汪亞楠，劉永德

(河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 引言

活性污泥法在世界范圍內(nèi)廣泛用于城市污水和工業(yè)廢水的處理，與固定膜法等工藝相比，世界各國(guó)對(duì)污水處理的要求也越來(lái)越高。而且，其單位體積反應(yīng)器的處理效率可能會(huì)高達(dá)10倍，但是其操作成本很高[1]。傳統(tǒng)活性污泥(CAS)的一個(gè)問(wèn)題是，它產(chǎn)生的污泥太多，生物質(zhì)產(chǎn)量系數(shù)在這個(gè)過(guò)程中每生物質(zhì)去除1kg的COD大約0.5kg生物量[2]。此外，城市污水處理產(chǎn)生的污泥處理和處置占污水處理廠總成本的約50%～60%[3]。由于污泥的最終處置受到環(huán)境限制，因此目前使用的污泥處理方法處處理成本飆升，因此世界各地的研究中心都試圖尋找和開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)最大限度地減少污水處理廠產(chǎn)生的污泥。

2 污泥減量化的主要技術(shù)

從根本上解決污泥問(wèn)題的方案之一是使用那些與常規(guī)方法相比產(chǎn)生較少污泥的途徑。廢水中有機(jī)碳的一部分被微生物的重要活動(dòng)所消耗，另一部分被用于繁殖，并因此增加了污泥產(chǎn)量。因此，為減少污泥產(chǎn)量，應(yīng)采取一些措施使廢水中大量可利用的有機(jī)碳被微生物的生理活動(dòng)所消耗，只有一小部分可用于繁殖。已經(jīng)研究了不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，具體如下。

(1)裂解-隱性生長(zhǎng)：當(dāng)細(xì)胞裂解時(shí)，儲(chǔ)存在其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在污水環(huán)境中釋放，增加了廢水的有機(jī)負(fù)荷。從細(xì)胞溶解釋放的有機(jī)物質(zhì)再次進(jìn)入其他微生物的代謝循環(huán)，并且其中一部分含碳物質(zhì)被用于其他微生物的生命活動(dòng)，導(dǎo)致污泥產(chǎn)量的總體降低。由于這種碳物質(zhì)引起的生物量增長(zhǎng)不能與廢水含碳物質(zhì)引起的生長(zhǎng)分開(kāi)區(qū)別，因此稱為隱性生長(zhǎng)[4]。到目前為止在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，中試規(guī)模和實(shí)際規(guī)模中使用的細(xì)胞裂解過(guò)程包括：①40～180 ℃溫度范圍內(nèi)的熱裂解；②使用酸或堿的化學(xué)裂解；③機(jī)械或物理裂解如銑削，均化器或超聲能；④連續(xù)凍結(jié)和解凍；⑤通過(guò)添加酶進(jìn)行生物水解；⑥采用先進(jìn)的氧化工藝(AOPs)，如臭氧和H2O2；⑦使用熱化學(xué)溶解或聯(lián)合使用超聲波能量和堿等組合方法。

(2)解偶聯(lián)代謝：分解細(xì)胞代謝階段，或者換句話說(shuō)，細(xì)胞代謝的解偶聯(lián)過(guò)程，是為了防止產(chǎn)生ATP。廢水的生物處理過(guò)程中的底物氧化會(huì)增加細(xì)胞質(zhì)膜中質(zhì)子的動(dòng)能，從而提供磷化合物所需的驅(qū)動(dòng)力，從而形成ATP[5]。添加一些有機(jī)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜擴(kuò)散或逸出，導(dǎo)致ATP所需的驅(qū)動(dòng)力消失[6]。最近，一些研究人員通過(guò)添加2,4-二硝基苯酚(dNP)，對(duì)硝基苯酚(pNP)，五氯苯酚，四氯水楊酰苯胺(TCS)等化學(xué)物質(zhì)研究了污泥減量，并取得了滿意的結(jié)果[7]。

(3)維持代謝：很明顯，在污水處理系統(tǒng)中，當(dāng)污泥停留時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)，剩余污泥量就會(huì)減少。在所有微生物種類中，用于維持重要活動(dòng)所需的能量?jī)?yōu)先于繁殖。由于進(jìn)入曝氣池的物質(zhì)濃度大致恒定，因此增加曝氣池中微生物的數(shù)量將減少每個(gè)池的底物份額，并且如果生物質(zhì)濃度足夠高，則可用底物將僅提供所需的能量為細(xì)胞存活但不為其繁殖。這種由基質(zhì)提供的能量被用于維持細(xì)胞生命活動(dòng)的新陳代謝被稱為維持代謝[8]。

(4)細(xì)菌捕獲：廢水的生物處理過(guò)程和這種處理的環(huán)境就像一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，活性污泥是各種微生物的適宜棲息地。因此，較大物種如原生動(dòng)物對(duì)一些較小物種如細(xì)菌的死亡或掠食可能會(huì)減少較小物種的種群，一般來(lái)說(shuō)，會(huì)減少微生物總數(shù)，從而減少剩余污泥[9]。

3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

關(guān)于污泥消化率的研究結(jié)果表明，污泥增溶高度依賴于處理的種類(超聲波，臭氧化和熱能)而不是特定的能量輸入。強(qiáng)度為200000 kJ / kg TSS的超聲處理在TSS和VSS增溶方面取得了最好的結(jié)果(分別為47%和55%)[10]。

Zhang等2007年對(duì)超聲波(25 kHz)有效液化污泥進(jìn)行了研究。根據(jù)其結(jié)果，污泥減量的最有效條件如下：污泥超聲比率為3/14，超聲強(qiáng)度為120 kW/kg DS，超聲處理時(shí)間為15 min。剩余污泥減少量為91.1%[11]。

Li等人2008年研究了污泥超聲降解廢水活性污泥。結(jié)果表明，污泥量可減少58.8%。超聲強(qiáng)度為1.6 W/mL，超聲時(shí)間15 min[12]。

鄭莉[13]研究了超聲波溶胞前后對(duì)污泥理化和生化性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明,聲能密度對(duì)超聲波預(yù)處理污泥效果影響最顯著,最佳的超聲預(yù)處理參數(shù)組合為：超聲頻率28 kHz,聲能密度0.15 W/mL,超聲時(shí)間10 min。此外,研究還發(fā)現(xiàn)不同濃度的污泥,對(duì)應(yīng)的最佳超聲組合參數(shù)也有所不同。其次通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試和中試試驗(yàn),研究了超聲波預(yù)處理對(duì)污泥缺氧/好氧消化的影響。

朱廣峰等[13]以A2O活性污泥系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用超聲波處理剩余污泥以考察污泥減量效果及其對(duì)系統(tǒng)處理效能的影響。首先,開(kāi)展超聲污泥預(yù)處理試驗(yàn),通過(guò)檢測(cè)污泥上清液COD及電鏡圖,得出在聲能密度為0.62 W/mL、作用時(shí)間4 min為最佳技術(shù)參數(shù)。然后,研究剩余污泥經(jīng)超聲處理后不同回流比例到A2O系統(tǒng)厭氧區(qū),對(duì)出水水質(zhì)和污泥減量效果的影響。綜合出水水質(zhì)和最終排泥量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到超聲污泥回流比40%為最佳比例,系統(tǒng)污泥減量32.2%。

4 展望

利用超聲波進(jìn)行污泥裂解是減少剩余污泥的方法之一，并且最近在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行或正在進(jìn)行相當(dāng)多的研究。但是，超聲波對(duì)剩余污泥的減少取決于不同的因素。使用更大的功率將特定的能量施加到質(zhì)量單位的污泥上會(huì)對(duì)減少污泥產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。使用超聲波進(jìn)行污泥減量可以改善污泥沉降特性并降低SVI，但也會(huì)減少污泥的SOUR，這可能是由于污泥中積聚了不活潑和不可分解的物質(zhì)，每個(gè)工作循環(huán)中都會(huì)添加污泥。因此，建議在類似的研究中，只讓溶解污泥的可溶部分返回反應(yīng)器。