周振
上海電力大學(xué)科研處副處長、教授
一、研究背景與意義
污泥處理是城市發(fā)展過程中亟待解決的重大環(huán)境問題。隨著污水處理率上升和環(huán)保要求的提高，污泥處理處置問題日益突出，預(yù)計(jì)2025年我國市政污泥產(chǎn)量將突破9000萬噸。而以填埋或堆肥傳統(tǒng)的末端處理處置技術(shù)普遍面臨著場址選擇和公眾支持等難題，同時還存在成本過高和二次污染問題。通過在污水處理系統(tǒng)中集成污泥原位減量單元，降低污泥產(chǎn)量是解決剩余污泥問題的一種新型策略。所以，研發(fā)運(yùn)行成本低、對污水處理系統(tǒng)影響小的污泥原位減量關(guān)鍵技術(shù)和工藝，是我國污水污泥處理行業(yè)的迫切需求，對提升我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)的國際競爭力具有重大意義。其方法主要是圍繞污水處理廠在主流污水工藝處理的側(cè)流，增加一個側(cè)流減量單元，通過參數(shù)的調(diào)控以及強(qiáng)化的技術(shù)以提升減量率。
最近幾年，我們圍繞污泥原位減量，主要展開了三個方面的工作，第一個是污泥的側(cè)流減量單元，第二個是側(cè)流減量的增強(qiáng)技術(shù)，第三個是將側(cè)流技術(shù)納入微氧，納入到主流之中做了微氧主流的減量工藝。
二、污泥側(cè)流反應(yīng)器(SSR)減量工藝調(diào)控
ASSR減量工藝的參數(shù)調(diào)控研究
在污泥微氧側(cè)流反應(yīng)器的減量工藝調(diào)控方面的工作中，我們主要考慮了側(cè)流減量單元的三大工藝參數(shù)，一是拿多少污泥進(jìn)入了側(cè)流反應(yīng)器中；二是側(cè)流反應(yīng)器的容積有多大，即水力停留時間（HRT）；三是側(cè)流減量單元中的電子受體的狀態(tài)，維持厭氧、微氧，還是好氧狀態(tài)。
首先，非常重要的指標(biāo)是側(cè)流比，需要考慮引入多少的回流污泥進(jìn)入到側(cè)流系統(tǒng)中后。因?yàn)槠鋾绊懙轿勰嘣诘孜镓S富與匱乏環(huán)境中的交換，也會影響側(cè)流反應(yīng)器容積。將污泥之中的側(cè)流比由0.0增加至1.0，脫氮效率由13.0%增加至32.9%，污泥減量率由6.0%增加至49.7%。此外，高側(cè)流比有助于慢生型微生物的富集，而低側(cè)流比則有助于富集水解菌和捕食性微生物。
ASSR減量工藝主導(dǎo)途徑分析
眾所周知，污泥里既包括了非活性顆粒物，也包括活性微生物。非活性顆粒物在污泥減量過程當(dāng)中會發(fā)生水解，而活性微生物會溶胞釋放。除此之外，第三個減量機(jī)制是捕食，也就是按照生態(tài)學(xué)上的“十分之一理論”，隨著食物鏈的拉長，每一級別的污泥產(chǎn)率都是后端的十分之一。在這個過程當(dāng)中我們進(jìn)一步做了側(cè)流減量系統(tǒng)的污泥平衡，并做了衰減速率嘗試的測算。通過這樣的測算，我們可以看到側(cè)流減量工藝的污泥減量是以非活性的顆粒性有機(jī)物的厭氧水解為主，而好氧池的污泥減量則以活性微生物衰減為主。
所以，污泥減量單元最終要實(shí)現(xiàn)污泥減量，必然要富集相應(yīng)的功能性微生物。此外，通過水解的加速可以進(jìn)一步提高減量效率。
電子受體對ASSR減量工藝運(yùn)行特性的影響
電子受體會顯著影響污泥減量、污染物去除及微生物群落結(jié)構(gòu)。維持厭氧的狀態(tài)之后，側(cè)流池會富集到水解菌與發(fā)酵菌，好氧狀態(tài)則有利于慢性的生長，但污水處理中用的不是很多。非常值得關(guān)注的是微氧狀態(tài)，微氧狀態(tài)可以引起污泥減量效率的進(jìn)一步提高，污泥產(chǎn)率要遠(yuǎn)低于厭氧與好氧的狀態(tài)。
三、污泥原位側(cè)流減量工藝強(qiáng)化技術(shù)
目前，有三種減量策略能夠進(jìn)一步地強(qiáng)化污泥原位的側(cè)流減量，第一是用高鐵酸鉀強(qiáng)化；第二是填料強(qiáng)化；第三是超聲強(qiáng)化。
高鐵酸鉀強(qiáng)化ASSR工藝運(yùn)行特性
當(dāng)高鐵酸鉀投加量為100 mg/g SS時，污泥溶胞技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。投加高鐵酸鉀可以將污泥減量率從30%提高至47.5%，但微生物種群會趨于單一化。雖然實(shí)現(xiàn)了慢生菌、水解發(fā)酵菌和鐵還原菌的富集，但這種富集對污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。
超聲與填料強(qiáng)化ASSR運(yùn)行特性的對比
外加的藥劑成本必然是高的，為了驗(yàn)證是否可以用超聲的預(yù)處理或通過投加填料的方式來強(qiáng)化側(cè)流減量，我們在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了相應(yīng)的減量單元并進(jìn)行了95天的實(shí)驗(yàn)。投加填料之后，會強(qiáng)化慢生菌發(fā)酵型細(xì)菌。填料強(qiáng)化之后，效果與超聲相比出現(xiàn)大幅度的躍升，但這種躍升是非生物種群的顯著變化，所以又進(jìn)一步地在實(shí)際污水處理廠中進(jìn)行超過200天的實(shí)驗(yàn)從而長期驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，投加填料以及超聲處理都可以促進(jìn)微生物的溶胞，微生物可以大幅度的提高水解酶的活性，而填料則會顯著降低微生物代謝的ATP水平，實(shí)現(xiàn)解偶聯(lián)代謝。在這個過程當(dāng)中，填料還會進(jìn)一步富集捕食菌、水解發(fā)酵菌和慢生菌，而在超聲中只有水解發(fā)酵菌的富集。
通過對比并結(jié)合一些技術(shù)分析，三種強(qiáng)化策略中填料的強(qiáng)化效果最佳，且具經(jīng)濟(jì)性。
填料強(qiáng)化ASSR減量工藝的運(yùn)行特性
在側(cè)流減量單元中加入填料之后可以緩解膜污染，當(dāng)填充率從25%增至50%后，膜污染的緩解到最高之后就不再明顯緩解。投加填充率0%、25%和50%的填料時，ASSR-MBR污泥減量率分別為21.7%、50.5%和39.7%。投加填料后顯著強(qiáng)化了水解作用對污泥減量的貢獻(xiàn)。
為了了解在一個污水處理系統(tǒng)中，原后生動物的作用，進(jìn)一步分析了填料中HRT的變化。微生物鏡檢表明，ASSR中富集了捕食相關(guān)的原后生動物。與此同時，延長側(cè)流池HRT，會改變細(xì)胞運(yùn)動和細(xì)胞信號相關(guān)的基因表達(dá)量，為原后生動物的細(xì)菌捕食提供（如蠕蟲捕食細(xì)菌）機(jī)會，可有效提升有機(jī)物的去除和脫氮的效率。此外，側(cè)流池HRT為5.0 h時膜污染最低，而HRT為6.7 h時污泥性質(zhì)出現(xiàn)明顯惡化，膜污染加劇。
四、污泥微氧強(qiáng)化原位減量工藝技術(shù)-SPRAS
SPRAS雙污泥減量工藝流程
污泥的微氧環(huán)境對污水處理有很大的意義，所以我們進(jìn)一步研究了污泥微氧強(qiáng)化的原位減量工藝技術(shù)。我們一方面考慮到微氧條件，另一方面是專一性減量細(xì)菌的富集。我們構(gòu)建了一個雙污泥的減量系統(tǒng)，這個工藝流程和我們原來的水污染控制中的活性污泥系統(tǒng)的AB法有點(diǎn)類似，在傳統(tǒng)活性污泥法前端插入“曝氣+沉淀”組成的污泥減量模塊，并將進(jìn)水和后端活性污泥法產(chǎn)生的剩余污泥排入，通過維持一定的微生物生理生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)污泥減量。
SPRAS污泥減量工藝運(yùn)行特性分析
在構(gòu)建了雙沉淀池系統(tǒng)之后，出水穩(wěn)定條件下實(shí)現(xiàn)長泥齡減量，最長的時候可以達(dá)到120天以上，長泥齡是污泥減量的主要原因。最近將HRT提高到了200天，并在上海白龍港污水處理廠做了中試，發(fā)現(xiàn)污泥的理論減量率可以達(dá)到75%左右。
通過創(chuàng)新的工藝設(shè)計(jì)，融合解偶聯(lián)和溶胞的隱性生長減量機(jī)制，SPR模塊形成了好氧-沉淀-厭氧的解耦連污泥減量循環(huán)。SPR模塊產(chǎn)生的二次基質(zhì)，進(jìn)入后續(xù)活性污泥系統(tǒng)，通過溶胞-隱性生長機(jī)制實(shí)現(xiàn)污泥減量。同時，要關(guān)注微氧條件對污泥減量的作用，用微氧條件進(jìn)行調(diào)控實(shí)現(xiàn)污泥減量率可以從常規(guī)工藝的42.9%增至68.3%，這意味著污泥處理廠大部分的污泥可以在內(nèi)部消化掉。在此基礎(chǔ)上通過污泥絮體結(jié)構(gòu)分析，提出微氧曝氣降低污泥結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，加速絮體解離溶胞的新型減量機(jī)制。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了污泥減量模塊的水力停留時間由國際主流減量工藝所提到的6-7小時，降低至4.5小時。
SPRAS和ASSR技術(shù)的比較
SPRAS工藝獨(dú)特的雙污泥系統(tǒng)與微氧-沉淀-厭氧循環(huán)體系設(shè)計(jì)是其污泥減量效果高于ASSR的主要原因。微氧-沉淀-厭氧模塊實(shí)現(xiàn)減量功能菌的高度富集，獲得較高的衰減動力學(xué)參數(shù)。維持代謝是ASSR污泥減量的主要途徑；強(qiáng)化水解和能量解偶聯(lián)是SPR模塊污泥減量的主要途徑。我們最新的工作是圍繞著碳排放將污泥減量工藝與濃縮脫水、干化焚燒、厭氧消化、土地利用路線進(jìn)行了測算對比，可以看到污泥減量的碳排放會有明顯的降低。
五、污泥原位減量工藝技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
水解酸化池重新定位-改造用于污泥減量
很多城市的郊區(qū)污水處理廠往往都有水解酸化池，但由于這幾年的人口遷入到郊區(qū)之后，工業(yè)廢水的比例在降低。所以針對郊區(qū)污水處理廠工業(yè)廢水比例降低的問題。我們開展了水解酸化池的重新定位研究，并提出了將其改造為污泥減量池的對策思路。結(jié)果發(fā)現(xiàn)將水解酸化池改造成側(cè)流池，同時將進(jìn)水引入之后，污泥減量率從15%提高到了40%。
SPRAS污泥減量工藝的推廣應(yīng)用
在6萬m3/d臨安城市污水處理廠污泥原位減量示范工程中，出水穩(wěn)定達(dá)到一級A、噸水能耗（含污泥減量和處理）為0.34 kWh，并實(shí)現(xiàn)63%的污泥減量。在SPRAS耦合MSBR的工業(yè)園區(qū)污水處理廠示范工程中，污泥產(chǎn)率僅為0.074g SS/g COD，遠(yuǎn)低于同類污水廠。同時還已經(jīng)應(yīng)用于山東、浙江6座污水處理廠，累積處理水量18萬m3/d，工程應(yīng)用規(guī)模國內(nèi)領(lǐng)先。
SPRAS減量工藝污水處理的成套裝備，在山東、重慶、黑龍江都有其成功經(jīng)驗(yàn)，且這個成套裝備已經(jīng)推廣到了沙特、南非、阿聯(lián)酋、印尼、馬來西亞等。
污泥原位減量工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
與傳統(tǒng)污泥處理處置技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對比，噸水電耗0.34kWh，處理成本明顯低于市政污泥的傳統(tǒng)處理處置工藝。該工藝污泥減量效率和速率明顯高于好氧消化，速率常數(shù)是設(shè)計(jì)規(guī)范推薦值的2.5倍以上。與國外實(shí)際原位減量工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，微氧原位減量工藝的減量率明顯優(yōu)于國外同類工藝Cannibal（西門子）和ACSL。
污泥原位減量技術(shù)的理念拓展
污泥原位減量是污水處理行業(yè)的“清潔生產(chǎn)”。也就是意味著未來在城市的市政污水研究或工業(yè)廢水處理之中，在污水處理的單元之中要將污泥原位減量考慮進(jìn)去。如果將污水處理廠也作為一個工廠來考慮的話，污泥是副產(chǎn)品，所以污泥原位減量是污水處理行業(yè)的清潔生產(chǎn)。該創(chuàng)新理念應(yīng)用于火力發(fā)電廠脫硫廢水零排放領(lǐng)域，全廠工藝協(xié)同尋求污泥出路，實(shí)現(xiàn)了廢水、污泥與鹽分完全分離與資源化利用。
（根據(jù)錄音整理，未經(jīng)本人審閱）
整理：王莉萍
審核：蔡峻