剩余污泥臭氧化減量處置方法研究進展

譚 笑

（西南石油大學化學化工學院，四川成都 610500）

隨著人類文明發展速度的加快，污水處理量的大幅提升，活性污泥法污水處理工藝所產生的剩余污泥量也隨之驟增。大量剩余污泥的產生給污水處理廠帶來了沉重的財務負擔，在西歐，剩余污泥的處置費用幾乎占了整個污水處理廠費用支出的一半，個別的甚至占其總運行費用的80%［1］。與此同時，現行的污泥處置方法所帶來的環境風險也隨污泥產量的增大而被放大?，F行傳統的污泥處置方式主要以衛生填埋、焚燒和土地利用等方式為主，其中衛生填埋和焚燒都存在二次污染的環境風險，隨著相關法律法規的日益完善，其使用空間將受到極大的限制;而目前廣泛應用于西歐的土地利用法僅適用于大型污水處理廠，對于中小城鎮污水廠并不具備普遍使用意義［2］。隨著我國城鎮化進程的加快，中小城鎮污水廠剩余污泥的處理問題已迫在眉睫，刻不容緩。

臭氧污泥減量化技術是20世紀90年代提出的一種基于強化隱性生長機理的新型污泥減量處置技術，旨在保證原位污水處理工藝穩定運行的前提下，利用臭氧的氧化溶胞特性，完成剩余污泥的溶胞減量，并通過回流的方式，使溶出的有機質被原系統中的微生物重新利用，借以強化工藝污水處理效果，實現剩余污泥的減量處置。相比于傳統的污泥減容化技術和其他污泥減量技術而言，臭氧污泥減量化技術具有以下優勢:一是高效的減量效果。臭氧的強氧化性賦予了臭氧污泥減量技術高效的溶胞減量效果，如Paul等［3］曾利用0.02 g O3/gTSS臭氧通入量，達到了70%的減量效果。二是氧化劑綠色，減量產物無二次污染。臭氧是一種綠色環保型的高效強氧化劑，對污泥減量利用效率超過80%，逸出的臭氧會很快分解為無害的氧氣，不會對大氣造成污染。三是工業適用性強。臭氧污泥減量工藝簡單，占地面積小，且無須改變原污水處理系統的技術流程和增加構筑物。另外，臭氧污泥減量技術受溫度、污泥性質等影響和限制較小，對于不同行業、不同地域有著較好的通用性，這對于我國這樣一個地域廣闊、緯度跨度較大的構架有著極其重要的應用意義。因此，臭氧污泥減量工藝也被認為是最具工業應用潛力的污泥處置技術。筆者通過總結近年來臭氧污泥減量技術的研究現狀，分析該技術的未來發展趨勢。

1 臭氧污泥減量化機理研究

1.1 污泥絮體分解機理 臭氧對污泥絮體的分解和氧化是臭氧減量技術的實施基礎。在臭氧污泥減量過程絮體分解的機理分析上，國內外學者存在一個普遍的共識——絲狀菌解體理論，該觀點將污泥污泥減量過程分為3個階段:①污泥解絮階段。作為污泥絮體中“骨架”存在的絲狀菌對臭氧較為敏感，會首先“失活”，使污泥絮體喪失立體層次性。②溶胞階段。臭氧以污泥絮體中以桿菌為主的原核生物為主要“靶點”，進行大面積的溶胞減量。③礦化階段。在污泥減量的最后，臭氧會開始對減量過程中的溶出物進行礦化作用［4］。趙玉鑫等［5］曾通過污泥鏡鑒、絮體粒度、溶出物含量等指標，分析臭氧減量過程，驗證了絲狀菌解體理論。試驗發現，臭氧的減量過程是從污泥絮體的表面開始，減量中會首先分解絮體，使菌膠團中的微生物暴露出來，而后再進行大面積的溶胞減量反應。

1.2 臭氧溶胞機理 溶胞作用是臭氧污泥減量的主要方式和途徑。Sang等［6］在臭氧污泥減量化技術的研究中發現，臭氧會抑制污泥體系中微生物蛋白酶的活性，破壞菌體DNA結構，致使菌體失活。臭氧氧化反應通常以直接反應和間接反應兩種方式進行，其中直接反應具有選擇性，會優先選擇不飽和脂肪類物質發生反應，在污泥減量中主要體現在對細胞膜的磷脂結構的氧化分解，但該反應體系反應速率較慢，且多發生于pH＜4的酸性環境下［7］;間接反應是通過臭氧溶于水后產生的羥基自由基來實現的，這種具有超強氧化能力的游離基能夠與污泥體系中微生物控制膜間電位的巰基發生反應，破壞菌體的膜結構，改變膜的通透性，促使啟動細胞凋亡程序，實現細胞溶胞減量。間接反應是臭氧污泥減量的主要反應形式，不具備選擇性［6，8］。

2 臭氧污泥減量化工藝技術應用研究

臭氧污泥減量工藝是一種極具工業實用意義的污泥減量技術。1996年，日本一家污水處理廠的A/O系統上首次應用該技術作為剩余污泥的處理工藝。利用臭氧的強氧化性實施溶胞減量，而后將減量處理后的污泥重新運回原生化系統。在為期9個月的試驗過程中，成功實現了污泥的零排放，并基本保證了正常的出水水質，證明了該技術的工業可行性。但是，試驗中也發現無機組分和重金屬離子累積、出水SS和氨氮明顯升高等問題［9］。此后，有學者將臭氧污泥減量技術與MBR、SBR、A2/O等工藝相結合進行了研究，證明了臭氧減量工藝與多種水處理系統的耦合匹配度［10-12］。其中，王寶貞等［10］還對臭氧污泥減量化技術在MBR工藝上應用做了經濟成本的分析，得出處理1 m3剩余污泥的技術成本僅為9.6元，遠遠低于傳統污泥處置技術費用，證明臭氧污泥減量技術不僅能夠有效解決污泥有效處置問題，還可以大大減少污水處理廠的運行支出，具備極佳的技術經濟性和工業推廣前景。

臭氧污泥減量工藝還具備良好的工業適用性。Lee等［13］在15℃下對臭氧污泥減量技術效能進行了評估和驗證，試驗采用連續流方式進行，在112 d的試驗期內成功實現了剩余污泥的零排放，出水的生物量和懸浮顆粒物分別控制在15和10 mg/L左右，說明臭氧污泥減量化技術能夠克服溫度和季節的影響，實現剩余污泥的零排放。

3 臭氧污泥減量技術面臨的問題

經過20余年的發展，已能夠對臭氧污泥減量化技術原理進行較為系統地闡述，同時也通過工藝結合試驗證明了其具備較強的工業適用性和技術經濟性。但在研究中普遍發現，臭氧污泥減量技術仍存在一定的缺陷，這種不足主要集中體現在對水處理系統脫氮和除磷性能的影響上。

在脫氮方面，具體表現為出水氨氮的升高。這主要是由3方面原因造成的:①污泥臭氧化過程中，上清液中總氮(TN)含量會迅速上升，其中主要是以有機態形式存在的凱氏氮，這部分氮的可降解能力相對較差，在回流后并不能被微生物重新有效的利用。②污泥減量過程中溶出的碳源為大分子有機質，不能為污泥回流后增加的氮源提供有效、足夠的額外碳源，造成污泥回流后水處理系統脫氮負荷過高。③污泥臭氧化為混合液提供了一個富氧環境，不利于反硝化作用的進行［14-16］。

在除磷方面，主要體現在使活性污泥工藝喪失了排磷渠道。剩余污泥的排放，一方面是為了保持生化反應區高效的污水處理效能，另一方面也是污水處理中有效、唯一的排磷渠道。由于磷無法在陸地上實現完整的循環，且一旦在淡水區內磷過量，則會導致水華現象的發生。污泥減量技術使活性污泥工藝失去了有效的排磷渠道，磷只能在工藝體系內不斷富集，并在減量污泥回流后不斷增加進水的磷負荷，當磷的富集度超過原位水處理工藝的磷累積極限時，就會影響水處理系統的除磷效能，導致出水總磷(TP)含量的超標。

4 結語

臭氧污泥減量化技術是一種以強化隱性生長原理為基礎理論的具備很強工業適用性和良好技術經濟性的剩余污泥處置技術，其設計初衷是在污泥減量化的同時實現污泥溶出物的資源化利用，以促進傳統活性污泥法污水處理工藝脫氮能力不足問題的解決。研究表明，臭氧能夠有效地實現污泥的減量，但在強化隱性生長方面尚存明顯不足，需要在今后的研究中提高臭氧污泥減量技術的同步脫氮除磷效能，使臭氧污泥減量技術能與污水處理工藝更好地融為一體，在實現剩余污泥有效處置的同時，提高我國污水處理廠的脫氮除磷能力。

［1］梁鵬，黃霞，錢易.污泥減量化技術的研究進展［J］.環境污染治理技術與設備，2003，4(1):45 -51.

［2］尹軍，譚學軍.污水污泥處理處置與資源化利用［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［3］PAUL E，CAMACHO P，SPERANDIO M，et al.Technical and econmomical evaluation of a thermal and two oxidative techniques for the reduction of excess sludge production［J］.Process Safety and Environment Protection，2006，84(B4):247 -252.

［4］聶亞峰，盧彩虹，屈秀文，等.污水處理廠剩余污泥臭氧減量化技術探討［C］//中國環境科學學會.中國環境科學學會學術年會論文集.北京:中國農業大學出版社，2012.

［5］趙玉鑫，尹軍，于合龍，等.污泥臭氧氧化破解歷程研究［J］.黑龍江大學自然科學學報，2010，27(6):759 -763.

［6］YAN S T，CHU L B，XING X H，et al.Analysis of the mechanism of sludge ozonation by a combination of biological and chemical approaches［J］.Water Research，2009，43:195 -203.

［7］張錫輝.高等環境化學與微生物學原理及應用［M］.北京:化學工業出版社，2002.

［8］PéREZ V I，LEW C M，CORTEZ L A.Thioredoxin 2 hap loin sufficiency in mice results in impaired mitochondrial function and increased oxidative stress［J］.Free Radic Biol Med，2008，44(5):882 -892.

［9］YASUI H，NAKAMURA K，SAKUMA S，et al.A full-scale operation of a novel activated sludge process without excess sludge production［J］.Water Science and Technology，1996，34(3/4):395 -404.

［10］WANG Z，WANG L，WANG B Z，et al.Bench-scale study on zero excess activated sludge production process coupled with ozonation unit in membrane bioreactor［J］.Environ Sci Health A Tox Hazard Subst Environ Eng，2008，43(11):1325 -1332.

［11］DYTCZAK M A，LONDRY K L，SIEGRIST H，et al.Ozonation reduces sludge production and improves denitrification ［J］.Water Res，2007，41:543-550.

［12］SUZUKI Y，KONDO T，NAKAGAWA K，et al.Evaluation of sludge reduction and phosphorus recovery efficiencies in a new advanced wastewater treatment system using denitrifying polyphosphate accumulating organisms［J］.Water Sci Technol，2006，53:107 -113.

［13］LEE J W，CHA H Y，PARK K Y，et al.Operational strategies for an activated sludge process in conjunction with ozone oxidation for zero excess sludge production during winter season［J］.Water Res，2005，39:1199-2004.

［14］ZHANG G M，YANG J，LIU H Z，et al.Sludge ozonation:Disintegration，supernatant changes and mechanisms［J］.Bioresource Technology，2009，100:1505-1509.

［15］MANTEROLA G，URIATE I，SANCHO L.The effect of operational parameters of the process of sludge ozonation on the solubilisation of organic and nitrogenous compounds［J］.Water Research，2008，42:3191 -3197.

［16］孟憲榮，劉東方，劉范嘉.臭氧氧化污泥減量和碳源回收利用研究［J］.中國給水排水，2014，30(1):18 -21.