活性污泥原位消化减量工艺的原理及应用

罗智，邓阳，陈杭烽，何雪鹏，何泽龙，李乔科，汪峰

（1.江苏丰和环境工程有限公司，江苏 镇江 212000； 2.上海丰和环保科技有限公司，上海 201600）

近年来，由于我国社会和经济的飞速发展，水资源短缺的问题迫在眉睫，因此对于城市废水的净化处理，使废水资源化，已经成为我国缓解水资源短缺的重要途径。废水中有一定含量的有机物，病原微生物和其他有害物质［1］。它们随着水处理的工艺路线也富集到了剩余污泥中，从而产生剩余活性污泥的处置问题。至2010年我国有废水处理厂1000余座，排放污泥量干重约130万吨［2］，城市污水厂的污泥量伴随着处理量急速上升。在现有污泥处理方案的基础上，本文主要探讨剩余污泥原位消化的原理以及应用价值，并对剩余污泥处理工艺的发展进行总结和展望。

剩余活性污泥的处理一直是困扰着环境界的挑战，其产生量非常巨大。剩余活性污泥包含预处理产生的滤渣以及沉淀池聚集的生化腐质污泥与剩余污泥。其有机物含量高，臭味严重，还含有大量重金属、病原菌以及寄生虫等有害物质［3］。

目前主要的污泥处置以“减量化、无害化、资源化”为前提，衍生出了很多的新型污泥处理技术［4］。例如，可以通过厌氧消化处理制取甲烷、氢气等热值较高的燃料［5］。总之，当前国内污泥处理处于百家争鸣、良莠不齐的阶段，先进性与自动化都存在两极分化的现象，尚无一种处理方法占据绝对优势［6］。但这些技术大多应用在污染产生后，并且在一定程度上受到实际情况的限制。在上海市大部分污水厂的污泥中，某些金属含量接近或者超过了我国农用污泥中污染物控制标准，限制了污水厂的农业应用［7］。所以，污泥的无害化、资源化必须符合以下条件：污泥中抗生素与有机污染物完全消解；重金属固化，不再重新释放；彻底消灭病原菌；终端产物不产生二次污染等情况［8］。如何有效经济地处理处置剩余污泥和实现污泥资源化成为我国面临的无法回避的问题［9］。

通过对29个城市污泥组成的统计分析发现，我国城市污泥的有机质平均含量达到384 g/kg［10］，而对水体施加羟基发生装置可以有效地将这些产生的有机质在变为剩余污泥前去除。从2009年以来，我们为消化活性污泥所做的实验和中试验都证明：活性污泥在羟基和厌氧反应的综合作用下，经过6～10 d的反应，完全可以消化减量。其中，20%左右的无机物和部分没有消化的污泥，将生成含水量为15%左右的固体废物。也就是说1 m3含水量为98%～99%的活性污泥，用现有的方式减量，产生25 kg固体废物；而用本工艺仅产生不到5 kg的固体废物。在经济上和环境保护上，用本方法消化活性污泥都有很大的意义。

污泥减量技术是20世纪90年代提出的对剩余污泥处置的新概念［11］。而污泥原位消化技术在此基础上进行升级，该工艺可以在生化池内减少剩余污泥产生的因子，减少甚至完全消除剩余污泥的产生。通过参考广州污泥处置的大致成本，各个处理成本均值大约在400元/吨［12］，由此得知污泥原位消化技术可以带来较大的经济效益与社会价值。针对污水厂污泥的不同情况，选择合适的污泥处置工艺［13］，对于推进污泥减量具有较大的意义。

1 活性污泥原位消化技术

1.1 污泥原位消化技术原理阐述

活性污泥绝大部分是原生质，它与氧反应可表示为：

活性污泥法处理污水时，通过厌氧反应将大分子打破成小分子和气体。

活性污泥浓度低于3000 mg/L时，不能净化污水。同样，生化池中污泥浓度过高，在活性污泥超过5000 mg/L时，就产生的“剩余污泥”；过高浓度的活性污泥在生化池内产生的有机废物，远大于其能消耗的水中污染物也不能很好地净化污水。剩余污泥必须排出，才能使生化反应正常进行。

本文试验将羟基自由基发生装置与一般曝气装置对污泥浓度的调节效率进行对比，对比结果如图1所示。污泥原位消化工艺可以在1 h内对水体产生剩余污泥的条件进行有效的控制，而曝气法需要7～8 h才能将活性污泥浓度降低至有效范围内。

图1 污泥原位消化工艺对比表Fig.1 Comparison table of sludge in situ digestion process

如果没有剩余污泥，而生化池内活性污泥浓度在3000～5000 mg/L区间内，则不会有污泥排出，又可以起到净化废水的作用。

不产生剩余污泥至少有两种方法：

（1）使消化生化池内的活性污泥，变为液体和气体，或少量固体。

（2）对污水中产生污泥的因素进行干预，使污泥产生的条件缺失，降低污泥浓度。

1.2 消化污泥的机理

在生化池中，植入一个“羟基发生系统”，当生化池内的活性污泥浓度临近最高值时（5000 mg/L），开启“羟基发生系统”，阻止剩余污泥产生，其原理如下：

（1）产生羟基，污水中的有机物质和原生质在羟基作用下，氧化变成二氧化碳和水，减少生物生长繁殖所需营养，降低生化池中的生物活性，使活性污泥无法继续产生。生化池中污泥浓度会降低，就不会产生剩余污泥，因此没有污泥排出生化池。

（2）产生切削，羟基发生器中特殊的设备，在强大的负压作用下，将空气与生化池内的污水以及活性污泥吸入设备内，使水气混合，并在有特殊结构的管壁上碰撞，形成切削力，将污水与活性污泥中细菌等生物的细胞壁打碎，使生化池部分产生活性污泥的生物、细菌失去繁殖能力，但细菌吞噬污水中有机物的净水能力没有变化；因此生化池内，净水能力没有改变，但产生污泥的速度下降了，因为被破壁的细菌无法繁殖后代，也就无法形成新的活性污泥。

（3）产生湍流，没有湍流羟基，切削的作用范围就受到限制，不可能影响生化池的每个角落。湍流使羟基和切削的作用覆盖整个生化池，并且使羟基和切削的作用均匀。

（4）来源于羟基发生器的空气会增加溶解氧，供生化反应中细菌呼吸。

相反，当生化池中的活性污泥浓度临近最低值时（3000 mg/L），关闭“羟基发生系统”，让池中活性污泥恢复生长，有了良好的生长环境，活性污泥浓度在一段时间后又可以上升到较高水平，甚至到达再启动羟基发生器的水平。

这样不断地循环开启与关闭羟基发生器，生化池内的活性污泥浓度就能达到一种动态平衡，处于长期保持在净化污水的理想水平（3000～5000 mg/L，因系统不同而异），在这个动态平衡的污水处理系统中，生化池内的活性污泥浓度既能处理好污水，又没有剩余污泥产生，就不会有活性污泥外排。

在生化池内，羟基主要不是消化污泥，而是消除原水中的有机物质，铲除活性污泥产生的条件。

1.3 消化污泥的变量控制

羟基发生系统中的基本原理：

控制羟基发生程度，实际上由控制空穴作用的气穴数C来实现。C可定义为：

式中：C为空穴产生数；Pa为周围的液体压力；Vp为液体的蒸发压；p为通过装置时降压力（由曝气头压力/流量曲线得出）。

其中的C值应在实际调试中取得。当需要消化活性污泥时，取饱和值，或高值；当需要提高污泥浓度，又必须充氧时，取低值，4或小于4）。

产生的切削也需要控制。其空穴作用的剪切力可用气穴混合数G表示，G可定义为：

式中：P为输入功率；μ为表示液体动态度的值；V为湍流产生时的流量。G取值在调试中获得。

当将“羟基发生系统”置于生化池外完全用于氧化排出的活性污泥时，C与G均依据功率取最大值。

1.4 生化池内有害物富集的解决方案

污泥原位消化系统有一个缺陷，即无法阻止生化池内有害物质（磷、重金属）的富集，长久运行将影响水处理质量。

由于单一地在生化池内安装“羟基发生系统”不能解决池内有害物质富集问题，宜在生化池外再安装两套系统：一套“羟基发生系统”是针对生化池内必须排出的活性污泥进行无害化处理。活性污泥经去除有害物质（如重金属、磷等）后，补充到生化池内，维持生化池内的最佳浓度，并使生化池不受到有害物质的干扰和影响；第二套为“羟基发生系统”配合切削系统安装在生化池外专门消化、减量生化池内排出的活性污泥，直到排出的活性污泥完全消化减量。

生化池外的活性污泥消化减量系统反应原理如下：

（1）好氧反应：使污泥在羟基作用下，变成二氧化碳和水，降解活性污泥。从生化池排出的活性污泥，被存放在污泥浓缩池内，将污泥和水按一定比例排入好氧反应池内做好氧反应处理。

（2）机械粉碎：将活性污泥中的生物、微生物细胞进行切削，微生物细胞壁被破后，失去繁殖功能，不能生成新的活性污泥，使污泥细胞中的絮状结构被打破，固液分离，利于后续减量处理。该步骤应用于好氧反应池内。

（3）厌氧系统：打破了絮状结构的污泥进入厌氧池进行厌氧反应，进一步将活性污泥中的大分子，转化为液体和气体。厌氧反应池内由于厌氧作用的发生，污泥分解将产生乙酸、硝酸、甲酸、氢气、甲烷和二氧化碳等物质，污泥溶液pH将降低，影响厌氧反应效果。此时厌氧反应池内污泥可以经过压滤设备处理，将无机固体输送到好氧反应池内进行好氧处理，待pH恢复到中性后，再送回厌氧反应池。如此往返循环多次达到最大化去除污泥的效果。

（4）无害化处理：经固液分离后的液体，可能含有重金属和磷等有害物质。可以用膜将液体中的重金属、磷等有害物质去除，将处理后的液体排入生化池内。生化池中富集的有害元素，通过上述手段可以及时排出。

2 结 语

通过分析，污泥原位消化技术可以较好地解决剩余污泥的排放以及处置问题，他是利用空化效应去除水中产生剩余污泥的条件，将剩余污泥含量控制在一定区间，大大减少了剩余污泥的产生量。同时还可以配套布置一套池外污泥消化减量系统，解决有害物富集问题。但现有手段处理污泥难以做到100%减量［14］，在解决有害富集物的同时仍然会有少量的污泥产生。

污泥原位消化系统大大减少了污泥外运处理的成本，相较于一般处理方式，例如污泥脱水、干化、焚烧、填埋［15］等都具有较好的经济效益。