化工环保 ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY 201年第31卷第6期 污泥减量化技术研究进展 鲁智礼,庞朝辉12,王海燕2,周岳溪2,柳栋升2·,张娜2 (1.华北水利水电学院环境与市政工程学院,河南郑州450011:2.中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心, 北京100021:3.北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083:4.河北工程大学城市建设学院,河北邯郸056038) 摘要]针对当前日益突岀的污泥处理处置难等问题,分别从物理法、化学法和生物法等方面阐述了当前污泥减量 化技术的研究发展现状,介绍了各种工艺的基本原理、特点和存在的问题。结合国内外污泥减量化技术的研究进 提出了未来污泥减量化技术的发展方向 「关键词]剩余污泥;污泥减量;污泥产率;解偶联;生物处理 [中图分类号]TU992.3 文献标识码]A 文章编号]1006-1878(2011)06-0506-05 Research Progresses in Sludge Reduction Technologies Lu Zhili, Pang Zhaohui", Wang Haiyan, Zhou Yuexi, Liu Dongsheng", Zhang Na (1. School of Environmental and Municipal Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou Henan 450011, China; 2. Research Center for W ater Pollution Control Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences Beijing 100021, China: 3. Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 China; 4.College of Urban Construction, Hebei University of Engineering, Handan Hebei 056038, China) Abstract: According to the present increasing severity of sludge treatment and disposal problems, the status of research and development in sludge reduction technologies are expounded in aspects of y sical, chemical and biological processes. The basic principle, characteristics and existing problems of each process are introduced. Based on the research progresses at home and abroad, the development direction of sludge reduction technologies is put forward Key words: excess sludge; sludge reduction; sludge generation rate; uncoupling; biological treatment 好氧生物废水处理技术日趋成熟,其中活性污术进行了展望。 泥法是目前世界上应用最为广泛的废水生物处理 工艺。但该工艺的主要缺点是在运行过程中会产 1基于物理方法的污泥减量化技术 生大量剩余污泥圓。剩余污泥处理装置的投资和1.1机械破碎技术 运行费用约占整个废水处理厂投资及运行费用的 机械破碎法即利用机械压力所产生的能量将 25%~65%,巨大的污泥处置费用己成为废水生微生物细胞壁打破,使细胞内的物质释放出来,从 物处理技术面临的严峻问题。为解决这一问题,20而使污泥量得到削减。 Strunkmanr等对球磨破 世纪90年代产生了新的污泥处理与处置概念 碎和高压搅拌技术实现污泥减量的可应用性进行 污泥减量化技术。污泥减量化是指在保证整个废 水处理系统处理效能的前提下,采用适当的物理、[收稿日期]2011--15:[修订日期2011-07-10 化学和生物方法,使向外排放的固体生物量达到最作者简介鲁智礼(98-),男,河南省郸城县人,大学, 小,从而实现从源头上减少污泥的产量。当前对副教授,主要研究方向为水处理理论与技术。电话0371- 65790224,电邮luzhai@newu.edu.cn。联系人:庞朝辉,电 污泥减量化技术的研究已成为国内外关注的焦点 话010-84915322,电邮pangzhht@126.com 本文对国内外污泥减量化技术的研究现状和「基金项目]中国环境科学研究院中央公益性科研院所基 最新研究进展进行了综合概述,并对污泥减量化技本科研业务专项资助项目(200KYYW10)。 21994-2015ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
化 工 环 保 ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY 2011 年第 31 卷第 6 期 ［收稿日期］ 2011 － 06 － 15; ［修订日期］ 2011 － 07 － 10。 ［作者简介］ 鲁智礼( 1968—) ，男，河南省郸城县人，大学， 副教授，主要研究方向为水处理理论与技术。电话 0371 － 65790224，电邮 luzhili@ ncwu． edu． cn。联系人: 庞朝辉，电 话 010 － 84915322，电邮 pangzhh@ 126． com。 ［基金项目］ 中国环境科学研究院中央公益性科研院所基 本科研业务专项资助项目( 2007KYYW10) 。 污泥减量化技术研究进展 鲁智礼1 ，庞朝辉1，2 ，王海燕2 ，周岳溪2 ，柳栋升2，3 ，张 娜2，4 ( 1． 华北水利水电学院 环境与市政工程学院，河南 郑州 450011; 2． 中国环境科学研究院 水污染控制技术研究中心， 北京 100021; 3． 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083; 4． 河北工程大学 城市建设学院，河北 邯郸 056038) ［摘要］ 针对当前日益突出的污泥处理处置难等问题，分别从物理法、化学法和生物法等方面阐述了当前污泥减量 化技术的研究发展现状，介绍了各种工艺的基本原理、特点和存在的问题。结合国内外污泥减量化技术的研究进 展，提出了未来污泥减量化技术的发展方向。 ［关键词］ 剩余污泥; 污泥减量; 污泥产率; 解偶联; 生物处理 ［中图分类号］ TU992． 3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006 － 1878( 2011) 06 － 0506 － 05 Research Progresses in Sludge Reduction Technologies Lu Zhili 1 ，Pang Zhaohui 1，2 ，Wang Haiyan2 ，Zhou Yuexi 2 ，Liu Dongsheng2，3 ，Zhang Na2，4 ( 1． School of Environmental and Municipal Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011，China; 2． Research Center for Water Pollution Control Technology，Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100021，China; 3． Civil and Environmental Engineering School，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083， China; 4． College of Urban Construction，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China) Abstract: According to the present increasing severity of sludge treatment and disposal problems，the status of research and development in sludge reduction technologies are expounded in aspects of physical，chemical and biological processes． The basic principle，characteristics and existing problems of each process are introduced． Based on the research progresses at home and abroad，the development direction of sludge reduction technologies is put forward． Key words: excess sludge; sludge reduction; sludge generation rate; uncoupling; biological treatment 好氧生物废水处理技术日趋成熟，其中活性污 泥法是目前世界上应用最为广泛的废水生物处理 工艺。但该工艺的主要缺点是在运行过程中会产 生大量剩余污泥［1］。剩余污泥处理装置的投资和 运行费用约占整个废水处理厂投资及运行费用的 25% ～ 65%［2］，巨大的污泥处置费用已成为废水生 物处理技术面临的严峻问题。为解决这一问题，20 世纪 90 年代产生了新的污泥处理与处置概念——— 污泥减量化技术。污泥减量化是指在保证整个废 水处理系统处理效能的前提下，采用适当的物理、 化学和生物方法，使向外排放的固体生物量达到最 小，从而实现从源头上减少污泥的产量［3］。当前对 污泥减量化技术的研究已成为国内外关注的焦点。 本文对国内外污泥减量化技术的研究现状和 最新研究进展进行了综合概述，并对污泥减量化技 术进行了展望。 1 基于物理方法的污泥减量化技术 1． 1 机械破碎技术 机械破碎法即利用机械压力所产生的能量将 微生物细胞壁打破，使细胞内的物质释放出来，从 而使污泥量得到削减。Strünkmann 等［4］对球磨破 碎和高压搅拌技术实现污泥减量的可应用性进行 ·506·
第6期 鲁智礼等污泥减量化技术研究进展 了比较研究,同时运行两组不同污泥龄的机械破碎一体的新型废水处理系统。该系统包括3个子系 法与膜生物法组合工艺,低污泥龄(20d)的污泥产统∷传统的A2/O除磷系统、污泥臭氧氧化接触反应 率(每单位COD中含有的总悬浮固体(TSS)质量,器系统和磷吸附系统。 下同)为0.19g/g,而高污泥龄(54d)的组合工艺 目前,国外虽已将臭氧氧化技术应用于二级废 的污泥产率仅为0.06g/g。从而得出在高污泥龄条水生物处理系统的污泥减量,但存在的一系列问题 件下机械破碎法与膜生物法组合工艺可显著减小还有待于进一步硏究,如:臭氧氧化作用不具有选 污泥产率。但由于机械破碎法需要能耗较高,且能择性,也能与其他还原物质反应,使一些难降解有 量利用率低,限制了其规模应用。 机物随水流出;对氮磷的去除效果不好;无污泥排 1.2超声波技术 放时,重金属会在污泥中积累等 超声波技术通过交替的扩张和压缩作用使水2.1.2氯氧化技术 体产生空化作用,由空化作用而引起的强大的水力 氯气也是一种十分活泼的氧化剂,其污泥减量 剪切力对破解污泥微生物细胞有很好的效果,同时的原理同臭氧氧化技术基本相同,均是利用其氧化 也可改善污泥水解速率缓慢的问题的。 Mohammadi性破解微生物细胞壁,释放出细胞质被微生物二次 等在中试规模的SBR中考察了超声波对污泥减利用。 Takdastan等证明了氯气氧化污泥减量的 量的影响。实验结果表明:增加超声波强度可以提可行性。采用两个SBR进行对比实验,经80d的 高污泥减量效果;但当每千克ⅤSS吸收的能量超过运行,实验结果表明:当每克MLSS的氯气加入量 35MJ时,进一步增加能量对污泥减量效果几乎没为15mg时,污泥可减量48%;但出水中溶解性 有影响。Li等的在稳定的连续流系统中采用超声COD略有上升,投加氯气的反应器和未投加氯气的 波处理剩余污泥,在声能密度为0.4W/mL、超声时反应器的COD去除率分别为55%和95%。 间为5min污泥回流比为1:24时,剩余污泥体积 从经济效益的角度考虑,氯氧化的运行成本低 减少90%以上,且出水水质稳定。超声波污泥减量廉。但是在氯氧化过程中,氯气能够和污泥中的有 技术对声能的利用效率低且能耗大,但若将该工艺机物反应生成三氯甲烷等毒性副产物。 与其他污泥处置工艺相结合,同时优化运行参数、2.1.3 Fenton试剂氧化技术 提高超声效率,则其组合工艺在工程上的应用前景 Fenton试剂是一种氧化能力极强的试剂,能破 将会十分广阔 解微生物细胞壁,使细胞中的有机物质得以释放和 2基于化学方法的污泥减量化技术 溶解,破解后的污泥回流到生物反应系统中,被微 生物二次利用,以达到污泥减量的目的。He等 2.1氧化技术 采用MBR和 Fenton试剂氧化技术组合工艺与单独 2.1.1臭氧氧化技术 的MBR工艺进行对比实验,把经 Fenton试剂氧化 臭氧污泥减量化技术是基于臭氧的强氧化性,破解后的剩余污泥的pH调至7.0,再回流到MBR 使部分活性污泥被直接氧化成CO2和水等无机物,中。经过60d的运行,对照组MBR工艺的污泥产 部分活性污泥溶解成可生物降解的有机物。率(以MLS计)为0.150g/g;MBR和 Fenton试剂 Kamiya等采用传统的好氧反应系统,在每克TSS氧化技术组合工艺的污泥产率(以MLSS计)仅为 的臭氧加入量为0.01g的条件下,污泥量减少率可0.006g/g,且 MLVSS与MLSS的比值稳定在0.8 达50%;当每克TSS的臭氧加入量达0.02g时,可出水COD和TN去除率均优于对照组,证明 Fenton 以实现污泥零排放。Lee等在低温下将活性污泥试剂氧化技术有较好的污泥减量效果。影响 Fenton 工艺和臭氧氧化工艺组合,进行中试实验,先按每试剂氧化性能的因素包括废水pH、反应温度和催化 千克SS0.05kg的加入量向剩余污泥中加入臭氧,剂种类等多个方面。因此,该技术的广泛应用还有 进行破解,然后回流到生化反应器中,经过112d的赖于对其污泥减量的影响因素进行更深入的研究。 运行,其间无剩余污泥排放。在臭氧污泥减量过程2.2解偶联技术 中,污泥中的氮和磷因臭氧氧化作用而溶解在上清2.2.1投加解偶联剂 液中,并在系统中积累,导致出水中氮磷浓度升高。 大部分解偶联剂(如甲酚、2,6-二氯苯酚和对 Kondo等圓针对系统中营养物去除和磷积累问题硝基苯酚等)为脂溶性小分子物质,其作用机理是 进行了积极探索,并研制出集污泥减量与磷回收于通过与H’结合,减小细胞膜对H'的阻力,使H'跨 21994-2015ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 6 期 鲁智礼等． 污泥减量化技术研究进展 了比较研究，同时运行两组不同污泥龄的机械破碎 法与膜生物法组合工艺，低污泥龄( 20 d) 的污泥产 率( 每单位 COD 中含有的总悬浮固体( TSS) 质量， 下同) 为 0． 19 g /g，而高污泥龄( 54 d) 的组合工艺 的污泥产率仅为0． 06 g /g。从而得出在高污泥龄条 件下机械破碎法与膜生物法组合工艺可显著减小 污泥产率。但由于机械破碎法需要能耗较高，且能 量利用率低，限制了其规模应用。 1． 2 超声波技术 超声波技术通过交替的扩张和压缩作用使水 体产生空化作用，由空化作用而引起的强大的水力 剪切力对破解污泥微生物细胞有很好的效果，同时 也可改善污泥水解速率缓慢的问题［5］。Mohammadi 等［6］在中试规模的 SBR 中考察了超声波对污泥减 量的影响。实验结果表明: 增加超声波强度可以提 高污泥减量效果; 但当每千克 VSS 吸收的能量超过 35 MJ 时，进一步增加能量对污泥减量效果几乎没 有影响。Liu 等［7］在稳定的连续流系统中采用超声 波处理剩余污泥，在声能密度为 0． 4 W /mL、超声时 间为 5 min、污泥回流比为 1 ∶ 24 时，剩余污泥体积 减少 90% 以上，且出水水质稳定。超声波污泥减量 技术对声能的利用效率低且能耗大，但若将该工艺 与其他污泥处置工艺相结合，同时优化运行参数、 提高超声效率，则其组合工艺在工程上的应用前景 将会十分广阔。 2 基于化学方法的污泥减量化技术 2． 1 氧化技术 2． 1． 1 臭氧氧化技术 臭氧污泥减量化技术是基于臭氧的强氧化性， 使部分活性污泥被直接氧化成 CO2和水等无机物， 部分 活 性 污 泥 溶 解 成 可 生 物 降 解 的有机物。 Kamiya等［8］采用传统的好氧反应系统，在每克 TSS 的臭氧加入量为 0． 01 g 的条件下，污泥量减少率可 达 50% ; 当每克 TSS 的臭氧加入量达 0． 02 g 时，可 以实现污泥零排放。Lee 等［9］在低温下将活性污泥 工艺和臭氧氧化工艺组合，进行中试实验，先按每 千克 SS 0． 05 kg 的加入量向剩余污泥中加入臭氧， 进行破解，然后回流到生化反应器中，经过 112 d 的 运行，其间无剩余污泥排放。在臭氧污泥减量过程 中，污泥中的氮和磷因臭氧氧化作用而溶解在上清 液中，并在系统中积累，导致出水中氮磷浓度升高。 Kondo 等［10］针对系统中营养物去除和磷积累问题 进行了积极探索，并研制出集污泥减量与磷回收于 一体的新型废水处理系统。该系统包括 3 个子系 统: 传统的 A2 /O 除磷系统、污泥臭氧氧化接触反应 器系统和磷吸附系统。 目前，国外虽已将臭氧氧化技术应用于二级废 水生物处理系统的污泥减量，但存在的一系列问题 还有待于进一步研究，如: 臭氧氧化作用不具有选 择性，也能与其他还原物质反应，使一些难降解有 机物随水流出; 对氮磷的去除效果不好; 无污泥排 放时，重金属会在污泥中积累等。 2． 1． 2 氯氧化技术 氯气也是一种十分活泼的氧化剂，其污泥减量 的原理同臭氧氧化技术基本相同，均是利用其氧化 性破解微生物细胞壁，释放出细胞质被微生物二次 利用。Takdastan 等［11］证明了氯气氧化污泥减量的 可行性。采用两个 SBR 进行对比实验，经 80 d 的 运行，实验结果表明: 当每克 MLSS 的氯气加入量 为 15 mg 时，污泥可减量 48% ; 但出水 中 溶 解 性 COD 略有上升，投加氯气的反应器和未投加氯气的 反应器的 COD 去除率分别为 55% 和 95% 。 从经济效益的角度考虑，氯氧化的运行成本低 廉。但是在氯氧化过程中，氯气能够和污泥中的有 机物反应生成三氯甲烷等毒性副产物。 2． 1． 3 Fenton 试剂氧化技术 Fenton 试剂是一种氧化能力极强的试剂，能破 解微生物细胞壁，使细胞中的有机物质得以释放和 溶解，破解后的污泥回流到生物反应系统中，被微 生物二次利用，以达到污泥减量的目的。He 等［12］ 采用 MBR 和 Fenton 试剂氧化技术组合工艺与单独 的 MBR 工艺进行对比实验，把经 Fenton 试剂氧化 破解后的剩余污泥的 pH 调至 7． 0，再回流到 MBR 中。经过 60 d 的运行，对照组 MBR 工艺的污泥产 率( 以 MLSS 计) 为 0． 150 g /g; MBR 和 Fenton 试剂 氧化技术组合工艺的污泥产率( 以 MLSS 计) 仅为 0． 006 g /g，且 MLVSS 与 MLSS 的比值稳定在0． 85， 出水 COD 和 TN 去除率均优于对照组，证明 Fenton 试剂氧化技术有较好的污泥减量效果。影响 Fenton 试剂氧化性能的因素包括废水 pH、反应温度和催化 剂种类等多个方面。因此，该技术的广泛应用还有 赖于对其污泥减量的影响因素进行更深入的研究。 2． 2 解偶联技术 2． 2． 1 投加解偶联剂 大部分解偶联剂( 如甲酚、2，6 － 二氯苯酚和对 硝基苯酚等) 为脂溶性小分子物质，其作用机理是 通过与 H + 结合，减小细胞膜对 H + 的阻力，使 H + 跨 ·507·
EN VIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY 011年第31卷 过细胞膜,造成细胞膜两侧的质子梯度降低,不足SBR系统中控制低溶解氧时,异养微生物可以利用 以促使三磷酸腺苷(ATP)酶合成ATP,氧化过程中硝酸盐作为电子受体,当系统中发生厌氧反硝化 所产生的能量最终以热的形式被释放,从而降低了时,污泥产量明显减小,而且出水水质良好。虽然 污泥产量。Ma等圓在SBR活性污泥系统中,研究低溶解氧条件下污泥减量工艺运行成本低,但其机 2,6-二氯苯酚解偶联剂与Cu3ˉ协同作用下的污泥理尚不明确,有待深入研究。 减量效果。当2,6-二氯苯酚加入量为20mg/L、2.2.3好氧一沉淀一厌氧(OSA)工艺 Cu2+加入量为1mg/L时,系统连续运行30d,污泥 在厌氧条件下,好氧微生物的分解代谢受到抑 量减少率达75%,出水COD仅比投加解偶联剂实制,微生物本身没有足够的能量用于自身的生长 验前高7%,同时出水中2,6-二氯苯酚质量浓度仅必须利用体内贮存的ATP作为能源维持正常的生 为0.28mg/L,Cu2+的去除率更达90%以上。理活动。因此,处于此阶段的微生物细胞在好氧阶 Zheng等研究了分别以2,4,5-三氯苯酚(TCP)段所贮存的ATP将被大量消耗,合成代谢因能量不 和丙二酸(MA)作为解偶联剂对SBR系统污泥减足而受到抑制,细胞自身的合成不能够进行,导致 量的影响。研究表明:当TCP加入量为2mg/L时,形成分解代谢与合成代谢的解偶联,从而使污泥产 可以实现污泥量减少率约47%,同时COD去除率率降低。基于此理论而形成的OSA工艺可以实现 和污泥的沉降性能不受影响;当MA加入量为10污泥减量的目的。Su等研究了OSA工艺中污 mg/L时,可实现30%的污泥量减少率,但COD去泥在厌氧和好氧段之间的交替次数对污泥减量的 除率减小,同时严重破坏了污泥的沉降性能。 影响。当污泥在厌氧和好氧段每天交替1次时,污 投加解偶联剂无需改变原有工艺设备就可实泥量减少率达52.8%;当每天交替4次时,可实现污 现污泥减量,但大部分解偶联剂是生物异源物质且泥量减少率η.4%。实验证明污泥在厌氧和好氧段 不易降解或对生物有毒害作用,会给水处理和环境的每天交替次数对OSA工艺的污泥减量至关重要。 带来新的污染。因此对解偶联剂的应用应持谨慎 OSA工艺的污泥产率低且沉降性能好,适宜于 态度,同时应对解偶联污泥减量机理和对营养物质处理高浓度有机废水且对磷的去除效果好;但OSA 去除的影响做更加深入的研究。 工艺的HRT较长,在进水有机物浓度较低的情况 2.2.2控制溶解氧浓度解偶联 下,对氮等营养物质的去除效果不好。未来应在缩 在高浓度溶解氧条件下,微生物氧化有机物的短OSA工艺的HRT和提高其出水水质等方面进行 速率加快,ATP的产生量也随之增加。由于ATP合深入研究,以期发挥其最大优势。 成酶在ATP浓度较高时会对ATP进行水解,可能 会形成质子,从而发生解偶联代谢。 Abbass等3基于生物方法的污泥减量化技术 的实验表明污泥产率与有机负荷和氧浓度有关,从3.1生物捕食 而建立了污泥絮体中底物去除率、氧利用效率和污3.1.1接种微生物 泥产率之间的数学模型,其研究结果证明高溶解氧 从生态学角度考虑,能量在食物链中由低营养 浓度可以减小污泥产率,从而使污泥减量。 Zhang级向高营养级传递时发生损失,且能量损失总量越 等圓研究了压力作用下生物接触氧化过程中污泥大,生物产生量越小。基于此理论,延长食物链和 减量的技术参数特征,表明高溶解氧浓度对污泥减强化食物链中的生物捕食作用均可以达到污泥减 量起了关键性作用。采用高浓度溶解氧解偶联技量的目的。 huang等圆将传统活性污泥系统与接 术无需对原有设备进行大规模改造,仅需增加曝气种了嬗蚓的再生污泥反应系统组合,通过再生污泥 量,操作简便易行。但是要维持髙浓度溶解氧就必反应系统中的蠙蚓捕食作用实现污泥减量。其污 须增加曝气量,势必要增加运行能耗和费用,从而泥减量效率为每天每毫克蟑蚓减少0.18 mg vss, 增加运行成本,制约了其工业应用。 最高可达每天每毫克嬗蚓减少0.81mgⅤSs。嬗蚓 在低溶解氧条件下,也可取得一定的污泥减量的存在对COD和NH-N去除率没有影响,有助 效果。胡学斌等着重研究了低溶解氧浓度对污于污泥沉降性能的提高,TP去除率减小5%左右。 泥减量的影响,研究表明在低溶解氧条件下投加低Song等即对红斑瓢体虫的密度和生长速率对污泥 剂量TCP时,SBR系统实现污泥量减少率34.6%,减量效果的影响进行了一系列实验,结果表明:红 并可同时获得良好的除磷脱氮效果。Peng等在斑瓢体虫的生长速率与经超声杀菌溶胞后污泥中 21994-2015ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
化 工 环 保 ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY 2011 年第 31 卷 过细胞膜，造成细胞膜两侧的质子梯度降低，不足 以促使三磷酸腺苷( ATP) 酶合成 ATP，氧化过程中 所产生的能量最终以热的形式被释放，从而降低了 污泥产量。Ma 等［13］在 SBR 活性污泥系统中，研究 2，6 － 二氯苯酚解偶联剂与 Cu2 + 协同作用下的污泥 减量效果。当 2，6 － 二氯苯酚加入量为 20 mg /L、 Cu2+ 加入量为 1 mg /L 时，系统连续运行 30 d，污泥 量减少率达 75% ，出水 COD 仅比投加解偶联剂实 验前高 7% ，同时出水中 2，6 － 二氯苯酚质量浓度仅 为 0． 28 mg /L，Cu2 + 的 去 除 率 更 达 90% 以 上。 Zheng 等［14］研究了分别以 2，4，5 － 三氯苯酚( TCP) 和丙二酸( MA) 作为解偶联剂对 SBR 系统污泥减 量的影响。研究表明: 当 TCP 加入量为 2 mg /L 时， 可以实现污泥量减少率约 47% ，同时 COD 去除率 和污泥的沉降性能不受影响; 当 MA 加入量为 10 mg /L 时，可实现 30% 的污泥量减少率，但 COD 去 除率减小，同时严重破坏了污泥的沉降性能。 投加解偶联剂无需改变原有工艺设备就可实 现污泥减量，但大部分解偶联剂是生物异源物质且 不易降解或对生物有毒害作用，会给水处理和环境 带来新的污染。因此对解偶联剂的应用应持谨慎 态度，同时应对解偶联污泥减量机理和对营养物质 去除的影响做更加深入的研究。 2． 2． 2 控制溶解氧浓度解偶联 在高浓度溶解氧条件下，微生物氧化有机物的 速率加快，ATP 的产生量也随之增加。由于 ATP 合 成酶在 ATP 浓度较高时会对 ATP 进行水解，可能 会形成质子，从而发生解偶联代谢。Abbassi等［15］ 的实验表明污泥产率与有机负荷和氧浓度有关，从 而建立了污泥絮体中底物去除率、氧利用效率和污 泥产率之间的数学模型，其研究结果证明高溶解氧 浓度可以减小污泥产率，从而使污泥减量。Zhang 等［16］研究了压力作用下生物接触氧化过程中污泥 减量的技术参数特征，表明高溶解氧浓度对污泥减 量起了关键性作用。采用高浓度溶解氧解偶联技 术无需对原有设备进行大规模改造，仅需增加曝气 量，操作简便易行。但是要维持高浓度溶解氧就必 须增加曝气量，势必要增加运行能耗和费用，从而 增加运行成本，制约了其工业应用。 在低溶解氧条件下，也可取得一定的污泥减量 效果。胡学斌等［17］着重研究了低溶解氧浓度对污 泥减量的影响，研究表明在低溶解氧条件下投加低 剂量 TCP 时，SBR 系统实现污泥量减少率 34． 6% ， 并可同时获得良好的除磷脱氮效果。Peng 等［18］在 SBR 系统中控制低溶解氧时，异养微生物可以利用 硝酸盐作为电子受体，当系统中发生厌氧反硝化 时，污泥产量明显减小，而且出水水质良好。虽然 低溶解氧条件下污泥减量工艺运行成本低，但其机 理尚不明确，有待深入研究。 2． 2． 3 好氧—沉淀—厌氧( OSA) 工艺 在厌氧条件下，好氧微生物的分解代谢受到抑 制，微生物本身没有足够的能量用于自身的生长， 必须利用体内贮存的 ATP 作为能源维持正常的生 理活动。因此，处于此阶段的微生物细胞在好氧阶 段所贮存的 ATP 将被大量消耗，合成代谢因能量不 足而受到抑制，细胞自身的合成不能够进行，导致 形成分解代谢与合成代谢的解偶联，从而使污泥产 率降低。基于此理论而形成的 OSA 工艺可以实现 污泥减量的目的。Sun 等［19］研究了 OSA 工艺中污 泥在厌氧和好氧段之间的交替次数对污泥减量的 影响。当污泥在厌氧和好氧段每天交替 1 次时，污 泥量减少率达 52． 8% ; 当每天交替 4 次时，可实现污 泥量减少率 77． 4%。实验证明污泥在厌氧和好氧段 的每天交替次数对 OSA 工艺的污泥减量至关重要。 OSA 工艺的污泥产率低且沉降性能好，适宜于 处理高浓度有机废水且对磷的去除效果好; 但 OSA 工艺的 HRT 较长，在进水有机物浓度较低的情况 下，对氮等营养物质的去除效果不好。未来应在缩 短 OSA 工艺的 HRT 和提高其出水水质等方面进行 深入研究，以期发挥其最大优势。 3 基于生物方法的污泥减量化技术 3． 1 生物捕食 3． 1． 1 接种微生物 从生态学角度考虑，能量在食物链中由低营养 级向高营养级传递时发生损失，且能量损失总量越 大，生物产生量越小。基于此理论，延长食物链和 强化食物链中的生物捕食作用均可以达到污泥减 量的目的。Huang 等［20］将传统活性污泥系统与接 种了蟺蚓的再生污泥反应系统组合，通过再生污泥 反应系统中的蟺蚓捕食作用实现污泥减量。其污 泥减量效率为每天每毫克蟺蚓减少 0． 18 mg VSS， 最高可达每天每毫克蟺蚓减少 0． 81 mg VSS。蟺蚓 的存在对 COD 和 NH+ 4 － N 去除率没有影响，有助 于污泥沉降性能的提高，TP 去除率减小 5% 左右。 Song 等［21］对红斑瓢体虫的密度和生长速率对污泥 减量效果的影响进行了一系列实验，结果表明: 红 斑瓢体虫的生长速率与经超声杀菌溶胞后污泥中 ·508·
第6期 鲁智礼等污泥减量化技术研究进展 509 的可利用挥发性有机物(ASS)成正比,当AⅤSS量。以解偶联代谢、维持代谢、生物强化及生物捕 质量浓度大于3000mg/L时,红斑瓢体虫的密度达食为理论基础的生物污泥减量化技术已逐渐应用 到最大;当红斑瓢体虫的密度为315条/mL时,污到废水生物处理工艺中,从经济和环境效益的角度 泥减量的速率达最大,为445mg/(L·d)。 考虑,生物污泥减量化技术将是未来发展的重要方 3.1.2两段式生物相分离技术 向之一。如何解决生物污泥减量工艺中出水氮、磷 两段式生物相分离技术即第一段为分散细菌超标的问题是今后关注的重点。以现有活性污泥 培养阶段,在无污泥停留的情况下,保持细菌快速处理工艺为基础,与污泥减量技术组合进行污泥减 分散生长而不形成菌胶团,并对废水中的有机物进量化工艺开发将会是今后研究的热点。 行高速降解;第二段为生物捕食阶段,主要为原、后 参考文献 生动物提供良好的生长条件,维持一定的原、后生 动物数量,对污泥中的微生物进行捕食、减量。Feng黄树焕,汤兵,阮宜平.膜生物反应器中污泥自消化技 等凹对三相流化床生物反应器(TFB)和污泥减量 术进展D.化工环保,2009,29(2):135-138 固定床生物反应器(SFB)两段式反应器进行研究。2 Liu yu,TaJ. Strategy for minimization of exe 废水经过第一段TFB时碳和氮化合物被去除,产生 sludge production from the activated sludge process [] 的剩余污泥和有机碳剩余物流入第二段SFB,通过 Biotechnol Adv, 2001, 19(2) 微型动物的捕食进行进一步的降解。通过470d的 3] Wei Yuansong, Houten R T V, Borger A R, et al 连续运行,COD去除率可达95%,TN去除率约为 Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment [] Water Res, 2003, 37(18) 25%~55%,SS由TFB流出时的160mg/L降为 4453-4467 SFB流出时的28mg/L,污泥减量效果良好。由于 4 Strilinkmann G W, Muller JA, Albert F,eta.Ree 两段式生物相分离法的第一段HRT较长,大大增加 tion of excess sludge production using mechanical disin- 了反应器容积、投资和运行成本。因此,两段式生物 tegration devices [. Water Sci Technol, 2006, 54(5) 相分离技术还需对各项运行参数进行进一步优化。 3.2膜生物技术 5]余林锋,汤兵,余国骏.超声波调理污泥的研究进展 膜生物技术是指将污泥截留在膜反应器内,以 D.化工环保,2007,27(5):426-430 延长污泥泥龄,加强微生物的分解和代谢作用,使】 Mohammadi A F, Mehrdadi N, Bidhendi G N,ta 污泥得到降解,从而实现污泥减量。 Rosenberger Excess sludge reduction using ultrasonic waves in bio- 等对MBR进行了3年的中试规模研究,在整个 ogical wastew ater treatment [].Desalination,2011, 275(1-3):67-73. 运行期间实现了污泥零排放。虽然膜生物法很好 1] Liu Yongde, Liu Jun, Zhao Jinhong. Factors Analysis 地实现了污泥减量,甚至实现了污泥零排放,但是 Ultrasonic Sludge reduction in Continuous Flow s 对氮和磷等营养物的去除率不高。为解决这一问 tem [C]. The 3rd International Conference on Bioinfor- 题,目前多将膜生物法与其他工艺进行组合。Banu matics and Biomedical Engineering, Beijing IEEE 等对A2/O-MBR组合工艺对污泥减量和除磷 2009:1-4 的效果进行了研究,结果表明该组合工艺在实现污8] Kamiya t, Hitsuji J. New combined system of bi 泥减量的同时,磷去除率高达74%~82%。但由于 logical process and intermittent ozonation for advanced MBR易发生污堵而使膜通量减小,影响膜的使用且 wastewater treatment []. Water Sci Technol, 1998, 38 导致费用上升,这极大地限制了该技术的大规模应 (8-9):145-153. 用,所以如何控制膜污染将会是未来研究的重点。 Lee J W, Cha H Y, Park K Y, et al. Operational strat- egies for an activated sludge process inconjunction with 4展望 ozone oxidation for zero excess sludge production during winter season [. Water Res, 2005, 39(7): 1199-1204 随着废水处理能力和处理效率的提高,污泥的0] Kondo t, Tsuneda S, Ebie y,etal. Improvement of 产量也在急剧增加,污泥的处理成本和处理难度也 nutrient removal and phosphorus recovery in the anae- 随之增加,污泥减量化技术的发展显得尤为重要 anoxic process combined with sludge ozo 目前,污泥减量化的发展重点主要集中在污泥产生 nation and phosphorus adsorption []. Water Environ 过程中实现污泥减量和污泥产生后减少污泥排放 Technol,2009,7(2):135-142. 21994-2015ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 6 期 鲁智礼等． 污泥减量化技术研究进展 的可利用挥发性有机物( AVSS) 成正比，当 AVSS 质量浓度大于 3 000 mg /L 时，红斑瓢体虫的密度达 到最大; 当红斑瓢体虫的密度为 315 条/mL 时，污 泥减量的速率达最大，为 445 mg /( L·d) 。 3． 1． 2 两段式生物相分离技术 两段式生物相分离技术即第一段为分散细菌 培养阶段，在无污泥停留的情况下，保持细菌快速 分散生长而不形成菌胶团，并对废水中的有机物进 行高速降解; 第二段为生物捕食阶段，主要为原、后 生动物提供良好的生长条件，维持一定的原、后生 动物数量，对污泥中的微生物进行捕食、减量。Feng 等［22］对三相流化床生物反应器( TFB) 和污泥减量 固定床生物反应器( SFB) 两段式反应器进行研究。 废水经过第一段 TFB 时碳和氮化合物被去除，产生 的剩余污泥和有机碳剩余物流入第二段 SFB，通过 微型动物的捕食进行进一步的降解。通过 470 d 的 连续运行，COD 去除率可达 95% ，TN 去除率约为 25% ～ 55% ，SS 由 TFB 流出时的 160 mg /L 降为 SFB 流出时的 28 mg /L，污泥减量效果良好。由于 两段式生物相分离法的第一段 HRT 较长，大大增加 了反应器容积、投资和运行成本。因此，两段式生物 相分离技术还需对各项运行参数进行进一步优化。 3． 2 膜生物技术 膜生物技术是指将污泥截留在膜反应器内，以 延长污泥泥龄，加强微生物的分解和代谢作用，使 污泥得 到 降 解，从而实现污泥减量。Rosenberger 等［23］对 MBR 进行了 3 年的中试规模研究，在整个 运行期间实现了污泥零排放。虽然膜生物法很好 地实现了污泥减量，甚至实现了污泥零排放，但是 对氮和磷等营养物的去除率不高。为解决这一问 题，目前多将膜生物法与其他工艺进行组合。Banu 等［24］对 A2 /O － MBR 组合工艺对污泥减量和除磷 的效果进行了研究，结果表明该组合工艺在实现污 泥减量的同时，磷去除率高达 74% ～ 82% 。但由于 MBR 易发生污堵而使膜通量减小，影响膜的使用且 导致费用上升，这极大地限制了该技术的大规模应 用，所以如何控制膜污染将会是未来研究的重点。 4 展望 随着废水处理能力和处理效率的提高，污泥的 产量也在急剧增加，污泥的处理成本和处理难度也 随之增加，污泥减量化技术的发展显得尤为重要。 目前，污泥减量化的发展重点主要集中在污泥产生 过程中实现污泥减量和污泥产生后减少污泥排放 量。以解偶联代谢、维持代谢、生物强化及生物捕 食为理论基础的生物污泥减量化技术已逐渐应用 到废水生物处理工艺中，从经济和环境效益的角度 考虑，生物污泥减量化技术将是未来发展的重要方 向之一。如何解决生物污泥减量工艺中出水氮、磷 超标的问题是今后关注的重点。以现有活性污泥 处理工艺为基础，与污泥减量技术组合进行污泥减 量化工艺开发将会是今后研究的热点。 参 考 文 献 ［1］ 黄树焕，汤兵，阮宜平． 膜生物反应器中污泥自消化技 术进展［J］． 化工环保，2009，29( 2) : 135 － 138． ［2］ Liu Yu，Tav J H． Strategy for minimization of excess sludge production from the activated sludge process［J］． Biotechnol Adv，2001，19( 2) : 97 － 107． ［3］ Wei Yuansong，Houten R T V，Borger A R，et al． Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment［J］． Water Res，2003，37 ( 18) : 4453 － 4467． ［4］ Strünkmann G W，Müller J A，Albert F，et al． Reduction of excess sludge production using mechanical disintegration devices［J］． Water Sci Technol，2006，54( 5) : 69 － 76． ［5］ 余林锋，汤兵，余国骏． 超声波调理污泥的研究进展 ［J］． 化工环保，2007，27( 5) : 426 － 430． ［6］ Mohammadi A R，Mehrdadi N，Bidhendi G N，et al． Excess sludge reduction using ultrasonic waves in biological wastewater treatment［J］． Desalination，2011， 275( 1 － 3) : 67 － 73． ［7］ Liu Yongde，Liu Jun，Zhao Jinhong． Factors Analysis on Ultrasonic Sludge Reduction in Continuous Flow System［C］． The 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering， Beijing: IEEE， 2009: 1 － 4． ［8］ Kamiya T，Hirotsuji J． New combined system of biological process and intermittent ozonation for advanced wastewater treatment［J］． Water Sci Technol，1998，38 ( 8 － 9) : 145 － 153． ［9］ Lee J W，Cha H Y，Park K Y，et al． Operational strategies for an activated sludge process inconjunction with ozone oxidation for zero excess sludge production during winter season［J］． Water Res，2005，39 ( 7) : 1199 －1204． ［10］ Kondo T，Tsuneda S，Ebie Y，et al． Improvement of nutrient removal and phosphorus recovery in the anaerobic /oxic /anoxic process combined with sludge ozonation and phosphorus adsorption［J］． Water Environ Technol，2009，7( 2) : 135 － 142． ·509·
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