污泥减量化技术研究进展

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　　摘要：本文从代谢解偶联、微型动物捕食作用、微生物隐性生长三个方面介绍了污泥减量化技术的原理和方法。并分析了这些技术在国内外的发展和应用情况。
　　关键词：污泥减量；代谢解偶联；微生物；剩余污泥
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：A
　　
　　污泥减量化是20世纪90年代提出的对剩余污泥处置的新概念。污泥减量化技术是指通过物理、化学和生物等手段，使整个生物处理系统中污泥产量减少，主要包括围绕降低细菌合成量的代谢解偶联技术、增强微生物隐性生长的各种溶胞技术和强化微型动物捕食细菌的技术。
　　
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　　基于代谢解偶联的污泥减量化技术
　　
　　微生物学家认为，正常情况下生物的分解代谢和合成代谢是由腺苷三磷酸(ATP)和腺苷二磷酸(ADP)之间的转化而联系在一起的，细胞产量和分解代谢产生的能量直接相关。但在某些条件下，如存在质子载体、重金属、异常温度和好氧一厌氧交替循环时，底物被氧化的同时ATP不大量合成或者合成以后迅速由其它途径释放，即分解代谢和合成代谢解偶联，从而使细菌在保持正常分解底物的同时，表观产率系数降低，污泥产生量减少了。
　　
　　1.1　投加解偶联剂
　　在活性污泥工艺中使用代谢解偶联剂可以使污泥的合成代谢受到抑制，而分解代谢的能力基本不受影响。该过程中污染物质(BOD)主要被氧化成CO2和水，仅有少部分转化成新细胞。
　　上世纪90年代开始，利用活性污泥解偶联代谢来减少污泥产量开始得到人们的关注。近年来国际上的研究热点主要集中在选择高效的代谢解偶联剂，即在较低浓度下就能抑制污泥的合成代谢，同时又尽量不影响污泥的分解代谢能力。目前研究较多的解偶联剂是氯代酚，硝基酚，氨基酚、甲基酚和四氯水杨苯胺。Low、Chen等在实验室中研究了10多种代谢解偶联剂的效果，发现当对硝基苯酚、三氯苯酚、四氯水杨苯胺(TCS)的浓度分别在100、5和0.8mg／L时，污泥产量分别减少了62％，50％和78％，而污水的处理效果只下降了10％―15％。Yang等报道在邻氯酚、间氯酚、间硝基苯酚和对硝基苯酚四种化合物中，间硝基苯酚的污泥减量效果最好。国内对这方面的研究已开始起步，哈尔滨工业大学的王宝贞教授，中科院生态环境研究中心的魏源送、樊耀波教授也曾详细研究和探讨过解偶联代谢技术用于污泥减量化的问题。总体而言，国内在这方面的研究主要是在污泥减量效果和废水处理效果两种情况下来选择高效解偶联剂。
　　解偶联剂的优势是不需要对现有污水处理工艺作大的改进，只需增设投药装置即可。存在的问题是：①需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物，对氧的需求量增大；②长时间用药后微生物被驯化，解偶联效率变低。应当指出大部分有机质子载体是非生物性的，对环境可能有毒，应当慎重使用。
　　
　　1.2好氧－沉淀－厌氧(OSA)
　　在厌氧、好氧交替改变的环境下，微生物的表观产率系数减少。因为好氧微生物在底物过量的好氧段所产生的ATP不能立即用于合成代谢，而是在底物缺乏的厌氧段作为维持能被消耗。OSA工艺是在CAS(传统活性污泥法)工艺的污泥回流过程中进行厌氧消化，为微生物提供了一个好氧、厌氧交替改变的环境，从而达到降低污泥产量的目的。Westgarth等人首次报道了在高效活性污泥工艺中插入厌氧段可减少一半的剩余污泥量。此后，Chu－doba等人对OSA工艺进行了大量的研究，发现OSA工艺的污泥产量从CAS的0.28－0.47kgsS／kg-COD降低到0.13―0.29 kgSS／kgCOD，比污泥产率降低了20％－65％，SVI值也比CAS工艺低，有效地改善了污泥的沉降性能。此外，由于OSA工艺和除磷的工艺流程相似，因而有利于除磷菌的生长，对磷的去除效率高。OSA工艺的优越性只能在进水有机物浓度较高时才能体现；若进水有机物浓度较低，则OSA工艺的污泥产率系数和常规活性污泥法相差不大。
　　
　　2　基于微型动物捕食作用的污泥减量化技术
　　
　　根据生态学理论，物质和能量在食物链传递过程中逐渐递减，因此，理论上通过延长食物链或强化微型动物的捕食作用能够达到污泥减量的目的。
　　
　　2.1
　　直接接种微型动物
　　现阶段国内外利用微型动物进行污泥减量的研究主要集中在寡毛纲环节动物，如仙女虫、红斑瓢体虫、蚯蚓等体形较大的后生动物。Rensink等人在填料分别为炉渣和塑料的滴滤池中处理污水处理厂的回流污泥，发现接种颤蚓(Tubificidae)后，污泥减产量分别从未接种的10％～15％和10％增加至10％～50％和10％～45％。同样，他们在填有塑料填料的CAS中接种颤蚓处理沉淀了的生活污水，结果污泥产量从未接种的0.40gMLSS／gCOD下降到0.15gMLSS／gCOD。直接接种微型动物具有能耗低、资金投入低的优点，但由于对微型动物在反应器中长期生长状况的研究还不多，将其用于实际的污水处理还有待进一步的研究。
　　
　　2.2两段式工艺
　　两段式生物反应器的第一段为分散细菌阶段，HRT与SRT相等，没有生物量停留，使得大量分散菌生长；二段为捕食段，具有较长的SRT，以促进食物链中主要以细菌为食物的较高等动物如原生动物和微型动物的大量生长。Lee和WelanderTM等人用两段式工艺处理纸浆和造纸废水，结果表明该系统的污泥产量明显比传统活性污泥工艺的污泥产率少。GhyoottSJ等人对不同组合的两段式系统(二段为CAS或一体式MBR)进行了比较研究，由于MBR中原生动物、微型动物数量比CAS多，在相同的SRT和有机负荷条件下，TS―MBR的污泥产量比TS―CAS少20-30％，但由于TS－MBR中大量微型动物对硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等细菌的过度捕食，使得出水的N、P浓度高。两段式工艺还处于实验研究阶段，从研究结果来看，其主要的不足是：①微型动物对细菌的捕食会造成营养物质(如N、P和可溶性腐殖化COD)的释放，影响出水水质；②需氧量的增加引起曝气费用的上升。
　　
　　3　基于微生物隐性生长的污泥减量化技术
　　
　　利用衰亡微生物细胞溶解所产生的二次基质生长的过程叫做隐性生长。它包括细胞溶解和二次基质被微生物利用两步，其中细胞溶解为控制步骤。因此，可通过各种溶胞技术强化微生物的隐性生长达到污泥减量的目的。目前报道的溶胞技术有以下几种。
　　
　　3.1热处理
　　利用加热可加速细胞溶解。陈健等在膜生物反应器(MBR)处理生活污水的小试验中加入了一个热水解处理装置。研究表明，污泥经热水解处理后(90℃，停留时间3h)大部分细胞被杀死并溶解，促进了微生物的隐性增长，污泥产量减少了60％。
　　
　　3.2超声波
　　利用超声波技术降解污水中的污染物是近年来

发展起来的一种新型水处理技术。在超生波作用下，液体中将产生大量空化气泡，瞬间破灭时产生极短暂的强压力脉冲，在气泡周围微小空间内形成局部热点，产生高温(5000K)、高压(100MPa)和具有强烈冲击力的微射流，可以破坏污泥絮体结构与微生物细胞壁，溶出细胞内含物，加速污泥的水解过程，以实现污泥减量的目的。2000年德国使用超声波对污泥进行的分解实验都达到了污泥减量的目标，但其两步反应――细胞的溶解和溶解物的再氧化所用设备繁多且工艺复杂，能耗大，大规模应用的经济可行性很小。
　　
　　3.3添加微生物制剂
　　目前使用较多的是多功能复合微生物制剂(MCMP)，它是由高效脱氮除磷菌、氧化分解有机污染物的微生物和极度耐盐菌等组成。投加MCMP一方面能够优化微生物群落结构，增加了污水处理系统中高效微生物的种类和浓度，抑制不利菌和“无用”菌的生长，改善了污泥性能和代谢活性；另一方面强化了微生物分解代谢能力，因为MCMP中的微生物能分泌大量的胞外水解酶，促进污水中的大分子有机物分解成易被其他微生物进一步分解和利用的小分子物质，另外分泌的一些水解酶还可加速对死亡微生物细胞的水解，使之转化为溶解性的有机物，产生活性污泥的“隐性生长”现象。李俊等在氧化沟的好氧段投加MCMP，当投加频率为1次／月、每次的投加量为日处理水量的0.005％时，系统运行了6个月而没有外排剩余污泥。投加MC-MP后不仅能保证污水处理厂的出水水质，而且还强化了对氮、磷的去除。
　　
　　3.4高级氧化(臭氧和氯氧化)
　　在污泥的臭氧化过程中，臭氧首先氧化细胞壁、细胞膜成分而导致新陈代谢障碍；继而穿透膜而破坏膜内脂蛋白和脂多糖，导致细胞溶解、死亡，同时还氧化污泥中不容易水解的大分子物质。因此，在臭氧－CAS工艺中生化性得到提高的臭氧化污泥回流至曝气池后，便可作为底物重新被微生物代谢分解为C02、NH3、HxO等无机物，使得污泥减量；另一方面，在污泥臭氧化过程中，约有1／3的污泥被臭氧直接氧化成CO2、NO3、H20等无机物，也使污泥得到减量。臭氧化污泥减量工艺能在不影响系统正常运行的情况下，使曝气池中没有明显的无机物累积和剩余污泥排出。Yasui等首次提出该工艺能实现污泥减量，并利用其对制药废水进行了为期10个月的工业规模实验(有机负荷为550kg(BOD5)／d)，没有剩余污泥排出，运行效果良好。值得关注的是，由于剩余污泥的零排放，污水系统中的磷和重金属无法去除。因此开发一种能够实现磷和重金属回收利用的臭氧化污泥减量工艺很有现实意义。目前关于这方面的研究报道较少。
　　为降低臭氧的运行费用，有人采用氯气代替臭氧进行了污泥减量化研究，其污泥减量的原理和臭氧相同，都是利用氧化性使微生物细胞壁破裂，促进隐性生长。saby等人研究了氯气替代臭氧的可行性。结果显示，当氯气量为133mg/(giLSS・d)时，污泥产量减少65％；但污泥的沉降性能差，出水中溶解的COD显著增加，并有三氯甲烷产生。因此，氯气处理污泥还不能应用于实际污水处理工程。
　　
　　4　结语
　　
　　污泥产量的不断增加给其后续处理处置带来了沉重压力，不恰当的处理还会造成二次污染，因此源头削减是污泥处理的首要原则。新型污泥减量工艺的应用应在保证污水处理效果的前提下大幅减少污泥的产生量。将来还须从降低操作成本、优化操作参数和寻求环境友好性技术等方面出发，系统的、全面的对各种污泥减量技术进行研究。

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