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污泥减量技术的研究进展

文档作者：段伟伟李绍秀李冬梅文档来源：广东工业大学土木与交通工程学院		点击数：	更新时间： 2024年07月06日
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上一篇：污泥碳化技术应用现状及展望

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污涩滴量救米的研究避廉
段伟伟李绍秀李冬梅
(广东工业大学土木与交通工程学院广东广州510006)
摘要随着污水处理量增加，污泥的产量也日益增大，在污水处理厂内对污泥减量是解决污泥出路的理想途径。从微型
动物捕食、微生物代谢解偶联、污泥溶胞等方面阐述了污泥减量化技术及研究进展，并指出研究的发展方向和应用前景。
关键词污泥减量化解偶联代谢隐性生长溶胞作用
中图分类号：X703．1 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2011)05—074—4
近年我国污水处理事业得到了很大发展。截止2010年．
城市污水厂的数量已达到2000多座。污水的处理能力从20
世纪70年代的60万m3／d．增加到现在的7500万m3／d．污水
处理率达到65％。随着城镇污水厂的进一步普及，污水厂的
数量还会持续上升。预计到2015年我凼城市污水厂的数量
将超过2300座。污水厂产生大量的污泥．如何合理的处理处
置污泥已成为环境治理的新难题和新挑战。从源头实行污泥
减量是污泥处理处置的最佳方法。本文就近几年国内外污泥
减量技术的研究进展进行综述。
1 强化微型动物捕食的污泥减量技术
1．1 寡毛类蠕虫污泥减量
寡毛类蠕虫是环节动物门(Annelida)寡毛纲
(Oligochaeta)的通称．目前应用于污泥减量t艺研究的寡毛
类蠕虫主要有两类．一类是游离型蠕虫如红斑瓢体虫(A．
hemprichi)和仙女虫属(Nais sp．)等，另一类是附着型蠕虫如
颤蚓科(Tubificidae)和带丝蚓属(LumbrieUlus sp．)等。荷兰科
学家Ratak等是最早开始研究寡毛类蠕虫污泥减量技术的．
1994年她观察荷兰某污水厂活性污泥系统中寡毛类的动态
时．发现仙女虫(Nais elinguis)大量生长，污泥产生量碌著减
少．用于曝气的能量也大大降低。随后．Rensink发现在塑料
填料上自然生长有颤蚓(Tubifex sp．)、仙女虫和红斑瓢体虫，
没有这螳蠕虫存在时。污泥产量为0．4kg／kg，而有这些蠕虫
存在时．污泥产量就会降为0．16kg／kg。并不会影响出水水
质。从此．学者们开始尝试向活性污泥系统中直接投加寡毛
类蠕虫的方式来对污泥减量进行研究．发现蠕虫M时具有污
泥减质和减容效果。许多寡毛类蠕虫污泥减量研究均发现寡
毛类蠕虫有显著的集聚污泥和改善污泥沉降性能的能力．可实
现对活性污泥的减容，但这方面的研究并不深入和系统。
国内张绍园等【I】发现游离型寡毛类蠕虫可以在膜生物
反应器(MBR)中自发形成，其中优势种群是红斑瓢体虫，同
时也存在少量仙女虫和吻盲虫属蠕虫。其后张绍园等【2】发现
二段淹没式膜生物反应器能够增强高能级生物体蠕虫生长
与少产污泥。梁鹏等发现游离型蠕虫种群密度与活性污泥产
率之间呈反比关系．当在推流式CAS中接种一定红斑瓢体
作者简介：段伟伟(1985～)，男，硕士．研究方向为水处理技术的研究。
2011．No，5．
虫后，能引起39％～65％的污泥减质率。污泥减质速率(vss)约
为0．53～6．32kg／(kg．d)。远好于接种颤蚓时的效果。然而，像
红斑瓢虫和仙女虫这样的游离蠕虫虽然能够自发形成．并发
挥较好的污泥减质作用．但是由于其在曝气池中的生长和繁
殖不稳定．爆发和消失无规律可循．因此很难应用于实际操
控中。而附着型蠕虫虽然不易大量自发形成．但是其在自然
界极易获取，生长稳定．便于控制。Rellsink等首先以投加的
方式将颤蚓应用于活性污泥工艺的研究。他向装有填料的生
物滴滤池巾投加颤蚓，发现剩余污泥产量下降了10％一50％．
剩余污泥产率从0．4kg／kg降至0．15kg／kg；同样将颤蚓投入
装有填料的氧化沟后，剩余污泥产率从0．22kg／kg降至
0．17kg／kg，但是其易于沉底且分布不均。Wei等人开发一套
集成式蠕虫反应器克服上述难题．用来处理剩余污泥和回流
污泥。通过提供颤蚓附着的填料，同时通过污泥同流来避免
颤蚓的流失。我国EEr禹等[3]人发明的城市污水污泥减量处理
的附着型生物床克服蠕虫附着量小、种群不稳定．工作能力
低、抵抗水流冲击能力低的缺陷，使污泥减量率达到70％左
右。魏源送等人设计推流复合式生物污泥减量反应器、折流
式寡毛类蠕虫污泥减量反应器和竖流复合式生物污泥减量
反应器可以为蠕虫提供一个合适的柄息地[4-6]．从而有效提
高污泥减量的效果．其减最效果达到45％左右。罗涛[71在膜
生物反应器处理小区生活污水的研究中通过为游离型和附
着性蠕虫提供良好的生长环境使其在反应器中自发形成并
达到一定的规模。通过研究发现这些蠕虫的出现有效的控制
污泥浓度、提高污泥的性能，对污泥的减量起到很大的作用．
真正的实现污水处理的无污泥排放．还可以增强膜的通透性
使膜不易污染。
1．2蚯蚓污泥减量
蚯蚓是土壤中最常见的杂食性环节动物．它可以不断地
吞食含有机物质的土壤。由于其高的繁殖能力和其极强的适
应能力．利用蚯蚓养殖处理有机废料和同体废弃物取得非常
好的效果．因此引起了世界上许多国家的重视．现在许多国
家开始用蚯蚓直接处理剩余污泥．并取得一定的成绩和效
果。国内的吴敏、马小杰等人设计蚯蚓生物反应器通过旋转
。
万方数据
布水器把剩余污泥直接均匀的分布到反应器上f8】．该滤床以
蚯蚓等微型动物和各种微生物为主形成了生物降解系统．对
剩余污泥进行处理．并取得非常好的效果。在水力负荷5．3～
6．6m3／(m2．d)时，SS去除率为66．67％～91．13％，VSS降解率
高达86．67％～96．20％。杨健、易当皓等人研究的蚯蚓生物滤
池对剩余污泥进行处理[9]．反应器中部放置填料供蚯蚓附着
且同时使其剩余污泥通过时起到截留的作用。此反应器在实
现污泥减量化和稳定化的同时．对污泥的沉降、脱水性能均
有一定程度的改善。并且污泥的活性有所降低。悬浮同体浓
度(ss)减量率、挥发性悬浮固体浓度(vss)减量率分别达
49．5％。55．6％和60．0％。63．2％。蚯蚓生物分解处理技术可以
实现城市污泥的“i化”(无害化、资源化、产业化)处理目标，
对环境不产生二次污染，具有流程简单、管理方便、造价和运
行费用低廉。副产物具有经济利用价值、经济效益高等特点，
逐渐成为一种新兴的污泥处置方法．为解决城市污水厂污泥
的最终处置提供了生态利用的途径。
2基于微生物代谢解偶联的污泥减量技术
正常情况下微生物的分解代谢和合成代谢通过呼吸速
率控制是相偶联的．细胞产量和分解代谢产生的能量直接相
关。但在某些条件下．在底物被氧化的同时ATP不大量合成
或者合成以后迅速由其它途径释放．即分解代谢和合成代谢
解偶联．从而使细菌在保持正常分解底物的同时，污泥产生
量减少。
2．1投加解偶联剂
近几年国内外研究的热点主要集中在选择高效的代谢
解偶联剂．即在较低浓度下就能抑制污泥的合成代澍．同时
又不影响污泥的分解代谢能力。目前研究较多的解偶联剂是
氯代酚，硝基酚，氨基酚、甲基酚和四氯水杨苯胺。LOW、
Chen等在实验室中研究了10多种代谢解偶联剂的减量效
果．发现当对硝基苯酚、三氯苯酚、四氯水杨苯胺的浓度分别
在100、5和O．8m∥L时，污泥产量分别减少了62％，50％和
78％．而污水的处理效果只下降了10％～15％。Yang等报道在
邻氯酚、间氯酚、间硝基苯酚和对硝基苯酚四种化合物中，问
硝基苯酚的污泥减量效果最好。解偶联剂的优势是减量效果
好．可操作性强。存在的问题是长时间用解偶联剂后。微生物
被驯化．解偶联效率可能变低：大部分解偶联剂对环境可能
有毒，应当慎重使用。陈志英、王磊等人实验研究发现2，4一
二硝基苯酚(DNP)、邻氨基苯酚(AP)、2，4，6一三氯苯酚
(TCP)、3，3’，4，5-四氯水杨酰苯胺(TCS)和丙二酸在各自的
最佳质量浓度20、15、4、1．2和15mg／Z时【10]，污泥的表观增
长系数分别降低了62．39、63．75、59．40、34．58％和53．75％，而
COD去除率仅有轻微下降。他们重点研究了15mg／L的丙二
酸和4mg／L的TCP对SBR系统运行效能和污泥沉降性能
的影响．发现在长期运行过程中．两者都能有效降低系统的
污泥产量．而对COD去除率的影响较低，但使片j丙二酸6d
后极大地影响了污泥的沉降性能．而TCP对污泥的沉降性
能影响很小。
2．2高So／Xo条件下的解偶联污泥减量
在高汛(COD／生物量)条件下，存在过剩能量，由于微
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．A‘rP产生累积后可能引起能量的耗散从而降低微
生物产率系数．引起合成代谢和分解代谢的解偶联。Lju等人
研究了在基质充裕条件下能量解偶联联系模型和微生物表
观增长系数模型．为高So／X条件下解偶联提供了理论依据。但高汛条件还不能用于实际的污水处理过程，因为城市
生活污水的实际S／)(0常处于0．01～0．13范围内，而要实现
解偶联，S勰。要大于8。因此，既要满足足够高的S／xo使代
谢解偶联．又要满足出水水质达标，将会大大增加投资和处
理成本。而且。在高S／‰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。
2．3高浓度溶解氧的解偶联污泥减量
细胞表面的疏水性、微生物活性和EPS的产生都和反
应器中的溶解氧水平有关．这预示着溶解氧对活性污泥的能
量代谢有一定影响．进而影响碳在分解代谢和合成代谢中的
分布。Abbassi等人在试验规模的CAS反应器中，当溶解氧
从1．8m∥L增加到6．0mg／L时，剩余污泥量从0．28mgMLss／
‘mgBOD；下降到0．02mgMLSS／mgBOD，。采用高浓度溶解氧工
艺来实现污泥减量无需对原有设备进行大规模改造．仅需增
大曝气量．操作简单．在相同的污泥停留时间下纯氧系统中
的污泥产率仅为空气系统的60％．即使在高污泥负荷率下．
污泥量也可比传统工艺减少54％。与传统空气曝气工艺相
比．纯氧工艺能使曝气池中维持较高的MISS。污泥沉降和浓
缩性能好、污泥产量低、氧气转移效率高、运行稳定。因此，高
溶解氧工艺在剩余污泥减量和T艺运行效能的提高方面有
很大的潜力．但增大曝气量势必增加能耗和运行费用．目前
该工艺仍处于实验室研究阶段．离工业化应用还有一段距
离。
3污泥溶胞技术
3．1超声波
超声波降解污泥主要是利用其在液体巾产生空化作用．
形成大量气泡，瞬间破灭时产生高温(5000K)、高压(500x
lO)，同时液体中会产生剪切力很高的射流(40km／h)，可以
压碎细胞壤、释放细胞内含物。而这些胞内物质作为自产底
物被微牛物利用，从而使系统的污泥得到减量。曹秀芹等发
现在声能密度0．25～0．50W／ml范围内f11]．对污泥处理1～
30min后再进入至曝气池．剩余污泥产量可以减少20％一
50％左右。诸一殊、余光辉[12]等人用超声波进行预处理提高
污泥生物消化的作用．可使不溶物转化为可溶物，增加了污
泥中可溶性物质的量。研究发现能量密度与时间分别为
12kW／L和10min．此时有机物释放与能量输入之比较优；在
此条件下．经预处理后的污泥好氧消化性能明显比未处理的
高。消化时间为10．5d时．经超声波预处理的污泥TSS减量
42．7％．且提高了污泥好氧消化效率．缩短了污泥好氧消化时
间。薛索姣等研究发现经超声波处理后的剩余污泥有利于蠕
虫的生长[13]，从而促进蠕虫的污泥减量。在脉冲比2：l和超
声时间10min的条件下．声能密度为0．05W几和0．1W／L
201 1．NO．5．o
万方数据
时．红斑瓢体虫和轮虫生长的数量达到一个峰值。而赵继红
等应用超声波处理SBR系统剩余污泥【14】．发现对二沉池回
流污泥在声能密度1W／mL作用时间15min．系统运行时间
为6h时．可将进水COD从487mg／L降至57mg／L．基本达到
了城镇污水处理的一级排放标准．且系统运行一个月内污泥
的增加量为56mg／L，无明显增加。污泥SVI为79．超声后并
无影响污泥的沉降性。不过，超声波与其他工艺相结合的条
件和污泥减量最佳效果还有待进一步的研究以降低成本．
3．2微波热解
微波是一种频率范嗣介于无线电波与红外波之间的电
磁波。这种非离子化辐射可以促进分子运动．使污泥中的某
种物质吸收微波能．吸收的微波能转化为热能．实现细胞破
碎．释放胞内有机物的同时将大分子有机物分解．同步改善
污泥脱水性能和厌氧消化性能，达到污泥减量的效果。国内
的孔得栋，王一娜等[15j人研究发现在微波辐照功率为800w、
辐照时间为60s、SS的活性炭投加量为0．39．g一时，污泥溶解
率达到28．9％。同单独微波处理污泥相比．污泥溶解率增大
10％。在此操作条件下，更多的微生物胞外聚合物分解、胞内
物质释放到液相中．使污泥上清液中溶解性有机物含量明显
增加。污泥破解后，磷释放到溶液中，使TP的质量浓度增加
了1．4倍。在微波辐照活性炭产生的高温及氧化剂作用下．
部分有机氮被矿化，NH4+-N的质量浓度由7．9增至14．2mg．
L一1。其后孔德栋．王一娜等【16】人采用序批式活性污泥法
(SBR)装置，对应用微波诱导活性纤维催化氧化实现污泥减
量研究发现，在微波功率为800W，微波辐照时间为50s。每
克SS加入0．199活性炭纤维条件下．微波诱导活性炭纤维
催化氧化污泥的分解率明显高于单独微波消解处理。将微波
诱导处理后的污泥返回到处理系统中。随着被微波诱导处理
的污泥占反应器内污泥的比例(污泥处理比例)的增大。污泥
表观产率系数随之减小。污泥减量也越明显：污泥处理比例
为5％(体积分数，下同)、10％、15％时，与对照系统相比，处
理系统污泥减量分别为24．3％、43．6％、62．2％：随着污泥处理
比例的增大，处理系统出水溶解性COD(SCOD)呈升高趋
势．但系统仍能保持其生物处理能力．SCOD去除率在85％
以上．处理系统和对照系统的氨氮降解速率常数及污泥好氧
速率相差不大。孔德栋。刘佳【17J等人在SBR中，微波辐照与
碱联合实现污泥减量的研究发现：在微波辐照功率800W，
辐照时间120S，每克SS投加NaOH0．169，每天处理的污泥分
别为反应器内污泥的5％、10％、15％时，污泥表观产率系数
分别减少18％、26％、38％。虽然随着污泥处理比例的增大，
处理系统出水SCOD略有增加．但处理系统仍能保持其生物
处理能力．SCOD去除率在82．4％～84．2％．对系统的生物处理
能力影响不大。两系统对NH4十-N去除率均在94．6～95．9％．
微波辐照与碱联合处理系统的硝化能力没有受到太大影响．
污泥分解后，磷释放到溶液中，返回至生物系统。使出水的
TP浓度有所增加。
3．3臭氧氧化
臭氧具有强氧化性．被广泛用于污水处理厂中以提高污
20’1．No。5。
水的生物降僻能力，臭氧是强的细胞溶解剂．能够强化细菌
的隐性生长．增大细胞衰减速率．降低剩余污泥产量。孑L德栋
等【18】对污泥进行臭氧氧化发现在臭氧投量为0．0590JgSS．每
天氧化的污泥分别为反应器内污泥的10％、20％、30％时，污
泥表观产率系数分别减少24％、46％、73％。污泥氧化比例与
污泥减量的程度成正比关系．Yasui等研究发现。当臭氧化回
流污泥量是剩余污泥量的3．3倍．臭氧投量为0．015k902／
kgSS时．基本上实现剩余污泥的零排放。王嵘等it9将臭氧通入
SBR反应器中进行同步臭氧氧化．发现当臭氧投加量从零增
加到0．0409SS／g时污泥产率从0．459SS／gSCOD减少到一
0．049SS／gSCOD；对出水水质没有显著影响。污泥臭氧化减量
技术很容易和现有的污水处理系统进行结合使用．经臭氧氧
化后的污泥同流至反应器中还能提高系统的反硝化能力．并
改善了污泥的沉降性能。但是作为一项新技术仍有许多问题
需要解决。比如处理成本高，出水水质变差．特别是出水中
N、P含量高等问题困扰着臭氧化污泥减量技术的推广与应
用。因此，我们还需要进一步的研究使其得到推广和应用。
4其他利用生物的污泥减量技术
4．1 添加微生物制剂的污泥减量技术
目前使用较多的是多功能复合微生物制剂(multifunc—
tional compound micro—organisms preparation．MCMP)，它是由
高效脱氮除磷菌、氧化分解有机污染物的微生物和极度耐盐
菌等组成。投加MCMP一方面能够优化微生物群落结构．增
加了污水处理系统中高效微生物的种类和浓度．抑制不利菌
和“无用”菌的生长，改善了污泥性能和代谢活性：另一方面
强化了微生物分解代谢能力．因为MCMP中的微生物能分
泌大量的胞外水解酶．促进污水中的大分子有机物分解成易
被其他微生物进一步分解和利用的小分子物质．另外分泌的
一些水解酶还可加速对死亡微生物细胞的水解．使之转化为
溶解性的有机物，产生活性污泥的“隐性生长”现象。李俊等
在氧化沟的好氧段投加MCMP[20]。投加频率为1次／月、每次
的投加量为日处理水量的0．005％时．系统运行了6个月而
没有外排剩余污泥。投加MCMP后不仅能保证污水处理厂
的出水水质，而且还强化了对氮、磷的去除。李俊、朱臻等考
察了投加多功能复合微生物制剂(MCMP)对污水处理过程
中剩余污泥减量的影响【2I】。中试研究结果表明．曝气池中．每
次MCMP菌剂加入量为日处理水量的0．02％。0．04％的条件
下，运行2个月装置未排放剩余污泥．有效地实现剩余污泥
源头减量的预期要求。该技术不增加或改变原有污水处理工
艺和运行方式。不增加处理系统总的动力消耗．并且不会对
出水水质产生不良影响。
4．2活性污泥法与生物膜法联合的污泥减量技术
活性污泥法与生物膜法联合进行污泥减量．可以结合两
者的优点，在不影响污水处理效果的情况下．在污泥产生的
过程中对污泥进行减量。具有工艺简单、效果好、经济等优
点。李洵、欧阳文骡等人通过在缺氧一好氧工艺中投加BF生
物填料【笠]，发现微生物的内源代谢是污泥减量的根本原因，
而用BF填料构成的复合生物接触氧化池为之创造了良好
。
万方数据
的客观环境．使微生物的量大大增加，增加了池内MLSS，延
长污泥停留时间．同时增强微生物的硝化反硝化作用。该工
艺促进污泥中污染物被充分的降解，并使产生的污泥被进一
步降解．污泥在源头得到减量。此试验的污泥减量效果较好，
剩余污泥减量率最大可以达到89．5％，同时也可以提高氮的
去除率。
5结语
我国对于污泥的处理基本停留在末端治理的水平。但是
污泥产量的不断增加给其后续处理带来了沉重的压力。虽然
对污泥处理处置的方式很多．按照生态原则组织工业活动、
消除污染。将成为未来各行业发展的必然趋势。对于污泥的
处理也应按照绿色、清洁、环保的生态原则，污泥的减量化是
解决污泥出路的最佳处置方式。从经济与环境效益来说，基
于生物作用引起污泥减量和物化法与生物法联用技术将是
今后发展的重要方向之一。随着这些问题的逐步解决，污泥
减量化工艺将得到更好的应用。
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四大新能源产业协调发展
据悉．新能源作为中国七大战略性新兴产业之一，未来
发展重点锁定在核电、电风、太阳能和生物质能四大产业，其
中太阳能和生物质能发电装机容量目标基本确定。即未来5
年分别到1000万千瓦和1300万千瓦。风电的发展也将保持
每年新增1000万千瓦装机容量的发展速度。
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中国太阳能发电产业应多元并举
我国《可再生能源发展“十二五”规划》即将出台，此次
《规划》对当前太阳能发电产业发展方向鼓励从大规模电站
模式向多元化分布．从单一光伏向光伏、光热双项并举发展。
这也是太阳能发电产业由粗放式向集约化升级的一个积极
信息。
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未来太阳能成为主要能源
据报道，国际能源署(IEA)预计50年内太阳能将成为全
球能源供应的主要来源．危害环境的温室气体排放将大大减
少。据分析预测，光伏和太阳能电厂到2060年将满足全球大
2∞1．NO．5．
部分用电需求．余下部分多由风电、水电和生物能源电厂供
应。

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