周振
上海电力大学科研处副处长、教授
一、研究背景与意义
污泥处理是城市发展过程中亟待解决的重大环境问题。随着污水处理率上升和环保要求的提高，污泥处理处置问题日益突出，预计2025年我国市政污泥产量将突破9000万吨。而以填埋或堆肥传统的末端处理处置技术普遍面临着场址选择和公众支持等难题，同时还存在成本过高和二次污染问题。通过在污水处理系统中集成污泥原位减量单元，降低污泥产量是解决剩余污泥问题的一种新型策略。所以，研发运行成本低、对污水处理系统影响小的污泥原位减量关键技术和工艺，是我国污水污泥处理行业的迫切需求，对提升我国环保产业的国际竞争力具有重大意义。其方法主要是围绕污水处理厂在主流污水工艺处理的侧流，增加一个侧流减量单元，通过参数的调控以及强化的技术以提升减量率。
最近几年，我们围绕污泥原位减量，主要展开了三个方面的工作，第一个是污泥的侧流减量单元，第二个是侧流减量的增强技术，第三个是将侧流技术纳入微氧，纳入到主流之中做了微氧主流的减量工艺。
二、污泥侧流反应器(SSR)减量工艺调控
ASSR减量工艺的参数调控研究
在污泥微氧侧流反应器的减量工艺调控方面的工作中，我们主要考虑了侧流减量单元的三大工艺参数，一是拿多少污泥进入了侧流反应器中；二是侧流反应器的容积有多大，即水力停留时间（HRT）；三是侧流减量单元中的电子受体的状态，维持厌氧、微氧，还是好氧状态。
首先，非常重要的指标是侧流比，需要考虑引入多少的回流污泥进入到侧流系统中后。因为其会影响到污泥在底物丰富与匮乏环境中的交换，也会影响侧流反应器容积。将污泥之中的侧流比由0.0增加至1.0，脱氮效率由13.0%增加至32.9%，污泥减量率由6.0%增加至49.7%。此外，高侧流比有助于慢生型微生物的富集，而低侧流比则有助于富集水解菌和捕食性微生物。
ASSR减量工艺主导途径分析
众所周知，污泥里既包括了非活性颗粒物，也包括活性微生物。非活性颗粒物在污泥减量过程当中会发生水解，而活性微生物会溶胞释放。除此之外，第三个减量机制是捕食，也就是按照生态学上的“十分之一理论”，随着食物链的拉长，每一级别的污泥产率都是后端的十分之一。在这个过程当中我们进一步做了侧流减量系统的污泥平衡，并做了衰减速率尝试的测算。通过这样的测算，我们可以看到侧流减量工艺的污泥减量是以非活性的颗粒性有机物的厌氧水解为主，而好氧池的污泥减量则以活性微生物衰减为主。
所以，污泥减量单元最终要实现污泥减量，必然要富集相应的功能性微生物。此外，通过水解的加速可以进一步提高减量效率。
电子受体对ASSR减量工艺运行特性的影响
电子受体会显著影响污泥减量、污染物去除及微生物群落结构。维持厌氧的状态之后，侧流池会富集到水解菌与发酵菌，好氧状态则有利于慢性的生长，但污水处理中用的不是很多。非常值得关注的是微氧状态，微氧状态可以引起污泥减量效率的进一步提高，污泥产率要远低于厌氧与好氧的状态。
三、污泥原位侧流减量工艺强化技术
目前，有三种减量策略能够进一步地强化污泥原位的侧流减量，第一是用高铁酸钾强化；第二是填料强化；第三是超声强化。
高铁酸钾强化ASSR工艺运行特性
当高铁酸钾投加量为100 mg/g SS时，污泥溶胞技术经济效益最优。投加高铁酸钾可以将污泥减量率从30%提高至47.5%，但微生物种群会趋于单一化。虽然实现了慢生菌、水解发酵菌和铁还原菌的富集，但这种富集对污水处理系统的稳定性不利。
超声与填料强化ASSR运行特性的对比
外加的药剂成本必然是高的，为了验证是否可以用超声的预处理或通过投加填料的方式来强化侧流减量，我们在实验室构建了相应的减量单元并进行了95天的实验。投加填料之后，会强化慢生菌发酵型细菌。填料强化之后，效果与超声相比出现大幅度的跃升，但这种跃升是非生物种群的显著变化，所以又进一步地在实际污水处理厂中进行超过200天的实验从而长期验证。结果发现，投加填料以及超声处理都可以促进微生物的溶胞，微生物可以大幅度的提高水解酶的活性，而填料则会显著降低微生物代谢的ATP水平，实现解偶联代谢。在这个过程当中，填料还会进一步富集捕食菌、水解发酵菌和慢生菌，而在超声中只有水解发酵菌的富集。
通过对比并结合一些技术分析，三种强化策略中填料的强化效果最佳，且具经济性。
填料强化ASSR减量工艺的运行特性
在侧流减量单元中加入填料之后可以缓解膜污染，当填充率从25%增至50%后，膜污染的缓解到最高之后就不再明显缓解。投加填充率0%、25%和50%的填料时，ASSR-MBR污泥减量率分别为21.7%、50.5%和39.7%。投加填料后显著强化了水解作用对污泥减量的贡献。
为了了解在一个污水处理系统中，原后生动物的作用，进一步分析了填料中HRT的变化。微生物镜检表明，ASSR中富集了捕食相关的原后生动物。与此同时，延长侧流池HRT，会改变细胞运动和细胞信号相关的基因表达量，为原后生动物的细菌捕食提供（如蠕虫捕食细菌）机会，可有效提升有机物的去除和脱氮的效率。此外，侧流池HRT为5.0 h时膜污染最低，而HRT为6.7 h时污泥性质出现明显恶化，膜污染加剧。
四、污泥微氧强化原位减量工艺技术-SPRAS
SPRAS双污泥减量工艺流程
污泥的微氧环境对污水处理有很大的意义，所以我们进一步研究了污泥微氧强化的原位减量工艺技术。我们一方面考虑到微氧条件，另一方面是专一性减量细菌的富集。我们构建了一个双污泥的减量系统，这个工艺流程和我们原来的水污染控制中的活性污泥系统的AB法有点类似，在传统活性污泥法前端插入“曝气+沉淀”组成的污泥减量模块，并将进水和后端活性污泥法产生的剩余污泥排入，通过维持一定的微生物生理生态环境实现污泥减量。
SPRAS污泥减量工艺运行特性分析
在构建了双沉淀池系统之后，出水稳定条件下实现长泥龄减量，最长的时候可以达到120天以上，长泥龄是污泥减量的主要原因。最近将HRT提高到了200天，并在上海白龙港污水处理厂做了中试，发现污泥的理论减量率可以达到75%左右。
通过创新的工艺设计，融合解偶联和溶胞的隐性生长减量机制，SPR模块形成了好氧-沉淀-厌氧的解耦连污泥减量循环。SPR模块产生的二次基质，进入后续活性污泥系统，通过溶胞-隐性生长机制实现污泥减量。同时，要关注微氧条件对污泥减量的作用，用微氧条件进行调控实现污泥减量率可以从常规工艺的42.9%增至68.3%，这意味着污泥处理厂大部分的污泥可以在内部消化掉。在此基础上通过污泥絮体结构分析，提出微氧曝气降低污泥结构稳定性，加速絮体解离溶胞的新型减量机制。在此基础上进一步进行集成创新，实现了污泥减量模块的水力停留时间由国际主流减量工艺所提到的6-7小时，降低至4.5小时。
SPRAS和ASSR技术的比较
SPRAS工艺独特的双污泥系统与微氧-沉淀-厌氧循环体系设计是其污泥减量效果高于ASSR的主要原因。微氧-沉淀-厌氧模块实现减量功能菌的高度富集，获得较高的衰减动力学参数。维持代谢是ASSR污泥减量的主要途径；强化水解和能量解偶联是SPR模块污泥减量的主要途径。我们最新的工作是围绕着碳排放将污泥减量工艺与浓缩脱水、干化焚烧、厌氧消化、土地利用路线进行了测算对比，可以看到污泥减量的碳排放会有明显的降低。
五、污泥原位减量工艺技术的产业化应用
水解酸化池重新定位-改造用于污泥减量
很多城市的郊区污水处理厂往往都有水解酸化池，但由于这几年的人口迁入到郊区之后，工业废水的比例在降低。所以针对郊区污水处理厂工业废水比例降低的问题。我们开展了水解酸化池的重新定位研究，并提出了将其改造为污泥减量池的对策思路。结果发现将水解酸化池改造成侧流池，同时将进水引入之后，污泥减量率从15%提高到了40%。
SPRAS污泥减量工艺的推广应用
在6万m3/d临安城市污水处理厂污泥原位减量示范工程中，出水稳定达到一级A、吨水能耗（含污泥减量和处理）为0.34 kWh，并实现63%的污泥减量。在SPRAS耦合MSBR的工业园区污水处理厂示范工程中，污泥产率仅为0.074g SS/g COD，远低于同类污水厂。同时还已经应用于山东、浙江6座污水处理厂，累积处理水量18万m3/d，工程应用规模国内领先。
SPRAS减量工艺污水处理的成套装备，在山东、重庆、黑龙江都有其成功经验，且这个成套装备已经推广到了沙特、南非、阿联酋、印尼、马来西亚等。
污泥原位减量工艺的技术经济分析
与传统污泥处理处置技术的经济性对比，吨水电耗0.34kWh，处理成本明显低于市政污泥的传统处理处置工艺。该工艺污泥减量效率和速率明显高于好氧消化，速率常数是设计规范推荐值的2.5倍以上。与国外实际原位减量工程的技术经济对比，微氧原位减量工艺的减量率明显优于国外同类工艺Cannibal（西门子）和ACSL。
污泥原位减量技术的理念拓展
污泥原位减量是污水处理行业的“清洁生产”。也就是意味着未来在城市的市政污水研究或工业废水处理之中，在污水处理的单元之中要将污泥原位减量考虑进去。如果将污水处理厂也作为一个工厂来考虑的话，污泥是副产品，所以污泥原位减量是污水处理行业的清洁生产。该创新理念应用于火力发电厂脱硫废水零排放领域，全厂工艺协同寻求污泥出路，实现了废水、污泥与盐分完全分离与资源化利用。
（根据录音整理，未经本人审阅）
整理：王莉萍
审核：蔡峻