臭氧化污泥回流对污泥减量的影响

张丹丹，郭志勇，周薇薇，郭鹏飞

（1.翰蓝环保科技（上海）有限公司；2.上海富炽环境检测技术服务中心，上海 200000）

剩余污泥的终端处理费用可占污水处理厂总运营成本的25%～65%，给污水处理厂造成巨大经济压力，各国积极寻找有效的污泥减量方法和处理处置措施。剩余污泥减量化技术包括物理法、化学法和生物法，其中臭氧化被认为是有效和实用的方法，研究表明，臭氧化的污泥减量率可以达到100%，即剩余污泥的产率为零。目前，臭氧化工艺已成功应用于欧洲和日本的污泥减量中。但是，臭氧化会导致污泥溶解，如果臭氧化污泥回流至生物反应装置，会增加化学需氧量（COD）和污泥上清液的营养物浓度，影响废水质量的稳定性。污泥的增溶主要受臭氧剂量的影响，而臭氧剂量又取决于臭氧与污泥的比例，臭氧化对污泥生物活性、脱水性等的影响也需要关注。通过综述相关研究进展，本文分析臭氧化污泥回流对污泥减量、污水处理厂出水和污泥处理处置的影响，推动污水处理厂应用臭氧污泥减量技术。

1 臭氧污泥减量技术研究进展

1.1 臭氧化污泥回流对污泥减量的效果

臭氧化工艺无须任何前处理或后处理，即可实现臭氧溶解和释放，有助于污水处理厂污泥减量。臭氧-活性污泥（AS）回流是一种很有前途的污泥最小化技术。臭氧-AS 工艺涉及一系列分解过程，包括悬浮固体分解、颗粒组分溶解和微生物细胞释放的可溶性有机物的矿化（化学裂解和隐性生长）。

污泥臭氧化对污泥减量是有效的，可以作为污水处理厂具有潜力的污泥减量技术。研究表明，在厌氧-缺氧-好氧工艺的臭氧化污泥回流的中间试验中，臭氧剂量在0 ～207 mg O/g MLSS（混合液悬浮固体）变化时，最大污泥减量率达到85%；处理规模为 10 400 m/d 的污水处理厂进行臭氧化污泥回流批处理试验，臭氧剂量为740 mg O/g MLSS 时，每年可以减少剩余污泥10%（干污泥计），消耗臭氧3 276kg。

臭氧化污泥回流对污泥减量发挥积极作用，但高昂的运营成本也是限制污泥臭氧化的重要因素。实践表明，臭氧剂量保持在25 ～45 mg O/g COD，在经济上才是可行的。但在许多研究中，臭氧-AS 工艺所用的臭氧剂量为40 ～300 mg O/g COD，甚至高达1 400 mg O/g COD。可优化操作条件，提高臭氧利用效率，通过污泥消化、干燥、运输等下游工艺进一步降低污泥臭氧化成本。值得关注的是，在污泥臭氧化过程中，营养物质溶解，微生物失活并回流，被生物质消耗，这对系统的出水和污泥特性产生扰动作用。

1.2 臭氧化污泥回流对污水处理厂出水的影响

污泥臭氧化要考虑臭氧化对废水质量的影响。通常，由于污泥溶解，臭氧化会增加废水中的COD。污泥臭氧化使挥发性脂肪酸（VFAs）、蛋白质和多糖等溶解性COD 增加，但COD 去除率不受影响或略有下降（5%～10%），原因是大多数溶解性COD 可生物降解。另外，溶解性COD 也可以作为反硝化过程的底物。所以，臭氧化污泥回流对出水COD 的影响不大，生物反应器可以应对污泥溶解增加的COD。

研究表明，污泥臭氧化过程中，臭氧剂量为100 mg O/g MLSS 时，活性污泥絮凝结构被彻底破坏；臭氧剂量为80 mg O/g MLSS 时，溶解的蛋白质和核苷酸分别占细胞中蛋白质和核苷酸总量的68.3%和81.1%；臭氧剂量进一步增加到300 mg O/g MLSS 时，溶解的蛋白质和核苷酸分别占92.5%和97.4%。释放到上清液中的氮主要是蛋白质、肽链和微生物细胞释放的氨基酸组成的有机氮，臭氧化可以将有机氮氧化为氨，但应避免这种情况。一方面，臭氧将有机氮转化为氨，比生物过程的氧化成本高，另一方面，长期臭氧化不能有效地产生可生物降解的有机物，臭氧会先氧化可生物降解产物。这对系统COD 和氮的去除性能提升很小。

臭氧化污泥在循环过程中出现总氮（TN）去除率降低的情况，原因可能是氮在硝化过程中积累或 C/N 不足，可以通过提高臭氧剂量或臭氧化速率来调整。同时，磷主要是正磷酸盐（PO-P）和有机磷。污泥臭氧化与活性污泥法结合后，磷的去除效果下降，这是由于生物除磷是通过剩余污泥的排放实现的，污泥减量甚至零排放使得磷在生物处理系统内逐步积累，导致出水中磷浓度升高，污泥臭氧减量应与除磷工艺相结合。所以，臭氧化使污水营养物质浓度增加，有降低出水质量的风险。

1.3 臭氧化污泥回流对污泥处理处置的影响

污泥处理诱导细胞裂解时至少需要20 mg O/g MLSS，足以降低臭氧化污泥的微生物活性。即使微生物活性下降是污泥溶解的信号，臭氧化污泥的连续回流有可能对主生物反应器的生物活性产生负面影响。臭氧化对污泥沉降性能和脱水性能等的影响也需要关注。污泥的沉降性能在活性污泥法中至关重要，它直接关系生物质与上清液的分离、二沉池出水中残留固体的浓度。

污泥脱水性能会影响污泥脱水效果，而污泥沉降比（）和污泥体积指数（）是反映污泥沉降性能的基本参数。研究发现，污泥臭氧化期间，当臭氧剂量从0 mg O/g MLSS 增加至50.4 mg O/g MLSS 时，和均在下降，这表明臭氧化处理可以改善污泥的沉降性能。同时，上清液的细胞外聚合物（EPS）可以起到吸附架桥作用，连接较小的颗粒，导致污泥絮凝物聚集压缩双电层并减少颗粒间距，促进污泥絮凝物成团沉降。污泥整体沉降性能的改善使污水浊度降低和曝气池污泥浓度增加。

回流污泥长期臭氧化可以消除丝状菌，有利于污泥沉降。研究发现，较高的臭氧剂量可能会改变污泥沉降性能，这可能是因为过多的污泥增溶可形成沉降性能差的细颗粒；高臭氧剂量可以提高污泥的脱水性能，臭氧剂量为500 mg O/g MLSS 时，带式压滤机生产的滤饼固体含量显著增加，当臭氧剂量从 100 mg O/g MLSS 提升到500 mg O/g MLSS 时，污泥的结合水含量降低50%。但是，采用低剂量臭氧进行处理时，污泥脱水能力受到限制。原因可能是污泥中小颗粒物数量增加，导致疏水性表面的增加。需要强调的是，在成本压力下，通常用于污泥减量的臭氧剂量低，这意味着臭氧化污泥回流有可能降低污泥脱水性能。

2 臭氧污泥减量技术的发展方向

臭氧化污泥回流可以显著减少污泥产生量，但是，臭氧剂量、臭氧化反应器的运行参数和污泥特性等因素会对污泥减量率和营养物质浓度产生重大影响，其中臭氧剂量、臭氧浓度和流速是主要的影响因素。所以，污水处理厂在活性污泥法中将臭氧化污泥回流时，需要通过试验找到适宜的参数，同时使用资源回收设施（如凝结或吸附），最大程度地减少臭氧化对废水质量的影响，在可接受的成本范围内，污泥臭氧化和生物质再降解两者协同完成污泥减量和污染物降解。

目前的研究大多是基于一定的臭氧剂量，因污泥特性和操作条件的不同，减量效果和污水营养物质浓度增加呈现差异。研究表明，臭氧剂量过高，污泥减量效果提升不明显，因为存在污泥细胞和溶出物质的底物竞争，与之相对应的是高昂的成本，若没有相应的成本抵消方法，则其不适用于工程应用。常规臭氧剂量也可以实现污泥减量，但臭氧化使生物活性受到抑制，对回流至生物反应器的营养物质负荷产生扰动。污泥的沉降性能和脱水性能得到改善，可以节省污泥后续处理处置费用，这部分可以抵消臭氧化设备购置和维护成本。另外，较低臭氧剂量下，污泥细胞未破裂，将上清液进行回流，对营养物质的去除影响不明显，但可以改善污泥沉降性能，其对污泥脱水性能的影响还有待探究，所以相较于高剂量的高昂成本，低剂量臭氧更具有工程应用前景。

3 结论

臭氧化污泥回流会影响污泥减量效果，影响污水处理厂出水，影响污泥处理处置。人们要明确臭氧化污泥回流对污泥减量的影响，研发和革新臭氧污泥减量技术。臭氧污泥减量技术的应用前景广阔，未来要加强推广应用，促进污水处理行业的长远发展。