剩余污泥零排放技術研究進展
隨著城市化進程的加快，工業和生活污水排放量日益增多，我國自20世紀90年代以來，每年產生的污泥量更是高達1億t以上[1]。建設更多的污水處理廠勢在必行；钚晕勰喾ㄊ悄壳笆澜缟蠎米顝V泛的污水生物處理技術，但其最大的弊端就是產生大量的剩余污泥。由于剩余污泥處置處理方法存在各種弊端，污泥減量化技術受到了人們的關注。通過物理、化學、機械、生物、加熱法等手段將剩余污泥破解后回流到曝氣池等生物氧化系統被微生物降解，從而使整個污水處理系統向外排放的剩余污泥量達到最少，甚至達到零排放，從源頭上解決污泥的產量，從而達到“綠色生產”的目的[2]。本文在污泥減量化的基礎上綜述了剩余污泥零排放的各種技術的研究和應用現狀，為今后在環境科學與工程領域的廣泛應用提供有益的借鑒。
1 污泥零排放的生物方法
1.1 微生物隱性生長作用下污泥的零排放
在生化處理中，微生物能使污水中有機碳在新陳代謝過程中轉化為無機物和新的有機生物體。其中的有機物質溶解于水中，形成可被細胞重新利用的自底基質。微生物以自底基質作為生長底物重復進行新陳代謝可使總的污泥產量減少。由于很難與微生物對污水中原有基質的利用相區分，微生物利用自底基質的生長被稱為隱性生長[3]。
有學者利用微生物隱性生長作用，建立了污泥中微生物細胞生長和衰亡的動態平衡[4]。他們將取自城市污水處理廠的活性污泥放置于一個1.8 L的容器里，馴化4周。每天注入COD為810 mg/L的人工廢水，使MLSS保持在11 000 mg/L，并在混合液中加入了鐵磁粉，借助磁力強制沉淀，增加污泥在反應器內的停留時間。在條件下運行的30 d內，污泥濃度維持恒定，沒有剩余污泥產生，達到污泥零排放的目的。
1.2 生物捕食作用的污泥零排放
污水為微生物提供了理想的生存和繁殖環境，在污水中存在由各種微生物組成的復雜食物鏈和生態系統。根據生態學原理，食物鏈越長，該傳遞過程的能量損失越大，而生物的產生量越小[5]。因此，促進捕食細菌的微生物生長，增加活性污泥系統中微生物食物鏈的長度，是減少污泥產量的有效方法。在活性污泥系統中加入紅斑顠體蟲或采用蚯蚓生態濾池來對污泥進行代謝強化，使生物污泥在生物污水處理系統中被吸收，可實現污泥減量化，甚至零排放。
梁鵬等[6]在活性污泥反應器中引入紅斑顠體蟲以考察其生長條件和對剩余污泥的減量效果以及對系統處理效果的影響。研究結果表明，SRT為15～34 d時對紅斑顠體蟲的長期生長沒有影響；進水COD 負荷＜0.6 mg/ (mgVSS·d) 時紅斑顠體蟲可大量出現。不同SRT和進水負荷條件下的污泥產率系數與反應器中的紅斑顠體蟲密度成負相關，對剩余污泥的減量比例為39%～58%。紅斑顠體蟲的存在有利于改善污泥的沉降性能，且對COD、氨氮、TP的去除效果影響不大。
吳敏等[7]采用蚯蚓污泥穩定床來處理剩余污泥得到了良好的效果。其研究表明，當污泥負荷為0.28～0.42 kg/(m3·d)、COD負荷為0.32～0.48 kg/(m3·d)時，污泥穩定床對剩余污泥的SS去除率可達99%以上，COD去除率均可達90%左右。這種技術在處理剩余污泥的過程中，可大大降低能耗，避免了二次污染。在長期的生態循環中，蚯蚓的增殖和蚯蚓糞的積累不明顯，并解決了剩余污泥的最終處置問題。
韓潤平等[8]報道了利用蚯蚓等微型動物共同組成的復合床生態濾池中試研究。試驗結果表明，當生態濾池水力負荷為3.0 m3/(m2·d)， SS為0.18 kg/(m2·d)時，生態濾池能同時對未經沉淀的出水和剩余污泥具有高效的處理和穩定作用。COD和BOD5的去除率分別達到74%～87%和90%以上， SS去除率為90%以上。出水質量指標達到國家一級排放標準，整個系統無剩余污泥產生，實現了剩余污泥的零排放。
2 化學方法使污泥零排放
2.1 臭氧氧化結合的污泥零排放技術
臭氧氧化法是利用臭氧的強氧化性來達到污泥破解的目的，然后將破解后污泥回流到活性污泥生化處理系統。由于臭氧氧化比超聲波破解、熱處理和化學法等污泥破解技術的破解效率高，能耗低[9，10]，所以與臭氧氧化結合的一些工藝能夠實現污泥零排放，并可用于工業化的實際應用。
Yasui等[11]在20世紀90年代提出了臭氧氧化污泥減量工藝，然后對處理不同廢水的工藝進行了一系列的可行性研究，在出水水質沒有顯著惡化的情況下，這種工藝能做到污泥的零排放。在持續10個月的工業化規模處理制藥廢水的實驗研究中，當BOD負荷為550 kg/d，臭氧投加量為0.015 kg/kgSS時，通過臭氧氧化和生化處理，臭氧處理污泥量達到預計剩余污泥量的3.3倍時，活性污泥系統無剩余污泥排放，只是出水TOC比常規活性污泥法略高。
Sakai[12]將臭氧氧化技術應用于日本的Shima污水處理廠450 m3/d的城市污水活性污泥處理系統中。當臭氧投加量為0.034 kg/kgSS、處理污泥量為預計剩余污泥量的4倍時，可以做到剩余污泥的完全減量。經過5個月無剩余污泥排放的運行，進水中30%的無機物在污泥中有一定的積累，但沒有觀察到惰性有機物的積累。出水水質除SS比未經臭氧處理時高2～15 mg/L，其余指標均無明顯變化。
Song等[13]報道了臭氧破解污泥技術與膜生物反應器相結合，當臭氧投加量為0.1g O3/gSS時，僅對每天產生的剩余污泥進行臭氧處理，就可以達到零污泥排放的效果，而且臭氧處理不會影響反應器中COD的去除和脫氮除磷效果。此外，無機物在反應器中的累積現象不明顯，出水水質始終保持良好。
Lee等[14]也采用活性污泥系統與臭氧氧化結合的工藝在冬季連續運行了112 d，沒有剩余污泥排放。在生物反應器中的溫度為15 ℃時，每天投加臭氧的頻率在2 .5和2 .7之間，MLSS維持在5 000 mg/L左右，出水中SS和COD分別為10 mg/L和15 mg/L。反應器中沒有無機物固體的積累，達到了污泥零排放的目的。
2.2 濕式氧化結合的污泥零排放技術
濕式氧化技術指在高溫高壓條件下，使用氧化劑(如氧氣、臭氧、過氧化氫等)把有機廢水中的有機物氧化為CO2、水以及其他小分子物質的技術[15]。由于剩余污泥在物質結構上與高濃度有機廢水十分相似，因此這種方法也可用于處理剩余污泥。將此法應用到剩余污泥的處理方面是其最成功的應用領域，目前有50% 以上的濕式氧化裝置應用于剩余污泥的處理。
Shanableh A.等[16，17]研究發現，濕式氧化技術用于污泥破解處理時，可使氧化污泥生成揮發性脂肪酸(VFA)等易生物降解的小分子物質。所以，污泥破解后可回流至好氧系統進行隱性生長，實現污泥的零排 放[118，19]。
Graint等開發的Minerails工藝[20]采用濕式氧化法破解污泥并實現了污泥零排放。該工藝受壓力和溫度影響較大，且反應需要在高溫高壓下進行，故要求反應器材料耐高溫高壓及耐腐蝕，設備投資費用高。
2.3 超臨界水氧化結合的污泥零排放技術
超臨界流體狀態是介于氣體和液體之間的一種特殊狀態。當水的溫度和壓力超過臨界點(Tc= 374.3 ℃，Pc=22.05 MPa)時就形成一種超臨界流體。在超臨界條件下，無需機械攪拌，有機物、空氣（氧）和水均相混合開始自發氧化，并且無需外界供熱，在很短的反應停留時間內，99.99%以上的有機物能被迅速氧化成H2O、CO2、N2等其他小分子。
Svensson等系統研究了超臨界水氧化污泥的方法，在溫度374 ℃和22.1 MPa的壓力下，剩余污泥中的有機物幾乎被全部降解，處理后的污泥可再回用到生物曝氣池中進行生化處理，基本達到無污泥排放。但是超臨界水氧化法需要的條件是高溫、高壓，對設備的防腐蝕要求較高[21]。
3 聯用技術條件下污泥的零排放
Yoon等[22]采用超聲波破解與MBR工藝結合可以實現污泥零排放。MBR反應器內有機物負荷為 0.91 kg BOD/(m3·d)，污泥濃度保持在7 000～8 000 mg/L左右，在連續運行28 d的過程中未發現無機物的積累，但出水COD有所升高。目前，優化運行參數，提高超聲效率和設計合理的超聲反應器是超聲波應用于污泥減量亟待解決的問題。
阮志華[23]采用常溫兼氧酸化水解－生物反應的新工藝，解決了有機廢水處理過程中產生的剩余污泥的問題，實現了污泥零排放。朱振超等[24]將好氧－沉淀－厭氧活性污泥工藝用于處理上海錦綸廠的廢水，剩余污泥達到零排放。這些工藝將污泥處理與廢水生物處理組合在同一系統，不僅操作管理方便，而且可提高原處理出水水質，為有機廢水所產生的剩余污泥處置開辟了新途徑。
曾紹瓊等[25]報道了一種由一個污泥的臭氧氧化段和一個生物處理段組成的名為“生物先導”的可以使污泥零排放的新系統。該系統能基本上消除剩余的污泥，出水水質良好。在該工藝中，分次進行臭氧處理，處理時pH值為3， 消耗臭氧量與處理污泥VSS的比是0.15 g O3/ g VSS。處理過的污泥中和后，大約1 d后連續返送到曝氣池。
王寶貞等[26]研制了淹沒式生物膜污水處理技術，并將其應用到廣東省番禺市祈福新村生活污水處理廠，在運行過程中產生的剩余污泥量很少，并定期從沉淀池向曝氣池前端回流污泥，基本實現了污泥的零排放。此技術在處理低有機物濃度的污水過程中表現出了能耗低、抑制污泥膨脹、提高泥、水分離效果等優點，為以后的廣泛應用奠定了現實基礎。
4 結語與展望
污泥處置和處理是世界范圍內關注的環境問題，污泥如果處置不當而隨意排放，不僅會造成資源和能源的浪費，而且還會造成環境污染，危害人類健康。剩余污泥在經歷了無害化、資源化的階段后，現已進入減量化階段，根據“清潔生產”的原則，對污泥的處置應從源頭進行控制。許多研究者已經關注該方面的發展，并且已經形成了一些較成熟的理論和技術。雖然目前的這些技術都存在著不同程度的問題，但已經為我們提供了一些很有前景的思路。由于科技不斷提高，能耗大、運轉成本較高、設備的腐蝕等問題都有望得到進一步解決，所以這些技術的應用前景非常樂觀。隨著科學的發展，技術的成熟，方法的改進，污水處理系統中剩余污泥的零排放必將能夠實現。
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