譚 笑

（西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610500）

隨著人類文明發(fā)展速度的加快，污水處理量的大幅提升，活性污泥法污水處理工藝所產(chǎn)生的剩余污泥量也隨之驟增。大量剩余污泥的產(chǎn)生給污水處理廠帶來了沉重的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)，在西歐，剩余污泥的處置費(fèi)用幾乎占了整個(gè)污水處理廠費(fèi)用支出的一半，個(gè)別的甚至占其總運(yùn)行費(fèi)用的80%［1］。與此同時(shí)，現(xiàn)行的污泥處置方法所帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也隨污泥產(chǎn)量的增大而被放大。現(xiàn)行傳統(tǒng)的污泥處置方式主要以衛(wèi)生填埋、焚燒和土地利用等方式為主，其中衛(wèi)生填埋和焚燒都存在二次污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，隨著相關(guān)法律法規(guī)的日益完善，其使用空間將受到極大的限制;而目前廣泛應(yīng)用于西歐的土地利用法僅適用于大型污水處理廠，對于中小城鎮(zhèn)污水廠并不具備普遍使用意義［2］。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，中小城鎮(zhèn)污水廠剩余污泥的處理問題已迫在眉睫，刻不容緩。

臭氧污泥減量化技術(shù)是20世紀(jì)90年代提出的一種基于強(qiáng)化隱性生長機(jī)理的新型污泥減量處置技術(shù)，旨在保證原位污水處理工藝穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，利用臭氧的氧化溶胞特性，完成剩余污泥的溶胞減量，并通過回流的方式，使溶出的有機(jī)質(zhì)被原系統(tǒng)中的微生物重新利用，借以強(qiáng)化工藝污水處理效果，實(shí)現(xiàn)剩余污泥的減量處置。相比于傳統(tǒng)的污泥減容化技術(shù)和其他污泥減量技術(shù)而言，臭氧污泥減量化技術(shù)具有以下優(yōu)勢:一是高效的減量效果。臭氧的強(qiáng)氧化性賦予了臭氧污泥減量技術(shù)高效的溶胞減量效果，如Paul等［3］曾利用0.02 g O3/gTSS臭氧通入量，達(dá)到了70%的減量效果。二是氧化劑綠色，減量產(chǎn)物無二次污染。臭氧是一種綠色環(huán)保型的高效強(qiáng)氧化劑，對污泥減量利用效率超過80%，逸出的臭氧會(huì)很快分解為無害的氧氣，不會(huì)對大氣造成污染。三是工業(yè)適用性強(qiáng)。臭氧污泥減量工藝簡單，占地面積小，且無須改變原污水處理系統(tǒng)的技術(shù)流程和增加構(gòu)筑物。另外，臭氧污泥減量技術(shù)受溫度、污泥性質(zhì)等影響和限制較小，對于不同行業(yè)、不同地域有著較好的通用性，這對于我國這樣一個(gè)地域廣闊、緯度跨度較大的構(gòu)架有著極其重要的應(yīng)用意義。因此，臭氧污泥減量工藝也被認(rèn)為是最具工業(yè)應(yīng)用潛力的污泥處置技術(shù)。筆者通過總結(jié)近年來臭氧污泥減量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

1 臭氧污泥減量化機(jī)理研究

1.1 污泥絮體分解機(jī)理 臭氧對污泥絮體的分解和氧化是臭氧減量技術(shù)的實(shí)施基礎(chǔ)。在臭氧污泥減量過程絮體分解的機(jī)理分析上，國內(nèi)外學(xué)者存在一個(gè)普遍的共識(shí)——絲狀菌解體理論，該觀點(diǎn)將污泥污泥減量過程分為3個(gè)階段:①污泥解絮階段。作為污泥絮體中“骨架”存在的絲狀菌對臭氧較為敏感，會(huì)首先“失活”，使污泥絮體喪失立體層次性。②溶胞階段。臭氧以污泥絮體中以桿菌為主的原核生物為主要“靶點(diǎn)”，進(jìn)行大面積的溶胞減量。③礦化階段。在污泥減量的最后，臭氧會(huì)開始對減量過程中的溶出物進(jìn)行礦化作用［4］。趙玉鑫等［5］曾通過污泥鏡鑒、絮體粒度、溶出物含量等指標(biāo)，分析臭氧減量過程，驗(yàn)證了絲狀菌解體理論。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，臭氧的減量過程是從污泥絮體的表面開始，減量中會(huì)首先分解絮體，使菌膠團(tuán)中的微生物暴露出來，而后再進(jìn)行大面積的溶胞減量反應(yīng)。

1.2 臭氧溶胞機(jī)理 溶胞作用是臭氧污泥減量的主要方式和途徑。Sang等［6］在臭氧污泥減量化技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，臭氧會(huì)抑制污泥體系中微生物蛋白酶的活性，破壞菌體DNA結(jié)構(gòu)，致使菌體失活。臭氧氧化反應(yīng)通常以直接反應(yīng)和間接反應(yīng)兩種方式進(jìn)行，其中直接反應(yīng)具有選擇性，會(huì)優(yōu)先選擇不飽和脂肪類物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在污泥減量中主要體現(xiàn)在對細(xì)胞膜的磷脂結(jié)構(gòu)的氧化分解，但該反應(yīng)體系反應(yīng)速率較慢，且多發(fā)生于pH＜4的酸性環(huán)境下［7］;間接反應(yīng)是通過臭氧溶于水后產(chǎn)生的羥基自由基來實(shí)現(xiàn)的，這種具有超強(qiáng)氧化能力的游離基能夠與污泥體系中微生物控制膜間電位的巰基發(fā)生反應(yīng)，破壞菌體的膜結(jié)構(gòu)，改變膜的通透性，促使啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞溶胞減量。間接反應(yīng)是臭氧污泥減量的主要反應(yīng)形式，不具備選擇性［6，8］。

2 臭氧污泥減量化工藝技術(shù)應(yīng)用研究

臭氧污泥減量工藝是一種極具工業(yè)實(shí)用意義的污泥減量技術(shù)。1996年，日本一家污水處理廠的A/O系統(tǒng)上首次應(yīng)用該技術(shù)作為剩余污泥的處理工藝。利用臭氧的強(qiáng)氧化性實(shí)施溶胞減量，而后將減量處理后的污泥重新運(yùn)回原生化系統(tǒng)。在為期9個(gè)月的試驗(yàn)過程中，成功實(shí)現(xiàn)了污泥的零排放，并基本保證了正常的出水水質(zhì)，證明了該技術(shù)的工業(yè)可行性。但是，試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)無機(jī)組分和重金屬離子累積、出水SS和氨氮明顯升高等問題［9］。此后，有學(xué)者將臭氧污泥減量技術(shù)與MBR、SBR、A2/O等工藝相結(jié)合進(jìn)行了研究，證明了臭氧減量工藝與多種水處理系統(tǒng)的耦合匹配度［10-12］。其中，王寶貞等［10］還對臭氧污泥減量化技術(shù)在MBR工藝上應(yīng)用做了經(jīng)濟(jì)成本的分析，得出處理1 m3剩余污泥的技術(shù)成本僅為9.6元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)污泥處置技術(shù)費(fèi)用，證明臭氧污泥減量技術(shù)不僅能夠有效解決污泥有效處置問題，還可以大大減少污水處理廠的運(yùn)行支出，具備極佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和工業(yè)推廣前景。

臭氧污泥減量工藝還具備良好的工業(yè)適用性。Lee等［13］在15℃下對臭氧污泥減量技術(shù)效能進(jìn)行了評(píng)估和驗(yàn)證，試驗(yàn)采用連續(xù)流方式進(jìn)行，在112 d的試驗(yàn)期內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了剩余污泥的零排放，出水的生物量和懸浮顆粒物分別控制在15和10 mg/L左右，說明臭氧污泥減量化技術(shù)能夠克服溫度和季節(jié)的影響，實(shí)現(xiàn)剩余污泥的零排放。

3 臭氧污泥減量技術(shù)面臨的問題

經(jīng)過20余年的發(fā)展，已能夠?qū)Τ粞跷勰鄿p量化技術(shù)原理進(jìn)行較為系統(tǒng)地闡述，同時(shí)也通過工藝結(jié)合試驗(yàn)證明了其具備較強(qiáng)的工業(yè)適用性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。但在研究中普遍發(fā)現(xiàn)，臭氧污泥減量技術(shù)仍存在一定的缺陷，這種不足主要集中體現(xiàn)在對水處理系統(tǒng)脫氮和除磷性能的影響上。

在脫氮方面，具體表現(xiàn)為出水氨氮的升高。這主要是由3方面原因造成的:①污泥臭氧化過程中，上清液中總氮(TN)含量會(huì)迅速上升，其中主要是以有機(jī)態(tài)形式存在的凱氏氮，這部分氮的可降解能力相對較差，在回流后并不能被微生物重新有效的利用。②污泥減量過程中溶出的碳源為大分子有機(jī)質(zhì)，不能為污泥回流后增加的氮源提供有效、足夠的額外碳源，造成污泥回流后水處理系統(tǒng)脫氮負(fù)荷過高。③污泥臭氧化為混合液提供了一個(gè)富氧環(huán)境，不利于反硝化作用的進(jìn)行［14-16］。

在除磷方面，主要體現(xiàn)在使活性污泥工藝喪失了排磷渠道。剩余污泥的排放，一方面是為了保持生化反應(yīng)區(qū)高效的污水處理效能，另一方面也是污水處理中有效、唯一的排磷渠道。由于磷無法在陸地上實(shí)現(xiàn)完整的循環(huán)，且一旦在淡水區(qū)內(nèi)磷過量，則會(huì)導(dǎo)致水華現(xiàn)象的發(fā)生。污泥減量技術(shù)使活性污泥工藝失去了有效的排磷渠道，磷只能在工藝體系內(nèi)不斷富集，并在減量污泥回流后不斷增加進(jìn)水的磷負(fù)荷，當(dāng)磷的富集度超過原位水處理工藝的磷累積極限時(shí)，就會(huì)影響水處理系統(tǒng)的除磷效能，導(dǎo)致出水總磷(TP)含量的超標(biāo)。

4 結(jié)語

臭氧污泥減量化技術(shù)是一種以強(qiáng)化隱性生長原理為基礎(chǔ)理論的具備很強(qiáng)工業(yè)適用性和良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的剩余污泥處置技術(shù)，其設(shè)計(jì)初衷是在污泥減量化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥溶出物的資源化利用，以促進(jìn)傳統(tǒng)活性污泥法污水處理工藝脫氮能力不足問題的解決。研究表明，臭氧能夠有效地實(shí)現(xiàn)污泥的減量，但在強(qiáng)化隱性生長方面尚存明顯不足，需要在今后的研究中提高臭氧污泥減量技術(shù)的同步脫氮除磷效能，使臭氧污泥減量技術(shù)能與污水處理工藝更好地融為一體，在實(shí)現(xiàn)剩余污泥有效處置的同時(shí)，提高我國污水處理廠的脫氮除磷能力。

［1］梁鵬，黃霞，錢易.污泥減量化技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2003，4(1):45 -51.

［2］尹軍，譚學(xué)軍.污水污泥處理處置與資源化利用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］PAUL E，CAMACHO P，SPERANDIO M，et al.Technical and econmomical evaluation of a thermal and two oxidative techniques for the reduction of excess sludge production［J］.Process Safety and Environment Protection，2006，84(B4):247 -252.

［4］聶亞峰，盧彩虹，屈秀文，等.污水處理廠剩余污泥臭氧減量化技術(shù)探討［C］//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2012.

［5］趙玉鑫，尹軍，于合龍，等.污泥臭氧氧化破解歷程研究［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27(6):759 -763.

［6］YAN S T，CHU L B，XING X H，et al.Analysis of the mechanism of sludge ozonation by a combination of biological and chemical approaches［J］.Water Research，2009，43:195 -203.

［7］張錫輝.高等環(huán)境化學(xué)與微生物學(xué)原理及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［8］PéREZ V I，LEW C M，CORTEZ L A.Thioredoxin 2 hap loin sufficiency in mice results in impaired mitochondrial function and increased oxidative stress［J］.Free Radic Biol Med，2008，44(5):882 -892.

［9］YASUI H，NAKAMURA K，SAKUMA S，et al.A full-scale operation of a novel activated sludge process without excess sludge production［J］.Water Science and Technology，1996，34(3/4):395 -404.

［10］WANG Z，WANG L，WANG B Z，et al.Bench-scale study on zero excess activated sludge production process coupled with ozonation unit in membrane bioreactor［J］.Environ Sci Health A Tox Hazard Subst Environ Eng，2008，43(11):1325 -1332.

［11］DYTCZAK M A，LONDRY K L，SIEGRIST H，et al.Ozonation reduces sludge production and improves denitrification ［J］.Water Res，2007，41:543-550.

［12］SUZUKI Y，KONDO T，NAKAGAWA K，et al.Evaluation of sludge reduction and phosphorus recovery efficiencies in a new advanced wastewater treatment system using denitrifying polyphosphate accumulating organisms［J］.Water Sci Technol，2006，53:107 -113.

［13］LEE J W，CHA H Y，PARK K Y，et al.Operational strategies for an activated sludge process in conjunction with ozone oxidation for zero excess sludge production during winter season［J］.Water Res，2005，39:1199-2004.

［14］ZHANG G M，YANG J，LIU H Z，et al.Sludge ozonation:Disintegration，supernatant changes and mechanisms［J］.Bioresource Technology，2009，100:1505-1509.

［15］MANTEROLA G，URIATE I，SANCHO L.The effect of operational parameters of the process of sludge ozonation on the solubilisation of organic and nitrogenous compounds［J］.Water Research，2008，42:3191 -3197.

［16］孟憲榮，劉東方，劉范嘉.臭氧氧化污泥減量和碳源回收利用研究［J］.中國給水排水，2014，30(1):18 -21.