城市污水處理過程污泥減量技術(shù)的機(jī)理分析及研究進(jìn)展
來源：清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室
作者：汪翠萍 徐恒 王凱軍
隨著污水污泥處理量的不斷增長以及更加嚴(yán)格的污水污泥排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布，傳統(tǒng)的污泥處理處置方法不能完全解決污泥的出路問題，人們開始由污泥的末端治理轉(zhuǎn)向“源頭控制”，因此污水處理過程污泥減量技術(shù)得到了廣泛的研究，并且某些技術(shù)已成功應(yīng)用在大型污水處理廠內(nèi)。針對(duì)近幾年研究和應(yīng)用較多的污泥減量技術(shù)，通過對(duì)減量機(jī)理和效果的分析可知，單獨(dú)的減量單元都存在一定的弊端，需要與其他工藝單元優(yōu)化組合；一些技術(shù)的減量效果不僅僅由一種機(jī)制引起，而是由多種機(jī)理綜合作用；污泥減量過程中存在氮、磷去除率低的矛盾，營養(yǎng)元素的歸趨尚不明確，這些將成為今后污泥過程減量技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
前言
我國約80%的城市污水處理廠采用活性污泥法，其污泥產(chǎn)量已達(dá)1500 萬t /a（含水率為97%） 以上，并以每年大約10%的速度增長。由于我國污泥有機(jī)質(zhì)含量偏低，污泥厭氧消化技術(shù)的推廣受到了限制；我國缺乏污泥焚燒尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)以及民眾對(duì)焚燒的理解不全面，使得污泥熱處理技術(shù)未受青睞；而污泥脫水后泥餅的去向以及堆肥處理后產(chǎn)品的銷路也是各技術(shù)難以推廣的瓶頸。因此，只有從源頭控制最大程度地減少污泥產(chǎn)生量，才是可持續(xù)且環(huán)境友好型發(fā)展方向。源頭污泥減量技術(shù)的研發(fā)及減量機(jī)理的研究已成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
目前污泥減量技術(shù)主要基于以下四種理論：溶胞-隱性生長、能量解偶聯(lián)代謝、維持代謝和動(dòng)物捕食。隨著研究的不斷深入，污泥減量技術(shù)逐漸由實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到中試規(guī)模、部分技術(shù)甚至在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，且取得了明顯的污泥減量效果。同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)某些工藝的污泥減量不僅僅是由一種機(jī)理來實(shí)現(xiàn)，而是幾種機(jī)理共同作用的結(jié)果。本文在對(duì)幾種機(jī)理進(jìn)行簡單介紹的基礎(chǔ)上，主要?dú)w納總結(jié)了基于各種機(jī)制的各種減量技術(shù)的減量效果，對(duì)工藝特點(diǎn)進(jìn)行分析，力求為后續(xù)的研究指明方向，并為現(xiàn)有污水處理廠的改進(jìn)提供參考及污泥減量解決方案。
1、溶胞-隱性生長（Lysis-cryptic growth）減量技術(shù)
溶胞-隱性生長是通過物理、化學(xué)及生物方法將細(xì)胞壁和細(xì)胞膜破壞，釋放出胞內(nèi)物質(zhì)作為微生物代謝的底物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥總體表觀產(chǎn)率降低，污泥產(chǎn)量減少。該技術(shù)關(guān)鍵的步驟是微生物溶胞處理技術(shù)。目前常用的溶胞污泥減量技術(shù)的效果及特點(diǎn)歸納起來見表1。
表1 溶胞-隱性生長污泥減量技術(shù)效果及技術(shù)特點(diǎn)
物理化學(xué)技術(shù)由于其投資大成本高，在污水處理工藝中未能得到推廣。近年來，越來越多的研究集中在了微生物菌劑的研制上，如復(fù)合微生物菌劑DM-Ⅰ和DM-Ⅱ、共生復(fù)合微生物菌劑CMA、多功能復(fù)合微生物制劑MCMP等。其中我國某企業(yè)研發(fā)的曼斯微微生物復(fù)合菌劑（MixMicrobe）已成功應(yīng)用于日處理10萬噸污水的A2/O生產(chǎn)性處理工藝，在投加量為0.3~0.8kg菌粉/千噸污水條件下，運(yùn)行1年多，其剩余污泥排放量可比傳統(tǒng)活性污泥法減少95%以上，污泥總排放量可減少40%-70%。該微生物菌劑主要通過強(qiáng)化活性污泥處理系統(tǒng)中微生物消解有機(jī)物，并對(duì)死亡微生物菌體進(jìn)行分解來實(shí)現(xiàn)剩余污泥大幅減排。然而，長期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)該菌劑的污泥減量效果受到工藝運(yùn)行狀況的影響，尤其是初沉池的排泥狀況直接影響污泥減排量；而且系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力不強(qiáng)，需要一定的恢復(fù)時(shí)間。
因此，雖然溶胞技術(shù)具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，有利于高有機(jī)物含量污泥的再次利用等優(yōu)點(diǎn)，但也存在投資和運(yùn)行費(fèi)用大、對(duì)人類健康及生態(tài)具有安全隱患、易產(chǎn)生二次污染、管理復(fù)雜且工藝不穩(wěn)定等不足。
2、解偶聯(lián)代謝（Uncoupling metabolism）的污泥減量技術(shù)
微生物的分解代謝和合成代謝是緊密偶聯(lián)的，微生物分解代謝過程中產(chǎn)生的能量通過氧化磷酸化過程而儲(chǔ)存在三磷酸腺苷（ATP）中，進(jìn)而為合成代謝提供能量。但在某些條件下（如化學(xué)解偶聯(lián)劑、營養(yǎng)過剩等），由于分解代謝產(chǎn)生的能量不能有效地通過氧化磷酸化過程儲(chǔ)存在ATP中，進(jìn)而抑制合成代謝，致使污泥產(chǎn)量減少。目前主要有投加化學(xué)解偶聯(lián)劑、高S0/X0下的解偶聯(lián)技術(shù)。
2.1投加化學(xué)解偶聯(lián)劑
底物的氧化可以產(chǎn)生通過細(xì)胞線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)，該質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)可以為氧化磷酸化提供驅(qū)動(dòng)力。因此，通過投加某些解偶聯(lián)劑，可以與質(zhì)子結(jié)合降低細(xì)胞膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度梯度，從而消除這種驅(qū)動(dòng)力，抑制氧化磷酸化，最終減少微生物的合成，降低污泥產(chǎn)量。目前用于污泥減量的化學(xué)解偶聯(lián)劑主要是苯酚類化合物及其衍生物。表2給出了一些化學(xué)解偶聯(lián)劑的污泥減量效果。
表2 化學(xué)解偶聯(lián)劑減少污泥產(chǎn)量的效果及技術(shù)特點(diǎn)
葉芬霞等對(duì)鄰氯苯酚（oCP）、間氯酚（mCP）、DCP、TCP、pNP、間硝基酚（mNP）、dNP和TCS 8 種化合物的污泥減量化效果進(jìn)行了比較研究，表明DNP和pNP的效果最好，減量率達(dá)到了89.16%和83.77%，oCP、TCP、mNP和TCS也達(dá)到60%以上。各種代謝解偶聯(lián)劑效果的差異與其酸性大小有關(guān)，pKa值越低，污泥的減量化效果越好。
投加解偶聯(lián)劑對(duì)污水處理工藝來說只需要增設(shè)投藥裝置，無需對(duì)工藝做大的改動(dòng)，然而會(huì)降低COD的去除率、增大需氧量、并使污泥的沉降性能及脫水性能變差，而且目前所投加的解偶聯(lián)劑常會(huì)使污水處理系統(tǒng)中的微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，長期使用會(huì)對(duì)受納水體具有潛在危害。因此，解偶聯(lián)劑用于污水處理過程污泥減量急需要對(duì)長期應(yīng)用的生物毒性和對(duì)人體健康及生態(tài)的影響進(jìn)行更深入的研究。
2.2較高的初始底物濃度與初始污泥濃度之比（S0/X0）
Chudoba和Liu等人發(fā)現(xiàn)，在較高的S0/X0比值下，污泥的生長成下降趨勢(shì)。雖然Liu等人的模擬實(shí)驗(yàn)（要求S0/X0>5 mgCOD
MLSS）已經(jīng)驗(yàn)證了該理論，但在實(shí)際生活污水處理廠內(nèi)（S0/X0=0.01-0.03 mgCODMLSS）要達(dá)到高S0/X0是有很大局限的。關(guān)于S0/X0污泥減量的理論僅由Chudoba、Liu及Wang等人通過微生物批式培養(yǎng)試驗(yàn)研究得到，而近幾年來相應(yīng)的研究并不多見。而且，該方法增大了污水處理廠的投資及運(yùn)行成本，在應(yīng)用上受到了一定的限制。
3、維持代謝（Maintenance metabolism ）減量技術(shù)
微生物氧化過程中獲得的ATP首先用于維持微生物的生命活性，然后才是用于合成細(xì)胞組分。因此，維持代謝的污泥減量技術(shù)即是增加用于維持代謝的能量需求，降低用于細(xì)胞增殖的能量，從而達(dá)到污泥減量的目的。目前主要的方法是通過延長污泥齡來實(shí)現(xiàn)污泥減量，其中MBR是最典型的延長污泥齡的工藝， MBR系統(tǒng)可強(qiáng)化系統(tǒng)內(nèi)微生物的維持代謝，減少剩余污泥產(chǎn)量，甚至可實(shí)現(xiàn)無剩余污泥排放。然而，長期不排泥會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)的硝化菌數(shù)量減少，影響系統(tǒng)硝化性能；膜易受污染造成膜通量下降，直接影響膜組件的效率和使用壽命，阻礙其在實(shí)際中的大規(guī)模應(yīng)用。
表3 基于維持代謝的污泥減量工藝比較
近年來，一些新的工藝不斷涌現(xiàn)（見表3）。左寧等人針對(duì)LSP&PNR污泥減量新工藝進(jìn)行了研究：穩(wěn)定運(yùn)行的LSP&PNR系統(tǒng)的污泥齡越長，污泥濃度越高，污泥負(fù)荷越低，污泥產(chǎn)率也越低。當(dāng)SRT=5d時(shí)，相應(yīng)的污泥產(chǎn)率Ys最高，為0.381 kgMLSS/(kgCOD)；當(dāng)SRT=50d時(shí)，污泥產(chǎn)率僅有0.143 kgMLSS/(kgCOD)。Di Iaconi等對(duì)序批式生物濾池顆粒污泥反應(yīng)器（SBBGR）的污泥減量效果進(jìn)行研究，該系統(tǒng)內(nèi)污泥產(chǎn)率僅為0.12-0.14kgTSSCODremoved（生物量為20-45gVSS/L，污泥齡>120天），即使有機(jī)負(fù)荷由1.0 kgCOD/m3d提高到2.5kgCOD/m3d過程中，對(duì)污泥產(chǎn)率也并未造成大的影響。
歸納起來這些新工藝主要控制長污泥齡、低負(fù)荷，由于微生物內(nèi)源呼吸作用被強(qiáng)化，維持代謝需要的能量增加，細(xì)胞物質(zhì)的分解代謝加強(qiáng)而合成代謝減弱，從而實(shí)現(xiàn)了長泥齡污水處理系統(tǒng)的污泥減量。
4、生物捕食（Predation on bacteria）減量技術(shù)
生物捕食實(shí)現(xiàn)污泥減量主要是通過食物鏈，即生物處理系統(tǒng)中的原、后生動(dòng)物對(duì)形成大量剩余污泥的低等微生物如細(xì)菌等進(jìn)行捕食，從而降低生物固體產(chǎn)量。其中，起主要作用的是寡毛綱環(huán)節(jié)動(dòng)物，如紅斑顠體蟲、顫蚓、蠕蟲等體型較大的后生動(dòng)物。目前基于生物捕食的減量工藝主要包括自然培養(yǎng)的分段式生物捕食減量技術(shù)和接種微型動(dòng)物減量技術(shù)。
4.1分段式生物捕食減量技術(shù)
兩段法是研究較早的污泥減量處理工藝，第一段多為污泥停留時(shí)間（SRT）較短的完全混合式預(yù)處理池，目的是強(qiáng)化分散細(xì)菌的生長而抑制微型動(dòng)物的形成；第二段則為較長SRT的傳統(tǒng)曝氣池，強(qiáng)化微型動(dòng)物的生長，從而捕食第一段生長的分散細(xì)菌，將大部分剩余污泥轉(zhuǎn)化為能量、水和二氧化碳。兩段法比傳統(tǒng)活性污泥法工藝可減少36%的污泥產(chǎn)量，并且可污泥的沉淀性能和脫水性能；但在第二段反應(yīng)器運(yùn)行過程中常發(fā)生由絲狀細(xì)菌、鞭毛蟲等引起的污泥膨脹和泡沫，工藝過程中還存在一定的氮磷釋放等問題，影響出水水質(zhì)。為了改善運(yùn)行過程中污泥膨脹的問題，提出淹沒式生物膜法，即在第二段反應(yīng)器中放置填料，通過生物膜中的微型動(dòng)物捕食細(xì)菌等低營養(yǎng)級(jí)微生物或有機(jī)顆粒達(dá)到污泥減量目的。該工藝污泥減量效果明顯（污泥產(chǎn)率僅為0.1996kg干泥COD），然而氮、磷的去除（分別達(dá)到50%~60%）有待進(jìn)一步提高。
近年來日本出現(xiàn)了一種新型的多段式活性生物處理技術(shù)MSABP（Multi-Stage Activated Biological Process） ，該技術(shù)的主體工藝為多段式生物填料曝氣槽，即曝氣槽分成多個(gè)小槽、槽內(nèi)填充特殊的生物載體，通過多段效應(yīng)、有序地改變各槽的生物相、形成食物鏈，生物的優(yōu)先種類從前槽向后槽依次變化為原核生物類-真核生物類-原后生生物類。廢水在流經(jīng)這種環(huán)境各異的曝氣槽的過程中，不斷生物載體上的各種微生物分解、凈化，通過食物鏈，剩余污泥被高效地自我消化，污泥減量可達(dá)80%以上。同樣地，該工藝也存在TP去除率低的問題。
4.2接種微型動(dòng)物減量技術(shù)
該技術(shù)是在原有污水處理系統(tǒng)中接種微型原、后生動(dòng)物實(shí)現(xiàn)污泥減量，目前接種較多的是水蚯蚓類。根據(jù)水蚯蚓生長狀態(tài)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，游離型生長方式不利于水蚯蚓的增殖，而且污泥減量效果也明顯低于附著型生長方式。因此，研究的重點(diǎn)主要集中在附著型水蚯蚓污泥減量方面。
蚯蚓生態(tài)濾池工藝是通過蚯蚓和其他微生物的協(xié)同作用對(duì)水中污染物（或污泥）進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化。此工藝中填料的性質(zhì)、水力負(fù)荷和溫度等工藝條件和環(huán)境條件都影響蚯蚓生理生態(tài)狀態(tài)，進(jìn)而影響濾池的污泥減量率；而且該工藝對(duì)氮、磷基本沒有去處效果。荷蘭Hendrickx等人也對(duì)附著型水蚯蚓污泥減量工藝進(jìn)行了多年研究，已由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模發(fā)展到污水處理廠內(nèi)的大規(guī)模試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水蚯蚓能實(shí)現(xiàn)污泥減量達(dá)41%-71%，污泥中39%的氮和12%的磷被水蚯蚓消化后以糞便的形式排出，這些水蚯蚓糞便的固體濃度約為剩余污泥的2.5倍，有效的改善了污泥的脫水性能，為后續(xù)污泥濃縮設(shè)備減少了約67%的容積負(fù)荷。國內(nèi)在水蚯蚓污泥減量研究方面也取得了顯著性成果，樓菊青等人也將水蚯蚓污泥減量研究擴(kuò)大到示范工程，即在日處理20000 m3的浙江諸暨某污水處理廠內(nèi)接種霍甫水絲蚓形成水蚯蚓與微生物的共生系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行1.5年，結(jié)果污泥減量達(dá)75%，同時(shí)改善了污泥沉降性能；而且COD和SS的去除率分別提高了8. 7%和13.6%。然而，試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)水蚯蚓會(huì)使系統(tǒng)的氨氮和總磷有所增加，通過與SBR池相結(jié)合，出水氮磷等營養(yǎng)元素才能達(dá)到國家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
總體來看，生物捕食污泥減量工藝減量效果顯著，無副產(chǎn)物，投資及能耗低，是實(shí)現(xiàn)污泥過程減量的綠色技術(shù)。然而該體系中微生物的種類和數(shù)量難控制，受水力負(fù)荷、溫度、pH、DO等工藝和環(huán)境條件的影響較大，一些生長慢的細(xì)菌如硝化菌也有被捕食的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引起硝化系統(tǒng)崩潰，對(duì)氮、磷的去除效果較差。要實(shí)現(xiàn)最終的優(yōu)化運(yùn)行，需要結(jié)合其他方法同時(shí)進(jìn)行脫氮除磷，因此該工藝的持久運(yùn)行問題需要進(jìn)一步的研究。
5、基于多種機(jī)理的污泥過程減量技術(shù)
隨著對(duì)污泥過程減量技術(shù)及機(jī)理的不斷深入研究和探討，人們發(fā)現(xiàn)某些污泥減量工藝是基于上述四種機(jī)理中的多種減量機(jī)理，而非單單一種。目前主要有以下兩種工藝。
5.1好氧-沉淀-厭氧（OSA）工藝
OSA工藝主要是使傳統(tǒng)活性污泥不斷處于交替好氧和厭氧環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)污泥減量。與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，該工藝污泥產(chǎn)率可降低20%-65%，并能提高COD和總磷的去除率，改善污泥沉降性能。德國Siemens公司開發(fā)的商業(yè)化污泥減量技術(shù)Cannibal工藝與OSA具有類似之處，已被成功應(yīng)用于意大利Levico地區(qū)的 Levico Terme廢水處理廠內(nèi)，其固體物含量下降了50%。最初的研究認(rèn)為OSA是基于代謝解偶聯(lián)的污泥減量工藝，但近幾年的研究發(fā)現(xiàn)污泥衰減是其污泥減量的決定性原因，占減量效果的66.7%左右；而能量解偶聯(lián)只占污泥減量的7.5%左右；此外低污泥產(chǎn)率厭氧反應(yīng)（如缺氧反硝化、厭氧釋磷、硫酸鹽還原等）也使OSA工藝的污泥產(chǎn)率下降，其減量效果占23%左右。因此，OSA工藝的機(jī)理尚不完全清楚，仍需進(jìn)一步的深入探討。
5.2 SPRASTM污水處理過程污泥減量工藝
SPRAS（Sludge Process Reduction Activated Sludge）技術(shù)是在傳統(tǒng)活性污泥工藝前端增加高污泥濃度的好氧/厭氧交替運(yùn)行工藝段來實(shí)現(xiàn)污泥減量。該工藝已在山東多個(gè)日處理2萬噸的污水處理廠內(nèi)成功應(yīng)用，污泥減量效果達(dá)90%以上。當(dāng)高濃度好氧/厭氧污泥減量單元與脫氮除磷活性污泥工藝相結(jié)合時(shí)，出水水質(zhì)可完全達(dá)到國家一級(jí)A類排放標(biāo)準(zhǔn)。雖然該工藝的污泥減量段與OSA一樣都采用好氧/厭氧交替運(yùn)行，可以推測(cè)其機(jī)理也可能包括污泥衰減、能量解耦聯(lián)、低污泥產(chǎn)率厭氧反應(yīng)等，但是由于該工藝采用高污泥濃度的運(yùn)行條件，而且好氧/厭氧交替過程中污泥并不外排從而構(gòu)成較長的污泥齡，這就與OSA形成較大的差異，因此其污泥減量機(jī)理也可能存在長泥齡的維持代謝，具體情況有待分析研究。
綜合OSA和SPRAS這兩種工藝，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)性規(guī)模應(yīng)用，根據(jù)我國目前污水處理工藝80%都采用傳統(tǒng)活性污泥法，這兩種工藝具有很廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。然而，由于目前污泥減量機(jī)理尚不明確，還處于初始階段，尤其對(duì)于SPRAS工藝來說，文獻(xiàn)報(bào)道幾乎沒有，從而影響其推廣應(yīng)用，因此迫切需要對(duì)各種可能的機(jī)理進(jìn)行探索。
6、結(jié)論
（1）基于四種機(jī)理的污泥減量技術(shù)都或多或少存在一定的技術(shù)弊端，若要推廣應(yīng)用，都需要解決一些關(guān)鍵問題，其中氮磷是重點(diǎn)，因此脫氮除磷工藝與污泥減量工藝的優(yōu)化組合有可能解決實(shí)際污水處理廠的污泥減量問題。
（2）雖然部分技術(shù)已在實(shí)際污水處理廠得到成功應(yīng)用，并且取得了明顯的減量效果，但污泥減量原因和機(jī)理還不完全清楚，需進(jìn)一步深入探討，同時(shí)還需要對(duì)這些技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步評(píng)價(jià)，從而為技術(shù)推廣提供支持。
（3）雖然國內(nèi)外研究已經(jīng)證實(shí)在污水處理過程中能夠?qū)崿F(xiàn)污泥減量，然而污泥減量工藝中碳、氮、磷等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化途徑尚無太多的研究，這也成為今后污泥過程減量技術(shù)研究的熱點(diǎn)。
