鄢恒珍 唐佳賓 劉國(guó)校

摘要：活性污泥處理會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥，在剩余污泥處理過(guò)程中，為了加快污泥水解速率，提高厭氧消化性能，污泥預(yù)處理技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文就目前常用的物理、化學(xué)、生物以及聯(lián)合處理等幾類污泥預(yù)處理方法進(jìn)行了一定的介紹。不同的預(yù)處理方法各有利弊，超聲波預(yù)處理具有作用時(shí)間短，處理效率高，能有效提高污泥厭氧消化的產(chǎn)甲烷能力等優(yōu)點(diǎn)；堿處理可有效提高污泥產(chǎn)氣率和脫水性能，但堿處理后的高pH值不利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，且堿對(duì)設(shè)備有一定的腐蝕作用；臭氧預(yù)處理和生物酶預(yù)處理均可提高剩余污泥溶解性，但臭氧生產(chǎn)耗能較高。選擇不同預(yù)處理方法進(jìn)行聯(lián)合處理，往往能夠取得更為顯著的效果。

關(guān)鍵詞：剩余污泥；預(yù)處理；預(yù)處理

中圖分類號(hào)：X7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

活性污泥法是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的污水生物處理技術(shù)，但該處理方法一直存在一個(gè)最大的弊端，會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥[1]。在剩余污泥處理過(guò)程中，污泥微生物細(xì)胞內(nèi)含物的釋放是限制污泥消化速率的關(guān)鍵。為了加快污泥的水解速率，提高厭氧消化性能，污泥預(yù)處理技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。目前，常用的污泥預(yù)處理方法有物理、化學(xué)、生物以及聯(lián)合處理等方法[3]。本文就這幾種處理方法的工藝原理、研究成果及應(yīng)用分別介紹如下。

1物理預(yù)處理方法

傳統(tǒng)污泥物理預(yù)處理方法主要包括加熱和凍融預(yù)處理。近年來(lái)，隨著研究的深入，出現(xiàn)了超聲波、微波、珠磨、高壓均質(zhì)等預(yù)處理方法。

1.1超聲波

超聲波是指頻率為20kHz～10MHz的聲波。當(dāng)聲強(qiáng)增加到一定的程度時(shí)，會(huì)使傳播中媒質(zhì)的狀態(tài)、組成、功能和結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，統(tǒng)稱為超聲效應(yīng)。從聲學(xué)角度看，超聲波破解污泥主要是利用聲波的能量所產(chǎn)生的空化效應(yīng)。在超聲波作用下，污泥液體中將產(chǎn)生大量空化氣泡，空化氣泡瞬間破滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生極為短暫的強(qiáng)壓力脈沖，在氣泡周圍的微小空間內(nèi)形成局部熱點(diǎn)，并產(chǎn)生爆破。微氣泡的爆破能夠?qū)ζ渲車a(chǎn)生巨大的剪切力作用，使氣液界面上的溫度達(dá)到近5000K，同時(shí)產(chǎn)生近幾百個(gè)大氣壓的高壓，產(chǎn)生具有強(qiáng)烈沖擊力的微射流。高溫高壓和微射流可以使污泥絮體結(jié)構(gòu)解體，同時(shí)破壞微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁，釋放出細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物和酶，被釋放出的酶進(jìn)一步加速污泥中細(xì)胞壁的溶解，從而加速污泥的水解進(jìn)程[4]。

劉峻等[5]超聲處理連續(xù)流系統(tǒng)剩余污泥，在聲能密度為0.4 W/mL、超聲作用時(shí)間為5min、超聲污泥回流比為1：24時(shí)，污泥日均產(chǎn)量為13. 6 mg/（ L·d），減量效果達(dá)到95.81 %，污泥減量效果顯著。胡凱等[6]研究了超聲預(yù)處理技術(shù)對(duì)剩余污泥物理、化學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，污泥溶解性COD隨超聲時(shí)間和超聲波電功率密度的增加而呈線性上升，當(dāng)超聲波電功率密度分別為0.8和1.5 W/mL、作用30 min后，污泥溶解性COD是原泥的1.7倍和6.0倍。在污泥投配率為5%時(shí)，超聲組比對(duì)照組反應(yīng)器更快達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)氣狀態(tài)，與對(duì)照組相比，超聲污泥的平均日產(chǎn)氣量提高了57.9%。因此，超聲預(yù)處理促進(jìn)了污泥有機(jī)物的溶解以及污泥減量，改善了污泥的厭氧消化效果。

超聲波處理具有作用時(shí)間短，處理效率高，對(duì)細(xì)胞有較強(qiáng)的破壞能力，能有效提高污泥厭氧消化的產(chǎn)甲烷能力等優(yōu)點(diǎn)。該預(yù)處理方法具有很好的應(yīng)用前景，在工程應(yīng)用中應(yīng)注意選擇最佳工藝運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)高效預(yù)處理裝置。

1.2微波

微波是一種電磁波，其頻率一般為0.3-300 GHz。研究發(fā)現(xiàn)，頻率為915 MHz、2450 MHz的微波能夠穿透幾十厘米深度介質(zhì)，快速均勻地加熱物體。微波加熱屬于容積加熱，因此能

從物體內(nèi)部迅速加熱，沒(méi)有熱損。微波加熱處理污泥主要依靠熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的共同作用。熱效應(yīng)是指微波輻射快速加熱，使污泥內(nèi)微生物細(xì)胞發(fā)生裂解；非熱效應(yīng)的作用機(jī)理尚不明確，但有研究稱，非熱效應(yīng)可能使有機(jī)物的氫鍵斷裂并改變復(fù)雜生物分子結(jié)構(gòu)等[3，4]。

肖朝倫等[7]研究了頻率為2450 MHz、功率500 W的微波在脫水城市污泥中的穿透性及輻射過(guò)程中污泥脫水性能的變化。結(jié)果表明，微波的穿透深度為 8.7 mm，微波輻射5 min，上層容器中污泥離心后含水率由80.61%降至75.09%。當(dāng)溫度高于約60℃時(shí)，污泥中微生物細(xì)胞開(kāi)始大量破碎，胞內(nèi)水釋出，離心后含水率隨溫度升高而降低；高于88℃時(shí)，胞外聚合物含量無(wú)明顯增加而親水性下降，污泥脫水性迅速改善。

梁仁禮等[8]將微波輻射用于污泥預(yù)處理，分別考察了500 W、750 W和900 W微波作用下，污泥性質(zhì)和脫水性能的變化情況。結(jié)果表明，適宜的微波條件能夠增加污泥粒徑，提高污泥的脫水性能。900 W微波輻射60 s后，污泥粒徑增加了71.40%，污泥毛細(xì)吸水時(shí)間和污泥比阻分別減少了42.70%和73.11%。如進(jìn)一步增加微波接觸時(shí)間，不僅增加能耗，同時(shí)使得污泥的脫水性能惡化。

田禹等[9]將微波輻射用于污水污泥預(yù)處理，考察了輻射130 s內(nèi)污泥沉降、過(guò)濾脫水性能的變化。結(jié)果表明，適宜的微波輻射可明顯改善污泥結(jié)構(gòu)及脫水性，900W 微波輻射50s，SV減少48%，真空抽濾含水率由原泥直接抽濾的85%降為71%。胞外糖含量介于 15.8-16.5 mg/gMLSS 時(shí)，污泥脫水性最佳。過(guò)量的微波輻射因破壞污泥的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)大量溢出，污泥黏度增加，脫水性惡化。

微波預(yù)處理方法具有處理速度快、效果好，還能殺滅病原菌，改善污泥脫水性能等優(yōu)點(diǎn)。但其運(yùn)行費(fèi)用較高，因此限制了微波預(yù)處理方法的應(yīng)用。

1.3珠磨

珠磨法是珠磨機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)下，其內(nèi)部的鋼制小珠強(qiáng)烈互相碰撞形成剪切力，打破微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁，使胞內(nèi)物質(zhì)大量溶出[10]。磨珠大小對(duì)污泥破碎效果影響很大，一般來(lái)說(shuō)，磨珠直徑較小時(shí)可獲得更好的破碎效果。該法運(yùn)行費(fèi)用較高。

1.4高壓均質(zhì)法

高壓均質(zhì)機(jī)是一種被應(yīng)用于食品和醫(yī)藥行業(yè)的破胞裝置，高壓均質(zhì)機(jī)以高壓往復(fù)泵為動(dòng)力傳遞及物料輸送機(jī)構(gòu)，將物料輸送至工作閥（一級(jí)均質(zhì)閥及二級(jí)乳化閥）部分。物料在通過(guò)工作閥的時(shí)候，在高壓下產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、空穴和撞擊作用，從而使液態(tài)物質(zhì)或以液體為載體的固體顆粒得到超微細(xì)化。近年來(lái)高壓均質(zhì)也被嘗試應(yīng)用于污泥微生物細(xì)胞的破碎。

2化學(xué)預(yù)處理方法

目前，研究較多的化學(xué)預(yù)處理方法是投加堿和臭氧氧化。

2.1堿

堿預(yù)處理是最常用的污泥預(yù)處理技術(shù)，堿能破壞污泥的滲透壓，使污泥分解，溶出有機(jī)物，又能與污泥中的脂類發(fā)生皂化反應(yīng)，進(jìn)一步破壞微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁，還能使胞外聚合物中含有的酸性基團(tuán)解鏈，從而破壞胞外聚合物，因此堿預(yù)處理能使污泥胞內(nèi)顆粒有機(jī)物向溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化[11]。

劉亞利等[12]對(duì)不同堿預(yù)處理污泥水解酸化過(guò)程進(jìn)行研究，得出了揮發(fā)酸積累效果以及蛋白釋放和降解規(guī)律。在一定條件下，堿投加量越高，越有利于揮發(fā)酸的積累。當(dāng)堿投加量為0.20 g NaOH/g VSS，蛋白初始溶出濃度達(dá)到1780 mg/L，污泥水解酸化 15 d時(shí)，揮發(fā)酸總量達(dá)到3473 mg/L，蛋白濃度為750 mg/L。

堿處理可有效提高污泥產(chǎn)氣率和脫水性能等優(yōu)點(diǎn)，但堿處理后的高pH值不利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，且堿對(duì)設(shè)備有一定的腐蝕作用。

2.2臭氧

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，可與污泥中的化合物發(fā)生直接或間接反應(yīng)。將臭氧通入污泥中，臭氧能夠破壞污泥中微生物細(xì)胞壁的組成部分，使之轉(zhuǎn)化成小分子化合物，釋放出細(xì)胞質(zhì)和酶，同時(shí)也將不溶于水的大分子物質(zhì)分解成能溶于水的小分子物質(zhì)。何楚茵等[13]對(duì)剩余污泥進(jìn)行臭氧氧化破解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著臭氧化反應(yīng)時(shí)間的增加，污泥微生物細(xì)胞裂解，胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)人到污泥溶液中，污泥固體物質(zhì)減少，因此利用臭氧對(duì)剩余污泥進(jìn)行處理，可獲得良好的減量化效果。

臭氧預(yù)處理能有效提高剩余污泥溶解性，但是臭氧生產(chǎn)耗能較高，使該方法的應(yīng)用受到了限制。

3生物酶預(yù)處理方法

生物酶預(yù)處理是指直接向污泥中投加酶或投加能夠分泌胞外酶的細(xì)菌的一種處理方法。酶能夠催化有機(jī)物的分解，有效地溶解長(zhǎng)鏈蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類等有機(jī)物，較大地提高污泥的脫水性能和消化性能。

羅琨等[14]研究了單一酶和復(fù)合酶的加入對(duì)城市污水廠剩余污泥的破解及減量效果的影響。結(jié)果表明，外加酶可以促進(jìn)污泥中懸浮固體的溶解和大分子有機(jī)物的分解。當(dāng)酶最佳投加量（以TS中加入酶量計(jì)）為60 mg/g時(shí)，淀粉酶比蛋白酶的水解效果好，同時(shí)，復(fù)合酶的水解效果較單一酶的效果好，當(dāng)水解溫度為50℃，蛋白酶和淀粉酶的比例為1：3時(shí)，水解效果最佳，VSS去除率達(dá)68. 4%，還原糖、NH4+-N濃度分別由37.29和47.60 mg /L增加至177. 8和143.43 mg /L，酶水解過(guò)程的前4h，蛋白酶和淀粉酶活力均呈上升趨勢(shì)，符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，水解4h左右達(dá)最大值，之后酶活力逐漸下降。

生物酶預(yù)處理可有效提高污泥溶解性，且不需要特殊設(shè)備、不產(chǎn)生有害副產(chǎn)物，因此酶預(yù)處理具有較好的發(fā)展前景。

4聯(lián)合預(yù)處理方法

作用原理不同的各種污泥預(yù)處理方法聯(lián)合作用時(shí)，其預(yù)處理效果彼此增強(qiáng)，目前研究報(bào)道的污泥聯(lián)合預(yù)處理方法主要包括微波與H2O2聯(lián)合預(yù)處理、熱與H2O2聯(lián)合預(yù)處理、微波與堿聯(lián)合預(yù)處理、熱與堿聯(lián)合預(yù)處理、超聲波與堿聯(lián)合預(yù)處理、超聲波與臭氧聯(lián)合預(yù)處理等。目前，許多研究者對(duì)不同聯(lián)合預(yù)處理方法的污泥破碎性能、最佳處理?xiàng)l件等作了一定深度的研究。黃慧等[15]研究了臭氧、超聲波及其組合工藝對(duì)剩余污泥的破解作用，研究表明，臭氧流量為7 L/min時(shí)破解效果最好，反應(yīng)40min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分別比反應(yīng)前提高了586%、178%、522%和1781%；超聲功率為800 W時(shí)破解效果最好，反應(yīng)40 min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分別比反應(yīng)前提高了812%、404%、286%和682%；在超聲波——臭氧聯(lián)合作用下，臭氧流量7 L/min，超聲功率800 W下反應(yīng)40 min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分別比反應(yīng)前提高了925%、208%、815%和1946%。結(jié)果表明，超聲波能強(qiáng)化臭氧對(duì)污泥破解的效果。馬妮娜等[16]采用微波輻照與堿聯(lián)合處理剩余污泥過(guò)程中污泥性質(zhì)的變化。實(shí)驗(yàn)表明，密閉條件下微波輻照與堿聯(lián)合處理可以加劇污泥的破解，使污泥中的物質(zhì)釋放到液相中。

5結(jié)論

通過(guò)分析各種污泥預(yù)處理方法的原理、處理效果，研究表明污泥預(yù)處理可以有效促進(jìn)污泥微生物中胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，提高污泥的厭氧消化性能。但不同的預(yù)處理方法各有利弊，選擇不同預(yù)處理方法進(jìn)行聯(lián)合處理，往往能夠取得更為顯著的效果。工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮，選擇高效、節(jié)能、便于操作、管理簡(jiǎn)單的預(yù)處理技術(shù)。

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