臭氧化污泥减量技术的研究

，吴声东1,2，江水英21.教育部鄱阳湖湖泊生态与生物资源利用实验室，江西南昌（330029）2.南昌大学环境科学与工程学院，江西南昌（330031）E-mail：[e-mail]摘要：详细阐述了臭氧化污泥减量技术的机理、臭氧化污泥的性状、污泥减量效果的影响因素、污泥臭氧化对出水水质的影响等。结果表明：臭氧化污泥减量技术在不影响出水水质的情况下，能有效的减少剩余污泥量；还能提高系统的反硝化能力，具有广阔的应用前景。关键词：污泥减量，臭氧化，活性污泥，剩余污泥中图分类号：X703.1活性污泥法自20世纪初应用于污水处理以来,因其较高的处理效率,运行稳定可靠等特点,在世界各地倍受青睐,目前已成为全世界应用最广泛的一种污水处理工艺之一，约有80%的污水处理厂采用活性污泥法[1]。但是微生物在分解有机物的同时，也通过合成代谢产生了大量的新的生物体，即所谓的剩余污泥（excessbiomass）。这部分增生污泥的处理和处置成本较高，约占污水处理厂总费用的40%～60%[2]。传统的污泥处理处置方法（焚烧、土地填埋、填海、回收利用等）存在很大的环境压力。当前用于污泥填埋的土地及海域越来越紧缺；且传统的污泥处理处置方法易产生二次污染（焚烧烟气和填埋渗滤液），很难达到越来越严格的环境法规要求。这就导致污泥的处理处置成为活性污泥法推广发展的瓶颈。因此，从清洁生产的思路出发，开发能减少污泥产量的污水生物处理技术成为当前的研究热点[3]。目前，污泥减量技术主要着手于两个方面的研究，基于隐性生长的减量技术、基于解偶联生长的减量技术[4]。隐性生长（crypticgrowthordeath-regeneration）是指微生物利用自身细胞或其溶解产物进行新陈代谢的生长方式[5]，目前常用的方法有提高污泥浓度、增加泥龄、加热、超声波、酸碱、臭氧氧化和和微型动物捕食等。解偶联（uncoupling）技术就是从能量上对微生物细胞的合成进行抑制，使微生物分解有机物所产生的能量不用于合成细胞本身。在现有的各种污泥减量技术中，臭氧化污泥减量技术效果最好，可实现污泥的零排放。而且臭氧反应后的产物为氧气，无二次污染[6、7]。另外，臭氧工艺易与现有的活性污泥工艺结合，能耗也很低[8]。故臭氧化污泥减量技术在工业应用上具有广阔的前景。本文就臭氧化污泥减量技术的机理、运行效果的影响因素等进行了综述与探讨。1.臭氧化污泥减量技术的机理传统的活性污泥法由两个主要部分组成：微生物氧化分解有机物和泥水分离。其典型的工艺流程见图1。有机废水经调节池连续地流人曝气池，被曝气池中的微生物氧化分解形成无机物。与此同时，微生物也会利用无机物合成自身细胞。新产生的活性污泥只能部分回流，其余的就是剩余污泥。在图1中，如果将二沉池中的所有污泥全部回流至曝气池中，就有可能实现无剩余污泥的目的。但是，污泥全部回流会导致曝气池中的微生物含量过高，在有机负荷不变的情况下，微生物就会因为营养物质不足而大量死亡。死亡的微生物具有坚固的细胞壁表层，难以被其他的微生物降解利用。从而导致曝气池和二沉池中的MLSS升高，污泥的过度累积导致污泥随处理水一起流出，从而降低处理水的水质。且过量的微生物会致使曝气池中缺氧而降低微生物的处理效果[9]。因此，传统的活性污泥法必须排放剩余污泥以保证处理效果和系统的正常运行。为了实现污泥减量，不仅要增加回流污泥的量，还要提高回流污泥的可生化性，才能保证剩余污泥的减量。为提高回流污泥的可生化性，Yasui和Sbibata利用臭氧进行实验，发现将剩余污泥用臭氧氧化后回流至曝气池可以使污泥减量[10]。图2为臭氧化污泥减量技术的工艺流程。臭氧化污泥减量技术中，二沉池中的污泥一部分直接回流至曝气池中，还有一部分经过臭氧接触器与臭氧反应后再进入曝气池中，能够实现污泥减量。Yasui等[11]利用该工艺对制药废水进行了为期10个月的工业规模实验（有机负荷为550kgBOD5/d，曝气池体积为1900m3），没有剩余污泥排出，曝气池中也没有明显的无机物累积。图1典型的活性污泥工艺流程Fig1Flowfortreatingorganicdrainageintypicalactivatedsludgetank图2臭氧化污泥减量技术Fig2OzonationMinimizationTechnologyofSludge在臭氧接触器中，利用臭氧的强氧化性破坏不易被生物降解利用的细胞壁和细胞膜，使细胞内物质较快地溶于水中[12]；同时还氧化污泥中不容易水解的大分子物质。因此经过臭氧的氧化后，回流污泥的可生化性大大的得到提高。其原理见图3[13]。生化性大大提高的臭氧化污泥回流至曝气池后，便可作为底物重新被微生物代谢分解为CO2、NH3、H2O等无机物，使得污泥减量，这是主要的一方面。另一方面，在污泥臭氧化过程中，约有1/3的污泥被臭氧直接氧化成CO2、NO3-、H2O等无机物，也使得污泥减量[14、15、16]。图3臭氧提高污泥的可生化性原理Fig3TheMechanismofEnhancingtheBiodegradabilityofSludgebyOzone回流污泥臭氧氧化剩余污泥剩余污泥臭氧发生器回流污泥处理水二沉池入流废水调节池曝气池处理水二沉池入流废水调节池曝气池臭氧接触器细胞膜细胞质细胞壁CO2细胞壁、细胞膜裂解细胞质释出臭氧化污泥的性状为了更好的理解臭氧化污泥减量技术的机理，我们通过研究臭氧化前后污泥性状的变化来阐述臭氧对污泥的作用机理。A.Scheminske等[12]人利用消化后的干污泥进行实验，考察了污泥中三种主要成分（蛋白质、多聚糖和脂类化合物）臭氧化前后的变化情况，。实验表明在臭氧投量为0.38gO3/gDS时，干污泥中的蛋白质含量从臭氧化前的16%降到臭氧化后的6%，降低63%；干污泥中40%的有机碳转化至污泥混合液中，臭氧化后的污泥混合液中的COD升高至2300mg/L。当臭氧的投量增加至0.5gO3/gDS时，干污泥中60%的固体有机组分转化为可溶物质，蛋白质含量降低90%，脂类减少30%。Bunning等人[17]解释这种现实认为，臭氧与污泥反应时，使细胞壁破裂而释放出细胞质中的蛋白质、脂类和多聚糖化合物，使得污泥混合液中的SCOD升高。这就证明了前面所阐述的臭氧化污泥减量技术的机理。王琳等[18]采用接触反应器，对臭氧化后污泥性质的变化进行了系统的研究，考察了SCOD、污泥沉降速度、污泥含水率、污泥上清液浊度和污泥比阻等因素在臭氧化后的变化情况。结果表明,在臭氧投量为0.1gO3/gSS时,污泥中的SCOD浓度从256mg/L增加到2126mg/L,污泥沉降速度由初始的0.19cm/min增至1.43cm/min,滤饼的含水率由初始的76.6%降至70.6%。臭氧氧化后污泥絮体被分解,产生大量悬浮粒子,使污泥上清液的浊度和悬浮物浓度增加。臭氧氧化处理后污泥的过滤性能恶化,污泥比阻增大。Ahn等[14]的研究也证明了污泥过滤比阻（SRF）随着臭氧剂量的增加快速提高，但是当臭氧剂量高于0.2gO3/gDS时，SRF却出现降低的现象。蒋铁锋等[19]在O3投加量为0.16kg/kgMLVSS时对污泥进行静态实验，污泥臭氧化前后的性质比较见表1。表1污泥混合液臭氧化前后的性状比较Table1Basiccharacteristicsofmixedsludgeliquidbeforeandafterozonation项目臭氧化前臭氧化后变化值项目臭氧化前臭氧化后变化值MLSS(mg/L)318016101570NO2-N(mg/L)0.50.2－0.3MLVSS(mg/L)277013001470NO3-N(mg/L)5.49.64.2SCOD(mg/L)3013171287TN(mg/L)9.2153.1143.9NH3-N(mg/L)2.812.39.5SCOD/TN3.38.65.3表1说明，臭氧氧化污泥时，先溶解微生物的细胞壁，使微生物的细胞质释放出来；同时将污泥中的悬浮态有机物氧化分解为溶解态有机物，从而污泥中的SCOD浓度明显升高，臭氧的溶胞作用也使MLSS值减小；与此同时，污泥中的一部分SCOD被直接氧化成CO2、H2O,所以污泥中的SCOD增速减缓[20]。其它几项指标也会因臭氧的作用发生变化，污泥中的NH3-N和NO2-N浓度变化不大，但TN和NO3-N浓度有较大的变化。对回流污泥的絮体进行镜检发现臭氧能够破碎污泥中的丝状菌，破坏菌胶团的网状结构。当臭氧量为5g/h，氧化0.5h后，污泥变得松散[21]。金瑞洪等[22]进一步指出，当臭氧投加量超过0.2gO3/gSS时，污泥中几乎检不出丝状菌、纤毛虫和钟虫等，污泥失去活性。但也有研究指出，臭氧投加量超过某一限值时，松散的污泥颗粒会发生二次凝聚[23、24]。3.污泥减量效果的影响因素由何圣兵等[25]给出的臭氧化污泥减量技术的反应动力学方程可知，臭氧化污泥减量效果仅仅受臭氧化过程的影响，即取决于臭氧剂量的大小和臭氧化污泥体积的流量。在污泥臭氧化减量过程中，如果臭氧化污泥量过小，则会产生剩余污泥，但也不能过大，为保证达到减少剩余污泥的目的，臭氧投加量不应超过0.2gO3/gSS[24]。因此，只有选择合适的臭氧剂量和臭氧化污泥量，才能达到理想的污泥减量效果。为了确定处理污泥所需最佳臭氧投加量，何圣兵等[25]对一定量的泥水混合液进行了静态实验，得到最佳臭氧投加剂量为0.05kgO3/kgMLSS。这与Böhler等[27]的研究结果一致。在此实验基础上，进一步利用臭氧+淹没式生物膜好氧池及其对比工艺，考察了臭氧化污泥体积流量对污泥产率的影响。在臭氧化工艺与对比工艺同时运行2个月后发现：最佳臭氧化污泥体积流量为进水体积流量的5%。污泥产率比无臭氧化的对比工艺减少78.4%。但这与日本学者Yasui等[10、11]的研究结论不一致。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0．015kgO3/kgSS时，基本上达到了剩余污泥的零排放。蒋铁锋等[19]的研究结果却表明最佳臭氧投加量为0.16mg/mgMLVSS。且其在臭氧化污泥体积流量分别在0.5%和1%的情况下，污泥产率分别是对比系统（MBR）的71%和50%，并未到达污泥的零排放。由于研究条件不同，所以得到的最佳臭氧剂量不同。即使在相同的臭氧剂量下，污泥减量效果也不一定相同，如Böhler[27]等在最佳剂量为0.05kgO3/kgMLSS时，污泥的减量效果只达到25%～35%，不同于何圣兵等的研究结果。因此，实际操作过程中，应根据处理工艺、水质和运行条件等实际情况来确定臭氧的最佳投放量和臭氧化污泥体积。4.污泥臭氧化对出水水质的影响在考察污泥减量的同时，必须考察该技术是否会改变出水的水质。只有保证出水水质达标的情况下讨论污泥减量才切实可行。Yasui等[10、11]的研究表明，臭氧化污泥回流对出水水质影响很小。蒋铁锋等[19]在对比实验中发现，随着臭氧化污泥数量的增加，系统对COD的去除率略微降低，但能符合排放标准。且有研究指出，臭氧化可提高系统的反硝化能力，这是因为微生物细胞被O3氧化后释放的有机物增加了系统中有效的碳源[26]。但提高的幅度不大，只有5%，其原因为O3氧化污泥后增加的CODCr并不是全部用于反硝化，还有一部分被微生物用于自身的生命活动[27]。值得关注的是，由于剩余污泥的零排放，污水系统中的P和重金属无法去除[28]。Saktaywin等[29]开发了一种能够实现P回收利用的臭氧化污泥减量工艺，臭氧氧化污泥中有机物的同时，也会把聚磷酸（AHP）氧化溶解为有机磷（PAOs），因此在臭氧化污泥减量工艺的基础上增加化学结晶的方法