周振
上海電力大學科研處副處長、教授
一、研究背景與意義
污泥處理是城市發展過程中亟待解決的重大環境問題。隨著污水處理率上升和環保要求的提高，污泥處理處置問題日益突出，預計2025年我國市政污泥產量將突破9000萬噸。而以填埋或堆肥傳統的末端處理處置技術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中集成污泥原位減量單元，降低污泥產量是解決剩余污泥問題的一種新型策略。所以，研發運行成本低、對污水處理系統影響小的污泥原位減量關鍵技術和工藝，是我國污水污泥處理行業的迫切需求，對提升我國環保產業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流，增加一個側流減量單元，通過參數的調控以及強化的技術以提升減量率。
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，第一個是污泥的側流減量單元，第二個是側流減量的增強技術，第三個是將側流技術納入微氧，納入到主流之中做了微氧主流的減量工藝。
二、污泥側流反應器(SSR)減量工藝調控
ASSR減量工藝的參數調控研究
在污泥微氧側流反應器的減量工藝調控方面的工作中，我們主要考慮了側流減量單元的三大工藝參數，一是拿多少污泥進入了側流反應器中；二是側流反應器的容積有多大，即水力停留時間（HRT）；三是側流減量單元中的電子受體的狀態，維持厭氧、微氧，還是好氧狀態。
首先，非常重要的指標是側流比，需要考慮引入多少的回流污泥進入到側流系統中后。因為其會影響到污泥在底物豐富與匱乏環境中的交換，也會影響側流反應器容積。將污泥之中的側流比由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，高側流比有助于慢生型微生物的富集，而低側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中會發生水解，而活性微生物會溶胞釋放。除此之外，第三個減量機制是捕食，也就是按照生態學上的“十分之一理論”，隨著食物鏈的拉長，每一級別的污泥產率都是后端的十分之一。在這個過程當中我們進一步做了側流減量系統的污泥平衡，并做了衰減速率嘗試的測算。通過這樣的測算，我們可以看到側流減量工藝的污泥減量是以非活性的顆粒性有機物的厭氧水解為主，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現污泥減量，必然要富集相應的功能性微生物。此外，通過水解的加速可以進一步提高減量效率。
電子受體對ASSR減量工藝運行特性的影響
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構。維持厭氧的狀態之后，側流池會富集到水解菌與發酵菌，好氧狀態則有利于慢性的生長，但污水處理中用的不是很多。非常值得關注的是微氧狀態，微氧狀態可以引起污泥減量效率的進一步提高，污泥產率要遠低于厭氧與好氧的狀態。
三、污泥原位側流減量工藝強化技術
目前，有三種減量策略能夠進一步地強化污泥原位的側流減量，第一是用高鐵酸鉀強化；第二是填料強化；第三是超聲強化。
高鐵酸鉀強化ASSR工藝運行特性
當高鐵酸鉀投加量為100 mg/g SS時，污泥溶胞技術經濟效益最優。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。雖然實現了慢生菌、水解發酵菌和鐵還原菌的富集，但這種富集對污水處理系統的穩定性不利。
超聲與填料強化ASSR運行特性的對比
外加的藥劑成本必然是高的，為了驗證是否可以用超聲的預處理或通過投加填料的方式來強化側流減量，我們在實驗室構建了相應的減量單元并進行了95天的實驗。投加填料之后，會強化慢生菌發酵型細菌。填料強化之后，效果與超聲相比出現大幅度的躍升，但這種躍升是非生物種群的顯著變化，所以又進一步地在實際污水處理廠中進行超過200天的實驗從而長期驗證。結果發現，投加填料以及超聲處理都可以促進微生物的溶胞，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，實現解偶聯代謝。在這個過程當中，填料還會進一步富集捕食菌、水解發酵菌和慢生菌，而在超聲中只有水解發酵菌的富集。
通過對比并結合一些技術分析，三種強化策略中填料的強化效果最佳，且具經濟性。
填料強化ASSR減量工藝的運行特性
在側流減量單元中加入填料之后可以緩解膜污染，當填充率從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%。投加填料后顯著強化了水解作用對污泥減量的貢獻。
為了了解在一個污水處理系統中，原后生動物的作用，進一步分析了填料中HRT的變化。微生物鏡檢表明，ASSR中富集了捕食相關的原后生動物。與此同時，延長側流池HRT，會改變細胞運動和細胞信號相關的基因表達量，為原后生動物的細菌捕食提供（如蠕蟲捕食細菌）機會，可有效提升有機物的去除和脫氮的效率。此外，側流池HRT為5.0 h時膜污染最低，而HRT為6.7 h時污泥性質出現明顯惡化，膜污染加劇。
四、污泥微氧強化原位減量工藝技術-SPRAS
SPRAS雙污泥減量工藝流程
污泥的微氧環境對污水處理有很大的意義，所以我們進一步研究了污泥微氧強化的原位減量工藝技術。我們一方面考慮到微氧條件，另一方面是專一性減量細菌的富集。我們構建了一個雙污泥的減量系統，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的AB法有點類似，在傳統活性污泥法前端插入“曝氣+沉淀”組成的污泥減量模塊，并將進水和后端活性污泥法產生的剩余污泥排入，通過維持一定的微生物生理生態環境實現污泥減量。
SPRAS污泥減量工藝運行特性分析
在構建了雙沉淀池系統之后，出水穩定條件下實現長泥齡減量，最長的時候可以達到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，發現污泥的理論減量率可以達到75%左右。
通過創新的工藝設計，融合解偶聯和溶胞的隱性生長減量機制，SPR模塊形成了好氧-沉淀-厭氧的解耦連污泥減量循環。SPR模塊產生的二次基質，進入后續活性污泥系統，通過溶胞-隱性生長機制實現污泥減量。同時，要關注微氧條件對污泥減量的作用，用微氧條件進行調控實現污泥減量率可以從常規工藝的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部消化掉。在此基礎上通過污泥絮體結構分析，提出微氧曝氣降低污泥結構穩定性，加速絮體解離溶胞的新型減量機制。在此基礎上進一步進行集成創新，實現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技術的比較
SPRAS工藝獨特的雙污泥系統與微氧-沉淀-厭氧循環體系設計是其污泥減量效果高于ASSR的主要原因。微氧-沉淀-厭氧模塊實現減量功能菌的高度富集，獲得較高的衰減動力學參數。維持代謝是ASSR污泥減量的主要途徑；強化水解和能量解偶聯是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的產業化應用
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之后，工業廢水的比例在降低。所以針對郊區污水處理廠工業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。結果發現將水解酸化池改造成側流池，同時將進水引入之后，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，出水穩定達到一級A、噸水能耗（含污泥減量和處理）為0.34 kWh，并實現63%的污泥減量。在SPRAS耦合MSBR的工業園區污水處理廠示范工程中，污泥產率僅為0.074g SS/g COD，遠低于同類污水廠。同時還已經應用于山東、浙江6座污水處理廠，累積處理水量18萬m3/d，工程應用規模國內領先。
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驗，且這個成套裝備已經推廣到了沙特、南非、阿聯酋、印尼、馬來西亞等。
污泥原位減量工藝的技術經濟分析
與傳統污泥處理處置技術的經濟性對比，噸水電耗0.34kWh，處理成本明顯低于市政污泥的傳統處理處置工藝。該工藝污泥減量效率和速率明顯高于好氧消化，速率常數是設計規范推薦值的2.5倍以上。與國外實際原位減量工程的技術經濟對比，微氧原位減量工藝的減量率明顯優于國外同類工藝Cannibal（西門子）和ACSL。
污泥原位減量技術的理念拓展
污泥原位減量是污水處理行業的“清潔生產”。也就是意味著未來在城市的市政污水研究或工業廢水處理之中，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，污泥是副產品，所以污泥原位減量是污水處理行業的清潔生產。該創新理念應用于火力發電廠脫硫廢水零排放領域，全廠工藝協同尋求污泥出路，實現了廢水、污泥與鹽分完全分離與資源化利用。
（根據錄音整理，未經本人審閱）
整理：王莉萍
審核：蔡峻
