污泥源头减量技术研究现状

李攀荣

（1.江西金达莱环保股份有限公司，江西 南昌 330000；2.江西省城市污水处理及高品质再生利用研究重点实验室，江西 南昌 330000）

1 引言

污水处理过程中会伴随着大量的有机剩余污泥产生，《2021 年中国生态环境统计年报》数据显示，2020 年全国污水厂污泥产量高达4 592.1 万t（含水率为80%）。污泥中往往富含病菌、寄生虫等有害微生物，需要进一步有效处置，否则会产生严重的二次污染。目前常用的污泥处理处置技术主要采用的是传统末端处置的方法，具体主要有卫生填埋、土地利用、好氧发酵（堆肥）、厌氧消化、干化焚烧、综合利用等。传统的污泥末端处理处置技术虽然可以一定程度地减少污泥的危害，实现污泥中有机或无机成分资源回收利用，但是同时也需要额外增加处理工段，提升了处理成本，且存在二次污染，环境经济效益不佳［1-2］。随着污水处理技术的快速发展，近年来污泥处理处置已经从末端处置向源头减量方向发展，并已逐渐成为当前的研究热点。

2 污水处理过程中污泥产率情况

目前，污水处理行业中的主流污水处理工艺主要有A2/O 工艺、SBR 工艺、氧化沟工艺以及近年来新兴的MBR 工艺等，不同工艺的污水厂的产泥率不尽相同。表1 为全国各地采用不同工艺的部分污水处理厂的污泥产率情况［3-9］。

表1 不同污水处理工艺的平均污泥产率

由表1 可知，不同污水厂的产泥率差异较大，其中以MBR 工艺平均污泥产率最低，主要原因是MBR 工艺中活性污泥浓度高、污泥负荷低，提高了系统的内源呼吸率，活性污泥絮体中有机物被作为底物分解代谢，实现污泥减量。表1 同时也表明，污泥产率会受到处理规模、处理工艺、进出水水质等多种因素的影响，这与王磊、张辰等研究结果相吻合［10-11］。

3 污泥源头减量技术研究现状

污泥减量技术可以分为末端处置和污泥源头减量。污泥末端处置是在污水产生之后进行稳定化、减量化、无害化处理，而污泥源头减量是在生化系统微生物新陈代谢过程中大幅降低污泥产率，实现污泥源头减量，为末端的污泥处置减轻负担，是解决污水厂污泥问题的有效途径［12］。目前污泥源头减量技术研究热点主要集中在微生物隐性增长技术、解偶联技术、微生物捕食技术等方面。

3.1 微生物隐性增长技术

微生物隐性增长技术是指利用物理作用、化学作用或生物作用等技术手段打破微生物细胞壁结构，使细胞内蛋白质、核苷酸等高分子难降解物质分解为小分子易降解物质，实现微生物溶胞和溶解死亡，促进微生物自身氧化，形成微生物隐性生长机制［13］。目前，行业内已经形成了超声波技术、臭氧氧化技术、嗜热酶溶解技术等几种比较成熟的微生物隐性增长技术。

3.1.1 超声波技术

利用超声波的空化效应，超声波强度达到一定值时，空化微小气泡会瞬间崩溃，产生的高温高压形成液体紊流状态，产生强大的剪切力，对活性污泥细胞壁进行破壁，释放内部物质溶解于水中，被微生物代谢降解，降低系统的污泥总产量［14］。研究表明，设置SBR 系统容积为7 L、功率密度为1.2 W/mL条件下超声15 min，可以减排污泥57.3%［15］。王梦杰等［16］利用超声槽尺寸为30 cm×24 cm×15 cm，频率为20 kHz 左右，功率为160～400 W 的超声波，发现当超声时间为30～40 s 时，SVI 下降了25.56%，约等于151 mL/g，污泥减量12%左右。朱广峰等［17］在浙江某污水处理厂建设了超声波污泥减量示范工程，当超声功率为15 kW 时，最大污泥处理量为120 m3/d，超声波污泥减量系统运行后实现污泥减量28.2%。

3.1.2 臭氧氧化技术

臭氧是一种强氧化剂、杀菌剂，可以在臭氧溶胞过程中实现对污泥的高效降解［18］。通过利用臭氧的强氧化性，打破微生物细胞壁和细胞膜的结构，瓦解细胞内部组织，直接将污泥等有机物质氧化，释放出CO2，H2O 等物质，从源头减少污泥的产量［19］。Kannah Y R 等［20］在体积为12 L 的MBR 工艺系统中通入26 mgO3/gTS，剩余污泥产率下降了35%左右。孙相娟等［21］进行9 m3/d 的A2/O 工艺污泥减量中试研究，在进水COD 约为360 mg/L、SS 约为40 mg/L、SRT 为75 d 的条件下，在回流污泥中充入浓度为380 mg/L 的臭氧，实现污泥减量25.92%。南京某化工园区集中式污水厂一期设计规模12 500 m3/d，工艺为MBBR+活性污泥法，平均进水COD 约为600 mg/L、TSS 为150 mg/L，SRT 为60 d，当向回流污泥中添加1.76 mgO3/gMLSS 臭氧，系统污泥表观产率系数下降超过40%［22］。

3.1.3 嗜热酶溶解技术

嗜热酶溶解技术是利用嗜热脂肪芽孢杆菌在高温状态（60～70 ℃）下，分泌出具有高强活性的胞外酶，通过酶促反应破坏细胞聚合物、降解细胞内蛋白质等大分子为可溶性的小分子物质，达到污泥减量的目的［23］。Shiota N 等［24］利用嗜热菌与好氧工艺相结合，进行5 m3中试规模实验，进水MLSS 为3 000～4 000 mg/L，在300 d 的运行监测中发现，添加有菌种的反应器较未添加菌种的实现了75%的污泥中有机物水解。Dumas C 等［25］利用好氧嗜热菌结合中温消化工艺，42 d 左右污泥降解率达到了20%～40%。李成涛等［26］在污泥培养基中接种嗜热脂肪地芽孢杆菌，在55 ℃、120 r/min、接种量为12%条件下，剩余污泥溶解率明显提高，较未接种菌种的系统实现污泥减量15.86%。

3.2 解偶联技术

当微生物细胞受到过剩能量基团、重金属、其他特殊物质等抑制性化合物或者特殊环境条件影响下，微生物的呼吸作用和合成代谢作用受到限制，代谢处于失衡状态，无法将ATP 能量全部用于细胞生长增殖，导致系统中微生物增殖速率下降，污泥产量降低［27］。当前，解偶联技术研究热点方向主要集中在化学解偶联剂、好氧—沉淀—厌氧（Oxic-Settling-Anaerobic，OSA）工艺、能量解偶联（高S0/X0比）等几个研究领域。

3.2.1 化学解偶联剂

常见的解偶联剂主要有酚类、苯胺类、氨基酸以及重金属离子等物质，通过在系统中添加解偶联剂，影响膜的传质作用，致使细胞膜内外质子浓度差降低，内外压差不足以驱动酶促反应，不仅ATP 的合成效率受到影响，而且细胞合成代谢效率下降，活性污泥微生物产量下降，污泥在原位实现减量。Li Ping等［28］向A2/O 工艺（厌氧段、缺氧段、好氧段有效容积分别为4 L，4 L，16 L）中分别添加1.6 mg/h 四氯水杨酸苯胺、40.0 mg/h 二氯酚、7.0 mg/h 四（羟甲基）硫酸磷，运行至85 d，污泥产量分别下降38.6%，43.4%，39.3%。马宗凯等［29］在间歇活性污泥培养装置（有效容积为13.2 L）中投加20 mg/L 的二氯苯酚和1 mg/L的Cu2+，进水COD 浓度为700 mg/L、MLSS 为2 500 mg/L 条件下连续运行30 d 后，污泥减量75%，表明Cu2+与解偶联剂协同作用可以实现污泥减量化的效果。赵迎雪［30］在9.5 L、污泥浓度为3 000 mg/L 的MBR 反应器中，添加120 mg/L 的3，3′，4′，5-四氯水杨酰苯胺，实现污泥产率下降高达47%～65%。

3.2.2 OSA 工艺

在传统活性污泥法中的污泥回流段设置厌氧反应环节，形成OSA 工艺。目前国内外的研究者均对其原理进行了深入研究，发现污泥衰减、微生物生长速率慢、微生物产物毒性等可能是OSA 工艺污泥减量的机理［31］。Sun L 等［32］以SBR 工艺为基础运行OSA 工艺，发现污泥减量与好氧—厌氧段交换次数有相关性，交换4 次，污泥减量率达77.4%。Ye Fenxia 等［33］研究了3 种中试规模的OSA 工艺，停留时间分别设置为5.5，7.6，11.5 h，运行7 个月后污泥减量率分别达到33%，23%和14%。Santo F C 等［34］设计了由厌氧反应器和垂直流澄清器等组成的中试规模OSA 工艺，水力停留时间为3 h、中温（35 ℃）条件下，实现污泥减量最高达80%。

3.2.3 能量解偶联（高S0/X0比）

当初始底物浓度和微生物浓度比值过高（S0/X0），系统微生物分解代谢作用和合成代谢作用速率失衡，分解速率大于合成速率，系统能量过剩，微生物产率系数降低，进而实现污泥减量化。实际污水厂S0/X0为0.01～0.13，远低于解偶联发生的理论临界值8，工程应用路途还很遥远［35］，相关研究文献较少。

3.3 微生物捕食技术

生化系统中存在以吞噬细菌等微生物为食的食物链顶端的微生物、原生动物、后生动物等，其大量吞食污水中活性污泥微生物，进而实现污泥减量化的目标。目前，研究者多以水蚯蚓、蠕虫、顠体虫、仙女虫等作为捕食微生物，研究污泥减量化效果［36］。熊雯［37］在某日处理2 万t 污水厂中，维持水蚯蚓接种密度1.2 g/L，可实现污泥削减52.43%～85.9%，污泥削减量高达64.20～169.84 mg/L，年削减绝干污泥240.9 t。娄红春［38］进行中试研究，采用处理规模为48 m3/d 的水解反硝化+AO 组合工艺，污泥浓度为3 000 mg/L 左右，接种土著水蚯蚓800 条/L，运行3 d后实现污泥减量10.19%。

污泥源头减量技术对比分析见表2［39-40］。

4 结语

相较成熟化应用的污泥末端处置技术，污泥源头减量技术理论体系发展尚不完善，实际工程应用案例也非常少，可借鉴的工程经验不足。在目前的几种污泥源头减量技术中，微生物隐性增长技术运行成本高，不适合应用于大型工程。解偶联技术中的化学解偶联因需添加化学药剂会造成二次污染，应用中需慎重；能量解偶联技术工艺参数实际工程中无法达到，目前仅仅在实验研究阶段；OSA 工艺能耗低、出水好、工艺简单，适合应用于大型工程，目前来说应用前景较好，但尚需进一步探明机理，确保工程应用效果。而在微生物捕食技术方面已有工程应用案例，也取得了较好的应用效果，但是技术推广方面还略显不足。随着环境保护要求的日益严格，污泥末端处置技术逐渐难以适应日益提升的环境保护要求。污泥源头减量技术作为一种非常具有潜力的新兴技术手段，将成为未来污泥减量化的重要技术支撑。结合前人的研究总结分析以及工程应用实际考虑，建议未来应该加大对解偶联技术中OSA 工艺及微生物捕食技术方面的研究，以期早日为污泥源头减量化提供更多的技术手段，助力生态环境保护工作。