剩余污泥零排放技术研究进展
随着城市化进程的加快，工业和生活污水排放量日益增多，我国自20世纪90年代以来，每年产生的污泥量更是高达1亿t以上[1]。建设更多的污水处理厂势在必行。活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水生物处理技术，但其最大的弊端就是产生大量的剩余污泥。由于剩余污泥处置处理方法存在各种弊端，污泥减量化技术受到了人们的关注。通过物理、化学、机械、生物、加热法等手段将剩余污泥破解后回流到曝气池等生物氧化系统被微生物降解，从而使整个污水处理系统向外排放的剩余污泥量达到最少，甚至达到零排放，从源头上解决污泥的产量，从而达到“绿色生产”的目的[2]。本文在污泥减量化的基础上综述了剩余污泥零排放的各种技术的研究和应用现状，为今后在环境科学与工程领域的广泛应用提供有益的借鉴。
1 污泥零排放的生物方法
1.1 微生物隐性生长作用下污泥的零排放
在生化处理中，微生物能使污水中有机碳在新陈代谢过程中转化为无机物和新的有机生物体。其中的有机物质溶解于水中，形成可被细胞重新利用的自底基质。微生物以自底基质作为生长底物重复进行新陈代谢可使总的污泥产量减少。由于很难与微生物对污水中原有基质的利用相区分，微生物利用自底基质的生长被称为隐性生长[3]。
有学者利用微生物隐性生长作用，建立了污泥中微生物细胞生长和衰亡的动态平衡[4]。他们将取自城市污水处理厂的活性污泥放置于一个1.8 L的容器里，驯化4周。每天注入COD为810 mg/L的人工废水，使MLSS保持在11 000 mg/L，并在混合液中加入了铁磁粉，借助磁力强制沉淀，增加污泥在反应器内的停留时间。在条件下运行的30 d内，污泥浓度维持恒定，没有剩余污泥产生，达到污泥零排放的目的。
1.2 生物捕食作用的污泥零排放
污水为微生物提供了理想的生存和繁殖环境，在污水中存在由各种微生物组成的复杂食物链和生态系统。根据生态学原理，食物链越长，该传递过程的能量损失越大，而生物的产生量越小[5]。因此，促进捕食细菌的微生物生长，增加活性污泥系统中微生物食物链的长度，是减少污泥产量的有效方法。在活性污泥系统中加入红斑顠体虫或采用蚯蚓生态滤池来对污泥进行代谢强化，使生物污泥在生物污水处理系统中被吸收，可实现污泥减量化，甚至零排放。
梁鹏等[6]在活性污泥反应器中引入红斑顠体虫以考察其生长条件和对剩余污泥的减量效果以及对系统处理效果的影响。研究结果表明，SRT为15～34 d时对红斑顠体虫的长期生长没有影响；进水COD 负荷＜0.6 mg/ (mgVSS·d) 时红斑顠体虫可大量出现。不同SRT和进水负荷条件下的污泥产率系数与反应器中的红斑顠体虫密度成负相关，对剩余污泥的减量比例为39%～58%。红斑顠体虫的存在有利于改善污泥的沉降性能，且对COD、氨氮、TP的去除效果影响不大。
吴敏等[7]采用蚯蚓污泥稳定床来处理剩余污泥得到了良好的效果。其研究表明，当污泥负荷为0.28～0.42 kg/(m3·d)、COD负荷为0.32～0.48 kg/(m3·d)时，污泥稳定床对剩余污泥的SS去除率可达99%以上，COD去除率均可达90%左右。这种技术在处理剩余污泥的过程中，可大大降低能耗，避免了二次污染。在长期的生态循环中，蚯蚓的增殖和蚯蚓粪的积累不明显，并解决了剩余污泥的最终处置问题。
韩润平等[8]报道了利用蚯蚓等微型动物共同组成的复合床生态滤池中试研究。试验结果表明，当生态滤池水力负荷为3.0 m3/(m2·d)， SS为0.18 kg/(m2·d)时，生态滤池能同时对未经沉淀的出水和剩余污泥具有高效的处理和稳定作用。COD和BOD5的去除率分别达到74%～87%和90%以上， SS去除率为90%以上。出水质量指标达到国家一级排放标准，整个系统无剩余污泥产生，实现了剩余污泥的零排放。
2 化学方法使污泥零排放
2.1 臭氧氧化结合的污泥零排放技术
臭氧氧化法是利用臭氧的强氧化性来达到污泥破解的目的，然后将破解后污泥回流到活性污泥生化处理系统。由于臭氧氧化比超声波破解、热处理和化学法等污泥破解技术的破解效率高，能耗低[9，10]，所以与臭氧氧化结合的一些工艺能够实现污泥零排放，并可用于工业化的实际应用。
Yasui等[11]在20世纪90年代提出了臭氧氧化污泥减量工艺，然后对处理不同废水的工艺进行了一系列的可行性研究，在出水水质没有显著恶化的情况下，这种工艺能做到污泥的零排放。在持续10个月的工业化规模处理制药废水的实验研究中，当BOD负荷为550 kg/d，臭氧投加量为0.015 kg/kgSS时，通过臭氧氧化和生化处理，臭氧处理污泥量达到预计剩余污泥量的3.3倍时，活性污泥系统无剩余污泥排放，只是出水TOC比常规活性污泥法略高。
Sakai[12]将臭氧氧化技术应用于日本的Shima污水处理厂450 m3/d的城市污水活性污泥处理系统中。当臭氧投加量为0.034 kg/kgSS、处理污泥量为预计剩余污泥量的4倍时，可以做到剩余污泥的完全减量。经过5个月无剩余污泥排放的运行，进水中30%的无机物在污泥中有一定的积累，但没有观察到惰性有机物的积累。出水水质除SS比未经臭氧处理时高2～15 mg/L，其余指标均无明显变化。
Song等[13]报道了臭氧破解污泥技术与膜生物反应器相结合，当臭氧投加量为0.1g O3/gSS时，仅对每天产生的剩余污泥进行臭氧处理，就可以达到零污泥排放的效果，而且臭氧处理不会影响反应器中COD的去除和脱氮除磷效果。此外，无机物在反应器中的累积现象不明显，出水水质始终保持良好。
Lee等[14]也采用活性污泥系统与臭氧氧化结合的工艺在冬季连续运行了112 d，没有剩余污泥排放。在生物反应器中的温度为15 ℃时，每天投加臭氧的频率在2 .5和2 .7之间，MLSS维持在5 000 mg/L左右，出水中SS和COD分别为10 mg/L和15 mg/L。反应器中没有无机物固体的积累，达到了污泥零排放的目的。
2.2 湿式氧化结合的污泥零排放技术
湿式氧化技术指在高温高压条件下，使用氧化剂(如氧气、臭氧、过氧化氢等)把有机废水中的有机物氧化为CO2、水以及其他小分子物质的技术[15]。由于剩余污泥在物质结构上与高浓度有机废水十分相似，因此这种方法也可用于处理剩余污泥。将此法应用到剩余污泥的处理方面是其最成功的应用领域，目前有50% 以上的湿式氧化装置应用于剩余污泥的处理。
Shanableh A.等[16，17]研究发现，湿式氧化技术用于污泥破解处理时，可使氧化污泥生成挥发性脂肪酸(VFA)等易生物降解的小分子物质。所以，污泥破解后可回流至好氧系统进行隐性生长，实现污泥的零排 放[118，19]。
Graint等开发的Minerails工艺[20]采用湿式氧化法破解污泥并实现了污泥零排放。该工艺受压力和温度影响较大，且反应需要在高温高压下进行，故要求反应器材料耐高温高压及耐腐蚀，设备投资费用高。
2.3 超临界水氧化结合的污泥零排放技术
超临界流体状态是介于气体和液体之间的一种特殊状态。当水的温度和压力超过临界点(Tc= 374.3 ℃，Pc=22.05 MPa)时就形成一种超临界流体。在超临界条件下，无需机械搅拌，有机物、空气（氧）和水均相混合开始自发氧化，并且无需外界供热，在很短的反应停留时间内，99.99%以上的有机物能被迅速氧化成H2O、CO2、N2等其他小分子。
Svensson等系统研究了超临界水氧化污泥的方法，在温度374 ℃和22.1 MPa的压力下，剩余污泥中的有机物几乎被全部降解，处理后的污泥可再回用到生物曝气池中进行生化处理，基本达到无污泥排放。但是超临界水氧化法需要的条件是高温、高压，对设备的防腐蚀要求较高[21]。
3 联用技术条件下污泥的零排放
Yoon等[22]采用超声波破解与MBR工艺结合可以实现污泥零排放。MBR反应器内有机物负荷为 0.91 kg BOD/(m3·d)，污泥浓度保持在7 000～8 000 mg/L左右，在连续运行28 d的过程中未发现无机物的积累，但出水COD有所升高。目前，优化运行参数，提高超声效率和设计合理的超声反应器是超声波应用于污泥减量亟待解决的问题。
阮志华[23]采用常温兼氧酸化水解－生物反应的新工艺，解决了有机废水处理过程中产生的剩余污泥的问题，实现了污泥零排放。朱振超等[24]将好氧－沉淀－厌氧活性污泥工艺用于处理上海锦纶厂的废水，剩余污泥达到零排放。这些工艺将污泥处理与废水生物处理组合在同一系统，不仅操作管理方便，而且可提高原处理出水水质，为有机废水所产生的剩余污泥处置开辟了新途径。
曾绍琼等[25]报道了一种由一个污泥的臭氧氧化段和一个生物处理段组成的名为“生物先导”的可以使污泥零排放的新系统。该系统能基本上消除剩余的污泥，出水水质良好。在该工艺中，分次进行臭氧处理，处理时pH值为3， 消耗臭氧量与处理污泥VSS的比是0.15 g O3/ g VSS。处理过的污泥中和后，大约1 d后连续返送到曝气池。
王宝贞等[26]研制了淹没式生物膜污水处理技术，并将其应用到广东省番禺市祈福新村生活污水处理厂，在运行过程中产生的剩余污泥量很少，并定期从沉淀池向曝气池前端回流污泥，基本实现了污泥的零排放。此技术在处理低有机物浓度的污水过程中表现出了能耗低、抑制污泥膨胀、提高泥、水分离效果等优点，为以后的广泛应用奠定了现实基础。
4 结语与展望
污泥处置和处理是世界范围内关注的环境问题，污泥如果处置不当而随意排放，不仅会造成资源和能源的浪费，而且还会造成环境污染，危害人类健康。剩余污泥在经历了无害化、资源化的阶段后，现已进入减量化阶段，根据“清洁生产”的原则，对污泥的处置应从源头进行控制。许多研究者已经关注该方面的发展，并且已经形成了一些较成熟的理论和技术。虽然目前的这些技术都存在着不同程度的问题，但已经为我们提供了一些很有前景的思路。由于科技不断提高，能耗大、运转成本较高、设备的腐蚀等问题都有望得到进一步解决，所以这些技术的应用前景非常乐观。随着科学的发展，技术的成熟，方法的改进，污水处理系统中剩余污泥的零排放必将能够实现。
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