浅探城市污水处理厂污泥减量实用技术
前言
随着各个国家对城市污水生物处理技术的推广应用，将会对过量污泥的处理提出更高的要求，污泥减量技术应运而生。由于污泥减量化的概念在20世纪90年代才提出，以污泥减量为目的对整个污水处理系统的研究较少。近年来，世界各国陆续展开各种污泥减量的新工艺、新技术的研究。
一、污泥的产生过程
污水的生物处理就是利用微生物对污染物的代谢转化作用实现的。微生物在污水的新陈代谢过程中，进入细胞质的营养物在胞内酶的作用下发生一系列合成代谢和分解代谢，这两种代谢既有明显差别，又紧密相关，相辅相成，分解代谢为合成代谢提供能量和原料，合成代谢又是分解代谢的基础，它们在细胞中偶联进行，相互对立而又统一［1］。
活性污泥在曝气过程中，对有机物的去除分吸附和稳定两个阶段。在吸附阶段，主要是废水中的有机物转移到活性污泥上去，这是由于活性污泥具有巨大的比表面积（2000～10000m2/m3 混合液），而且表面上含有多糖类粘性物质所致。吸附阶段基本结束后，进入稳定阶段，微生物要对大量被吸附的有机物进行氧化分解，并利用有机物合成细胞自身物质，进行细胞的更新、增殖，同时也继续吸附废水中残余的有机物。经稳定阶段后，废水中的有机物发生了质的改变，一部分被氧化为无机物，另一部分变成微生物细胞体即活性污泥。因此，在用活性污泥法处理城市生活污水时，将产生大量的剩余污泥［2］。
二、污泥减量技术的理论基础
根据生物处理工艺中微生物代谢特性，减少剩余污泥的产量可能通过以下途径来实现：
（一）降低细菌细胞的合成量
正常情况下，生物的分解代谢和合成代谢是由ATP（三磷酸腺苷）和ADP（二磷酸腺苷）之间的转化而联系在一起的，即分解一定的底物，将有一定比例的生物体合成。但在特殊情况下，基质消耗产生的能量大于生长和维持正常生命活动的能量需求，但过剩的能量并未被贮存，而是以无效的热能形式释放到环境中，底物被氧化的同时ATP 不大量合成或者合成以后迅速由其他途径释放。使得细菌的分解代谢和合成代谢不再由ATP 的合成与分解反应偶联在一起，这样细菌在保持正常分解底物的同时，自身合成速度减慢，表观产率系数降低，从而达到降低污泥产量的目的［3］。
（二）强化细菌自身氧化速率
微生物对有机碳的新陈代谢一方面将其转化为CO2，另一方面将其转化为生物体。当生物体中的有机碳也可作为微生物的底物并重复新陈代谢时，污泥的产生量就减少。因此，增大细胞衰减速率，使细菌能够迅速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用，形成二次基质生长，达到污泥减量的目的。
（三）强化微生物作用
天然系统的微生物并非全部都是最有效的微生物，或以需要的浓度存在。经过特别选择，将不同类型的、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，集合自然界中对人类可供利用的、而且无害的微生物菌群，通过相互之间的共生繁殖关系，在其自身繁殖和新陈代谢过程中产生各种各样的活性物质，同时氧化、分解有机污染物，可以实现污泥减量。
从生态学角度，能量在从低营养级（细菌）向高营养级（原生动物和后生动物）的传递过程中发生损失。也就是说，食物链越长，能量损失越大，那么用来合成生物体的能量越少。
三、各种污泥减量技术及其比较
（一）化学技术
1．投加解偶联剂。研究表明，解偶联剂的投加，对微生物（污泥）的表观产率系数会产生明显影响。解偶联剂的最大优势是不需要对现有污水处理工艺作大的改进，只需增设投药装置即可，但在实际应用中存在以下问题［4］：（1）所投的药剂在较长时间后由于微生物的驯化而被降解，从而失去解偶联作用；（2）当加入解偶联剂后，虽然污泥的产量降低了，但从物质守恒角度看，需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物，从而使得供氧量增加；（3）对投加解偶联剂的费用还需要作比较，由于在污水中的浓度需要维持在4～80mg/L，用量也是惊人的；（4）解偶联剂在实际应用中的最大弱点是环境安全性问题，解偶联剂通常是较难生物降解或对生物有较大毒性的化合物，使得生物对解偶联剂的降解不完全，这将会给水处理带来新的污染；（5）有关氧化-磷酸化解偶联的机理尚有许多不明之处，需要结合生物化学、分子生物学以及毒理学方面的方法和理论作进一步研究。
2．化学溶胞。（1）臭氧。臭氧可破坏不容易被生物降解的细胞膜等，使细胞内物质能较快地溶于水中，同时氧化不容易水解的大分子物质，使其更容易为微生物所利用。但利用臭氧处理回流污泥可能存在以下问题［4］：A.氮和磷的去除效果不好；B.出水SS 浓度要稍高于传统活性污泥法（约2～15mg/L）；C.不排泥条件下，污泥中重金属的含量和传统活性污泥法相比，有一定增加； D.为了保证曝气池中生物对二次基质的利用，需要增加曝气量。（2）氯气。利用氯气对污泥进行减量的原理和臭氧相同，虽然氯气比臭氧便宜，但氯气能够和污泥中的有机物产生反应，生成三氯甲烷（THMs）等氯代有机物，是不容忽视的问题。（3）酸、碱。酸或碱的作用是在抑制细胞活性的同时，使细胞壁溶解释放细胞内物质，使其能够容易被其他活性污泥所利用。相同pH 条件下，H2SO4的溶胞效果要优于HCl，NaOH 的效果要优于KOH；在改变相同pH 条件下，碱的效果要好于酸，这可能是由于碱对细胞的磷脂双分子层的溶解要优于酸的缘故。如果将加热和碱处理相结合（pH = 10，60 ℃，20 min），可以收到较好的溶胞效果［5］。
（二）物理技术
1．高S0/X0条件下的解偶联。在高S0/X0（底物浓度/污泥浓度）条件下，微生物在分解代谢中产生ATP的速率要大于在合成代谢中消耗的速率。ATP 产生累积后可能引起能量的消散，从而降低微生物产率系数。但高S0 / X0条件下解偶联还不能用于实际的污水处理，这是由于要求相对高的S0 /X0值（>8～10）远远大于实际活性污泥法处理污水时的情况（F/M=0.05～0.1）。而且，在高S0 / X0条件下，微生物产生的不完全代谢的产物还可能对整个处理过程产生影响。
2．物理溶胞。（1）加热。利用加热污泥减量的研究，目前主要集中在污泥活性、产率系数、溶胞产物及其消耗，细胞内物质的释放、不同温度下对细菌的杀灭速率等方面。（2）超声波。超声波（25～30kHz）通过交替的压缩和扩张产生空穴作用，以微气泡的形成、扩张和破裂达到压碎细胞壁、释放细胞内含物的目的［6］。超声波处理只是从物理角度对细胞进行破碎，在短时间内有迅速释放细胞内物质的优势，但超声波的作用受到液体的许多参数（温度、粘度、表面张力等）和超声波发生设备的影响，在短时间内还不可能投入使用。（3）压力。利用压力溶胞的原理类似于超声波，主要作用是使细菌的细胞壁在机械压力的作用下破碎，从而使细胞内含物溶于水中。此外，还可以利用渗透压由高到低的改变造成水大量进入细胞，导致细胞破裂。
（三）生物技术
1．生物溶胞。可以投加能分泌胞外酶的细菌，也可以直接投加酶制剂或抗菌素对细菌进行溶胞。酶一方面能够溶解细菌的细胞，同时还可以使不容易生物降解的大分子有机物分解为小分子物质，有利于细菌利用二次基质。投加的细菌可以从消化池中选取，也可以从溶菌酶方面考虑，甚至包括特殊的噬菌体和能分泌溶菌物质的真菌。但是在污水处理中投加酶制剂或是抗菌素在经费上不太现实。
2．直接接种微型动物。直接接种微型动物不仅能减少污泥产量，而且能提高COD去除效率，改善污泥的沉降性能。直接接种微型动物能在低能耗、低资金投人的条件下，大大减少污泥产量。但还不能用于实际污水处理中，因为目前对操作参数和微型动物生长的关系及怎样控制和维持微型动物在高密度条件下长时间生长(尤其是在实际应用中)等方面的研究还不够。
3．微生物强化。微生物总是优先利用水中的溶解性有机物，然后才降解难溶的有机物，在降解难溶的有机物时，微生物分泌细胞外酶分解难溶的有机物。通过选择性投加微生物菌株或经基因改进的微生物菌株进入系统，增加系统中细菌的浓度和代谢活性。
王艳红［7］等从特定活性污泥中筛选优势菌与有效微生物菌群（简称EM菌）通过正交试验，证实根据污水特点添加不同量的复配优势菌，不仅有效的减少了剩余污泥的产量，而且提高了出水指标。
（四）改变处理工艺
1．生物膜法。生物膜法是模仿的土壤自净过程，也是减少剩余污泥产率的污水处理技术之一。王宝贞［8］等开发了淹没式生物膜污水处理技术，采用该技术的番禺祁福新村污水处理厂（日处理量8000m3／d），自1998年5月份运行开始至2001年4月以来，运行性能良好，在二沉池中沉淀的剩余污泥很少。
2．两段式系统。两段式系统的第一段为分散细菌阶段，采用完全混合式反应器，水力停留时间与污泥停留时间相等，没有生物量停留，使得大量分散菌生长；第二段为捕食段，具有较长的污泥停留时间，以确保微型动物的大量生长。其中，第一段的水力停留时间(或污泥停留时间)是这一系统最关键的设计参数，它必须足够长，以避免分散菌的流失，同时又要足够短以避免微型动物的生长。由于两段式系统的第一段要求较长的水力停留时间，不仅增加了反应器容积，而且大大增加了投资和处理成本。
3．OSA工艺。OSA（oxic-settling anaerobic）工艺的基本原理是通过在常规活性污泥工艺中的污泥回流中形成特定的厌氧段，从而给微生物提供了交替好氧和厌氧的环境，使细菌在好氧阶段所获ATP 不能立即用于合成新的细胞，而是在厌氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗。微生物分解和合成代谢相对分离，而不像通常条件下紧密偶联，从而达到污泥减量的效果。OSA工艺主要应用在进水有机物浓度较高的条件下。如果进水的有机物浓度较低，则OSA工艺的污泥产率系数和常规活性污泥法相差不大。同时，由于 OSA法的水力停留时间较长（是常规活性污泥法的两倍），使得在较低有机物浓度下的处理和常规活性污泥法相比在污泥产率方面没有优势。
（五）比较
将上述各种污泥减量技术的效果进行比较，不难看出，与传统的活性污泥法相比，采用生物膜法能够实现污泥减量，而活性污泥工艺是发展的比较完善的工艺，其进一步的改进应满足如下要求：经济可行，便于操作管理等，但对于已建成的污水处理厂而言，技术改造难度很大，并且生物膜法的工艺还不够成熟，不具有工业推广的价值。由于物理和化学的污泥减量方法一般是通过机械的或者添加化学药剂的方法来浓缩污泥或降低污泥的产量，因而存在二次污染，具有腐蚀性的化学药剂还会对设备有较高的要求，经济上消耗较大，也存在一定的推广难度。利用微生物进行污泥减量，由于能耗低、不产生二次污染，作为一种生态工程技术而备受关注。因此，采用生物的手段实现污泥减量具有良好的发展前途。而单纯利用一种机理，总是存在这样那样的问题，以微生物强化为主，将多种机理相结合各自取长补短，是目前比较实用且可行的污泥减量技术。
四、结语
1．各种污泥减量技术均有一定的污泥减量效果，但各有各的优缺点。目前比较有实用价值的技术是在不改变原有工艺的基础上，利用投加微生物制剂通过微生物强化、酶的作用、生物捕食及解偶联代谢等多种作用实现污泥减量的目的。
2．当前污泥减量化技术还主要处在探索研究阶段，正式投入工业化应用的还很少，仍需进一步研究污泥减量化机理，和完善已有的减量化技术。要利用微生物对污泥进行减量，可能还存在这样那样的一些问题，尤其是其与污水生物处理工艺的结合以及工艺的优化，今后还应继续开展深入的研究和试验。
参考文献
[1]周凤霞，白京生．环境微生物[M]．北京：化学工业出版社。2003．
[2]王金梅，薛叙明．水污染控制技术 [M]．北京：化学工业出版社，2004．
[3]B． D． 黑姆斯等著，王镜岩等译． 生物化学[M]． 北京：科学出版社，2000．
[4]梁鹏，黄霞，钱易． 污泥减量化技术的研究进展[J]． 环境污染治理技术与设备， 2003年1月， 4(1):44-52．
[5]Tiehm A．，Nickel K． Zellhorn M．，Neis U． Ultrasonic waste activated sludge disintegration for Impoving anaerobic stabilization[J]．Wat． Res．，2001，35（8）．
[6]王琳，王宝贞． 污泥减量技术[J]．给水排水，2000，26（10）．
[7]王艳红，田永淑，孙俊芹．复配优势菌用于污水处理及污泥减量的研究[J]．工业水处理，2007，27（4）．
[8]迟军，王宝贞，李高奇 [J]．哈尔滨商业大学学报，2003，19（2）．
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