臭氧化污泥回流對污泥減量的影響

張丹丹，郭志勇，周薇薇，郭鵬飛

（1.翰藍(lán)環(huán)?？萍迹ㄉ虾＃┯邢薰?；2.上海富熾環(huán)境檢測技術(shù)服務(wù)中心，上海 200000）

剩余污泥的終端處理費(fèi)用可占污水處理廠總運(yùn)營成本的25%～65%，給污水處理廠造成巨大經(jīng)濟(jì)壓力，各國積極尋找有效的污泥減量方法和處理處置措施。剩余污泥減量化技術(shù)包括物理法、化學(xué)法和生物法，其中臭氧化被認(rèn)為是有效和實(shí)用的方法，研究表明，臭氧化的污泥減量率可以達(dá)到100%，即剩余污泥的產(chǎn)率為零。目前，臭氧化工藝已成功應(yīng)用于歐洲和日本的污泥減量中。但是，臭氧化會導(dǎo)致污泥溶解，如果臭氧化污泥回流至生物反應(yīng)裝置，會增加化學(xué)需氧量（COD）和污泥上清液的營養(yǎng)物濃度，影響廢水質(zhì)量的穩(wěn)定性。污泥的增溶主要受臭氧劑量的影響，而臭氧劑量又取決于臭氧與污泥的比例，臭氧化對污泥生物活性、脫水性等的影響也需要關(guān)注。通過綜述相關(guān)研究進(jìn)展，本文分析臭氧化污泥回流對污泥減量、污水處理廠出水和污泥處理處置的影響，推動污水處理廠應(yīng)用臭氧污泥減量技術(shù)。

1 臭氧污泥減量技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 臭氧化污泥回流對污泥減量的效果

臭氧化工藝無須任何前處理或后處理，即可實(shí)現(xiàn)臭氧溶解和釋放，有助于污水處理廠污泥減量。臭氧-活性污泥（AS）回流是一種很有前途的污泥最小化技術(shù)。臭氧-AS 工藝涉及一系列分解過程，包括懸浮固體分解、顆粒組分溶解和微生物細(xì)胞釋放的可溶性有機(jī)物的礦化（化學(xué)裂解和隱性生長）。

污泥臭氧化對污泥減量是有效的，可以作為污水處理廠具有潛力的污泥減量技術(shù)。研究表明，在厭氧-缺氧-好氧工藝的臭氧化污泥回流的中間試驗(yàn)中，臭氧劑量在0 ～207 mg O/g MLSS（混合液懸浮固體）變化時，最大污泥減量率達(dá)到85%；處理規(guī)模為 10 400 m/d 的污水處理廠進(jìn)行臭氧化污泥回流批處理試驗(yàn)，臭氧劑量為740 mg O/g MLSS 時，每年可以減少剩余污泥10%（干污泥計），消耗臭氧3 276kg。

臭氧化污泥回流對污泥減量發(fā)揮積極作用，但高昂的運(yùn)營成本也是限制污泥臭氧化的重要因素。實(shí)踐表明，臭氧劑量保持在25 ～45 mg O/g COD，在經(jīng)濟(jì)上才是可行的。但在許多研究中，臭氧-AS 工藝所用的臭氧劑量為40 ～300 mg O/g COD，甚至高達(dá)1 400 mg O/g COD?？蓛?yōu)化操作條件，提高臭氧利用效率，通過污泥消化、干燥、運(yùn)輸?shù)认掠喂に囘M(jìn)一步降低污泥臭氧化成本。值得關(guān)注的是，在污泥臭氧化過程中，營養(yǎng)物質(zhì)溶解，微生物失活并回流，被生物質(zhì)消耗，這對系統(tǒng)的出水和污泥特性產(chǎn)生擾動作用。

1.2 臭氧化污泥回流對污水處理廠出水的影響

污泥臭氧化要考慮臭氧化對廢水質(zhì)量的影響。通常，由于污泥溶解，臭氧化會增加廢水中的COD。污泥臭氧化使揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）、蛋白質(zhì)和多糖等溶解性COD 增加，但COD 去除率不受影響或略有下降（5%～10%），原因是大多數(shù)溶解性COD 可生物降解。另外，溶解性COD 也可以作為反硝化過程的底物。所以，臭氧化污泥回流對出水COD 的影響不大，生物反應(yīng)器可以應(yīng)對污泥溶解增加的COD。

研究表明，污泥臭氧化過程中，臭氧劑量為100 mg O/g MLSS 時，活性污泥絮凝結(jié)構(gòu)被徹底破壞；臭氧劑量為80 mg O/g MLSS 時，溶解的蛋白質(zhì)和核苷酸分別占細(xì)胞中蛋白質(zhì)和核苷酸總量的68.3%和81.1%；臭氧劑量進(jìn)一步增加到300 mg O/g MLSS 時，溶解的蛋白質(zhì)和核苷酸分別占92.5%和97.4%。釋放到上清液中的氮主要是蛋白質(zhì)、肽鏈和微生物細(xì)胞釋放的氨基酸組成的有機(jī)氮，臭氧化可以將有機(jī)氮氧化為氨，但應(yīng)避免這種情況。一方面，臭氧將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨，比生物過程的氧化成本高，另一方面，長期臭氧化不能有效地產(chǎn)生可生物降解的有機(jī)物，臭氧會先氧化可生物降解產(chǎn)物。這對系統(tǒng)COD 和氮的去除性能提升很小。

臭氧化污泥在循環(huán)過程中出現(xiàn)總氮（TN）去除率降低的情況，原因可能是氮在硝化過程中積累或 C/N 不足，可以通過提高臭氧劑量或臭氧化速率來調(diào)整。同時，磷主要是正磷酸鹽（PO-P）和有機(jī)磷。污泥臭氧化與活性污泥法結(jié)合后，磷的去除效果下降，這是由于生物除磷是通過剩余污泥的排放實(shí)現(xiàn)的，污泥減量甚至零排放使得磷在生物處理系統(tǒng)內(nèi)逐步積累，導(dǎo)致出水中磷濃度升高，污泥臭氧減量應(yīng)與除磷工藝相結(jié)合。所以，臭氧化使污水營養(yǎng)物質(zhì)濃度增加，有降低出水質(zhì)量的風(fēng)險。

1.3 臭氧化污泥回流對污泥處理處置的影響

污泥處理誘導(dǎo)細(xì)胞裂解時至少需要20 mg O/g MLSS，足以降低臭氧化污泥的微生物活性。即使微生物活性下降是污泥溶解的信號，臭氧化污泥的連續(xù)回流有可能對主生物反應(yīng)器的生物活性產(chǎn)生負(fù)面影響。臭氧化對污泥沉降性能和脫水性能等的影響也需要關(guān)注。污泥的沉降性能在活性污泥法中至關(guān)重要，它直接關(guān)系生物質(zhì)與上清液的分離、二沉池出水中殘留固體的濃度。

污泥脫水性能會影響污泥脫水效果，而污泥沉降比（）和污泥體積指數(shù)（）是反映污泥沉降性能的基本參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，污泥臭氧化期間，當(dāng)臭氧劑量從0 mg O/g MLSS 增加至50.4 mg O/g MLSS 時，和均在下降，這表明臭氧化處理可以改善污泥的沉降性能。同時，上清液的細(xì)胞外聚合物（EPS）可以起到吸附架橋作用，連接較小的顆粒，導(dǎo)致污泥絮凝物聚集壓縮雙電層并減少顆粒間距，促進(jìn)污泥絮凝物成團(tuán)沉降。污泥整體沉降性能的改善使污水濁度降低和曝氣池污泥濃度增加。

回流污泥長期臭氧化可以消除絲狀菌，有利于污泥沉降。研究發(fā)現(xiàn)，較高的臭氧劑量可能會改變污泥沉降性能，這可能是因?yàn)檫^多的污泥增溶可形成沉降性能差的細(xì)顆粒；高臭氧劑量可以提高污泥的脫水性能，臭氧劑量為500 mg O/g MLSS 時，帶式壓濾機(jī)生產(chǎn)的濾餅固體含量顯著增加，當(dāng)臭氧劑量從 100 mg O/g MLSS 提升到500 mg O/g MLSS 時，污泥的結(jié)合水含量降低50%。但是，采用低劑量臭氧進(jìn)行處理時，污泥脫水能力受到限制。原因可能是污泥中小顆粒物數(shù)量增加，導(dǎo)致疏水性表面的增加。需要強(qiáng)調(diào)的是，在成本壓力下，通常用于污泥減量的臭氧劑量低，這意味著臭氧化污泥回流有可能降低污泥脫水性能。

2 臭氧污泥減量技術(shù)的發(fā)展方向

臭氧化污泥回流可以顯著減少污泥產(chǎn)生量，但是，臭氧劑量、臭氧化反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)和污泥特性等因素會對污泥減量率和營養(yǎng)物質(zhì)濃度產(chǎn)生重大影響，其中臭氧劑量、臭氧濃度和流速是主要的影響因素。所以，污水處理廠在活性污泥法中將臭氧化污泥回流時，需要通過試驗(yàn)找到適宜的參數(shù)，同時使用資源回收設(shè)施（如凝結(jié)或吸附），最大程度地減少臭氧化對廢水質(zhì)量的影響，在可接受的成本范圍內(nèi)，污泥臭氧化和生物質(zhì)再降解兩者協(xié)同完成污泥減量和污染物降解。

目前的研究大多是基于一定的臭氧劑量，因污泥特性和操作條件的不同，減量效果和污水營養(yǎng)物質(zhì)濃度增加呈現(xiàn)差異。研究表明，臭氧劑量過高，污泥減量效果提升不明顯，因?yàn)榇嬖谖勰嗉?xì)胞和溶出物質(zhì)的底物競爭，與之相對應(yīng)的是高昂的成本，若沒有相應(yīng)的成本抵消方法，則其不適用于工程應(yīng)用。常規(guī)臭氧劑量也可以實(shí)現(xiàn)污泥減量，但臭氧化使生物活性受到抑制，對回流至生物反應(yīng)器的營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷產(chǎn)生擾動。污泥的沉降性能和脫水性能得到改善，可以節(jié)省污泥后續(xù)處理處置費(fèi)用，這部分可以抵消臭氧化設(shè)備購置和維護(hù)成本。另外，較低臭氧劑量下，污泥細(xì)胞未破裂，將上清液進(jìn)行回流，對營養(yǎng)物質(zhì)的去除影響不明顯，但可以改善污泥沉降性能，其對污泥脫水性能的影響還有待探究，所以相較于高劑量的高昂成本，低劑量臭氧更具有工程應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

臭氧化污泥回流會影響污泥減量效果，影響污水處理廠出水，影響污泥處理處置。人們要明確臭氧化污泥回流對污泥減量的影響，研發(fā)和革新臭氧污泥減量技術(shù)。臭氧污泥減量技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，未來要加強(qiáng)推廣應(yīng)用，促進(jìn)污水處理行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。