污泥是指污水处理过程中所产生的固态、半固态及液态的废弃物。污泥处理就是降低污泥含水率使污泥减容化、稳定化的过程, 其工艺通常由污泥浓缩、稳定和脱水等单元组成, 污泥稳定多采用厌氧消化和石灰稳定 (深度脱水) 法。伴随着污泥含水率的降低, 污泥处理会产生大量污水, 即污泥水。污泥水主要包括浓缩池上清液、厌氧消化池排出的上清液和脱水车间排出的滤液。污泥水具有体积小 (水量仅为污水处理厂进水的1%~2%) 、污染物浓度高、温度高 (30℃左右) 等特点^[1,2], 分别占全厂COD、氮和磷负荷的5%~20%、10%~80%和10%~50%^[3~5]。污泥水直接回流至进水口, 既会造成污染物重复处理, 又易导致出水难以达标^[6,7], 因此, 明确污泥水水质特性, 开发其处理技术对污水处理厂的稳定运行也具有重要意义。

　　 不同污水处理厂的污泥水性质由于污水处理工艺、污泥来源 (初沉池污泥、剩余污泥等) 、污泥处理工艺等的不同而存在较大差异, 部分污泥水水质如表1所示。

　　 从表1可知, 消化污泥水悬浮物 (SS) 浓度相差很大, 这与厌氧消化的排泥方式有关。消化上清液的SS较低, 如果不排放则其污泥水SS可高达22g/L^[8]。各类污泥水含氮污染物浓度均较高, 且溶解性氮主要以氨氮形式存在。污泥在机械浓缩和脱水过程, 间隙水被挤出, 部分胞外聚合物溶出, 所以有机污染物、氮和磷浓度较高^[9]。同时在浓缩、脱水和厌氧消化的厌氧环境下污泥中磷又重新释放, 所以污泥水含磷量很高, 且大部分以磷酸根形式存在。深度脱水污泥水呈现高pH、高钙和低磷的特点, 这主要是因为污泥调理阶段石灰和FeCl₃的加入, 造成磷酸根与Ca²⁺和Fe³⁺反应生成沉淀而去除。

　　 由表1知, 污泥水SS浓度高, 波动范围大, 而化学需氧量 (COD) 、总氮 (TN) 和总磷 (TP) 主要以颗粒态和胶体态存在^[16], SS去除是降低污泥水中污染物的关键。刘范嘉等^[16]研究了混凝沉淀对污泥浓缩池上清液和脱水滤液的处理效果, 发现聚丙烯酰胺 (PAM) 比聚合氯化铝 (PAC) 产生的絮团大, 更容易沉淀, PAM混凝对SS、COD和BOD₅的去除率在90%以上。周振等^[9]比较了PAC、聚合氯化铁 (PFC) 和PAM对浓缩脱水污泥水的预处理效果, 发现投加PAC会导致污泥沉降性能恶化。而投加PFC和PAM均能改善污泥水沉降性能。

　　 污泥水混凝沉淀后还会含有大量的溶解性氮磷, 通过沉淀去除 (表2) 对于降低污水厂的氮磷负荷具有重要意义。其中, 磷酸铵镁法 (见式 (1) ) 能够同步沉淀污泥水的氨氮和磷酸盐, 又能变废为宝, 形成的鸟粪石是农业生产高效缓释肥料。

　　 磷酸铵镁法在猪场废水^[17]、垃圾渗滤液^[18]、剩余污泥碱性发酵上清液^[19]、污泥厌氧消化上清液^[20,21]等污水处理领域已广泛应用。

　　 传统的化学除磷是向污水中投加铁、铝、钙、镁等金属盐与磷酸盐生成沉淀, 药剂成本是制约其实际应用的关键问题。因此有学者从“以废治废”的角度研究除磷新方法, 如海水纳滤的浓水、饮用水混凝的铝盐污泥、生物还原铁矿石、飞灰、高炉矿渣和钢渣等^[2,20,22]。Yang等^[22]利用铝盐污泥人工湿地处理浓缩离心污泥水, 其COD、N和P去除率分别为67.8%、33.6%和99.5%。Ivanov等^[2]利用铁还原菌作用于铁矿石产生Fe²⁺去除污泥水中磷, 铁矿石粒径7.6mm时除磷率接近90%。Ren等^[3]则提出利用深度脱水污泥水中高浓度钙盐和高pH去除浓缩脱水污泥水中磷的新思路, 相较于铝盐和铁盐分别可节省药剂费用2.13元/m³和1.65元/m³, 并能中和深度脱水污泥水, 降低管道结垢的风险。

　　 pH>10时, 氨氮主要以NH₃存在, 采用吹脱法可以将其去除^[25]。Gu2tin等^[26]研究了pH、温度和气体流速对吹脱去除厌氧消化上清液中氨氮的影响, 其氨氮和总氮去除率可达92.2%和88.3%。吹脱法对高pH、高碱度的深度脱水污泥水的氨氮去除具有更好的效果, 并能同步降低污泥水pH, 有助于其后续处理^[27]。深度脱水污泥水吹脱时, 需要考虑碳酸钙结垢问题^[27]。

　　 荷兰应用水研究基金会的研究表明, 与回流至污水处理工艺相比, 单独处理高氨氮的污泥水 (见表1) 对污水处理厂升级和节省处理费用具有重要意义^[28]。

　　 由表1知, 污泥水BOD₅/TN低于4, 不能满足常规硝化-反硝化脱氮的碳源要求。于莉芳等^[12]采用序批式反应器 (SBR) 处理污泥厌氧消化液时, 氨氮去除率可达99.3%, 但碳源不足导致其TN去除率仅为38.1%。陈青青等^[29]采用SBR处理污泥厌氧消化液时, 氨氮和TKN去除率可达99.3%和97.4%, 但TN去除率仅为24.3%。刘范嘉等^[8]采用膜-生物反应器 (MBR) 强化脱氮除磷中试系统处理混凝沉淀后的浓缩脱水污泥水时, 出水COD、BOD₅、氨氮、TN和TP浓度分别可达70.8 mg/L、8.7mg/L、15.1mg/L、29.7mg/L和0.38mg/L。

　　 除碳源匮乏外, 传统的浓缩脱水污泥水往往面临碱度不足的问题。Hu等^[30]研究发现, 向污泥水处理MBR中投加碳酸氢钠碱度能够将其COD去除和硝化效率分别提高14.6%和38.3%, 并能缓解膜污染, 实现硝化菌的富集。为了降低成本, 也可以将高pH的深度脱水污泥水作为碱度和碳源来源, 形成一种经济有效的污泥水脱氮模式^[31]。

　　 (1) 接种强化硝化技术。接种强化硝化技术是向生物处理系统中引入具有特定功能的微生物, 改善原有系统对目标污染物的去除效果。瑞典皇家工学院开发的污泥水单独处理污泥回流生物强化技术, 通过侧流反应器处理污泥水, 将富集培养的硝化菌以一定的浓度连续投加到主流污水处理系统以增强其硝化能力, 实现短污泥龄硝化^[32]。与传统活性污泥法相比, 接种强化不但能提高难降解COD和氨氮的去除效果, 还能改善污泥性能^[33]。

　　 (2) InNitri工艺。InNitri工艺是最早利用污泥消化液培养硝化菌投加污水处理主系统进行强化硝化的工艺。InNitri采用单独反应器 (容积为主系统中曝气池的3%) 处理污泥消化液 (30~35℃, 300~900mg/L氨氮) 和一部分初沉池出水, 在10℃时硝化污泥龄仅需7~10d, 明显低于传统脱氮工艺的13~18d。InNitri工艺对污水处理厂升级改造投资可降低10%~15%^[34]。然而, 由于InNitri工艺中仅发生硝化, 需外加大量碱度, 且出水中高浓度的NO₃^--N也不利于沉淀池运行和系统除磷, 因此其尚未有实际工程应用的报道。

　　 (3) BABE工艺。针对污泥水高氨氮的水质特性, Salem等^[5]开发了在污泥回流管线富集硝化菌的反应器, 从而形成侧流富集硝化菌、主流强化硝化能力的BABE工艺。与InNitri工艺相比, BABE工艺存在二沉池污泥回流, 这既可以利用回流污泥中的碱度, 又可保证富集培养的硝化菌与主系统中占主导地位的硝化菌在种群、生态环境等方面的一致性, 而且硝化菌包含在生物絮体中, 不易被主流处理系统中原生动物捕食。此外, 较小的回流污泥量和较短的停留时间也能使反应器保持较高的温度, 从而获得较高的硝化速率^[5,35]。荷兰Garmerwolde污水处理厂采用BABE技术后, 出水氨氮由9.9~13.3mg/L降低至5.2 mg/L^[36]。当然, 也有报道认为外部培养会形成特殊的硝化菌群, 并不一定能适应主体污水处理系统的环境^[37]。

　　 由于污泥水C/N较低, 短程硝化反硝化工艺首先在有氧条件下利用亚硝化菌将NH₄⁺氧化成NO₂^-, 然后在缺氧条件下将NO₂^-反硝化为N₂^[38], 该工艺较传统工艺可节省25%的供氧和40%的碳源。在较短的HRT和30~40℃的条件下, 亚硝化菌可通过种群竞争成为优势种群, 利用污泥消化液较高的温度和污泥龄控制能够实现短程硝化反硝化。Sharon工艺成功应用于荷兰Dokhaven和U-trecht污水处理厂污泥消化液处理, 脱氮率高于90%^[39]。

　　 Mulder等^[40]发现了以NH₄⁺为电子供体还原NO₃^-的厌氧氨氧化 (Anammox) 现象, 基于Anammox原理, 目前已开发了Oland、两相Sharon-Anammox和单相Canon工艺。Sharon-Anammox工艺己用于Dokhaven污水处理厂的消化液处理^[41]。这些技术在很大程度上解决了传统硝化-反硝化工艺面临的碳源不足的问题, 受到世界范围的关注。

　　 (1) 污泥水主要来自污水处理厂污泥浓缩、消化、脱水等环节, 浓缩脱水和厌氧消化污泥水具有SS含量高、氮磷含量高、脱氮除磷碳源和碱度相对不足的特点。

　　 (2) 化学混凝能够有效去除污泥水中的SS和总磷, 根据污泥水水质确定合适的混凝剂和成本低廉的除磷剂是今后的主要研究趋势。

　　 (3) 利用污泥水的高氨氮实现侧流富集硝化菌强化主流污水处理系统硝化在污水处理厂升级改造中具有良好的应用前景。SHARON和ANAM-MOX工艺能够有效解决污泥水脱氮存在的碳源不足的问题。

　　 (4) 随着深度脱水技术在国内的广泛应用^[42], 通过深度脱水污泥水补充污泥水脱氮所需的碱度和碳源, 以及除磷所需的钙源能够大幅度降低污泥水脱氮除磷的运行成本。