研究臭氧化污泥回流对出水水质及污泥性质的影响
活性污泥法因其处理效果好、易管理等优点，已成为目前国内外应用很广泛的污水处理技术，但该技术在净化污水的同时会产生大量的剩余污泥。据资料显示，截至2018年6月底，全国污泥年产量已达到5000万t（含水率为80%），预计到2025年，我国的污泥年产量将达到6000~9000万t（含水率为80%）。如何实现污泥减量化，并降低污泥的外排体积，已经成为了今后污水处理行业亟待解决的问题。
由于臭氧氧化污泥原位减量技术具有臭氧氧化的能力强、微生物细胞破解的效率高、反应的副产物少、能改善污泥沉降性等特点，成为了研究者关注的热点。
本文从臭氧污泥原位减量化的技术原理着手，分析了臭氧氧化污泥原位减量的主要影响因素以及臭氧化污泥回流对系统产生的影响，并对该技术的发展前景进行展望，以期为污泥原位减量技术的工程应用提供参考。
1、臭氧氧化污泥原位减量作用机理
臭氧氧化处理污泥的过程主要有污泥解絮、溶胞和矿化3个阶段。
1.1 污泥解絮阶段
臭氧投入初期，即污泥解絮阶段，臭氧主要起到分散污泥絮体的作用。
污泥絮体是由胞外聚合物结合在一起的微生物聚集体，臭氧可能导致胞外聚合物发生破坏，从而使得微生物更容易被臭氧氧化，同时提高了污泥的可生物降解性。
1.2 溶胞阶段
随着臭氧的持续投入，进入溶胞阶段。该阶段臭氧从菌胶团外部开始向内逐渐进行大面积溶胞，污泥开始减量，其减量幅度能达到总减量的50%~70%，是减量的主要贡献阶段。
1.3 矿化阶段
当污泥体系中的微生物基本死亡时，臭氧的氧化目标转向上清液的溶出物，从而进人矿化阶段，开始对溶出的有机物进行矿化分解，约有1/3的污泥氧化成CO2、NO3、H20等无机物，从而使得污泥减量。
经臭氧氧化后，污泥回流到生化系统中，系统微生物利用衰亡微生物溶解产物进行隐形生长，臭氧氧化污泥溶解-隐性生长的连续循环导致了污泥的净减少。
臭氧氧化污泥原位减量的原理如图1所示。
臭氧氧化污泥的过程如图2所示。
2、臭氧氧化对污泥减量化的影响因素分析
2.1 臭氧投加量
臭氧投加量是影响污泥减量化的主要因素。一般来说，污泥减少量会在某个范围内（10~200mg0/gSS）与臭氧投加量成正比。
潘艳萍等人研究结果表明，在54mg0/gSS和80mg0/gSS2个臭氧投加量下，悬浮固体（SS）
减量率分别为36.5%和64.5%，挥发性悬浮固体（VSS）减量率分别为41.4%和70.8%，污泥减量效果明显。
汪鲁等人通过半连续式实验也得到了相似的结论，随着臭氧投加量的增加（0~154mg0/gSS），污泥的细胞溶解率逐渐增大，由0增加到26%，污泥浓度（MLSS）逐渐减小。
然而，大量的细胞溶解并不是影响污泥减量的很重要的因素。在低臭氧投加量（11mg 0/g MLSS）下，虽然细胞溶解程度较轻（3%），仍有大量的大分子和营养物释放到上清液中。
王瑞民等人的研究结果也证明了这一观点，即使臭氧投加量为10mgO/gMLSS时，仍可在保证化学需氧量（COD）和氨氮处理效果的基础上，达到明显的污泥减量效果。
臭氧投加量的增加，对污泥减量的促进作用存在一个很佳值。当达到很佳值时，继续增加臭氧投加量，对污泥减量作用的提高不明显，甚至可能会产生副作用。
分析认为臭氧投加量过大，可能会生成抑制臭氧或自由基氧化的中间体和副产物，加大臭氧的消耗，削弱臭氧对溶胞阶段释出有机物的矿化作用。因此，通过提高臭氧投加量来实现污泥减量是不可行的，必须根据实验来确定臭氧的很佳投加量。
2.2 臭氧投加方式
当臭氧投加量相同时，通过适当调整臭氧的投加方式，可以提高污泥的减量率。臭氧投加量由臭氧浓度、流量、接触时间3个因素决定。
Semblante等人的研究显示，当臭氧投加量相同时，增加臭氧流量（350~940L/h）和降低臭氧浓度（50~150mg/L），可使污泥的上清液中COD升高50%（134~208mg/L），污泥溶胞明显得到提升。所以，臭氧流量是影响臭氧进行气-液传质的重要因素。
史锦芳等人通过向污泥中通入臭氧进行静态试验，结果表明，随着接触时间的增加，污泥的溶胞效果得到了改善。反应30min时，污泥的上清液中蛋白质的浓度为56.3mg/L，是初始蛋白质浓度的4.52倍。这说明污泥减量受臭氧浓度、臭氧流量和反应时间的影响。
因此，可以在过程中通过控制臭氧发生器的参数，以控制系统的运营成本。
2.3 回流污泥中臭氧化污泥比例有学者认为，臭氧化污泥回流量越大，污泥的减量效果越好。
李顺将臭氧氧化后污泥回流至SBR反应池的曝气段，发现当污泥回流量占剩余污泥量的50%、
65%和80%时，污泥产量分别降低了48.8%、
50.0%和75.6%，随着污泥回流量的增加，污泥减量效果越好。
也有学者认为污泥回流比存在很佳值。孟昭辉将臭氧氧化后污泥回流到A20系统，当污泥的回流比为40%时，污泥的减量率为38.4%；当污泥的回流比为60%时，污泥的减量效果很好，污泥的减量率达到47.0%。继续增大污泥的回流比至80%
时，污泥减量率下降到44.7%。
臭氧化污泥在回流污泥中所占比例与回流比共同作用，也会对污泥减量产生影响。
Wang等人的研究显示，将臭氧氧化污泥的比例从10%提高到20%，同时保持污泥回流比为1/3，使常规活性污泥的污泥产量降低了约8%。另一方面，将臭氧污泥的比例维持在20%，将污泥回流比从1/3提高到2/3，污泥产量减少了23%。
4、结论
尽管污泥臭氧减量技术已经在工业和市政污水处理厂有所应用，对污泥臭氧减量化的原理也有了较为系统的阐述，但在相关的应用和研究中仍存在一些问题。
这些问题主要集中在以下方面。
（1）臭氧用于污泥减量的过程中，反应的影响因素还不能完全确定。
（2）对生化系统的影响存在不确定性，臭氧化污泥回流对污泥性质和出水水质造成的影响还不能完全得到控制。
（3）臭氧的利用率和氧化效率有待进一步提升。
因此，研究臭氧氧化与其他技术耦合处理、臭氧投加方式的优化、臭氧氧化效率的提高以及控制臭氧化污泥对生化系统的影响等将是今后的研究方向。
作者：刘艳芳12，高玮23，娄晓月4，李功4，刘吴的4，李再兴12
（1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄050018；3.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄050018；4.天津市瑞德赛恩水业有限公司，天津300270）
