來源：清華大學環(huán)境學院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室

作者：汪翠萍 徐恒 王凱軍

隨著污水污泥處理量的不斷增長以及更加嚴格的污水污泥排放標準的頒布，傳統(tǒng)的污泥處理處置方法不能完全解決污泥的出路問題，人們開始由污泥的末端治理轉(zhuǎn)向“源頭控制”，因此污水處理過程污泥減量技術得到了廣泛的研究，并且某些技術已成功應用在大型污水處理廠內(nèi)。針對近幾年研究和應用較多的污泥減量技術，通過對減量機理和效果的分析可知，單獨的減量單元都存在一定的弊端，需要與其他工藝單元優(yōu)化組合；一些技術的減量效果不僅僅由一種機制引起，而是由多種機理綜合作用；污泥減量過程中存在氮、磷去除率低的矛盾，營養(yǎng)元素的歸趨尚不明確，這些將成為今后污泥過程減量技術研究的熱點和難點。

前言

我國約80%的城市污水處理廠采用活性污泥法，其污泥產(chǎn)量已達1500 萬t /a（含水率為97%） 以上，并以每年大約10%的速度增長。由于我國污泥有機質(zhì)含量偏低，污泥厭氧消化技術的推廣受到了限制；我國缺乏污泥焚燒尾氣排放標準以及民眾對焚燒的理解不全面，使得污泥熱處理技術未受青睞；而污泥脫水后泥餅的去向以及堆肥處理后產(chǎn)品的銷路也是各技術難以推廣的瓶頸。因此，只有從源頭控制最大程度地減少污泥產(chǎn)生量，才是可持續(xù)且環(huán)境友好型發(fā)展方向。源頭污泥減量技術的研發(fā)及減量機理的研究已成為近年來國內(nèi)外研究的熱點。

目前污泥減量技術主要基于以下四種理論：溶胞-隱性生長、能量解偶聯(lián)代謝、維持代謝和動物捕食。隨著研究的不斷深入，污泥減量技術逐漸由實驗室研究發(fā)展到中試規(guī)模、部分技術甚至在實際工程中得到應用，且取得了明顯的污泥減量效果。同時，人們發(fā)現(xiàn)某些工藝的污泥減量不僅僅是由一種機理來實現(xiàn)，而是幾種機理共同作用的結(jié)果。本文在對幾種機理進行簡單介紹的基礎上，主要歸納總結(jié)了基于各種機制的各種減量技術的減量效果，對工藝特點進行分析，力求為后續(xù)的研究指明方向，并為現(xiàn)有污水處理廠的改進提供參考及污泥減量解決方案。

1、溶胞-隱性生長（Lysis-cryptic growth）減量技術

溶胞-隱性生長是通過物理、化學及生物方法將細胞壁和細胞膜破壞，釋放出胞內(nèi)物質(zhì)作為微生物代謝的底物，進而實現(xiàn)污泥總體表觀產(chǎn)率降低，污泥產(chǎn)量減少。該技術關鍵的步驟是微生物溶胞處理技術。目前常用的溶胞污泥減量技術的效果及特點歸納起來見表1。

表1 溶胞-隱性生長污泥減量技術效果及技術特點

物理化學技術由于其投資大成本高，在污水處理工藝中未能得到推廣。近年來，越來越多的研究集中在了微生物菌劑的研制上，如復合微生物菌劑DM-Ⅰ和DM-Ⅱ、共生復合微生物菌劑CMA、多功能復合微生物制劑MCMP等。其中我國某企業(yè)研發(fā)的曼斯微微生物復合菌劑（MixMicrobe）已成功應用于日處理10萬噸污水的A2/O生產(chǎn)性處理工藝，在投加量為0.3~0.8kg菌粉/千噸污水條件下，運行1年多，其剩余污泥排放量可比傳統(tǒng)活性污泥法減少95%以上，污泥總排放量可減少40%-70%。該微生物菌劑主要通過強化活性污泥處理系統(tǒng)中微生物消解有機物，并對死亡微生物菌體進行分解來實現(xiàn)剩余污泥大幅減排。然而，長期運行發(fā)現(xiàn)該菌劑的污泥減量效果受到工藝運行狀況的影響，尤其是初沉池的排泥狀況直接影響污泥減排量；而且系統(tǒng)抗沖擊負荷能力不強，需要一定的恢復時間。

因此，雖然溶胞技術具有技術實現(xiàn)簡單，有利于高有機物含量污泥的再次利用等優(yōu)點，但也存在投資和運行費用大、對人類健康及生態(tài)具有安全隱患、易產(chǎn)生二次污染、管理復雜且工藝不穩(wěn)定等不足。

2、解偶聯(lián)代謝（Uncoupling metabolism）的污泥減量技術

微生物的分解代謝和合成代謝是緊密偶聯(lián)的，微生物分解代謝過程中產(chǎn)生的能量通過氧化磷酸化過程而儲存在三磷酸腺苷（ATP）中，進而為合成代謝提供能量。但在某些條件下（如化學解偶聯(lián)劑、營養(yǎng)過剩等），由于分解代謝產(chǎn)生的能量不能有效地通過氧化磷酸化過程儲存在ATP中，進而抑制合成代謝，致使污泥產(chǎn)量減少。目前主要有投加化學解偶聯(lián)劑、高S0/X0下的解偶聯(lián)技術。

2.1投加化學解偶聯(lián)劑

底物的氧化可以產(chǎn)生通過細胞線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子動力勢，該質(zhì)子動力勢可以為氧化磷酸化提供驅(qū)動力。因此，通過投加某些解偶聯(lián)劑，可以與質(zhì)子結(jié)合降低細胞膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度梯度，從而消除這種驅(qū)動力，抑制氧化磷酸化，最終減少微生物的合成，降低污泥產(chǎn)量。目前用于污泥減量的化學解偶聯(lián)劑主要是苯酚類化合物及其衍生物。表2給出了一些化學解偶聯(lián)劑的污泥減量效果。

表2 化學解偶聯(lián)劑減少污泥產(chǎn)量的效果及技術特點

葉芬霞等對鄰氯苯酚（oCP）、間氯酚（mCP）、DCP、TCP、pNP、間硝基酚（mNP）、dNP和TCS 8 種化合物的污泥減量化效果進行了比較研究，表明DNP和pNP的效果最好，減量率達到了89.16%和83.77%，oCP、TCP、mNP和TCS也達到60%以上。各種代謝解偶聯(lián)劑效果的差異與其酸性大小有關，pKa值越低，污泥的減量化效果越好。

投加解偶聯(lián)劑對污水處理工藝來說只需要增設投藥裝置，無需對工藝做大的改動，然而會降低COD的去除率、增大需氧量、并使污泥的沉降性能及脫水性能變差，而且目前所投加的解偶聯(lián)劑常會使污水處理系統(tǒng)中的微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，長期使用會對受納水體具有潛在危害。因此，解偶聯(lián)劑用于污水處理過程污泥減量急需要對長期應用的生物毒性和對人體健康及生態(tài)的影響進行更深入的研究。

2.2較高的初始底物濃度與初始污泥濃度之比（S0/X0）

Chudoba和Liu等人發(fā)現(xiàn)，在較高的S0/X0比值下，污泥的生長成下降趨勢。雖然Liu等人的模擬實驗（要求S0/X0>5 mgCODMLSS）已經(jīng)驗證了該理論，但在實際生活污水處理廠內(nèi)（S0/X0=0.01-0.03 mgCODMLSS）要達到高S0/X0是有很大局限的。關于S0/X0污泥減量的理論僅由Chudoba、Liu及Wang等人通過微生物批式培養(yǎng)試驗研究得到，而近幾年來相應的研究并不多見。而且，該方法增大了污水處理廠的投資及運行成本，在應用上受到了一定的限制。

3、維持代謝（Maintenance metabolism ）減量技術

微生物氧化過程中獲得的ATP首先用于維持微生物的生命活性，然后才是用于合成細胞組分。因此，維持代謝的污泥減量技術即是增加用于維持代謝的能量需求，降低用于細胞增殖的能量，從而達到污泥減量的目的。目前主要的方法是通過延長污泥齡來實現(xiàn)污泥減量，其中MBR是最典型的延長污泥齡的工藝， MBR系統(tǒng)可強化系統(tǒng)內(nèi)微生物的維持代謝，減少剩余污泥產(chǎn)量，甚至可實現(xiàn)無剩余污泥排放。然而，長期不排泥會使系統(tǒng)內(nèi)的硝化菌數(shù)量減少，影響系統(tǒng)硝化性能；膜易受污染造成膜通量下降，直接影響膜組件的效率和使用壽命，阻礙其在實際中的大規(guī)模應用。

表3 基于維持代謝的污泥減量工藝比較

近年來，一些新的工藝不斷涌現(xiàn)（見表3）。左寧等人針對LSP&PNR污泥減量新工藝進行了研究：穩(wěn)定運行的LSP&PNR系統(tǒng)的污泥齡越長，污泥濃度越高，污泥負荷越低，污泥產(chǎn)率也越低。當SRT=5d時，相應的污泥產(chǎn)率Ys最高，為0.381 kgMLSS/(kgCOD)；當SRT=50d時，污泥產(chǎn)率僅有0.143 kgMLSS/(kgCOD)。Di Iaconi等對序批式生物濾池顆粒污泥反應器（SBBGR）的污泥減量效果進行研究，該系統(tǒng)內(nèi)污泥產(chǎn)率僅為0.12-0.14kgTSSCODremoved（生物量為20-45gVSS/L，污泥齡>120天），即使有機負荷由1.0 kgCOD/m3d提高到2.5kgCOD/m3d過程中，對污泥產(chǎn)率也并未造成大的影響。

歸納起來這些新工藝主要控制長污泥齡、低負荷，由于微生物內(nèi)源呼吸作用被強化，維持代謝需要的能量增加，細胞物質(zhì)的分解代謝加強而合成代謝減弱，從而實現(xiàn)了長泥齡污水處理系統(tǒng)的污泥減量。

4、生物捕食（Predation on bacteria）減量技術

生物捕食實現(xiàn)污泥減量主要是通過食物鏈，即生物處理系統(tǒng)中的原、后生動物對形成大量剩余污泥的低等微生物如細菌等進行捕食，從而降低生物固體產(chǎn)量。其中，起主要作用的是寡毛綱環(huán)節(jié)動物，如紅斑顠體蟲、顫蚓、蠕蟲等體型較大的后生動物。目前基于生物捕食的減量工藝主要包括自然培養(yǎng)的分段式生物捕食減量技術和接種微型動物減量技術。

4.1分段式生物捕食減量技術

兩段法是研究較早的污泥減量處理工藝，第一段多為污泥停留時間（SRT）較短的完全混合式預處理池，目的是強化分散細菌的生長而抑制微型動物的形成；第二段則為較長SRT的傳統(tǒng)曝氣池，強化微型動物的生長，從而捕食第一段生長的分散細菌，將大部分剩余污泥轉(zhuǎn)化為能量、水和二氧化碳。兩段法比傳統(tǒng)活性污泥法工藝可減少36%的污泥產(chǎn)量，并且可污泥的沉淀性能和脫水性能；但在第二段反應器運行過程中常發(fā)生由絲狀細菌、鞭毛蟲等引起的污泥膨脹和泡沫，工藝過程中還存在一定的氮磷釋放等問題，影響出水水質(zhì)。為了改善運行過程中污泥膨脹的問題，提出淹沒式生物膜法，即在第二段反應器中放置填料，通過生物膜中的微型動物捕食細菌等低營養(yǎng)級微生物或有機顆粒達到污泥減量目的。該工藝污泥減量效果明顯（污泥產(chǎn)率僅為0.1996kg干泥COD），然而氮、磷的去除（分別達到50%~60%）有待進一步提高。

近年來日本出現(xiàn)了一種新型的多段式活性生物處理技術MSABP（Multi-Stage Activated Biological Process） ，該技術的主體工藝為多段式生物填料曝氣槽，即曝氣槽分成多個小槽、槽內(nèi)填充特殊的生物載體，通過多段效應、有序地改變各槽的生物相、形成食物鏈，生物的優(yōu)先種類從前槽向后槽依次變化為原核生物類-真核生物類-原后生生物類。廢水在流經(jīng)這種環(huán)境各異的曝氣槽的過程中，不斷生物載體上的各種微生物分解、凈化，通過食物鏈，剩余污泥被高效地自我消化，污泥減量可達80%以上。同樣地，該工藝也存在TP去除率低的問題。

4.2接種微型動物減量技術

該技術是在原有污水處理系統(tǒng)中接種微型原、后生動物實現(xiàn)污泥減量，目前接種較多的是水蚯蚓類。根據(jù)水蚯蚓生長狀態(tài)進行研究發(fā)現(xiàn)，游離型生長方式不利于水蚯蚓的增殖，而且污泥減量效果也明顯低于附著型生長方式。因此，研究的重點主要集中在附著型水蚯蚓污泥減量方面。

蚯蚓生態(tài)濾池工藝是通過蚯蚓和其他微生物的協(xié)同作用對水中污染物（或污泥）進行降解和轉(zhuǎn)化。此工藝中填料的性質(zhì)、水力負荷和溫度等工藝條件和環(huán)境條件都影響蚯蚓生理生態(tài)狀態(tài)，進而影響濾池的污泥減量率；而且該工藝對氮、磷基本沒有去處效果。荷蘭Hendrickx等人也對附著型水蚯蚓污泥減量工藝進行了多年研究，已由實驗室規(guī)模發(fā)展到污水處理廠內(nèi)的大規(guī)模試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水蚯蚓能實現(xiàn)污泥減量達41%-71%，污泥中39%的氮和12%的磷被水蚯蚓消化后以糞便的形式排出，這些水蚯蚓糞便的固體濃度約為剩余污泥的2.5倍，有效的改善了污泥的脫水性能，為后續(xù)污泥濃縮設備減少了約67%的容積負荷。國內(nèi)在水蚯蚓污泥減量研究方面也取得了顯著性成果，樓菊青等人也將水蚯蚓污泥減量研究擴大到示范工程，即在日處理20000 m3的浙江諸暨某污水處理廠內(nèi)接種霍甫水絲蚓形成水蚯蚓與微生物的共生系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行1.5年，結(jié)果污泥減量達75%，同時改善了污泥沉降性能；而且COD和SS的去除率分別提高了8. 7%和13.6%。然而，試驗也發(fā)現(xiàn)水蚯蚓會使系統(tǒng)的氨氮和總磷有所增加，通過與SBR池相結(jié)合，出水氮磷等營養(yǎng)元素才能達到國家一級排放標準。

總體來看，生物捕食污泥減量工藝減量效果顯著，無副產(chǎn)物，投資及能耗低，是實現(xiàn)污泥過程減量的綠色技術。然而該體系中微生物的種類和數(shù)量難控制，受水力負荷、溫度、pH、DO等工藝和環(huán)境條件的影響較大，一些生長慢的細菌如硝化菌也有被捕食的風險，進而引起硝化系統(tǒng)崩潰，對氮、磷的去除效果較差。要實現(xiàn)最終的優(yōu)化運行，需要結(jié)合其他方法同時進行脫氮除磷，因此該工藝的持久運行問題需要進一步的研究。

5、基于多種機理的污泥過程減量技術

隨著對污泥過程減量技術及機理的不斷深入研究和探討，人們發(fā)現(xiàn)某些污泥減量工藝是基于上述四種機理中的多種減量機理，而非單單一種。目前主要有以下兩種工藝。

5.1好氧-沉淀-厭氧（OSA）工藝

OSA工藝主要是使傳統(tǒng)活性污泥不斷處于交替好氧和厭氧環(huán)境，從而實現(xiàn)污泥減量。與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，該工藝污泥產(chǎn)率可降低20%-65%，并能提高COD和總磷的去除率，改善污泥沉降性能。德國Siemens公司開發(fā)的商業(yè)化污泥減量技術Cannibal工藝與OSA具有類似之處，已被成功應用于意大利Levico地區(qū)的 Levico Terme廢水處理廠內(nèi)，其固體物含量下降了50%。最初的研究認為OSA是基于代謝解偶聯(lián)的污泥減量工藝，但近幾年的研究發(fā)現(xiàn)污泥衰減是其污泥減量的決定性原因，占減量效果的66.7%左右；而能量解偶聯(lián)只占污泥減量的7.5%左右；此外低污泥產(chǎn)率厭氧反應（如缺氧反硝化、厭氧釋磷、硫酸鹽還原等）也使OSA工藝的污泥產(chǎn)率下降，其減量效果占23%左右。因此，OSA工藝的機理尚不完全清楚，仍需進一步的深入探討。

5.2 SPRASTM污水處理過程污泥減量工藝

SPRAS（Sludge Process Reduction Activated Sludge）技術是在傳統(tǒng)活性污泥工藝前端增加高污泥濃度的好氧/厭氧交替運行工藝段來實現(xiàn)污泥減量。該工藝已在山東多個日處理2萬噸的污水處理廠內(nèi)成功應用，污泥減量效果達90%以上。當高濃度好氧/厭氧污泥減量單元與脫氮除磷活性污泥工藝相結(jié)合時，出水水質(zhì)可完全達到國家一級A類排放標準。雖然該工藝的污泥減量段與OSA一樣都采用好氧/厭氧交替運行，可以推測其機理也可能包括污泥衰減、能量解耦聯(lián)、低污泥產(chǎn)率厭氧反應等，但是由于該工藝采用高污泥濃度的運行條件，而且好氧/厭氧交替過程中污泥并不外排從而構(gòu)成較長的污泥齡，這就與OSA形成較大的差異，因此其污泥減量機理也可能存在長泥齡的維持代謝，具體情況有待分析研究。

綜合OSA和SPRAS這兩種工藝，都已經(jīng)實現(xiàn)了生產(chǎn)性規(guī)模應用，根據(jù)我國目前污水處理工藝80%都采用傳統(tǒng)活性污泥法，這兩種工藝具有很廣闊的市場應用前景。然而，由于目前污泥減量機理尚不明確，還處于初始階段，尤其對于SPRAS工藝來說，文獻報道幾乎沒有，從而影響其推廣應用，因此迫切需要對各種可能的機理進行探索。

6、結(jié)論

（1）基于四種機理的污泥減量技術都或多或少存在一定的技術弊端，若要推廣應用，都需要解決一些關鍵問題，其中氮磷是重點，因此脫氮除磷工藝與污泥減量工藝的優(yōu)化組合有可能解決實際污水處理廠的污泥減量問題。

（2）雖然部分技術已在實際污水處理廠得到成功應用，并且取得了明顯的減量效果，但污泥減量原因和機理還不完全清楚，需進一步深入探討，同時還需要對這些技術的經(jīng)濟性進一步評價，從而為技術推廣提供支持。

（3）雖然國內(nèi)外研究已經(jīng)證實在污水處理過程中能夠?qū)崿F(xiàn)污泥減量，然而污泥減量工藝中碳、氮、磷等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化途徑尚無太多的研究，這也成為今后污泥過程減量技術研究的熱點。