超声波污泥过程减量研究现状及其与新型生物脱氮工艺联用措施探讨

胡 庆，高 峰，2，舒诗湖，2，谢彬彬

(1.东华大学 环境科学与工程学院, 上海 201620;2.上海污染控制与生态安全研究院, 上海 200092)

随着我国经济的不断发展和城市化进程的加速,污水处理厂数量剧增,随之产生大量副产物即剩余污泥。剩余污泥具有含水量高(约98%)、产量大、不易处理和处置的特点,且含有大量病原微生物、重金属等有毒害物质,若直接排放会严重危害环境[1]。据统计[2],2019年我国污泥产量超过6 000万 t(以含水率80%计算),较2010年增长了近2倍,预计2025年我国污泥年产量将突破9 000万 t。污泥产量剧增已成为世界各地面临的环境问题,如何高效减少剩余污泥产量,成为环境治理领域的热点研究课题。

传统的剩余污泥处理方法包括填埋、焚烧等,其处理成本约占污水处理厂总成本的20%～50%,存在能耗高、操作复杂和易引发二次污染等问题。目前,国内外已开发出一系列高效的污泥减量方法,主要有:1)污泥后减量技术,即在污泥产生后,通过进一步浓缩、稳定、脱水和最终处置实现污泥减量;2)污泥过程减量技术,通过解耦联代谢、生物捕食、溶胞-隐性生长等方式影响污泥中微生物的代谢过程,并在污水处理过程实现原位减少污泥产量[3]。与污泥后减量技术相比,污泥过程减量技术可从源头减少污泥的产生,并实现污泥资源化利用,从而降低后续污泥处理和处置成本,这是污泥减量的理想方法。该技术中的解偶联代谢[4]通过有机基质短缺或富余循环引起细胞分解代谢和合成代谢的解离,从而实现污泥的过程减量。基于解偶联代谢的好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺因操作灵活且能耗低而得到广泛关注,但是其减量机制较为复杂,难以基于现有理论指导实际工程应用[5]。在生物捕食作用中,针对蠕虫污泥过程减量技术[6]的研究偏多。将蠕虫引入到污水处理过程中延长系统的生物链以实现污泥过程减量,具有减量效率高、无污染等特点。然而,生物捕食法对污水处理系统中的微生物群落特性的影响程度尚不明确。近年来,关于溶胞-隐性生长污泥过程减量技术的研究发展迅速,一般是借助外部处理方法使污泥裂解溶胞,再使其作为底物进入微生物的代谢循环中实现污泥过程减量。目前,裂解污泥的常用方法有生物[7]、物理和化学作用[8]。生物法主要通过投加溶菌酶等外源菌种实现污泥溶胞;物理法是直接外力剪碎细胞;化学法则是通过投加药剂,与细胞壁和细胞膜发生化学反应,从而溶解细胞。物理方法中的超声波污泥过程减量技术因具有裂解效率高、绿色友好、操作简单等特点,受到研究者的广泛关注。在超声波污泥减量的综述文献中,关于将超声波污泥减量作为预处理技术用于终端污泥的脱水与厌氧消化过程的研究[9-13]很多,而用于污泥回流系统的超声波污泥过程减量技术及该技术对生物工艺污水处理能力的影响尚未见到系统性文献报道。

本文阐述了超声波污泥过程减量技术的原理及影响因素,综述了超声波污泥过程减量改进技术(与物化方法、传统生物处理工艺联用)在提高污泥减量率和降低能耗方面的研究进展,针对联用技术存在污泥减量和出水水质恶化的矛盾,总结出采用高、低强度超声结合新型生物处理工艺的联用技术策略。

1 超声波污泥过程减量原理及影响因素

1.1 超声波污泥过程减量原理

超声波污泥过程减量原理包括超声波裂解污泥细胞和污泥隐性生长两部分,即先通过超声波裂解污水生物处理系统产生的部分剩余污泥,再将溶胞物作为自产底物回流到污水生物处理系统,最后经隐性生长代谢溶胞物质[14]。超声波裂解污泥是污泥过程减量的重要组成部分,其原理见图1。

图1 超声污泥裂解原理图[15]Fig.1 Schematic of ultrasonic sludge cracking[15]

污泥裂解过程中会产生独特的微观空化效应,瞬间形成近5000 K高温、500 MPa高压的局部“热点”区域[16],加速·H和·OH自由基的生成。此外,微观空化效应还会引发“冲击波”从而产生水力剪切力,破坏胞外聚合物及细胞壁结构等,使得胞内物质释放到液相中[17]。

1.2 超声波污泥过程减量影响因素

超声波污泥过程减量受许多因素影响,如超声波强度、超声波作用时间、超声波反应器构型和污泥溶液温度。研究[18]表明,超声波强度只有达到空化阈值(0.1～0.3 W/mL)时,才能激发空化效应并裂解细胞。声强过高会限制空化效应;声强过低又会促进污泥絮体分解,但这不会引起细胞壁破裂,反而对提高细胞活性有积极作用。随着超声波作用时间的增加,污泥裂解概率增大,但是过长的作用时间又会增加能耗[19]。超声波反应器的设计结构会引起非系统性差异,使得在相同比能量输入下,不同构型的超声波反应器会产生不同的超声波裂解效率。Lippert等[20]研究发现,超声发生器的设计高度与污泥裂解效率呈负相关,较低的设计高度(如20 mm)可实现均匀强烈的超声处理。此外,超声比能量的增加会造成溶胞液温度的线性升高,而高温又能促进超声空化作用,加速污泥裂解[19]。

上述影响因素均是通过产生不同强度的空化效应,促进污泥絮体和细胞裂解,从而提高污泥过程减量效率。然而,在强化超声波空化作用时引起的超声波能源消耗率升高,却是限制超声波污泥过程减量技术发展的主要原因。

2 超声波污泥过程减量技术改进

2.1 超声波与物化方法联用

超声波污泥过程减量技术的污泥减量效果显著,但考虑到能耗高的问题,研究者通常将超声波与其他裂解法联用,以开发出兼具优良节能效果和高污泥裂解率的污泥减量技术。

除超声波外,现有的污泥物理破解法主要有热破解[21]、微波[22]和机械[23]技术等。Mostafa等[24]和Gong等[25]在超声处理时间为30 min、功率为300 W、频率为20 kHz、加热温度为120 ℃、加热时间为30 min的条件下分别研究超声、热单独作用和联合方法的污泥减量效果,结果表明,超声-热处理联合方法的污泥过程减量率比单独超声处理的高,且改变联合处理的组合顺序会影响污泥裂解效果(先超声预处理后热作用的污泥裂解率为27.1%,反之下降为22.9%)。此外,超声波能够强化微波对污泥的破解效果。Kavitha等[26]在超声与微波输入能量相对于总固体(TS)分别为3.5、1.67×104kJ/kg的最佳条件下,可实现33.2%的污泥裂解率。

在化学破解法中,关于碱解法[27]和高级氧化法[28-29](如Fenton法、临界水氧化法)的文献报道较多。超声联合碱作用时,碱通过调节pH促进超声波空化过程中自由基的形成。碱处理后污泥的细胞壁易被超声波破坏,联合技术的协同效应在降低碱添加量的同时,也缩短了超声破解时间[30]。超声与Fenton法联用能够促进体系中Fe2+的二次生成,其与H2O2反应后,将产生更多·OH自由基,从而增强污泥的破解功能[31]。Olabi等[32-33]研究了超声波对光Fenton反应的强化作用,在pH为3、反应时间为60 min,零价铁相对TS的添加量为5 g/kg、H2O2相对TS的添加量为25 g/kg的条件下,加入超声(40 kHz,180 W)的联合方法能够将光Fenton反应的污泥裂解率提高至70%。Ma等[34]采用超声辅助超临界水氧化处理法,结果表明,超声预处理后污泥絮体解体,大量难降解有机物被释放到液相,有助于加快超临界水与溶出物的氧化反应。从能耗和经济性角度分析,超声与上述裂解法的联用能够增强超声波的污泥过程减量效果,加快污泥絮体解体和细胞壁破碎,或生成更多·OH自由基氧化细胞组分,有助于降低药剂添加量和能耗。

通过历史天气查询，4月15—25日研究区仅有一次小型降水过程，北部降水量在20 mm，南部为5 mm，土壤水分整体偏低，且北部略高于南部，符合土壤水分的反演结果分布情况，说明该方法反演的结果比较好。

2.2 超声波与传统生物处理工艺联用

传统生物处理工艺有间歇曝气活性污泥法(SBR)和厌氧-缺氧-好氧(A2O)生物工艺等,研究者常将超声波与SBR或A2O工艺联用,以提高污泥破解效果。超声波与SBR联用技术的典型工艺流程如图2所示。采用超声波裂解SBR或A2O工艺的部分剩余污泥,并将裂解液回流至工艺的缺氧段,不仅能替代额外碳源作为反硝化的电子供体,从而解决低碳/氮(C/N)工业废水处理效果差的问题,还可以降低污泥产量[35]。朱广峰等[36]考察了不同体积的超声波裂解液回流到A2O工艺的厌氧区时对工艺出水水质和污泥过程减量效果的影响,结果显示,当超声波污泥回流百分比为40%时,污泥减量率可达32.2%,但是继续提高污泥减量率,又会造成出水总磷(TP)升高。Zhang等[37]联用超声波与SBR工艺得出相似的结论,即过高的污泥破解率会影响污泥的生长繁殖,特别是对世代时间较长的功能菌(如脱氮除磷菌)的影响更明显,运行一段时间后系统化学需氧量(COD)和总氮(TN)去除率分别下降至81.1%和66.0%,出水TP质量浓度较高。Gao等[38]考察了低强度超声波对SBR工艺的回流污泥的影响,结果显示,污泥减量达20%以上,并且低强度超声波对污泥脱氢酶活性、出水质量和沉淀性能的影响较小。

图2 超声波与SBR法联用技术的工艺流程图Fig.2 Flow chart of combined ultrasonic and sewage treatment technology

此外,超声波与化学破解法的联用技术因其显著的除污和减泥协同效应,常被联用于传统生物处理工艺中。研究[39]表明,超声波和O3联合裂解污泥,再与活性污泥法结合时,污泥减量效果和污水处理率均优于单独超声波与活性污泥法联用或单独O3与活性污泥法联用的方法。超声波辐射作用能够强化O3在液相中的传质与分解速率[40],进而增加O3与泥水的接触面积,在裂解污泥的同时还能氧化污染物,从而提高污泥的减量效果和污水处理效率。超声波与H2O2联用同样存在协同作用,超声波能促进H2O2快速分解出大量·OH,增强H2O2的氧化能力,从而缩短反应时间并提高污泥溶胞率。王迁[41]考察了超声+H2O2技术的污泥溶胞效果及溶胞液回流至SBR工艺对系统出水水质的影响,结果表明:超声+H2O2技术联合SBR工艺的溶胞液回流比低于50%时,出水水质良好,且污泥减量率达33.6%;当溶胞液回流比增大至70%时,污泥减量率增加到42.2%,但会造成出水TP恶化。将ClO2与超声波联合,再耦合活性污泥法,可以降低ClO2的添加量,并在较低声能密度下得到理想的污泥破解效果[33]。林嘉添[42]提出C1O2联合超声波裂解污泥后再回流至SBR工艺的污泥过程减量方法,研究发现,单独ClO2与SBR工艺联合的效果较差,污泥过程减量率仅为35.5%;超声波+ClO2联合SBR工艺裂解70%含水率的剩余污泥时,污泥过程减量率可达54.86%,但仍然存在出水TP过高的问题。

综上所述,超声波污泥过程减量技术与传统污水生物处理工艺联用时,一方面能取得显著的污泥减量化效果,另一方面过高的污泥裂解量又会造成工艺出水水质恶化。对此,研究者们通过调节超声波污泥过程减量技术的运行参数来控制其对出水水质的影响,见表1。由表1可知,调控运行参数虽然可以降低出水氨氮质量浓度,但无法从根本上防止出水TN和TP质量浓度的升高。因此,如何有效解决超声波与污水生物处理工艺联用技术存在的污泥减量和出水水质恶化的矛盾,成为挖掘超声波污泥过程减量技术潜力及推进其应用的难点。

表1 超声波联合传统生物处理工艺污泥减量的调节效果Table 1 Regulation effect of ultrasonic combined with traditional biological treatment in sludge reduction process

3 超声波与新型生物脱氮工艺联用

目前关于低强度超声波促进微生物活性的研究逐渐受到重视,有研究者尝试借助低强度超声波强化新型生物脱氮工艺的污水处理效果,并取得重要进展。本节提出将超声波污泥过程减量技术与低强度超声波强化新型生物脱氮工艺联合的技术措施,即将高强度超声波裂解污泥的作用和低强度超声波促进微生物活性的作用有机地引入新型生物脱氮工艺中,在实现污泥减量的同时,保证生物脱氮工艺获得良好的出水水质。

3.1 低强度超声波促进微生物活性

根据空化气泡的崩塌方式,可将超声波空化效应分为瞬态空化和稳定空化。其中,稳态空化是指低强度超声波照射产生的剪切力不足以破裂细胞,仅有拉伸细胞表面的作用。低强度超声波的强度低于10 W/cm2,振幅小于1 MPa,频率一般在20～50 kHz。低强度超声波对微生物作用体现在以下3方面:提高酶活性;增强细胞通透性,以促进细胞传质及可逆渗透;加速细胞生长,提高新陈代谢效率,促进生物活性,并提高微生物种群丰度和多样性。因此,低强度超声波辐射是一种提高污泥活性的有效方法,可用于改善污水生物处理效果。

(1)

现阶段实现启动短程硝化的手段主要有:限制溶解氧(DO)的质量浓度,通过高pH值、高温、高游离氨(FA)和高游离亚硝酸盐(FNA)抑制亚硝酸盐氧化细菌(NOB),但这些方法大多存在定向控制难、稳定性差、易产生毒性副产物等问题。研究[47]表明,硝化细菌中的NOB比氨氧化细菌(AOB)更敏感,且NOB和AOB对低强度超声波刺激的耐受性存在明显差异,可以考虑采用低强度超声波促进短程硝化过程。低强度超声波对短程硝化过程的促进作用主要体现在以下方面:

1)增加AOB的相对丰度,提高其最大生长速率。在属水平方面,低强度超声波的长时间作用能提高AOB(主要是亚硝化单胞菌(Nitrosomonas))的相对丰度,同时减少NOB(主要是硝化杆菌(Nitrobacteriaceae))的相对丰度,使得AOB成为优势菌属。Huang等[48]采用低强度超声波增强短程硝化过程,分析反应器内微生物群落的属分布后发现,AOB相对丰度(3.32%)显著高于未经超声辐射对照试验的相对丰度(0.44%),且NOB相对丰度显著降低。Zheng等[47]同样发现在低强度超声波作用下,随着超声强度的增加,AOB相对丰度增加到20%以上,NOB的相对丰度则降至1.0%以下。此外,AOB最大生长速率也随着超声强度的增加而逐渐增大,最大值约为初始值的2倍。

3.2 不同强度超声波与新型生物处理工艺的联用

短程硝化过程对新型生物处理工艺运行具有重要意义,是生物脱氮的前端处理阶段。目前主要有以下新型生物脱氮工艺应用于污水处理:短程硝化-反硝化(PND)工艺和短程硝化/短程反硝化-厌氧氨氧化(PN/PD-A)工艺等。针对污泥减量增加引起出水水质恶化的问题,本文总结出一类联合技术措施,即将不同强度超声波联用于新型生物处理工艺:1)采用高强度超声波裂解污泥,并将裂解液回流至新型生物工艺,在工艺的好氧单元利用裂解液中高浓度的游离氨(FA)抑制NOB的生长[50],在缺氧单元也可利用裂解液中的有机碳源作为电子供体驱动反硝化或短程反硝化反应[50];2)利用低强度超声波辐射活性污泥,提高AOB对DO的亲和力,加速AOB的生长,从而促进短程硝化反应的快速启动,提高出水水质,实现污泥过程减量。不同强度超声波与新型生物处理工艺联用,可有效解决超声波污泥过程减量技术在污泥过程减量与出水水质之间的矛盾,具有十分重要的理论价值和实际意义。

3.2.1 短程硝化-反硝化工艺与超声波联用

3.2.2 短程硝化/短程反硝化-厌氧氨氧化工艺与超声波联用

4 总结与展望

近年来,持续升高的污泥产量与高污水排放标准的矛盾限制了基于单一超声波强度的污泥过程减量技术的推广和应用。现有的超声波污泥过程减量改进技术虽然联合了物理法、化学法和传统生物处理工艺,但仍侧重于污泥过程减量,而忽略了出水水质恶化问题。低强度与高强度超声波联用新型生物处理工艺的技术策略,对于同时实现改善污水处理效果和提高污泥过程减量率具有重要的研究价值与工程应用意义,但其联用机制及优化运行等问题尚待探究。对此,提出以下建议:1)考察高强度超声波裂解污泥产生的氨氮(主要是FA)质量浓度和有机物质量浓度与联用工艺中关键功能菌(AOB、NOB和PDB)生长的内在联系,以确定适宜的高强度超声波参数范围;2)定量分析低强度超声波对关键功能菌(AOB和NOB)活性的影响,明确低强度超声波参数设置值与这两类功能菌生长速率的内在联系;3)以最大限度的减污和降耗为约束目标,考察联用工艺的关键运行参数与污泥产量和出水水质的相互关系,找出最佳的工艺运行方案,实现经济和环境效益的最优化。