剩余污泥臭氧化减量处置方法研究进展

谭 笑

（西南石油大学化学化工学院，四川成都 610500）

随着人类文明发展速度的加快，污水处理量的大幅提升，活性污泥法污水处理工艺所产生的剩余污泥量也随之骤增。大量剩余污泥的产生给污水处理厂带来了沉重的财务负担，在西欧，剩余污泥的处置费用几乎占了整个污水处理厂费用支出的一半，个别的甚至占其总运行费用的80%［1］。与此同时，现行的污泥处置方法所带来的环境风险也随污泥产量的增大而被放大。现行传统的污泥处置方式主要以卫生填埋、焚烧和土地利用等方式为主，其中卫生填埋和焚烧都存在二次污染的环境风险，随着相关法律法规的日益完善，其使用空间将受到极大的限制;而目前广泛应用于西欧的土地利用法仅适用于大型污水处理厂，对于中小城镇污水厂并不具备普遍使用意义［2］。随着我国城镇化进程的加快，中小城镇污水厂剩余污泥的处理问题已迫在眉睫，刻不容缓。

臭氧污泥减量化技术是20世纪90年代提出的一种基于强化隐性生长机理的新型污泥减量处置技术，旨在保证原位污水处理工艺稳定运行的前提下，利用臭氧的氧化溶胞特性，完成剩余污泥的溶胞减量，并通过回流的方式，使溶出的有机质被原系统中的微生物重新利用，借以强化工艺污水处理效果，实现剩余污泥的减量处置。相比于传统的污泥减容化技术和其他污泥减量技术而言，臭氧污泥减量化技术具有以下优势:一是高效的减量效果。臭氧的强氧化性赋予了臭氧污泥减量技术高效的溶胞减量效果，如Paul等［3］曾利用0.02 g O3/gTSS臭氧通入量，达到了70%的减量效果。二是氧化剂绿色，减量产物无二次污染。臭氧是一种绿色环保型的高效强氧化剂，对污泥减量利用效率超过80%，逸出的臭氧会很快分解为无害的氧气，不会对大气造成污染。三是工业适用性强。臭氧污泥减量工艺简单，占地面积小，且无须改变原污水处理系统的技术流程和增加构筑物。另外，臭氧污泥减量技术受温度、污泥性质等影响和限制较小，对于不同行业、不同地域有着较好的通用性，这对于我国这样一个地域广阔、纬度跨度较大的构架有着极其重要的应用意义。因此，臭氧污泥减量工艺也被认为是最具工业应用潜力的污泥处置技术。笔者通过总结近年来臭氧污泥减量技术的研究现状，分析该技术的未来发展趋势。

1 臭氧污泥减量化机理研究

1.1 污泥絮体分解机理 臭氧对污泥絮体的分解和氧化是臭氧减量技术的实施基础。在臭氧污泥减量过程絮体分解的机理分析上，国内外学者存在一个普遍的共识——丝状菌解体理论，该观点将污泥污泥减量过程分为3个阶段:①污泥解絮阶段。作为污泥絮体中“骨架”存在的丝状菌对臭氧较为敏感，会首先“失活”，使污泥絮体丧失立体层次性。②溶胞阶段。臭氧以污泥絮体中以杆菌为主的原核生物为主要“靶点”，进行大面积的溶胞减量。③矿化阶段。在污泥减量的最后，臭氧会开始对减量过程中的溶出物进行矿化作用［4］。赵玉鑫等［5］曾通过污泥镜鉴、絮体粒度、溶出物含量等指标，分析臭氧减量过程，验证了丝状菌解体理论。试验发现，臭氧的减量过程是从污泥絮体的表面开始，减量中会首先分解絮体，使菌胶团中的微生物暴露出来，而后再进行大面积的溶胞减量反应。

1.2 臭氧溶胞机理 溶胞作用是臭氧污泥减量的主要方式和途径。Sang等［6］在臭氧污泥减量化技术的研究中发现，臭氧会抑制污泥体系中微生物蛋白酶的活性，破坏菌体DNA结构，致使菌体失活。臭氧氧化反应通常以直接反应和间接反应两种方式进行，其中直接反应具有选择性，会优先选择不饱和脂肪类物质发生反应，在污泥减量中主要体现在对细胞膜的磷脂结构的氧化分解，但该反应体系反应速率较慢，且多发生于pH＜4的酸性环境下［7］;间接反应是通过臭氧溶于水后产生的羟基自由基来实现的，这种具有超强氧化能力的游离基能够与污泥体系中微生物控制膜间电位的巯基发生反应，破坏菌体的膜结构，改变膜的通透性，促使启动细胞凋亡程序，实现细胞溶胞减量。间接反应是臭氧污泥减量的主要反应形式，不具备选择性［6，8］。

2 臭氧污泥减量化工艺技术应用研究

臭氧污泥减量工艺是一种极具工业实用意义的污泥减量技术。1996年，日本一家污水处理厂的A/O系统上首次应用该技术作为剩余污泥的处理工艺。利用臭氧的强氧化性实施溶胞减量，而后将减量处理后的污泥重新运回原生化系统。在为期9个月的试验过程中，成功实现了污泥的零排放，并基本保证了正常的出水水质，证明了该技术的工业可行性。但是，试验中也发现无机组分和重金属离子累积、出水SS和氨氮明显升高等问题［9］。此后，有学者将臭氧污泥减量技术与MBR、SBR、A2/O等工艺相结合进行了研究，证明了臭氧减量工艺与多种水处理系统的耦合匹配度［10-12］。其中，王宝贞等［10］还对臭氧污泥减量化技术在MBR工艺上应用做了经济成本的分析，得出处理1 m3剩余污泥的技术成本仅为9.6元，远远低于传统污泥处置技术费用，证明臭氧污泥减量技术不仅能够有效解决污泥有效处置问题，还可以大大减少污水处理厂的运行支出，具备极佳的技术经济性和工业推广前景。

臭氧污泥减量工艺还具备良好的工业适用性。Lee等［13］在15℃下对臭氧污泥减量技术效能进行了评估和验证，试验采用连续流方式进行，在112 d的试验期内成功实现了剩余污泥的零排放，出水的生物量和悬浮颗粒物分别控制在15和10 mg/L左右，说明臭氧污泥减量化技术能够克服温度和季节的影响，实现剩余污泥的零排放。

3 臭氧污泥减量技术面临的问题

经过20余年的发展，已能够对臭氧污泥减量化技术原理进行较为系统地阐述，同时也通过工艺结合试验证明了其具备较强的工业适用性和技术经济性。但在研究中普遍发现，臭氧污泥减量技术仍存在一定的缺陷，这种不足主要集中体现在对水处理系统脱氮和除磷性能的影响上。

在脱氮方面，具体表现为出水氨氮的升高。这主要是由3方面原因造成的:①污泥臭氧化过程中，上清液中总氮(TN)含量会迅速上升，其中主要是以有机态形式存在的凯氏氮，这部分氮的可降解能力相对较差，在回流后并不能被微生物重新有效的利用。②污泥减量过程中溶出的碳源为大分子有机质，不能为污泥回流后增加的氮源提供有效、足够的额外碳源，造成污泥回流后水处理系统脱氮负荷过高。③污泥臭氧化为混合液提供了一个富氧环境，不利于反硝化作用的进行［14-16］。

在除磷方面，主要体现在使活性污泥工艺丧失了排磷渠道。剩余污泥的排放，一方面是为了保持生化反应区高效的污水处理效能，另一方面也是污水处理中有效、唯一的排磷渠道。由于磷无法在陆地上实现完整的循环，且一旦在淡水区内磷过量，则会导致水华现象的发生。污泥减量技术使活性污泥工艺失去了有效的排磷渠道，磷只能在工艺体系内不断富集，并在减量污泥回流后不断增加进水的磷负荷，当磷的富集度超过原位水处理工艺的磷累积极限时，就会影响水处理系统的除磷效能，导致出水总磷(TP)含量的超标。

4 结语

臭氧污泥减量化技术是一种以强化隐性生长原理为基础理论的具备很强工业适用性和良好技术经济性的剩余污泥处置技术，其设计初衷是在污泥减量化的同时实现污泥溶出物的资源化利用，以促进传统活性污泥法污水处理工艺脱氮能力不足问题的解决。研究表明，臭氧能够有效地实现污泥的减量，但在强化隐性生长方面尚存明显不足，需要在今后的研究中提高臭氧污泥减量技术的同步脱氮除磷效能，使臭氧污泥减量技术能与污水处理工艺更好地融为一体，在实现剩余污泥有效处置的同时，提高我国污水处理厂的脱氮除磷能力。

［1］梁鹏，黄霞，钱易.污泥减量化技术的研究进展［J］.环境污染治理技术与设备，2003，4(1):45 -51.

［2］尹军，谭学军.污水污泥处理处置与资源化利用［M］.北京:化学工业出版社，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］聂亚峰，卢彩虹，屈秀文，等.污水处理厂剩余污泥臭氧减量化技术探讨［C］//中国环境科学学会.中国环境科学学会学术年会论文集.北京:中国农业大学出版社，2012.

［5］赵玉鑫，尹军，于合龙，等.污泥臭氧氧化破解历程研究［J］.黑龙江大学自然科学学报，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］张锡辉.高等环境化学与微生物学原理及应用［M］.北京:化学工业出版社，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］孟宪荣，刘东方，刘范嘉.臭氧氧化污泥减量和碳源回收利用研究［J］.中国给水排水，2014，30(1):18 -21.