污泥源头减量化技术研究进展

污泥源头减量化技术研究进展
汤玉强;李清伟;王健;左婉璐
【摘要】对国内外活性污泥的填埋、资源化及污泥厌氧发酵等处理与处置方法现状作了简单的总结,同时对腐殖活性污泥法、解偶联剂污泥减量法、蚯蚓生物滤池等源头污泥减量法的基本原理、特点及研究效果进行阐述,解偶联剂和臭氧氧化法具有一定污泥减量效果,但对出水水质有影响,而腐殖活性污泥法和蚯蚓生物滤池法对出水水质影响不大,最后提出了筛选高效可降低污泥产量的菌株、新型填料研究和耦合技术为未来活性污泥源头减量化技术的主要研究方向.
【期刊名称】《中国环境管理干部学院学报》
【年(卷),期】2018(028)006
【总页数】4页(P51-54)
【关键词】活性污泥减量化;腐殖活性污泥法;解偶联技术;臭氧氧化;蚯蚓生物滤池【作者】汤玉强;李清伟;王健;左婉璐
【作者单位】东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110004;东北大学秦皇岛分校资源与材料学院,河北秦皇岛066000;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110004;东北大学秦皇岛分校资源与材料学院,河北秦皇岛066000;吉林省环境信息中心,吉林长春130033;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110004;东北大学秦皇岛分校资源与材料学院,河北秦皇岛066000
【正文语种】中文
【中图分类】X703
生物法处理污水具有能耗低、效果好、成本低及无二次污染等优点，在处理环境
问题时倍受青睐。

随着中国城镇化进程的加快和经济快速发展，城镇数量逐年增加，污水处理厂数量也相应增加，污水处理能力得到提升，由生物处理污水所产生的污泥量也剧增，而使得污泥处理与处置成为污水处理领域中的一大难题。

据2015年国家环保部统计，全国6 910座城镇污水处理厂全年产生的污泥量达3 015.9万t。

污水处理厂剩余污泥的产量每年约以7%增加，而污泥处理处置的费用约占污水处理厂总费用的20%～50%，活性污泥的处理与处置已成为污水处理厂的难题[1]。

污泥堆放侵占土地资源、污染地下水、产生有毒有害气体，能引发一系列的环境问题。

污泥中含有病原菌、重金属、有毒有害物质等，在污泥处理过程中或处理不达标时势必会对环境产生严重的二次污染[1]。

1 国内外活性污泥处理处置现状
伴随着污水处理厂处理水量日益增长，活性污泥产量倍增，早期通过对污泥进行压缩后与城市垃圾一起填埋的方法，也随着土地资源的紧缺而无法满足污泥处理量的需求。

目前，污泥资源化（焚烧、热解气化、厌氧发酵等）是污泥处理与处置的主要方向，实践证明，对活性污泥进行厌氧发酵处理是污水厂污泥减量化、无害化和资源化的前提[2]。

Li等[3]对比了厌氧消化和热处理及两者联用在改善污泥能量回
收中的效果，结果表明厌氧消化效果最佳。

查湘义[4]的实验结果表明，水热预处
理污泥会提高污泥厌氧消化效果。

但厌氧发酵也存在反应时间长、操作较为复杂等局限性。

污泥“三化”（减量化、无害化、资源化）处理虽然已有大量的研究成果，但在实际应用中因污泥本身的特性而存在诸多阻碍，污泥的最终处理处置并不能得到有效解决，因此，还需探索新工艺或尽量从源头上减少污泥产量，争取实现污泥零排放。

2 污泥源头减量化技术
污泥减量化有两种途径[5]：一是从源头上减少污泥产量；二是从末端降低污泥含水率（减容化）而达到污泥减量目的。

活性污泥源头减量化和末端减容化都可以减少污泥的体积，从而提高其利用率和减少后续运输成本。

活性污泥减量与减容有着本质上的区别，源头减量化是通过化学或生物等方法降低活性污泥产率和利用污泥中的微生物自身的内源呼吸作用对有机物进行氧化分解，使整个污水处理厂向外排放的剩余污泥量达到最少；减容化则是通过降低已产生的污泥含水率来缩减污泥的体积，污泥中的生物量几乎无减少，所以源头减量化是从根本上、实质上减少污泥量的办法[6]。

从源头上减少剩余污泥产量是一种经济且有效处理处置污水处理厂剩余污泥的方式。

2.1 腐殖活性污泥法
腐殖活性污泥法是将二沉池和污泥浓缩池的部分污泥引入腐殖土反应器中，与腐殖质类填料充分接触后，使其腐殖化，重新回流至曝气池或初沉池[6]。

经腐殖土反应器改良后活性污泥的微生物群结构会发生改变，微生物的数量也比传统活性污泥法多好几倍，并且改良后的活性污泥处理污水能力得到强化，同时传统活性污泥工艺产生恶臭的问题也得以控制，污泥脱水性能提高，污泥产率降低，产生的腐殖酸等物质通过氢键及配位键作用吸附有机物，从而强化了污泥对污染物的去除[7]。

吴磊等[7]对比普通SBR法和腐殖活性污泥运行的SBR法处理生活污水的效果。

结果表明，采用腐殖活性污泥运行的SBR法对COD、TN、TP的去除率均高于普通SBR法，分别高出4%、14%和10%，污泥产率也明显低于普通SBR法。

Yan等[8]对比了HS-A2O（腐殖活性污泥A2O工艺）和c-A2O（传统A2O工艺），结果表明，在同等条件下，两种方法TN去除率分别为76.8%和77.1%，HS-
A2O污泥产量为0.32 kg MLSS/d，比c-A2O低33.5%。

赵可等[9]研究了腐殖SBR工艺在低温下污泥沉降性能，结果发现在10℃操作条件下，腐殖SBR工艺比传统SBR工艺污泥沉降速度可提高200%左右，污泥的CST值也比传统SBR法低
0.68 s·L/g SS。

腐殖活性污泥法处理污水，不仅可以抑臭，提高污水处理效果，而且污泥产率要低于传统活性污泥法；剩余污泥的脱水性能较好；污泥中的重金属含量少，而氮磷含量较多，可以作为优良的土壤改良剂[6]。

2.2 解偶联剂污泥减量化技术
解偶联剂（Uncoupler）是一种有效源头消减污泥产量的化学药剂，可分为人工
合成和天然两种，工业所用大多是2，4-二硝基苯酚（DNP）、对硝基苯酚（pNP）、四氯水杨酸苯胺（TCS）等人工合成解偶联剂。

解偶联剂通过与H+结合并使H+顺利通过细胞膜，以降低细胞膜两侧质子浓度差，该浓度差满足不了ATP合成酶合成ATP所需能量，从而使细胞内的磷酸化作用受到影响，并且有机物分解代谢所产生的能量大部分以热能的形式释放，而不再用于生物自身的生长繁殖，从而减少污泥的产生[10-11]。

截至2011年，已发现超过10种代谢解偶联剂有降低污泥产率的性能，可降低21%~87%的污泥量[12]。

张敏健等[13]研究了TCP（2，4，5-三氯苯酚）对污泥减量的效果：当加入2
mg/LTCP（2，4，5-三氯苯酚）时，污泥产率低于空白组62.5%，但出水水质变差。

Han等[14]对比了2，4-二氯苯酚（DCP）对SBR和A2O两种污水处理工
艺的影响，实验结果表明，在稳定运行阶段SBR和A2O的污泥减量率分别为43.7%和44.2%。

Ferrer-Polonio E等[15]研究了四氯水杨酸苯胺（TCS）在不同运行条件下可以使SBR法污泥产率降低28%~60%。

石先阳等[16]把Cu2+和对
硝基苯酚（pNP）联合使用，发现当Cu2+∶pNP=9∶1时为最佳抑制浓度，与对照组相比，污泥增长率减少32.6%。

解偶联剂的投加会使出水水质恶化，尤其COD、TP和TN浓度会增加；代谢解偶联剂还会通过引起大量丝状菌的出现、污泥絮体尺寸减少和胞外聚合物（EPS）
增加等方式恶化剩余污泥的沉降性能和脱水性能[17]。

解偶联剂大多是难降解有毒、
有害有机物质，会残留在出水中及剩余污泥中，从而威胁人体健康和生态环境安全[17]。

2.3 臭氧氧化法
臭氧利用自身的强氧化性和在水中可生成羟基自由基（·OH）等自由基，使部分污泥在臭氧反应塔中直接被氧化成H2O和CO2等小分子无机物，同时部分剩余污泥溶解成可生物降解的有机物并通过回流系统为生化池提供碳源，在实现资源回用的同时减少剩余污泥的产量[18]。

臭氧通过破壁、溶胞和矿化三个阶段，能实现对活性污泥的氧化溶解，从而达到污泥减量目的[19]。

Inchauste-Daza A等[20]探究了污泥臭氧化的效果，实验结果表明，在0.13 g O3/g MLSS条件下，混合液中的固体减少量可高达42%左右，同时还可以节省31%的氧气成本。

Pesante S等[21]研究了臭氧化对污水处理效果的影响，结果表明，不同臭氧剂量下VSS的浓度可降低25.5%~70.5%，但COD的去除率会下降6%~63%。

俞珊等[22]研究结果却表明，臭氧处理不会使出水水质变差。

Ren等[23]分析了臭氧化对污泥特性的影响，发现在0.12 g O3/g MLSS条件下，MLSS 可减少54.7%，当臭氧剂量大于0.2 g O3/g MLSS时，微生物的生长量减少高达65%。

Tian等[24]实验结果也表明生物量可减少70.89%。

污泥减量臭氧氧化技术是一种以隐性生长为基础理论的污泥减量化技术。

通过臭氧自身和产生的强氧化自由基破解污泥，经破解流出的细胞质可回流至生化池，补充碳、氮源等，同时实现污泥减量；使用臭氧技术还可减少生化池中的曝气量，较未使用臭氧技术的工艺处理成本低[19]。

2.4 蚯蚓生物滤池
蚯蚓生物滤池（Earth-worm Biofilters）是从生态学角度来设计的，利用蚯蚓和其他微生物的摄食和消化等作用实现污泥的减量化和稳定化。

据生态学相关知识，只有约10%的有效能量在食物链相邻的两极传递，而其余90%的能量则以其他的
形式散失掉了，这也就意味着有大量的有机物被矿化。

因此，在污水处理系统中的食物链越长，损失的能量就越多，即可用于微生物生物繁殖的能量就越少，最终的剩余污泥就越少。

蒋锦洲等[25]探讨了填料对蚯蚓生物滤池的影响，数据表明，以拉西环填料的效果最佳，SS和VSS的平均减量率分别为55%和56%。

Zheng等[26]对比了有无蚯蚓生物滤池的效果，结果显示，有蚯蚓的生物滤池的VSS减少率比无蚯蚓的增加了17.1%，毛细吸水时间和污泥比阻也分别比无蚯蚓的降低16.8%和36.0%，改善了污泥脱水性能。

Liu等[27]的研究结果也表明，有蚯蚓的生物滤池的污泥减量率比无蚯蚓的高出85%。

经蚯蚓生物滤池处理后的污泥，其出水COD、TN、TP及氨氮的浓度都低于进泥时污水污染物浓度；污泥颗粒粒径也比进泥颗粒大；污泥比阻和毛细吸水时间都低于进泥，说明经蚯蚓生物滤池处理的污泥，其脱水性能优于未经蚯蚓生物处理的污泥，甚至处理后的污泥可以省去脱水环节，可较好地实现污泥资源化再利用[1]。

3 结语与展望
污水厂剩余污泥处置问题已成为生态环境保护的重点和难点，污泥末端减容化可以在一定程度上减少污泥的体积，从而提高其利用率和减少后续运输成本，但污泥最终并未得到有效的处理处置，仍然存在需进一步对污泥进行处置的问题，所以，应尽量从源头上减少污泥产量，争取实现污泥零排放，同时实现污水污泥同步治理。

上述方法对剩余污泥都可以进行源头减量化处理，但这些方法都有自己的局限性。

解偶联技术会导致出水水质恶化，大多数解偶联剂会残留在出水中；臭氧氧化法成本相对较高，在一定程度上也会影响出水水质；蚯蚓生物滤池法的效果明显优于其他方法，但也存在水力停留时间长、填料要求高等缺陷。

源头降低污泥产量或争取实现污泥零排放，是污泥处理与处置最为有效的途径，污泥源头减量化技术的研究是污泥处置亟需研究的技术。

蚯蚓生物滤池就是一种很好
的污泥源头减量化的生物法，填料对其效果起着决定性的影响，需对填料进行深度研究；在不影响出水水质的前提下，筛选出高效的、可降低污泥产量的菌株，如厌氧氨氧化菌，从而从源头降低污泥总产量；加大对新型环保解偶联剂的研究；研究不同单一技术的耦合技术也是未来污泥源头减量化技术的发展趋势。

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