活菌数含量在3×108～2.8×109个/mL[17]。该技术就是在好氧前端通过人为的投加MCPC，从而达到：①扩大系统中能有效降解污染物的微生物菌群，并使之成为优势菌种，进一步强化其降解能力。②延长泥龄，增加微生物数量。微生物制剂的加入，由于污泥产量减少，为了维持系统污泥浓度，使得污泥外排量减少，从而增加了系统的有效微生物数量，并相应的延长了污泥龄，污泥龄的延长有利于微生物通过内源呼吸消耗掉更多的有机物，有机物数量的减少又使得微生物合成量减少，从而形成一个良性循环，达到污泥进一步减量的目的。③强化酶促反应。MCPC中微生物能分泌出大量的水解酶，这些酶能将污水中的大分子有机物及死亡的微生物残体分解成小分子有机物而被微生物所利用，从而达到污泥减量的目的。由于这些酶仅仅针对大分子有机物及死亡的微生物残体进行分解，不会对活的微生物细胞产生影响，所以投加微生物制剂不会对出水水质产生实质性影响，相反，还能达到改善出水水质的目的。

微生物制剂的使用能有效降低污泥产量，明显改善出水水质，对现有的处理工艺、运行模式不会产生任何影响，只需在现有处理单元的合适位置投加微生物制剂即可。该技术普遍适用于活性污泥法工艺的污水处理厂。但减量机理有待进一步研究，在此基础上应进一步开发更加稳定、高效、价廉的多功能微生物制剂。

2.3.2强化微型动物捕食作用

根据生态学理论，物质和能量在食物链中的传递因自身呼吸消耗、分解者利用及下一营养级所同化而逐级递减，且平均效率大约为10%～20%，也就是说，在食物链中，营养级越高，食物链越长，能量损失越多，用于合成污泥相微生物的能量越少，则污泥产量就会越低。利用微型动物捕食作用实现污泥减量的原理就是向活性污泥系统中接种高级别微型动物，相应地延长食物链，从而使用于微生物合成代谢所需能量的可利用率大大降低，实现污泥减量。

利用微型动物捕食作用，污泥减量效果明显，不会对环境造成二次污染，但微型动物的投加会导致出水N、P浓度增加，存在出水水质超标的隐患[18]。

3结语

在综合考虑上述方法技术优缺点的基础上，笔者认为，下一步污泥减量化技术的研究重点将从以下几个方面展开。

（1）深入研究污泥减量机理。现有的技术研究大都停留在减量效果上，仅仅从已有的普遍规律出发推导其可行性，而缺乏对机理的深入细致探究，导致对减量规律的把握不够准确，在技术的运用上缺乏相关的模型支撑，严重阻碍了技术的工业化推广。为此，应综合利用各种规律、模型、检测手段重点对污泥相微生物的生成、增殖、消亡、转化等阶段的反应机理进行深入研究，从而为减量规律的探索提供保证。

（2）开展技术组合。现有的污泥减量化技术都或多或少的存在某方面的缺陷，为了尽可能的发挥它们的优势，最大程度地弱化它们的不足，开展两项或两项以上的技术组合应用，这将成为今后污泥减量化技术的发展趋势。

（3） 开发新工艺。新工艺的开发包括两个方面：一是新的污水处理工艺，该工艺采用非传统的活性污泥法，通过纳虑、超滤、膜技术等手段，从源头上减少或杜绝污泥的产生。二是新的减量工艺，现有减量技术大都停留在实验室研究阶段，少部分应用于工程实践中却因为二次环境污染、资金投入巨大、技术自身缺陷致使应用推广受限。新的减量工艺应在充分掌握现有技术优缺点及其减量规律的基础上，重点开发低成本、高效率、易推广的新型污泥减量技术。

2016年9月绿色科技第18期

参考文献：

[1]Andrews J P， Asaadi M， Clarke B， et al. Potentially toxic element release by fenton oxidation of sewage sludge[J].Water Science Technology，2006，54（5）：197～205.

[2]Vaxelaire J， Cezac P. Moisture distribution in activated sludges[J].Water Research，2004， 38（9）：2214～2229.

[3]Wang J L， Wang J Z. Application of radiation technology to sewage sludge processing[J]. Journal of Hazardous Materials，2007，143（1～2）：2～7.