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- 2022-04-26 发布
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环境工程2012年第30卷增刊171废水处理中污泥减量技术研究进展*王敏11221熊娅宋英豪贾立敏林秀军(1.北京市环境保护科学研究院,北京100037;2.北京化工大学,北京100029)摘要:污泥的处理与处置已成为国内外污水处理厂的沉重负担,污泥减量成为解决此问题的重要途径。根据污泥减量的不同原理分别介绍了多种污泥减量技术,较全面的综述了各种污泥减量技术的的研究应用现状,并且对这些技术的优缺点、处理效果和适用范围进行了综合比较,同时探讨了各技术存在的问题与将来的发展方向。关键词:污泥减量;OSA;解偶联;隐性生长RESEARCHPROGRESSINSLUDGEREDUCTIONTECHNOLOGIESINWASTEWATERTREATMENT11221WangMinXiongYaSongYinghaoJiaLiminLinXiujun(1.BeijingMunicipalResearchInstituteofEnvironmentalProtection,Beijing100037,China;2.BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)Abstract:Sludgetreatmentanddisposalhavebecomeaheavyburdenforsewagetreatmentplantsthroughouttheworld.Sludgereductionisthekeypointtoresolvethisproblem.Thisarticlesurveysvariouskindsofsludgereductiontechniquesbasedontheirdifferenttheories.Itisalsoprovidedacomprehensivesummaryofcurrentresearchandapplicationstatusofthosetechniques.Inaddition,itiscomparedthemeritsanddemer-its,effectivenessandapplicabilityscopeofdifferenttechniquesandfurtherdiscussedtheshortcomingsofeachtechniqueandtheirfuturedirections.Keywords:sludgereduction;OSA;uncoupling;crypticgrowth[1]目前,废水处理主要采用活性污泥法。活性污提高污泥的自身氧化率;2)向工艺体系中投加代谢解泥工艺污泥产量大,处理与处置费用高,污泥已成为国偶联剂,或改变部分工艺路线,制造非稳态环境,使其内外污水处理厂亟待解决的问题之一。污泥减量技术产生代谢解偶联作用,将合成代谢与分解代谢分离,氧是在满足系统出水达标排放的条件下,使整个污水处化有机底物和分解代谢所产生的部分能量不用于合成理系统向外排放的生物固体数量达到最少,是解决城代谢,从而降低微生物细胞的合成,降低污泥转化率;[2]市污水处理污泥问题的重要途径。本文介绍了废水3)利用微型动物的捕食作用,延长食物链,增加物质和处理领域中污泥减量技术的研究和应用进展,对各技能量消散,同时微型动物可以增强细菌的活性或增加术的优缺点进行了综合比较,探讨各技术存在的问题,活性细菌的数量,从而增强细菌的自身氧化和代谢能[3]提出下一步的研究方向。力,减少污泥的产生。1污泥减量技术的原理2污泥减量技术的研究与应用目前,对污泥减量技术的研究主要通过以下几种2.1基于促进隐性生长的污泥减量技术机理进行:1)通过物理、化学、生物的方法破坏污泥的2.1.1超声波技术菌胶团结构和微生物的细胞壁、细胞膜,从而使蛋白超声波通过空穴作用压碎细胞壁,释放出细胞内[4]质、脂肪、多糖、核酸等从细胞中释放出来,使得剩余污所含的成分和细胞质。超声波技术可独立使用,利泥死亡、溶解,从大分子物质溶解到小分子物质,从难用超声波对细胞壁的破坏作用将污泥减量,多用于污降解物质溶解到易降解物质,促进微生物的隐性生长,泥后续处理工艺中。超声波技术也可与污水处理工艺结合,置于剩余污泥回流过程中,对污泥减量会有更好*国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2009AA063802)。[5][6]的效果。诸一殊等人将超声波与好氧消化相结n环境工程1722012年第30卷增刊[7]合,可使TSS减量42.7%。童文锦等用超声波强化出:在相同出水水质的条件下,其能量消耗仅为传统方剩余污泥好氧/厌氧消化的实验证明:加超声波后,法的60%,污泥可减少90%,出水水质较好。MLVSS的去除率提高了14.4%。在国内,将臭氧技术用于高浓度有机废水和难降超声波技术在应用过程中受多种因素的影响,包解废水的前期预处理中已进入生产性应用阶段。但是括:超声波频率、声能密度、超声时间以及污泥回流比将臭氧用于污泥减量的领域还是新的研究与挑战,对[8]等。Neis等人比较了不同频率对超声波处理的影臭氧投加量、投加位置、投加时间等工艺参数有待进一响,实验表明随着超声波频率的升高污泥菌胶团解体步探索。的效率逐渐降低,并且一般不采用超过40kHz的超声2.2基于解偶联作用的污泥减量技术[9]波对污泥进行处理。刘峻等人经实验得出了当超声2.2.1投加解偶联剂污泥回流比为1∶24、声能密度为0.4W/mL、超声时在活性污泥工艺中使用代谢解偶联剂可以使污泥间为5min时,污泥减量效果达到95.81%,并且出水的合成代谢受到抑制,而分解代谢的能力基本不受影达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标响。对解偶联剂的选取是该方法的关键所在,选择一[10]准》的二级排放标准。刘永德等运用超声处理不同个效果好,价格低廉,危害小的解偶联剂是人们所关注种类的污泥,得出:当回流比为7∶120,声能密度为的问题。目前研究较多的解偶联剂是氯代酚、硝基酚、[18]0.6W/mL,作用时间为5min时,污泥减量效果达到氨基酚、甲基酚和四氯水杨苯胺等。Xue等对间氯+酚、对氯酚、间硝基酚和邻硝基酚四种解偶联剂进行了96.24%,COD、NH4-N和TN均达到GB18918—[19]2002一级排放标准。由此可看出超声波技术对污泥试验,发现间氯酚的效果最好。Strand等比较了减量可达到很好的处理效果。12种解偶联剂,结果得出三氯苯酚(TCP)最有效。C.[20]国外,德国研究主要是利用超声波降解剩余污泥Aragón等人比较了2,4-二硝基苯酚、3,3’,4’,5-四来提高厌氧消化的能力。据有关报道,德国利用超声氯水杨酸苯胺(TCS)、Cu和Zn四种解偶联剂,只有[11]波进行污泥减量已进人实际应用阶段。但是超声TCS具有良好的污泥减量效果。除了对解偶联剂的波设备价格昂贵,能耗高,且超声波的作用受到液体黏选取,其投加量也是人们所关注的问题,尽量投加较小[18]度、温度、表面张力等多种因素的影响,国内还没有达的量来去除较多的剩余污泥。Xue等投加20mg/[21]到应用阶段。L间氯酚时,污泥减量约80%。叶芬霞等人在投加2.1.2臭氧氧化技术0.5mg/gVSS的TCS时,污泥减量约30%。而C.[12][20]臭氧具有高效的污泥降解力。臭氧氧化技术Aragón在投加0.8mg/LTCS时污泥产率可降低可以将污泥达到零排放,彻底解决剩余污泥的问题,因30%。单从量的投加上可明显看出TCS具有很高的此,臭氧氧化技术被广泛关注与利用。Ann提出了臭优势。氧氧化分解污泥的过程为:固体悬浮物解体-细胞固目前,对于解偶联剂的作用机理有不同的解释。[13][22]体溶解-微生物细胞释放出有机物的矿化。日本FenxiaYe认为在低TCS投加量的条件下会发生解早在1990年前后就开始了臭氧氧化技术的研究,目前偶联代谢,但在高TCS投加量的条件下微生物会死[14][23]已有实际处理装置建成。日本的Shima污水处理亡,因此导致了污泥减量。2010年,Ye又提出疑厂采用臭氧技术处理剩余污泥,运行了9个月没有剩问:化学解偶联剂能否通过OSA工艺来补充能量损[4][14]余污泥产生。1994年,Yasui等人将臭氧加入回耗?工艺改进对微生物群落有何影响?两者结合的机流污泥系统,处理制药废水,基本上达到了剩余污泥零理?她的这些疑问说明了在运用代谢解偶联法来减少[15]排放。SakaiY.等人通过实验得出,当回流速率为污泥产量的领域中存在许多的未知,需要进一步研究。-1[24]0.3d,臭氧浓度在0.02mg/mg(O3/SS)以上时,可Wen-MingXie等对解偶联剂法进行了进一步的研以达到污泥的完全减量化。究,他以最大比生长速率(μmax)、能量溢出率(qmax)和臭氧虽然价格较昂贵,但是与传统方法相比较,仍污泥产率(YH)为动态参数,建立了一套探索解偶联剂[16]可节约处理成本。E.Paul等人从技术与经济上对作用机理的数学模型。臭氧氧化技术进行了分析,得出臭氧具有较好的减量解偶联剂大多是难降解有机物或重金属等有害物[14]效果和经济实用性。Yasui在他的实验中通过经济质,在使用过程中会存在一定的环境风险,同时,随着分析得出臭氧氧化技术处理剩余污泥费用仅占常规活微生物抗药性的产生,则会导致解偶联剂投加量的增[17][19]性污泥法的47%。HiroshiTsuno等人通过实验得加。Strand等在实验过程中,开始阶段投加TCPn环境工程2012年第30卷增刊173的污泥产率是不投加的50%,但80d后,微生物适应工艺与其他其他工艺相结合,在污泥减量的同时达到[33]了TCP。目前,对解偶联剂的选取只停留在污泥减量更好的脱氮除磷效果。Jian-fangWang等用染色法效果和经济上的比较,而对环境所产生的风险仍无一得出35%的微生物具有聚磷菌(PAOs)的特性,用荧个明确的衡量基准。光原位杂交技术(FISH)分析表明28%的细菌为聚磷2.2.2OSA工艺菌,是OSA工艺中的主要微生物群体,除磷效果达[34]好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺实质是在传统活60%。Fen-xiaYe和YingLi对投加TCS、OSA工性污泥工艺污泥回流过程中增加一个厌氧反应器,不艺以及两者的结合进行了实验对比,其实验结果得出:需要通过物理或化学手段对污泥进行预处理或者添加单独投加TCS可有效地降低污泥产量,但是会造成出任何化学药剂,已被证实能在不影响出水水质的前提水COD和TN的增加,同时使沉降性能变差;OSA工[25]下,实现污泥减量,同时改善污泥沉降性能。West-艺可以得到较好的出水水质,并且增强污泥沉降性,但[26]garth等首次发现了在活性污泥工艺中插入一个厌是其污泥减量效果仅为26%;将两者结合可以取长补氧段就可减少一半剩余污泥排放量。短,确保出水水质,同时使污泥减量效果达到46.9%。[35]OSA工艺具有简单,运行成本低,处理规模大等G.N.Lau等人研究了好氧与厌氧交替系统中的硫优点,在实际生产中备受关注。人们对OSA的影响酸盐对脱氮的影响,其实验结果表明:厌氧池的HRT因素进行了大量的研究,以优化运行参数,达到更好的为3h时,可去除77%~85%的TOC,并且产生70~[25]实用效果。Saby等发现氧化还原电位(ORP)水平90mg/L的溶解性硫化物,为随后的反硝化提供可能;是控制污泥缺氧处理程度的一个重要参数,当缺氧池厌氧池的污泥产率为0.15~0.18g/g(VSS/COD),好ORP低于100mV时,有减量效果;而当ORP从100氧池的污泥产率为0.22~0.31g/g(VSS/NO3-N)。[36]mV降到-250mV时,减量率从23%增至58%。张OSA工艺在国内已应用于生产实践。朱振超[27]斌等发现提高曝气池与解偶联池ORP之间的差值等采用好氧-沉淀-兼氧活性污泥工艺使上海锦纶厂(ΔORP)可以降低污泥产率,并且ΔORP与表观系数[37]废水处理站的剩余污泥达到零排放。张全等采用(Yobs)之间存在线性关系:Yobs=-0.0028ΔORP+好氧-沉淀-微氧活性污泥工艺使污泥量由80%减[28]1.529OSA。Fen-XiaYe等人经实验研究了不同污少为15%~20%,系统基本上可做到无污泥排放。郭[38]泥停留时间对OSA工艺的影响,实验结果得出了最志宏对上海石化环境保护中心污水处理装置进行佳污泥停留时间为6~7h,停留时间过长反而使污泥了改造,将OSA工艺应用其中,使得污泥产量同比减[29]产量增高。LianpengSun等人认为厌氧-好氧交少11.2%。替频率应作为OSA工艺中的一个重要参数,每天交2.3基于微型动物捕食作用的污泥减量技术替次数越多其污泥减量程度越大,当每天交替4次时,蚯蚓生物滤池(vermibiofilter,VBF)是基于微型污泥量可减少77.4%。动物捕食作用的污泥减量技术的代表。VBF是在传对于OSA工艺的污泥减量机理存在不同解释,统的生物滤池中引入蚯蚓,通过微生物和蚯蚓的协同主要为厌氧-好养交替造成的解偶联和污泥自身衰减共生作用使污水得以净化,并形成以蚯蚓粪为主的少原因,明确OSA的机理是将来的主要研究内容。量稳定污泥,同步实现污泥的减量化与稳定。吴敏[30][39]Guang-HaoChen等经实验证实由于微生物的代谢等针对VBF污泥产率和污泥稳定性进行了大量的解偶联造成的污泥减量占其中小部分,其主要原因可实验,发现由于蚯蚓和微生物的协同作用可实现污泥[40]能是由于污泥衰减所造成的系统污泥减量。金文标等的减量化,污泥减量率在40%左右。杨建又比较了[31]人更是明确认为污泥衰减是OSA工艺污泥减量的传统生物滤池(CBF)和VBF,结果表明VBF的SS和决定性原因,可占OSA污泥减量效果的66.7%左右;VSS减量率比CBF分别提高了14.4%~21.7%和由于能量解偶联作用引发的污泥减量仅占7.5%左22.3%~26.4%。由于蚯蚓的引入,可以增强生物滤右;由于隐性生长造成的污泥减量约占23.5%。2008池通透性,克服了传统生物滤堵塞的情况。RajivK[32][41]年,Kyoung-jinAn等通过COD守恒研究OSA工Sinha等在整个实验过程中没有出现堵塞、臭味等艺的污泥减量机理,结果表明:50%的COD被用于产情况。生CH4和CO2,因此得出了OSA工艺污泥减量主要世界上第一座采用VBF工艺的实际污水处理工由于污泥自身的衰减所致。程已于1995年在法国建立,1998年,VBF技术作为一[42]除了影响因素和机理的研究,人们还关注于OSA项新的污水处理技术被引入中国。与CBF相比,n环境工程1742012年第30卷增刊VBF由于蚯蚓的引入,使得生物滤池的通透性增加,2.4各技术优缺点分析能够使微生物与有机物更好地接触从而更好地分解有每种污泥减量技术都存在各自的优势与不足,对机物,并且利用蚯蚓的捕食作用减少了污泥产量。多种污泥减量技术的比较如表1所示。表1各技术优缺点分析利用机理污泥减量技术优势不足污泥去除率适用范围促进隐性物理溶胞超声波技术只需在回流系统中增设超声设备,受液体参数影响较大,超声设备适用于中生长,提高工艺改造简单,无污染,能量密度受限制,运行成本高,不适合应用20%~95%小型生产。自身氧高,污泥分解速度快、较彻底。于大型生产中。化率化学臭氧氧化对水处理设施要求不高、操作简出水水质较差,沉降性能变差,需溶胞技术单灵活、易于控制,无二次污染,增加曝气量,长期使用会使污泥40%~适用于中污泥产率低。产生抗氧化性,运行成本高,不适[3,43]小型生产。100%合大型生产。需增设高温好氧消化器,能耗高,嗜热酶溶解技术嗜热菌活性强,反应速度快,污泥适用于中生物溶胞酶制剂价格昂贵,运行成本高,不[44]75%(S-TE)减量效果好,无二次污染。小型生产。适合大型生产。产生代谢解偶联投加解不需改造工艺,只需增设加药箱,解偶联剂为难降解物质,会造成[43]确保环境安全,50%作用,降低污泥偶联剂操作简单、便捷,能耗低,易控制二次污染,存在环境风险。谨慎推广。转化率使用规模。机理不明确,需增设污泥厌氧池。38%~54%[45]在大型生产中OSA工艺污泥沉降性能好,工艺简单,能耗低,利于处理高浓度有机废水,污有较好的应泥减量同时能够确保出水水质,用前景。适合大型生产。高S0/X0不需改造工艺,能耗低。高S0/X0值(>8~10)的要求远70%左右[45]不适合远大于实际情况(F/M=0.05~实际生产。0.1)利用微型动物捕食作蚯蚓生物滤池工艺简单,不易堵塞,滤层通透性受环境因素影响较大,出水N、P浓12%~在大型生产中有用,延长食物链,促进(VBF)较强,成本低,无二次污染,环境度增加,需氧量增加,蚯蚓粪便需75%[45]较好的应用前景。物质能量散逸友好,适合大型生产。要定期清理,蚯蚓数量较难控制。经上述比较可得:1)利用各种溶胞技术分解微1)污泥减量与废水处理的耦合:污泥减量技术是生物,促进其隐性生长,都会达到较好的污泥减量效在不影响出水水质的基础上来实现污泥减量,因此研果,同时补充了碳源,但是不能保证良好的出水水究污泥减量过程与废水处理过程的相互作用机理,实质,并且会影响污泥沉降性能。此外,都需要添加溶现两者的兼容耦合至关重要。胞反应设备,为分解之后的二次基质被有效地利用2)污泥减量机理的研究:目前的污泥减量技术的而增加曝气量,提高了运行成本。2)投加解偶联剂研究往往仅针对污泥特性、污泥产率等直观因素,而污存在不可预知的环境风险,会造成二次污染,在实际泥减量机制模糊不清,很难实现对减量技术的优化控应用中需谨慎处理。3)高S0/X0不符合实际情况,制。因此有必要借助于微观解析手段,对污泥减量机不能运用实际生产。4)OSA工艺和VBF都具有工理进行研究,揭示污泥减量的内在规律,并构建对应的艺简单,低能耗,低运行成本,无二次污染等优点,虽数学模型,从而实现对污泥减量过程的控制。然都存在各自的不足,但是,VBF以其环境友好性为3)污泥减量中营养物质的迁移转化过程的研究:主要优势赢得了较广阔的发展空间,OSA工艺则因污泥减量涉及有机物的分解、氮磷释放等问题,如果处其在污泥减量的同时对出水水质影响较小的优势获理不当,会导致污水处理过程的负荷增加。因此,可重得了较好的应用前景。点研究污泥减量过程中各物质的转化路径,并通过结3存在问题与研究方向晶等方式实现氮磷的去除与回收。面对环境标准日益严格和污泥产量与日俱增的矛4)污泥减量处理规模放大化研究:污泥减量技术盾,污泥减量属于水污染控制可持续发展的关键技术。的推广应用面临着经济性评估、反应器放大化设计、工由于污泥减量技术较废水处理技术起步晚,其反应过艺优化控制等问题。因此,开发经济实用的污泥减量程的控制变量和影响机理更为复杂,其最终运行效果技术,确定合理的反应器设计参数及标准,并对工艺参受多方面因素的影响。应着重对以下几个方面进行研数进行自动控制,促进污泥减量技术的工业化应用是究:将来的研究方向。n环境工程2012年第30卷增刊175[20]AragónC,QuirogaJM,CoelloMD.Comparisonoffourchemical参考文献uncouplersforexcesssludgereduction[J].EnvironmentalTech-nology,2009,30(7):707-714.[1]YeFX,ShenDS,LiY.Reductioninexcesssludgeproductionby[21]叶芬霞,陈英旭,冯孝善.化学解耦联剂对活性污泥工艺中剩余污additionofchemicaluncouplersinactivatedsludgebatchcultures泥的减量作用[J].环境科学学报,2005,24(3):394-399.[J].Journalofappliedmicrobiology,2003,95:781-786.[22]YeFenxia,LiYing.Oxic-settling-anoxic(OSA)processcombined[2]WeiY,VanHoutenRT,BorgerAR,etal.Minimizationofex-with3,3’,4’,5-tetrachlorosalicylanilide(TCS)toreduceexcesscesssludgeproductionforbiologicalwastewatertreatment[J].Watsludgeproductionintheactivatedsludgesystem[J].BiochemicalRes,2003,37(18):4453-4467.EngineeringJournal,2010,49:229-234.[3]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[23]YeFenxia,LiYing.Oxic-settling-anoxic(OSA)processcombined技术与设备,2003.1,4(1):44-52.with3,3’,4’,5-tetrachlorosalicylanilide(TCS)toreduceexcess[4]王琳,王宝贞.污泥减量技术[J].给水排水,2000,26(10):28-31.sludgeproductionintheactivatedsludgesystem[J].Biochemical[5]赵庆良,赵赫,林信侃,等.剩余污泥减量化技术研究进展与发展趋EngineeringJournal,2010,50:150-151.势[J].给水排水,2005,31(11):107-111.[24]XieWenming,NiBingjie,ShengGuoping,etal.Substratecon-[6]诸一殊,余光辉,何品晶,等.超声波预处理提高污泥好氧消化性能sumptionandexcesssludgereductionofactivatedsludgeinthe研究[J].环境工程学报,2008,2(5):690-693.[7]童文锦,孙水裕,李楚华,等.超声波强化剩余活性污泥缺氧/好氧消presenceofuncouplers:amodelingapproach[J].ApplMicrobiolBiotechnol,2010,85:2001-2008.化的研究[J].环境科学与技术,2011,34(4):14-17.[25]SabyaS,DjaferaM,ChenGH.EffectoflowORPinanoxic[8]NeisU.Ultrasoundinwater,wastewaterandsludgetreatment[J].sludgezoneonexcesssludgeproductioninoxic-settling-anoxicacti-WatSeiTeeh,2000,4(1):36-39.[9]刘峻,刘永德,赵继红,等.超声处理对系统剩余污泥减量效果的研vatedsludgeprocess[J].WaterResearch,2003,37:11-20.[26]WestgarthWC,SulzerFT,OkunDA.Anaerobiosisintheacti-究[J].中国给水排水,2001,27(1):58-64.[10]刘永德,董燕,赵继红,等.剩余污泥减量化工艺条件优化研究[J].vatedsludgeProeess[C].ProceedingsoftheSecondIAWPRCConference,Tokyo,1964:43-45.环境工程学报,2010,4(11):2599-2602.[27]张斌,吉芳英,官超,等.污泥减量工艺OSA系统的影响因素研究[11]黄汉生.用超声波减少污水中污泥量[J].工业用水与废水,2001,[J].重庆建筑大学学报,2006,28(1):92-95.32(l):14-15.[28]YeFenxia,ZhuRuifen,LiYing.Effectofsludger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entofsludgeby2012-05-09收稿earthworms:alow-costsustainabletechnologyoverconventional