城市污水处理过程污泥减量技术的机理分析及研究进展
来源：清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室
作者：汪翠萍 徐恒 王凯军
随着污水污泥处理量的不断增长以及更加严格的污水污泥排放标准的颁布，传统的污泥处理处置方法不能完全解决污泥的出路问题，人们开始由污泥的末端治理转向“源头控制”，因此污水处理过程污泥减量技术得到了广泛的研究，并且某些技术已成功应用在大型污水处理厂内。针对近几年研究和应用较多的污泥减量技术，通过对减量机理和效果的分析可知，单独的减量单元都存在一定的弊端，需要与其他工艺单元优化组合；一些技术的减量效果不仅仅由一种机制引起，而是由多种机理综合作用；污泥减量过程中存在氮、磷去除率低的矛盾，营养元素的归趋尚不明确，这些将成为今后污泥过程减量技术研究的热点和难点。
前言
我国约80%的城市污水处理厂采用活性污泥法，其污泥产量已达1500 万t /a（含水率为97%） 以上，并以每年大约10%的速度增长。由于我国污泥有机质含量偏低，污泥厌氧消化技术的推广受到了限制；我国缺乏污泥焚烧尾气排放标准以及民众对焚烧的理解不全面，使得污泥热处理技术未受青睐；而污泥脱水后泥饼的去向以及堆肥处理后产品的销路也是各技术难以推广的瓶颈。因此，只有从源头控制最大程度地减少污泥产生量，才是可持续且环境友好型发展方向。源头污泥减量技术的研发及减量机理的研究已成为近年来国内外研究的热点。
目前污泥减量技术主要基于以下四种理论：溶胞-隐性生长、能量解偶联代谢、维持代谢和动物捕食。随着研究的不断深入，污泥减量技术逐渐由实验室研究发展到中试规模、部分技术甚至在实际工程中得到应用，且取得了明显的污泥减量效果。同时，人们发现某些工艺的污泥减量不仅仅是由一种机理来实现，而是几种机理共同作用的结果。本文在对几种机理进行简单介绍的基础上，主要归纳总结了基于各种机制的各种减量技术的减量效果，对工艺特点进行分析，力求为后续的研究指明方向，并为现有污水处理厂的改进提供参考及污泥减量解决方案。
1、溶胞-隐性生长（Lysis-cryptic growth）减量技术
溶胞-隐性生长是通过物理、化学及生物方法将细胞壁和细胞膜破坏，释放出胞内物质作为微生物代谢的底物，进而实现污泥总体表观产率降低，污泥产量减少。该技术关键的步骤是微生物溶胞处理技术。目前常用的溶胞污泥减量技术的效果及特点归纳起来见表1。
表1 溶胞-隐性生长污泥减量技术效果及技术特点
物理化学技术由于其投资大成本高，在污水处理工艺中未能得到推广。近年来，越来越多的研究集中在了微生物菌剂的研制上，如复合微生物菌剂DM-Ⅰ和DM-Ⅱ、共生复合微生物菌剂CMA、多功能复合微生物制剂MCMP等。其中我国某企业研发的曼斯微微生物复合菌剂（MixMicrobe）已成功应用于日处理10万吨污水的A2/O生产性处理工艺，在投加量为0.3~0.8kg菌粉/千吨污水条件下，运行1年多，其剩余污泥排放量可比传统活性污泥法减少95%以上，污泥总排放量可减少40%-70%。该微生物菌剂主要通过强化活性污泥处理系统中微生物消解有机物，并对死亡微生物菌体进行分解来实现剩余污泥大幅减排。然而，长期运行发现该菌剂的污泥减量效果受到工艺运行状况的影响，尤其是初沉池的排泥状况直接影响污泥减排量；而且系统抗冲击负荷能力不强，需要一定的恢复时间。
因此，虽然溶胞技术具有技术实现简单，有利于高有机物含量污泥的再次利用等优点，但也存在投资和运行费用大、对人类健康及生态具有安全隐患、易产生二次污染、管理复杂且工艺不稳定等不足。
2、解偶联代谢（Uncoupling metabolism）的污泥减量技术
微生物的分解代谢和合成代谢是紧密偶联的，微生物分解代谢过程中产生的能量通过氧化磷酸化过程而储存在三磷酸腺苷（ATP）中，进而为合成代谢提供能量。但在某些条件下（如化学解偶联剂、营养过剩等），由于分解代谢产生的能量不能有效地通过氧化磷酸化过程储存在ATP中，进而抑制合成代谢，致使污泥产量减少。目前主要有投加化学解偶联剂、高S0/X0下的解偶联技术。
2.1投加化学解偶联剂
底物的氧化可以产生通过细胞线粒体内膜的质子动力势，该质子动力势可以为氧化磷酸化提供驱动力。因此，通过投加某些解偶联剂，可以与质子结合降低细胞膜两侧的质子浓度梯度，从而消除这种驱动力，抑制氧化磷酸化，最终减少微生物的合成，降低污泥产量。目前用于污泥减量的化学解偶联剂主要是苯酚类化合物及其衍生物。表2给出了一些化学解偶联剂的污泥减量效果。
表2 化学解偶联剂减少污泥产量的效果及技术特点
叶芬霞等对邻氯苯酚（oCP）、间氯酚（mCP）、DCP、TCP、pNP、间硝基酚（mNP）、dNP和TCS 8 种化合物的污泥减量化效果进行了比较研究，表明DNP和pNP的效果最好，减量率达到了89.16%和83.77%，oCP、TCP、mNP和TCS也达到60%以上。各种代谢解偶联剂效果的差异与其酸性大小有关，pKa值越低，污泥的减量化效果越好。
投加解偶联剂对污水处理工艺来说只需要增设投药装置，无需对工艺做大的改动，然而会降低COD的去除率、增大需氧量、并使污泥的沉降性能及脱水性能变差，而且目前所投加的解偶联剂常会使污水处理系统中的微生物结构发生改变，长期使用会对受纳水体具有潜在危害。因此，解偶联剂用于污水处理过程污泥减量急需要对长期应用的生物毒性和对人体健康及生态的影响进行更深入的研究。
2.2较高的初始底物浓度与初始污泥浓度之比（S0/X0）
Chudoba和Liu等人发现，在较高的S0/X0比值下，污泥的生长成下降趋势。虽然Liu等人的模拟实验（要求S0/X0>5 mgCOD
MLSS）已经验证了该理论，但在实际生活污水处理厂内（S0/X0=0.01-0.03 mgCODMLSS）要达到高S0/X0是有很大局限的。关于S0/X0污泥减量的理论仅由Chudoba、Liu及Wang等人通过微生物批式培养试验研究得到，而近几年来相应的研究并不多见。而且，该方法增大了污水处理厂的投资及运行成本，在应用上受到了一定的限制。
3、维持代谢（Maintenance metabolism ）减量技术
微生物氧化过程中获得的ATP首先用于维持微生物的生命活性，然后才是用于合成细胞组分。因此，维持代谢的污泥减量技术即是增加用于维持代谢的能量需求，降低用于细胞增殖的能量，从而达到污泥减量的目的。目前主要的方法是通过延长污泥龄来实现污泥减量，其中MBR是最典型的延长污泥龄的工艺， MBR系统可强化系统内微生物的维持代谢，减少剩余污泥产量，甚至可实现无剩余污泥排放。然而，长期不排泥会使系统内的硝化菌数量减少，影响系统硝化性能；膜易受污染造成膜通量下降，直接影响膜组件的效率和使用寿命，阻碍其在实际中的大规模应用。
表3 基于维持代谢的污泥减量工艺比较
近年来，一些新的工艺不断涌现（见表3）。左宁等人针对LSP&PNR污泥减量新工艺进行了研究：稳定运行的LSP&PNR系统的污泥龄越长，污泥浓度越高，污泥负荷越低，污泥产率也越低。当SRT=5d时，相应的污泥产率Ys最高，为0.381 kgMLSS/(kgCOD)；当SRT=50d时，污泥产率仅有0.143 kgMLSS/(kgCOD)。Di Iaconi等对序批式生物滤池颗粒污泥反应器（SBBGR）的污泥减量效果进行研究，该系统内污泥产率仅为0.12-0.14kgTSSCODremoved（生物量为20-45gVSS/L，污泥龄>120天），即使有机负荷由1.0 kgCOD/m3d提高到2.5kgCOD/m3d过程中，对污泥产率也并未造成大的影响。
归纳起来这些新工艺主要控制长污泥龄、低负荷，由于微生物内源呼吸作用被强化，维持代谢需要的能量增加，细胞物质的分解代谢加强而合成代谢减弱，从而实现了长泥龄污水处理系统的污泥减量。
4、生物捕食（Predation on bacteria）减量技术
生物捕食实现污泥减量主要是通过食物链，即生物处理系统中的原、后生动物对形成大量剩余污泥的低等微生物如细菌等进行捕食，从而降低生物固体产量。其中，起主要作用的是寡毛纲环节动物，如红斑顠体虫、颤蚓、蠕虫等体型较大的后生动物。目前基于生物捕食的减量工艺主要包括自然培养的分段式生物捕食减量技术和接种微型动物减量技术。
4.1分段式生物捕食减量技术
两段法是研究较早的污泥减量处理工艺，第一段多为污泥停留时间（SRT）较短的完全混合式预处理池，目的是强化分散细菌的生长而抑制微型动物的形成；第二段则为较长SRT的传统曝气池，强化微型动物的生长，从而捕食第一段生长的分散细菌，将大部分剩余污泥转化为能量、水和二氧化碳。两段法比传统活性污泥法工艺可减少36%的污泥产量，并且可污泥的沉淀性能和脱水性能；但在第二段反应器运行过程中常发生由丝状细菌、鞭毛虫等引起的污泥膨胀和泡沫，工艺过程中还存在一定的氮磷释放等问题，影响出水水质。为了改善运行过程中污泥膨胀的问题，提出淹没式生物膜法，即在第二段反应器中放置填料，通过生物膜中的微型动物捕食细菌等低营养级微生物或有机颗粒达到污泥减量目的。该工艺污泥减量效果明显（污泥产率仅为0.1996kg干泥COD），然而氮、磷的去除（分别达到50%~60%）有待进一步提高。
近年来日本出现了一种新型的多段式活性生物处理技术MSABP（Multi-Stage Activated Biological Process） ，该技术的主体工艺为多段式生物填料曝气槽，即曝气槽分成多个小槽、槽内填充特殊的生物载体，通过多段效应、有序地改变各槽的生物相、形成食物链，生物的优先种类从前槽向后槽依次变化为原核生物类-真核生物类-原后生生物类。废水在流经这种环境各异的曝气槽的过程中，不断生物载体上的各种微生物分解、净化，通过食物链，剩余污泥被高效地自我消化，污泥减量可达80%以上。同样地，该工艺也存在TP去除率低的问题。
4.2接种微型动物减量技术
该技术是在原有污水处理系统中接种微型原、后生动物实现污泥减量，目前接种较多的是水蚯蚓类。根据水蚯蚓生长状态进行研究发现，游离型生长方式不利于水蚯蚓的增殖，而且污泥减量效果也明显低于附着型生长方式。因此，研究的重点主要集中在附着型水蚯蚓污泥减量方面。
蚯蚓生态滤池工艺是通过蚯蚓和其他微生物的协同作用对水中污染物（或污泥）进行降解和转化。此工艺中填料的性质、水力负荷和温度等工艺条件和环境条件都影响蚯蚓生理生态状态，进而影响滤池的污泥减量率；而且该工艺对氮、磷基本没有去处效果。荷兰Hendrickx等人也对附着型水蚯蚓污泥减量工艺进行了多年研究，已由实验室规模发展到污水处理厂内的大规模试验，结果发现水蚯蚓能实现污泥减量达41%-71%，污泥中39%的氮和12%的磷被水蚯蚓消化后以粪便的形式排出，这些水蚯蚓粪便的固体浓度约为剩余污泥的2.5倍，有效的改善了污泥的脱水性能，为后续污泥浓缩设备减少了约67%的容积负荷。国内在水蚯蚓污泥减量研究方面也取得了显著性成果，楼菊青等人也将水蚯蚓污泥减量研究扩大到示范工程，即在日处理20000 m3的浙江诸暨某污水处理厂内接种霍甫水丝蚓形成水蚯蚓与微生物的共生系统，系统稳定运行1.5年，结果污泥减量达75%，同时改善了污泥沉降性能；而且COD和SS的去除率分别提高了8. 7%和13.6%。然而，试验也发现水蚯蚓会使系统的氨氮和总磷有所增加，通过与SBR池相结合，出水氮磷等营养元素才能达到国家一级排放标准。
总体来看，生物捕食污泥减量工艺减量效果显著，无副产物，投资及能耗低，是实现污泥过程减量的绿色技术。然而该体系中微生物的种类和数量难控制，受水力负荷、温度、pH、DO等工艺和环境条件的影响较大，一些生长慢的细菌如硝化菌也有被捕食的风险，进而引起硝化系统崩溃，对氮、磷的去除效果较差。要实现最终的优化运行，需要结合其他方法同时进行脱氮除磷，因此该工艺的持久运行问题需要进一步的研究。
5、基于多种机理的污泥过程减量技术
随着对污泥过程减量技术及机理的不断深入研究和探讨，人们发现某些污泥减量工艺是基于上述四种机理中的多种减量机理，而非单单一种。目前主要有以下两种工艺。
5.1好氧-沉淀-厌氧（OSA）工艺
OSA工艺主要是使传统活性污泥不断处于交替好氧和厌氧环境，从而实现污泥减量。与传统活性污泥工艺相比，该工艺污泥产率可降低20%-65%，并能提高COD和总磷的去除率，改善污泥沉降性能。德国Siemens公司开发的商业化污泥减量技术Cannibal工艺与OSA具有类似之处，已被成功应用于意大利Levico地区的 Levico Terme废水处理厂内，其固体物含量下降了50%。最初的研究认为OSA是基于代谢解偶联的污泥减量工艺，但近几年的研究发现污泥衰减是其污泥减量的决定性原因，占减量效果的66.7%左右；而能量解偶联只占污泥减量的7.5%左右；此外低污泥产率厌氧反应（如缺氧反硝化、厌氧释磷、硫酸盐还原等）也使OSA工艺的污泥产率下降，其减量效果占23%左右。因此，OSA工艺的机理尚不完全清楚，仍需进一步的深入探讨。
5.2 SPRASTM污水处理过程污泥减量工艺
SPRAS（Sludge Process Reduction Activated Sludge）技术是在传统活性污泥工艺前端增加高污泥浓度的好氧/厌氧交替运行工艺段来实现污泥减量。该工艺已在山东多个日处理2万吨的污水处理厂内成功应用，污泥减量效果达90%以上。当高浓度好氧/厌氧污泥减量单元与脱氮除磷活性污泥工艺相结合时，出水水质可完全达到国家一级A类排放标准。虽然该工艺的污泥减量段与OSA一样都采用好氧/厌氧交替运行，可以推测其机理也可能包括污泥衰减、能量解耦联、低污泥产率厌氧反应等，但是由于该工艺采用高污泥浓度的运行条件，而且好氧/厌氧交替过程中污泥并不外排从而构成较长的污泥龄，这就与OSA形成较大的差异，因此其污泥减量机理也可能存在长泥龄的维持代谢，具体情况有待分析研究。
综合OSA和SPRAS这两种工艺，都已经实现了生产性规模应用，根据我国目前污水处理工艺80%都采用传统活性污泥法，这两种工艺具有很广阔的市场应用前景。然而，由于目前污泥减量机理尚不明确，还处于初始阶段，尤其对于SPRAS工艺来说，文献报道几乎没有，从而影响其推广应用，因此迫切需要对各种可能的机理进行探索。
6、结论
（1）基于四种机理的污泥减量技术都或多或少存在一定的技术弊端，若要推广应用，都需要解决一些关键问题，其中氮磷是重点，因此脱氮除磷工艺与污泥减量工艺的优化组合有可能解决实际污水处理厂的污泥减量问题。
（2）虽然部分技术已在实际污水处理厂得到成功应用，并且取得了明显的减量效果，但污泥减量原因和机理还不完全清楚，需进一步深入探讨，同时还需要对这些技术的经济性进一步评价，从而为技术推广提供支持。
（3）虽然国内外研究已经证实在污水处理过程中能够实现污泥减量，然而污泥减量工艺中碳、氮、磷等物质的转化途径尚无太多的研究，这也成为今后污泥过程减量技术研究的热点。
