污泥源頭減量技術(shù)研究現(xiàn)狀

李攀榮

（1.江西金達(dá)萊環(huán)保股份有限公司，江西 南昌 330000；2.江西省城市污水處理及高品質(zhì)再生利用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330000）

1 引言

污水處理過(guò)程中會(huì)伴隨著大量的有機(jī)剩余污泥產(chǎn)生，《2021 年中國(guó)生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2020 年全國(guó)污水廠(chǎng)污泥產(chǎn)量高達(dá)4 592.1 萬(wàn)t（含水率為80%）。污泥中往往富含病菌、寄生蟲(chóng)等有害微生物，需要進(jìn)一步有效處置，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染。目前常用的污泥處理處置技術(shù)主要采用的是傳統(tǒng)末端處置的方法，具體主要有衛(wèi)生填埋、土地利用、好氧發(fā)酵（堆肥）、厭氧消化、干化焚燒、綜合利用等。傳統(tǒng)的污泥末端處理處置技術(shù)雖然可以一定程度地減少污泥的危害，實(shí)現(xiàn)污泥中有機(jī)或無(wú)機(jī)成分資源回收利用，但是同時(shí)也需要額外增加處理工段，提升了處理成本，且存在二次污染，環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益不佳［1-2］。隨著污水處理技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)污泥處理處置已經(jīng)從末端處置向源頭減量方向發(fā)展，并已逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

2 污水處理過(guò)程中污泥產(chǎn)率情況

目前，污水處理行業(yè)中的主流污水處理工藝主要有A2/O 工藝、SBR 工藝、氧化溝工藝以及近年來(lái)新興的MBR 工藝等，不同工藝的污水廠(chǎng)的產(chǎn)泥率不盡相同。表1 為全國(guó)各地采用不同工藝的部分污水處理廠(chǎng)的污泥產(chǎn)率情況［3-9］。

表1 不同污水處理工藝的平均污泥產(chǎn)率

由表1 可知，不同污水廠(chǎng)的產(chǎn)泥率差異較大，其中以MBR 工藝平均污泥產(chǎn)率最低，主要原因是MBR 工藝中活性污泥濃度高、污泥負(fù)荷低，提高了系統(tǒng)的內(nèi)源呼吸率，活性污泥絮體中有機(jī)物被作為底物分解代謝，實(shí)現(xiàn)污泥減量。表1 同時(shí)也表明，污泥產(chǎn)率會(huì)受到處理規(guī)模、處理工藝、進(jìn)出水水質(zhì)等多種因素的影響，這與王磊、張辰等研究結(jié)果相吻合［10-11］。

3 污泥源頭減量技術(shù)研究現(xiàn)狀

污泥減量技術(shù)可以分為末端處置和污泥源頭減量。污泥末端處置是在污水產(chǎn)生之后進(jìn)行穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化處理，而污泥源頭減量是在生化系統(tǒng)微生物新陳代謝過(guò)程中大幅降低污泥產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)污泥源頭減量，為末端的污泥處置減輕負(fù)擔(dān)，是解決污水廠(chǎng)污泥問(wèn)題的有效途徑［12］。目前污泥源頭減量技術(shù)研究熱點(diǎn)主要集中在微生物隱性增長(zhǎng)技術(shù)、解偶聯(lián)技術(shù)、微生物捕食技術(shù)等方面。

3.1 微生物隱性增長(zhǎng)技術(shù)

微生物隱性增長(zhǎng)技術(shù)是指利用物理作用、化學(xué)作用或生物作用等技術(shù)手段打破微生物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、核苷酸等高分子難降解物質(zhì)分解為小分子易降解物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)微生物溶胞和溶解死亡，促進(jìn)微生物自身氧化，形成微生物隱性生長(zhǎng)機(jī)制［13］。目前，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了超聲波技術(shù)、臭氧氧化技術(shù)、嗜熱酶溶解技術(shù)等幾種比較成熟的微生物隱性增長(zhǎng)技術(shù)。

3.1.1 超聲波技術(shù)

利用超聲波的空化效應(yīng)，超聲波強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，空化微小氣泡會(huì)瞬間崩潰，產(chǎn)生的高溫高壓形成液體紊流狀態(tài)，產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，對(duì)活性污泥細(xì)胞壁進(jìn)行破壁，釋放內(nèi)部物質(zhì)溶解于水中，被微生物代謝降解，降低系統(tǒng)的污泥總產(chǎn)量［14］。研究表明，設(shè)置SBR 系統(tǒng)容積為7 L、功率密度為1.2 W/mL條件下超聲15 min，可以減排污泥57.3%［15］。王夢(mèng)杰等［16］利用超聲槽尺寸為30 cm×24 cm×15 cm，頻率為20 kHz 左右，功率為160～400 W 的超聲波，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲時(shí)間為30～40 s 時(shí)，SVI 下降了25.56%，約等于151 mL/g，污泥減量12%左右。朱廣峰等［17］在浙江某污水處理廠(chǎng)建設(shè)了超聲波污泥減量示范工程，當(dāng)超聲功率為15 kW 時(shí)，最大污泥處理量為120 m3/d，超聲波污泥減量系統(tǒng)運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)污泥減量28.2%。

3.1.2 臭氧氧化技術(shù)

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑、殺菌劑，可以在臭氧溶胞過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的高效降解［18］。通過(guò)利用臭氧的強(qiáng)氧化性，打破微生物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，瓦解細(xì)胞內(nèi)部組織，直接將污泥等有機(jī)物質(zhì)氧化，釋放出CO2，H2O 等物質(zhì)，從源頭減少污泥的產(chǎn)量［19］。Kannah Y R 等［20］在體積為12 L 的MBR 工藝系統(tǒng)中通入26 mgO3/gTS，剩余污泥產(chǎn)率下降了35%左右。孫相娟等［21］進(jìn)行9 m3/d 的A2/O 工藝污泥減量中試研究，在進(jìn)水COD 約為360 mg/L、SS 約為40 mg/L、SRT 為75 d 的條件下，在回流污泥中充入濃度為380 mg/L 的臭氧，實(shí)現(xiàn)污泥減量25.92%。南京某化工園區(qū)集中式污水廠(chǎng)一期設(shè)計(jì)規(guī)模12 500 m3/d，工藝為MBBR+活性污泥法，平均進(jìn)水COD 約為600 mg/L、TSS 為150 mg/L，SRT 為60 d，當(dāng)向回流污泥中添加1.76 mgO3/gMLSS 臭氧，系統(tǒng)污泥表觀(guān)產(chǎn)率系數(shù)下降超過(guò)40%［22］。

3.1.3 嗜熱酶溶解技術(shù)

嗜熱酶溶解技術(shù)是利用嗜熱脂肪芽孢桿菌在高溫狀態(tài)（60～70 ℃）下，分泌出具有高強(qiáng)活性的胞外酶，通過(guò)酶促反應(yīng)破壞細(xì)胞聚合物、降解細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)等大分子為可溶性的小分子物質(zhì)，達(dá)到污泥減量的目的［23］。Shiota N 等［24］利用嗜熱菌與好氧工藝相結(jié)合，進(jìn)行5 m3中試規(guī)模實(shí)驗(yàn)，進(jìn)水MLSS 為3 000～4 000 mg/L，在300 d 的運(yùn)行監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，添加有菌種的反應(yīng)器較未添加菌種的實(shí)現(xiàn)了75%的污泥中有機(jī)物水解。Dumas C 等［25］利用好氧嗜熱菌結(jié)合中溫消化工藝，42 d 左右污泥降解率達(dá)到了20%～40%。李成濤等［26］在污泥培養(yǎng)基中接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌，在55 ℃、120 r/min、接種量為12%條件下，剩余污泥溶解率明顯提高，較未接種菌種的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)污泥減量15.86%。

3.2 解偶聯(lián)技術(shù)

當(dāng)微生物細(xì)胞受到過(guò)剩能量基團(tuán)、重金屬、其他特殊物質(zhì)等抑制性化合物或者特殊環(huán)境條件影響下，微生物的呼吸作用和合成代謝作用受到限制，代謝處于失衡狀態(tài)，無(wú)法將ATP 能量全部用于細(xì)胞生長(zhǎng)增殖，導(dǎo)致系統(tǒng)中微生物增殖速率下降，污泥產(chǎn)量降低［27］。當(dāng)前，解偶聯(lián)技術(shù)研究熱點(diǎn)方向主要集中在化學(xué)解偶聯(lián)劑、好氧—沉淀—厭氧（Oxic-Settling-Anaerobic，OSA）工藝、能量解偶聯(lián)（高S0/X0比）等幾個(gè)研究領(lǐng)域。

3.2.1 化學(xué)解偶聯(lián)劑

常見(jiàn)的解偶聯(lián)劑主要有酚類(lèi)、苯胺類(lèi)、氨基酸以及重金屬離子等物質(zhì)，通過(guò)在系統(tǒng)中添加解偶聯(lián)劑，影響膜的傳質(zhì)作用，致使細(xì)胞膜內(nèi)外質(zhì)子濃度差降低，內(nèi)外壓差不足以驅(qū)動(dòng)酶促反應(yīng)，不僅ATP 的合成效率受到影響，而且細(xì)胞合成代謝效率下降，活性污泥微生物產(chǎn)量下降，污泥在原位實(shí)現(xiàn)減量。Li Ping等［28］向A2/O 工藝（厭氧段、缺氧段、好氧段有效容積分別為4 L，4 L，16 L）中分別添加1.6 mg/h 四氯水楊酸苯胺、40.0 mg/h 二氯酚、7.0 mg/h 四（羥甲基）硫酸磷，運(yùn)行至85 d，污泥產(chǎn)量分別下降38.6%，43.4%，39.3%。馬宗凱等［29］在間歇活性污泥培養(yǎng)裝置（有效容積為13.2 L）中投加20 mg/L 的二氯苯酚和1 mg/L的Cu2+，進(jìn)水COD 濃度為700 mg/L、MLSS 為2 500 mg/L 條件下連續(xù)運(yùn)行30 d 后，污泥減量75%，表明Cu2+與解偶聯(lián)劑協(xié)同作用可以實(shí)現(xiàn)污泥減量化的效果。趙迎雪［30］在9.5 L、污泥濃度為3 000 mg/L 的MBR 反應(yīng)器中，添加120 mg/L 的3，3′，4′，5-四氯水楊酰苯胺，實(shí)現(xiàn)污泥產(chǎn)率下降高達(dá)47%～65%。

3.2.2 OSA 工藝

在傳統(tǒng)活性污泥法中的污泥回流段設(shè)置厭氧反應(yīng)環(huán)節(jié)，形成OSA 工藝。目前國(guó)內(nèi)外的研究者均對(duì)其原理進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)污泥衰減、微生物生長(zhǎng)速率慢、微生物產(chǎn)物毒性等可能是OSA 工藝污泥減量的機(jī)理［31］。Sun L 等［32］以SBR 工藝為基礎(chǔ)運(yùn)行OSA 工藝，發(fā)現(xiàn)污泥減量與好氧—厭氧段交換次數(shù)有相關(guān)性，交換4 次，污泥減量率達(dá)77.4%。Ye Fenxia 等［33］研究了3 種中試規(guī)模的OSA 工藝，停留時(shí)間分別設(shè)置為5.5，7.6，11.5 h，運(yùn)行7 個(gè)月后污泥減量率分別達(dá)到33%，23%和14%。Santo F C 等［34］設(shè)計(jì)了由厭氧反應(yīng)器和垂直流澄清器等組成的中試規(guī)模OSA 工藝，水力停留時(shí)間為3 h、中溫（35 ℃）條件下，實(shí)現(xiàn)污泥減量最高達(dá)80%。

3.2.3 能量解偶聯(lián)（高S0/X0比）

當(dāng)初始底物濃度和微生物濃度比值過(guò)高（S0/X0），系統(tǒng)微生物分解代謝作用和合成代謝作用速率失衡，分解速率大于合成速率，系統(tǒng)能量過(guò)剩，微生物產(chǎn)率系數(shù)降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥減量化。實(shí)際污水廠(chǎng)S0/X0為0.01～0.13，遠(yuǎn)低于解偶聯(lián)發(fā)生的理論臨界值8，工程應(yīng)用路途還很遙遠(yuǎn)［35］，相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。

3.3 微生物捕食技術(shù)

生化系統(tǒng)中存在以吞噬細(xì)菌等微生物為食的食物鏈頂端的微生物、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等，其大量吞食污水中活性污泥微生物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥減量化的目標(biāo)。目前，研究者多以水蚯蚓、蠕蟲(chóng)、顠體蟲(chóng)、仙女蟲(chóng)等作為捕食微生物，研究污泥減量化效果［36］。熊雯［37］在某日處理2 萬(wàn)t 污水廠(chǎng)中，維持水蚯蚓接種密度1.2 g/L，可實(shí)現(xiàn)污泥削減52.43%～85.9%，污泥削減量高達(dá)64.20～169.84 mg/L，年削減絕干污泥240.9 t。婁紅春［38］進(jìn)行中試研究，采用處理規(guī)模為48 m3/d 的水解反硝化+AO 組合工藝，污泥濃度為3 000 mg/L 左右，接種土著水蚯蚓800 條/L，運(yùn)行3 d后實(shí)現(xiàn)污泥減量10.19%。

污泥源頭減量技術(shù)對(duì)比分析見(jiàn)表2［39-40］。

4 結(jié)語(yǔ)

相較成熟化應(yīng)用的污泥末端處置技術(shù)，污泥源頭減量技術(shù)理論體系發(fā)展尚不完善，實(shí)際工程應(yīng)用案例也非常少，可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)不足。在目前的幾種污泥源頭減量技術(shù)中，微生物隱性增長(zhǎng)技術(shù)運(yùn)行成本高，不適合應(yīng)用于大型工程。解偶聯(lián)技術(shù)中的化學(xué)解偶聯(lián)因需添加化學(xué)藥劑會(huì)造成二次污染，應(yīng)用中需慎重；能量解偶聯(lián)技術(shù)工藝參數(shù)實(shí)際工程中無(wú)法達(dá)到，目前僅僅在實(shí)驗(yàn)研究階段；OSA 工藝能耗低、出水好、工藝簡(jiǎn)單，適合應(yīng)用于大型工程，目前來(lái)說(shuō)應(yīng)用前景較好，但尚需進(jìn)一步探明機(jī)理，確保工程應(yīng)用效果。而在微生物捕食技術(shù)方面已有工程應(yīng)用案例，也取得了較好的應(yīng)用效果，但是技術(shù)推廣方面還略顯不足。隨著環(huán)境保護(hù)要求的日益嚴(yán)格，污泥末端處置技術(shù)逐漸難以適應(yīng)日益提升的環(huán)境保護(hù)要求。污泥源頭減量技術(shù)作為一種非常具有潛力的新興技術(shù)手段，將成為未來(lái)污泥減量化的重要技術(shù)支撐。結(jié)合前人的研究總結(jié)分析以及工程應(yīng)用實(shí)際考慮，建議未來(lái)應(yīng)該加大對(duì)解偶聯(lián)技術(shù)中OSA 工藝及微生物捕食技術(shù)方面的研究，以期早日為污泥源頭減量化提供更多的技術(shù)手段，助力生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。