剩余污泥源头减量化技术研究进展

李业云，张婷，景凌云

(兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

水处理工艺中，活性污泥法(Activated sludge process)是市政污水和工业废水处理的主流技术，然而随着我国污水处理量的不断增长，在活性污泥法实现污水高效净化的同时，大量产生的污泥是一项亟待解决的关键问题[1]。国内外对污泥减量技术进行了广泛的研究，传统的污泥处理方法为污泥先进行浓缩、消化稳定、脱水，在方便运输的情况下对污泥进行土地利用与堆肥、卫生填埋、焚烧、投海等最终处置，然而这些方法中无一例外的存在着能耗、破坏环境等问题[2]。

将清洁生产的理念应用到污泥处理过程中，并且兼顾技术和经济两方面，从源头上控制污泥产量，是污泥处理和处置的研究方向。本文将详细介绍污泥源头处理技术，包括解偶联代谢、强化微生物隐性生长、微型动物捕食和膜生物反应器等。

1 解偶联技术

解偶联是呼吸链与氧化磷酸化的偶联遭到破坏的现象，即在不利条件下细胞分解代谢和合成代谢受到干扰，不能均衡的进行，ATP的形成受到抑制，分解代谢产生的能量只能部分用于自身的生长，其余部分以热能及其它形式散失掉，这样细菌在保持正常分解底物后不再与合成代谢偶联，细菌自身合成速度减慢，从而达到降低污泥产量的目的[3]。实现污泥减量化的解偶联主要有以下几种情况。

1.1 ADP合成ATP的过程受到影响(投加解偶联剂)

解偶联剂添加到污泥中，与微生物体系中的H+结合，H+相当于负载上了载体，能顺利跨过膜，因此类囊体膜和线粒体内膜内外质子浓度差被减低，使质子梯度不能够驱动酶，合成ATP受到抑制。Strand等[4]研究了12种化学解偶联剂，经过比较污泥减量效果和基质去除率，认为四氯水杨酰苯胺(TCS)的污泥产量的减少率相对较好，TCS的投加污泥平均减少50%的产率，表明添加化学解偶联剂可使污水的生物处理系统中污泥的量显著减少。韦学玉等[5]通过对一种解偶联剂TCS实验，结果表明，在污泥浓度为2 200 mg/L，TCS投加量为1.6 mg/L下，平均污泥产率系数由0.521 mg/mg降至 0.341 mg/mg，污泥产量减少了39.73%。解偶联剂的添加在工程上具有较好的应用价值，低剂量下就能实现污泥的减量化效果；然而解偶联剂基本都具有毒性，对环境和污泥中原有的微生物会产生相对应的影响。

1.2 底物充足(高S0/X0条件)

在高比值S0/X0(即底物浓度/污泥初始浓度)条件下，微生物分解代谢产生的ATP的速率要大于在合成代谢中消耗的速率，进而引起能量散失(即能量以热和功的形式散失到外部环境中)和微生物产率系数降低[6]。Liu等[7]研究表明，当底物浓度过剩时会导致合成代谢和分解代谢不耦合，引起非生长能量的耗散，即生长率大大降低，另外在底物浓度不充足的情况下，微生物分解代谢产生的ATP全部用于合成代谢消耗的能量，即二者是相匹配的。但是此研究中并未指明S0/X0充足与不足的界限，谢敏丽等[8]的研究中补充了此实验中的后续结果，在实验中，S0/X0对活性污泥的产率是有影响的，和Yobs呈负相关，随着S0/X0值的增大，表观污泥产率系数Yobs变小，当S0/X0值约>6时，Yobs趋于一个定值，在底物浓度较高的情况下有利于减少剩余污泥的产率。高底物浓度解偶联具有环境友好型的优势，但在工程操作过程中还存在一定的难度。

1.3 细胞分解代谢与合成代谢相分离(好氧-沉淀-厌氧工艺)

好氧-沉淀-厌氧工艺(OSA)同样会引发解偶联，OSA工艺的基本原理是在常规活性污泥工艺中加入一个厌氧池，使得污泥回流过程中微生物交替进入厌氧和好氧阶段，在缺氧条件下ATP大量的被利用于生命活动，当微生物回到好氧阶段，由于食物和氧气都十分充足，大量ATP又会生成，但是不能立即用于新细胞的合成，即在厌氧阶段作为维持细胞生命活动的能量远远大于好氧阶段生成的ATP，使得分解代谢和合成代谢不协调，达到污泥减量的效果。Pavel等[9]的研究表明，在回流中插入厌氧区能够避免微生物的异化途径，对微生物的生长造成了生存压力，微生物只能利用细胞内的ATP，因此在厌氧阶段能量显著减少，当回到能量充足的好氧阶段其以生长为代价重建能量储存，活性污泥丝状膨胀受到抑制，污泥产量得到减少。钟贤波等[10]在污泥回流装置中加入了一个污泥缺氧装置，并且考察了不同污泥停留时间下污泥的减量效果，在稳定装置之后的210 d中，结果表明在缺氧池中的停留时间是5.5 h的情况下，污泥减量效果最佳，达到33.24%，即在缺氧阶段污泥的停留时间是5～7 h较为合适。OSA工艺在脱氮除磷上也有较好的应用前景，此方法的不足之处是需要额外的设计和建筑费用，水力停留时间的增加也会耗费部分的人力和财力。

2 隐性生长技术

污水生物处理工艺中，微生物利用分解污水中的有机物一方面为自身的生命活动提供能量，形成二氧化碳和水等；另一方面用来增殖，将有机物转化为新的生物体。如果扩大生物细胞的裂解并且在裂解产物上实现生物的增长，增长的生物体又可以作为微生物的底物，重复上述代谢过程，污泥产生量因此减少[11]。微生物基于自身细胞溶解形成的二次基质的生长方式称之为隐性生长(Cryptic growth或Death-regeneration)[12]。宋冠楠[13]研究表明，利用物理、化学和生物方法能够加速细胞裂解速率，进而提高污泥的减量速率，这些方法的使用只需要在回流污泥系统中添加溶胞技术即可。

2.1 生物溶胞技术

生物溶胞技术[14]主要是通过延长曝气和污泥龄等手段来促使细胞自溶；另一方面通过投加能分泌胞外酶的细菌，酶制剂或抗菌素等方法来提高微生物的代谢活动，减少污泥含量。宋勇[15]研究了多种水解酶对活性污泥减量化的实验，实验结果表明，在酶制剂投加量相同的条件下，水解溶菌酶效果优于α-淀粉酶和中性蛋白酶，使SBR系统中污泥的内源性代谢增强，溶菌酶的添加使污泥减量效果达37.33%，在反应体系中微生物互生共长，高效降解污泥。唐文涛等[16]筛选出具有污泥减量化功能的菌株，好氧处理污泥使总悬浮物固体提高了6.57%，污泥中SCOD的溶解率从521.7 mg/L提高到1 700 mg/L，污泥减量效果较好。生物溶胞技术作为一种绿色环保的工艺有着巨大的潜力，只是寻求生物酶制剂和优势菌株是一项漫长艰巨的任务。

2.2 物理溶胞技术

物理溶胞方法主要包括加热、机械破碎、超声破解等。加热方法最初是提高污泥的脱水效果，但是也能破坏细胞壁释放胞内有机物，减少胞外聚合物的粘度，继而进行生物降解[17]。在物理溶胞技术中，通常与其它方法的联合使用较多，Strong[18]研究表明，在220 ℃，有氧环境中，加热2 h后90%的VSS都得到降解，同样条件下温度改变为140 ℃，只有14%的TSS降解掉，在热碱配合下，温度60 ℃，pH=12时，TSS去除率提高了22%，有效提高了污泥的溶解和减量率。Nazari[19]的研究也表明了热碱作为前处理的高效性，在反应条件为温度80 ℃、pH=10、反应时间5 h，对比未处理的污泥COD的溶解性增加(18.3±7.5)%，VSS的去除率提高了(27.7±12.3)%。热碱处理污泥有效地提高污泥的减量效率，但是存在一定的成本效益和出水水质问题。超声波污泥减量技术的原理是在超声波的作用下超声水池中的液体会产生大量空化气泡，空化气泡在一定强度下会被压缩至破裂，同时产生极短暂高强度的压力脉冲，在气泡相隔的空隙中形成局部热点，并产生高温(5 000 K)高压(100 MPa)和强烈冲击力的微射流，使得细胞壁被压碎，细胞溶解。Tiehm[20]研究了超声波在41～3 217 kHz下污泥处理状况，结果表明在低频率下污泥裂解的效果更为显著，产生的大气泡一旦破裂，就会产生很大的剪切力，使污泥絮体脱聚，因此超声波处理污泥解体的频率一般在18～40 kHz。He[21]研究了“超声波溶解-隐性生长”污泥减量中能耗的变化，当对SBR反应器中30%的污泥进行超声波处理后，剩余污泥最大减量化67.6%，能耗最高为0.101 kW/d，但是超过30%以上的污泥进行超声处理后出水水质会不合格，综合研究结果推荐对15%的污泥进行超声波处理，处理频率为每天1次，能量消耗量为0.012 kg TSS/kWh，污泥减量率约为50%。低频超声波具有环保、高能量密度、效率高等优点，但仍存在能量消耗较高等缺点。

利用机械压力产生的高能量使细胞溶解，进而使活性污泥降解，常使用的方法有转动球法和高压喷射法等。转动球磨法主要是利用旋转力之间的磨擦，细胞的破解，Chockalingam[22]以搅拌磨球为对象，当机械能为15 301 kJ/kg时，微生物的生长量减少了80%。高压喷射法是利用强大的喷射流导致污泥破解。机械压力需要耗能较多，对于较多污泥的处理处置有着高效率的优势。

2.3 化学溶胞技术

化学溶胞技术中常用的试剂为柠檬酸、高铁酸钾、氯气、亚硝酸盐、臭氧等，这些物质可以使细胞壁破坏，胞内各种有机物被释放出来。陈英文等[23]的研究结果表明，臭氧能有效地破坏细胞壁、细胞膜，使胞内物质溶出、污泥浓度减少，当臭氧投加量为0.05 g(用每克TSS计算)，反应条件为中温35 ℃，在运行65 d稳定之后，总挥发性固体去除率高达67.6%，和对照组相比污泥去除率提高了50.61%。在曝气池中利用臭氧氧化，可以将污泥最大限度地溶解，将剩余污泥降至到最低，然而这种方法代价高昂。作为一种替代方案，Saby等[24]用氯气代替臭氧进行实验，减少了运行成本，氯化处理剩余污泥的剂量为0.066 g Cl2/g TSS，处理后的污泥在污泥处理装置中运行20 h后，污泥的减量率为65%，会导致污泥沉降性变差。Fenton试剂的强氧化性广泛应用于水质净化过程中，作用机理为Fe2+的催化作用使过氧化氢分解成强氧化性的羟基自由基，有机质则会被破坏，Fenton氧化[25]对剩余污泥的溶胞实验表明，在Fenton试剂加入90 min后，TSS和VSS减量率分别为22.3%，25.58%，改变了污泥的沉降性能，90 min后由初始的SVI为34 mL/g降低到25.6 mL/g，由于Fenton破坏了污泥絮体结构，毛细水和结合水都被释放，因此絮体密度增大，改善了剩余污泥的沉降性能。张彦平等[26]研究了高铁酸钾配合碱处理剩余污泥，高铁酸钾最佳耦合的碱性物质为氢氧化钠，同时投加效果优于试剂的单独使用，当高铁酸钾的投加量为0.24 g/g(以TSS量计算)，氢氧化钠的投加量为6 mmol/g(以TSS量计算)时，同时投加污泥中24 h后，挥发性悬浮物固体VSS去除率为26%，另外污泥体积指数(SVI)也得到降低。化学试剂的单独及其配合优化等方法在污泥处理方面都有明显的效果，但对环境会产生二次污染、高耗财等不利影响。

3 生物强化技术

生物强化是从自然环境中或者原系统中筛选出优势物种，或者通过基因工程手段形成的高效功能菌种，作用于污水处理系统中，有直接作用、共代谢作用和生物固定化等形式。可将其分为：一是通过延长食物链加强微型动物对其它微生物的捕食作用方式；二是制备合适的微生物菌剂或优势菌株添加到废水处理系统中。

3.1 直接接种对污泥消耗的微型动物

魏源送等[27]研究了寡毛类蠕虫对剩余污泥减量化的实验，采用单独建立的适宜寡毛类蠕虫生长的反应器，结果显示蠕虫的添加使污泥减量率提高了11%，当35 d之后游离型蠕虫出现，实验组和对照组的平均污泥减量效果分别为35%，16%，SVI分别为60，41 mL/g，寡毛类蠕虫显著降低了污泥产率并且提高了污泥沉降性能。翟小蔚等[28]采用两段式膜生物反应器，接种富含大量原生动物的污泥于实验组，利用原生动物捕食细菌的原理，发现接种原生动物后，在40 d的实验中，污泥产率由0.02 kg污泥/kg COD减少到 0.47 kg污泥/kg COD，在接种原生动物的反应器中污泥是负增长的趋势。Rensink等[29]将颤蚓(Tubificidae)接种到荷兰某啤酒废水的活性污泥曝气池中，经过14 d的培养，剩余污泥量从0.40 g MLSS/g COD 下降到0.15 g MLSS/g COD，COD平均减少了18%～67%，经过24 d的循环后COD减少量为67%，接种动物的体系中污泥体积指数SVI从90减少到45，脱水性能提高27%，有机质分解速率增加。

3.2 两段法

Ratsak等[30]采用两段法对荷兰一个污水处理厂污泥中的寡毛蚓类进行了小试实验，用两级恒化器进行实验研究，在第二阶段有来自第一阶段的22%～44%碳被氧化为二氧化碳，另外有12%～43%的生物量减少，在较低的纤毛虫生长速率下，生物量的减少速率高于生长速率，表明食肉生物可以减少污泥的产量。Ghyoo等采用两级反应器，第一阶段为完全混合反应器，不分散和增产细菌产量，第二阶段为污泥体系，在此阶段刺激原生动物和后生动物，采用膜生物反应器(MBR)和传统活性污泥法(CAS)作为反应体系中的第二阶段，在固体停留时间和有机负荷都相同的条件下，MBR 系统比CAS 系统污泥产量少20%～30%，这是由于MBR反应器中原生动物的数量更多，出水水质效果较好，对CAS的出水水质稍有影响。Kayako等[31]采用MBR工艺处理乳品废水，用300 L的污泥混合液，装入MBR体系中，约占反应器的1/10，使用空化喷嘴加入氢氧化钠，通过450 d的运行研究，污泥比处理前减少80%，并且从无机物的物料平衡来看，当剩余污泥的量减少时，污泥中无机物的含量增加，部分污泥物溶解在废水中。微型动物捕食技术充分利用了生态系统中的能量流动原理，较好地消减剩余污泥的产量，但存在微型动物的高效培养、接种方式等问题。

3.3 添加微生物菌剂或优势菌株

微生物菌剂是由多种不同功能、互利或共生关系的微生物以合适的比例进行混合培养所制成的复合菌剂。通过向污水处理工艺中投加功能微生物菌剂，提高出水水质同时减少污泥产率。李俊等[32]的研究表明，MCMP(MCMP由数十种不同类型特殊微生物菌群组成，可促使土著微生物溶解的微生物菌剂)的投加有效地减少剩余污泥的产量，在日处理水量为0.02%～0.04%的情况下，当反应装置运行2个月后没有排放剩余污泥。污泥中添加优势菌株，不仅可以使污泥中有机物减少，另外还会抑制一些其它菌株的生长，降低污泥的浓度，污泥减量。Yasin 等[33]筛选出了一株假单胞杆菌和一株气单胞杆菌，在4～30 ℃、有氧条件下研究了接种这两株菌株后污泥的减量效果，结果表明，在4～15 ℃内污泥的减量率提高了2～8倍，说明这两株菌都是嗜寒性菌株，在低温下可以产生蛋白酶和脂肪酶水解污泥。Li[34]从日本某污水处理厂的污泥中分离出一株污泥溶解菌(短杆菌)，在条件为50 ℃，pH=8，90 r/min下，反应120 h后，总悬浮物固体(TSS)去除率达到32.8%，高于空白样品11.86%，并检测到此菌株可以产生蛋白酶，菌株的添加能够促使胞外聚合物的降解、细胞的裂解及其抑制其它微生物的生长。投加微生物菌剂或菌株具有环保、见效快、操作简便等优点，探索高效菌是一项关键任务。

4 膜生物反应器处理工艺

膜生物反应器[35](MBR)是膜分离技术与生物反应器结合的技术，其利用膜组件将生物反应器中的固液进行高效的分离，实现了反应水力停留时间(HRT)和污泥泥龄(SRT)的完全分离，污泥截留时间的延长，加强了菌群间的弱肉强食作用，利用这种内耗机理增长了食物链，减少了微生物数量和污泥量。膜生物反应器包括膜分离生物反应器、膜曝气生物反应器和萃取膜生物反应器，利用截留和分离固体原理的膜分离生物反应器的应用较为广泛[36]。刘恩华等[37]通过管式膜生物反应器的试验研究，得出当污泥投加到MBR生化池中且反应稳定后，活性污泥的减量速率高达596 g/(m3·d)。在采用浸没式膜生物反应器处理医院废水的试验研究中[38]，大肠杆菌的去除率超过98%，出水水质没有气味和颜色，比出水质量排放标准还要好很多，在6个月的反应期间没有污泥的排出，污泥的产生非常低且稳定。膜生物反应器在保证较好出水水质的同时降低了污泥产量，节省土地使用面积，但也存在着高效膜价格昂贵、清洗不便等缺点。

5 结束语

除了上述污泥源头处理技术之外，污泥的颗粒化、微生物固定化、极端微生物的应用，提高盐度温度、高溶解氧(多级串联曝气)等工艺的开发及其不同技术的联合使用等也有着较大的应用价值和潜力。为有机废水生化处理系统的污泥减量化提供高效实用的方法，在生化处理过程中实现污泥减量。

在水污染控制中，污泥在末端并未得到有效的减容，因此要加大原位污泥减量化，争取在实现污水净化的同时达到污泥的零排放。然而在解偶联、微生物隐性生长、膜生物反应器等污泥源头处理方法的研究中，都分别存在不同的缺点：解偶联技术中解偶联剂的添加增加了污水中的毒性，对环境会产生一定的危害；高底物浓度和OSA工艺在操作上成本较高；隐性生长技术物理和化学溶胞技术在耗能和环境方面会不可避免地产生不利影响，而生物溶胞技术中的酶制剂的制备耗时较长，存在很多的不易控因素；膜生物反应器膜是反应器的主要部分，然而膜的花费较大，且不易清洗，二次利用效果差。相比之下生物强化技术在污泥减量中有很大优势：遵循可持续发展理念，符合生态系统稳定性规律；花费少、不会产生二次污染；操作简单，处理效果明显，不影响出水水质。因此生物强化技术是一种行之有效的出路。