淺探城市污水處理廠污泥減量實用技術
前言
隨著各個國家對城市污水生物處理技術的推廣應用，將會對過量污泥的處理提出更高的要求，污泥減量技術應運而生。由于污泥減量化的概念在20世紀90年代才提出，以污泥減量為目的對整個污水處理系統的研究較少。近年來，世界各國陸續展開各種污泥減量的新工藝、新技術的研究。
一、污泥的產生過程
污水的生物處理就是利用微生物對污染物的代謝轉化作用實現的。微生物在污水的新陳代謝過程中，進入細胞質的營養物在胞內酶的作用下發生一系列合成代謝和分解代謝，這兩種代謝既有明顯差別，又緊密相關，相輔相成，分解代謝為合成代謝提供能量和原料，合成代謝又是分解代謝的基礎，它們在細胞中偶聯進行，相互對立而又統一［1］。
活性污泥在曝氣過程中，對有機物的去除分吸附和穩定兩個階段。在吸附階段，主要是廢水中的有機物轉移到活性污泥上去，這是由于活性污泥具有巨大的比表面積（2000～10000m2/m3 混合液），而且表面上含有多糖類粘性物質所致。吸附階段基本結束后，進入穩定階段，微生物要對大量被吸附的有機物進行氧化分解，并利用有機物合成細胞自身物質，進行細胞的更新、增殖，同時也繼續吸附廢水中殘余的有機物。經穩定階段后，廢水中的有機物發生了質的改變，一部分被氧化為無機物，另一部分變成微生物細胞體即活性污泥。因此，在用活性污泥法處理城市生活污水時，將產生大量的剩余污泥［2］。
二、污泥減量技術的理論基礎
根據生物處理工藝中微生物代謝特性，減少剩余污泥的產量可能通過以下途徑來實現：
（一）降低細菌細胞的合成量
正常情況下，生物的分解代謝和合成代謝是由ATP（三磷酸腺苷）和ADP（二磷酸腺苷）之間的轉化而聯系在一起的，即分解一定的底物，將有一定比例的生物體合成。但在特殊情況下，基質消耗產生的能量大于生長和維持正常生命活動的能量需求，但過剩的能量并未被貯存，而是以無效的熱能形式釋放到環境中，底物被氧化的同時ATP 不大量合成或者合成以后迅速由其他途徑釋放。使得細菌的分解代謝和合成代謝不再由ATP 的合成與分解反應偶聯在一起，這樣細菌在保持正常分解底物的同時，自身合成速度減慢，表觀產率系數降低，從而達到降低污泥產量的目的［3］。
（二）強化細菌自身氧化速率
微生物對有機碳的新陳代謝一方面將其轉化為CO2，另一方面將其轉化為生物體。當生物體中的有機碳也可作為微生物的底物并重復新陳代謝時，污泥的產生量就減少。因此，增大細胞衰減速率，使細菌能夠迅速死亡并分解成為基質再次被其他細菌所利用，形成二次基質生長，達到污泥減量的目的。
（三）強化微生物作用
天然系統的微生物并非全部都是最有效的微生物，或以需要的濃度存在。經過特別選擇，將不同類型的、具有降解污水中的污染物的特殊功能的微生物菌群集合在一起，集合自然界中對人類可供利用的、而且無害的微生物菌群，通過相互之間的共生繁殖關系，在其自身繁殖和新陳代謝過程中產生各種各樣的活性物質，同時氧化、分解有機污染物，可以實現污泥減量。
從生態學角度，能量在從低營養級（細菌）向高營養級（原生動物和后生動物）的傳遞過程中發生損失。也就是說，食物鏈越長，能量損失越大，那么用來合成生物體的能量越少。
三、各種污泥減量技術及其比較
（一）化學技術
1．投加解偶聯劑。研究表明，解偶聯劑的投加，對微生物（污泥）的表觀產率系數會產生明顯影響。解偶聯劑的最大優勢是不需要對現有污水處理工藝作大的改進，只需增設投藥裝置即可，但在實際應用中存在以下問題［4］：（1）所投的藥劑在較長時間后由于微生物的馴化而被降解，從而失去解偶聯作用；（2）當加入解偶聯劑后，雖然污泥的產量降低了，但從物質守恒角度看，需要更多的氧去氧化未能轉化成污泥的有機物，從而使得供氧量增加；（3）對投加解偶聯劑的費用還需要作比較，由于在污水中的濃度需要維持在4～80mg/L，用量也是驚人的；（4）解偶聯劑在實際應用中的最大弱點是環境安全性問題，解偶聯劑通常是較難生物降解或對生物有較大毒性的化合物，使得生物對解偶聯劑的降解不完全，這將會給水處理帶來新的污染；（5）有關氧化-磷酸化解偶聯的機理尚有許多不明之處，需要結合生物化學、分子生物學以及毒理學方面的方法和理論作進一步研究。
2．化學溶胞。（1）臭氧。臭氧可破壞不容易被生物降解的細胞膜等，使細胞內物質能較快地溶于水中，同時氧化不容易水解的大分子物質，使其更容易為微生物所利用。但利用臭氧處理回流污泥可能存在以下問題［4］：A.氮和磷的去除效果不好；B.出水SS 濃度要稍高于傳統活性污泥法（約2～15mg/L）；C.不排泥條件下，污泥中重金屬的含量和傳統活性污泥法相比，有一定增加； D.為了保證曝氣池中生物對二次基質的利用，需要增加曝氣量。（2）氯氣。利用氯氣對污泥進行減量的原理和臭氧相同，雖然氯氣比臭氧便宜，但氯氣能夠和污泥中的有機物產生反應，生成三氯甲烷（THMs）等氯代有機物，是不容忽視的問題。（3）酸、堿。酸或堿的作用是在抑制細胞活性的同時，使細胞壁溶解釋放細胞內物質，使其能夠容易被其他活性污泥所利用。相同pH 條件下，H2SO4的溶胞效果要優于HCl，NaOH 的效果要優于KOH；在改變相同pH 條件下，堿的效果要好于酸，這可能是由于堿對細胞的磷脂雙分子層的溶解要優于酸的緣故。如果將加熱和堿處理相結合（pH = 10，60 ℃，20 min），可以收到較好的溶胞效果［5］。
（二）物理技術
1．高S0/X0條件下的解偶聯。在高S0/X0（底物濃度/污泥濃度）條件下，微生物在分解代謝中產生ATP的速率要大于在合成代謝中消耗的速率。ATP 產生累積后可能引起能量的消散，從而降低微生物產率系數。但高S0 / X0條件下解偶聯還不能用于實際的污水處理，這是由于要求相對高的S0 /X0值（>8～10）遠遠大于實際活性污泥法處理污水時的情況（F/M=0.05～0.1）。而且，在高S0 / X0條件下，微生物產生的不完全代謝的產物還可能對整個處理過程產生影響。
2．物理溶胞。（1）加熱。利用加熱污泥減量的研究，目前主要集中在污泥活性、產率系數、溶胞產物及其消耗，細胞內物質的釋放、不同溫度下對細菌的殺滅速率等方面。（2）超聲波。超聲波（25～30kHz）通過交替的壓縮和擴張產生空穴作用，以微氣泡的形成、擴張和破裂達到壓碎細胞壁、釋放細胞內含物的目的［6］。超聲波處理只是從物理角度對細胞進行破碎，在短時間內有迅速釋放細胞內物質的優勢，但超聲波的作用受到液體的許多參數（溫度、粘度、表面張力等）和超聲波發生設備的影響，在短時間內還不可能投入使用。（3）壓力。利用壓力溶胞的原理類似于超聲波，主要作用是使細菌的細胞壁在機械壓力的作用下破碎，從而使細胞內含物溶于水中。此外，還可以利用滲透壓由高到低的改變造成水大量進入細胞，導致細胞破裂。
（三）生物技術
1．生物溶胞。可以投加能分泌胞外酶的細菌，也可以直接投加酶制劑或抗菌素對細菌進行溶胞。酶一方面能夠溶解細菌的細胞，同時還可以使不容易生物降解的大分子有機物分解為小分子物質，有利于細菌利用二次基質。投加的細菌可以從消化池中選取，也可以從溶菌酶方面考慮，甚至包括特殊的噬菌體和能分泌溶菌物質的真菌。但是在污水處理中投加酶制劑或是抗菌素在經費上不太現實。
2．直接接種微型動物。直接接種微型動物不僅能減少污泥產量，而且能提高COD去除效率，改善污泥的沉降性能。直接接種微型動物能在低能耗、低資金投人的條件下，大大減少污泥產量。但還不能用于實際污水處理中，因為目前對操作參數和微型動物生長的關系及怎樣控制和維持微型動物在高密度條件下長時間生長(尤其是在實際應用中)等方面的研究還不夠。
3．微生物強化。微生物總是優先利用水中的溶解性有機物，然后才降解難溶的有機物，在降解難溶的有機物時，微生物分泌細胞外酶分解難溶的有機物。通過選擇性投加微生物菌株或經基因改進的微生物菌株進入系統，增加系統中細菌的濃度和代謝活性。
王艷紅［7］等從特定活性污泥中篩選優勢菌與有效微生物菌群（簡稱EM菌）通過正交試驗，證實根據污水特點添加不同量的復配優勢菌，不僅有效的減少了剩余污泥的產量，而且提高了出水指標。
（四）改變處理工藝
1．生物膜法。生物膜法是模仿的土壤自凈過程，也是減少剩余污泥產率的污水處理技術之一。王寶貞［8］等開發了淹沒式生物膜污水處理技術，采用該技術的番禺祁福新村污水處理廠（日處理量8000m3／d），自1998年5月份運行開始至2001年4月以來，運行性能良好，在二沉池中沉淀的剩余污泥很少。
2．兩段式系統。兩段式系統的第一段為分散細菌階段，采用完全混合式反應器，水力停留時間與污泥停留時間相等，沒有生物量停留，使得大量分散菌生長；第二段為捕食段，具有較長的污泥停留時間，以確保微型動物的大量生長。其中，第一段的水力停留時間(或污泥停留時間)是這一系統最關鍵的設計參數，它必須足夠長，以避免分散菌的流失，同時又要足夠短以避免微型動物的生長。由于兩段式系統的第一段要求較長的水力停留時間，不僅增加了反應器容積，而且大大增加了投資和處理成本。
3．OSA工藝。OSA（oxic-settling anaerobic）工藝的基本原理是通過在常規活性污泥工藝中的污泥回流中形成特定的厭氧段，從而給微生物提供了交替好氧和厭氧的環境，使細菌在好氧階段所獲ATP 不能立即用于合成新的細胞，而是在厭氧段作為維持細胞生命活動的能量被消耗。微生物分解和合成代謝相對分離，而不像通常條件下緊密偶聯，從而達到污泥減量的效果。OSA工藝主要應用在進水有機物濃度較高的條件下。如果進水的有機物濃度較低，則OSA工藝的污泥產率系數和常規活性污泥法相差不大。同時，由于 OSA法的水力停留時間較長（是常規活性污泥法的兩倍），使得在較低有機物濃度下的處理和常規活性污泥法相比在污泥產率方面沒有優勢。
（五）比較
將上述各種污泥減量技術的效果進行比較，不難看出，與傳統的活性污泥法相比，采用生物膜法能夠實現污泥減量，而活性污泥工藝是發展的比較完善的工藝，其進一步的改進應滿足如下要求：經濟可行，便于操作管理等，但對于已建成的污水處理廠而言，技術改造難度很大，并且生物膜法的工藝還不夠成熟，不具有工業推廣的價值。由于物理和化學的污泥減量方法一般是通過機械的或者添加化學藥劑的方法來濃縮污泥或降低污泥的產量，因而存在二次污染，具有腐蝕性的化學藥劑還會對設備有較高的要求，經濟上消耗較大，也存在一定的推廣難度。利用微生物進行污泥減量，由于能耗低、不產生二次污染，作為一種生態工程技術而備受關注。因此，采用生物的手段實現污泥減量具有良好的發展前途。而單純利用一種機理，總是存在這樣那樣的問題，以微生物強化為主，將多種機理相結合各自取長補短，是目前比較實用且可行的污泥減量技術。
四、結語
1．各種污泥減量技術均有一定的污泥減量效果，但各有各的優缺點。目前比較有實用價值的技術是在不改變原有工藝的基礎上，利用投加微生物制劑通過微生物強化、酶的作用、生物捕食及解偶聯代謝等多種作用實現污泥減量的目的。
2．當前污泥減量化技術還主要處在探索研究階段，正式投入工業化應用的還很少，仍需進一步研究污泥減量化機理，和完善已有的減量化技術。要利用微生物對污泥進行減量，可能還存在這樣那樣的一些問題，尤其是其與污水生物處理工藝的結合以及工藝的優化，今后還應繼續開展深入的研究和試驗。
參考文獻
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