臭氧氧化法活性污泥零排放技术的基础研究

徐继虹

【摘 要】在污水处理环节中，污泥是不可避免的固体废弃物，为了实现污泥的无害化、减量化、资源化，国内外水处理领域研究人员提出了诸多理念和研究了多项技术，臭氧氧化法是其中之一。臭氧氧化法处理活性污泥，是通过氧化将活性污泥变成可生物降解的有机物，然后回流到生化处理环节，被微生物利用、降解，从而实现对活性污泥的零排放。本文主要围绕臭氧氧化法展开，分析并探讨其作为活性污泥零排放技术的理论基础和研究应用进展，推动我国水处理领域污泥零排放技术发展。

【关键词】活性污泥;污泥零排放技术;臭氧氧化法

引言：

生物处理法是污水处理领域中十分重要的处理工艺类别之一，能耗低、出水质量稳定、成本低、无二次污染、抗冲击能力强，在城市、城镇、乡村污水处理领域发挥了重要的作用。但随着生物处理法的大面积应用，生物处理环节中产出的污泥如何处理也成为不可不重视的问题。污泥的产量每年都在递增，年产量早已经超出3000万吨，污泥的处理费用占污水处理厂运转成本的20%以上，污泥堆放、填埋会侵占土地、污染土壤和地下水、产生有毒有害气体。因此，对污泥进行无害化、减量化、资源化处理是必然趋势。

1.臭氧氧化法

臭氧是一种强氧化剂，氧化还原电位仅次于氟，且分子中的氧原子表现出强烈的亲电子性，所以臭氧在空气或水体中分解形成的氧原子具有很高的氧化能力。臭氧在空气中的分解速率与臭氧的浓度、温度成正比，在水体中的分解速率与水体pH值成正比，从分解速度上来看水体中的臭氧分解速度快于空气中的。臭氧氧化反应过程可分为直接反应和间接反应两种，其中直接反应是臭氧的主要氧化途径。臭氧氧化法使污泥减量的反应原理：活性污泥本身为活性污泥法等生物处理工艺的产物，其中包括无机物、难降解的有机物、有活性的微生物、微生物代谢产物等。通过投加臭氧可以破坏微生物的结构，释放出蛋白质、核酸等容易被降解的物质，破坏菌胶团的存在比例，提高活性污泥的可降解程度，从而实现污泥产量的降低，甚至污泥零排放。传统生物处理工艺中，污泥回流设施的目的主要在于保持生物处理池体中活性污泥的浓度，保证处理出水的水质，但由于菌胶团的存在，导致污泥产率较高。加入臭氧氧化环节后，重进进入生物处理池体的污泥可生化性提高，污泥产量必然大幅度降低。

2.以臭氧氧化为基础的活性污泥零排放技术研究进展

2.1 臭氧对污泥中固体物质的影响

对活性污泥进行臭氧氧化，能够促使污泥中的蛋白质、多聚糖、酯类化合物结构发生明显变化，这是因为臭氧氧化作用破坏了微生物的组织结构，使得微生物细胞中的蛋白质、糖类等物质流出。根据实验室实验数据可知，每克干污泥的臭氧投加量在0.38g时，蛋白质含量下降10%，多聚糖含量下降63%，有机碳含量下降40%;当投加量提升到0.5g时，蛋白质、多聚糖、有机物的含量下降90%以上，能够有效促成污泥回流后的生物降解作用，减少污泥的排放量。

2.2 臭氧对污泥液相成分的影响

臭氧破坏了微生物的组织结构，使得蛋白质、多聚糖、脂类化合物、核酸等物质被释放出来，从污泥中的固相转为液相，因此，与污泥固相变化相比，液相变化应当与之相反。污泥液相的成分变化多以COD、总有机碳TOC、总凯氏氮TKN等指标变化为标准。根据实验室实验数据可知，每克污泥上清液的臭氧投加量为从0上升到0.2g的过程中，剩余COD值、溶解COD值也一路上升，且上升速度非常快;每克污泥上清液的臭氧投加量为0.2g时，溶解COD值已经从0.06g/L上升值2.3g/L。

2.3 对污泥减量效果的影响

想要实现污泥增加量为0，臭氧氧化过程中的污泥回流比率需要控制适当，控制臭氧的浓度、臭氧与活性污泥的接触时长。每一个污水处理厂中建设的生物反应池或选用的生物反应器尺寸都各有不同，处理量与当地排水需求有较大关系，具体的污泥减量效果、污泥回流比率、臭氧接触时间、臭氧浓度需要进行实地实验计算。从相关领域研究人员的研究结果中可知，臭氧计量范围在每克干污泥0.03～0.05g内能够实现污泥减量效果与臭氧投加成本之间的平衡;臭氧化污泥体积流量在0.5～1%范围内，污泥产量是未加臭氧前的50～71%，并未能达到零排放。由此可见，理论上将生物处理工艺产生的剩余污泥全部进行臭氧氧化，然后进行回流，就可以实现污泥零排放，但实际操作过程中尚不能達到理想程度。

2.4 对脱氮除磷的影响

结合诸多有关臭氧氧化污泥减量的实验数据可知，臭氧氧化后进行污泥回流的处理方式对污水处理系统出水水质的影响很小，而且能够在一定程度上促进生物处理中的反硝化作用效率。在脱氮除磷方面，臭氧氧化+污泥回流的方式会影响污水处理系统中磷含量的去除和回收。在生物生态领域内，磷被越来越多的专家学者证实是一种不可再生的有限资源，污泥零排放会导致污水系统中堆积大量的磷，直接排放又会影响水体环境，进行磷的回收十分有必要。目前，已经有研究人员开发了集污泥零排放和磷回收为一体的处理系统，但双方必然进行一定的让步，污泥减量化但无法实现零排放，同时完成对磷元素尽可能多的回收。

3.臭氧氧化法活性污泥零排放技术的经济效益

传统污水处理过程中，污泥的脱水、干燥、焚烧、填埋等处理方式都需要消耗一定量的资金，这些也是污水处理厂运行成本的一部分。目前常见的污泥减量化处理方式中，利用H2O2进行污泥减量处理，成本是每吨1900欧;利用95℃环境热解进行污泥减量处理，成本每吨488欧，但减量效果只有33%，低于H2O2的50%;而利用臭氧氧化进行污泥减量处理，成本仅为每吨367欧，且减量效果可达到70%，优势一目可见。

结束语：

臭氧氧化法在对污泥中固体物质和上清液的处理效果、对污泥减量效果、脱氮除磷影响、经济效益等几个方面，都有一定的优势和可行性，是水处理领域中实现污泥减量化、零排放的重要技术手段之一。

参考文献：

[1]方斌. 臭氧氧化法活性污泥零排放技术的基础研究[D].天津科技大学，2012.

[2]邓雍. 臭氧氧化污泥的试验研究[D].重庆大学，2013.

[3]徐韦明，孙力平，赵乐振，郭建，刘艳辉. 臭氧氧化污泥工艺的剩余污泥零排放理论可行性研究[J]. 给水排水，2010，46（S1）：203-206.

（作者单位：中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司研究院）