張 晴，孫紅杰，張延松，秦樹(shù)彬，馬子禾，趙健羽

（大連民族大學(xué)，遼寧 大連 116600）

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)污水處理廠的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，污水產(chǎn)出也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年中國(guó)污泥產(chǎn)量已突破六千萬(wàn)噸（以含水率80%計(jì)），估計(jì)到2025年，中國(guó)污泥產(chǎn)量將達(dá)到九千萬(wàn)噸以上［1］。逐年劇增的污泥產(chǎn)量給污水處理廠造成了很大的壓力。

剩余污泥具有難破解、占地面積大、含有大量的重金屬及其他有毒有害物質(zhì)等特點(diǎn)。為了避免造成二次污染，一定要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的活性污泥逐漸增多，如何將其危害降到最低并實(shí)現(xiàn)資源化利用備受關(guān)注［2］。如何有效提高剩余污泥厭氧消化效率，減少污泥占地面積，將污泥減量化、資源化已成為很多專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

剩余污泥中不僅含有多種有機(jī)物，如揮發(fā)性脂肪酸、腐殖酸和蛋白質(zhì)，而且還富含磷、鉀、鈣和鎂等營(yíng)養(yǎng)元素，具有巨大的潛力，可以用于多種應(yīng)用［3］。如果能妥善處理好活性污泥，那就能污泥變廢為寶，將碳源再次投入到脫氮除磷污水處理系統(tǒng)中，降低污水處理廠的運(yùn)營(yíng)成本。目前，國(guó)內(nèi)外污泥處理處置技術(shù)主要有土地利用、填埋、焚燒等。污泥經(jīng)過(guò)處理后，可以實(shí)現(xiàn)資源化利用。對(duì)于污泥的資源化利用，主要是針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域采取相應(yīng)的處理處置技術(shù)。本文將從常用的物理、化學(xué)、生物三個(gè)方面介紹了污泥預(yù)處理技術(shù)。

1 物理預(yù)處理方法

1.1 熱處理

熱預(yù)處理對(duì)污泥絮凝體和細(xì)胞膜的解體有積極的影響，會(huì)導(dǎo)致有機(jī)化合物的溶解和胞內(nèi)物質(zhì)釋放，從而進(jìn)一步改善厭氧發(fā)酵過(guò)程中的性能［4］。熱水解技術(shù)是一種常見(jiàn)的污泥處理方法，適用溫度區(qū)域在60℃至180℃。低溫?zé)崴獾臏囟确秶?0℃至100℃，而高溫?zé)崴獾墓ぷ鳒囟葎t更高［5］。低溫?zé)峤忸A(yù)處理和高溫?zé)峤忸A(yù)處理相比，能耗較低，但處理時(shí)間較長(zhǎng)，所需的反應(yīng)容器容積較大。熱處理投資與運(yùn)行費(fèi)用限制了它在工程上應(yīng)用，雖可以將熱處理與其他預(yù)處理方法聯(lián)合使用，但在進(jìn)行工程應(yīng)用上仍需要進(jìn)一步考慮與研究。

污泥的熱解過(guò)程，主要包括濕污泥的干燥、脫水和干化三個(gè)階段。污泥熱解技術(shù)是指以污泥為原料，通過(guò)熱解過(guò)程得到燃料及某些物質(zhì)的過(guò)程。與其他有機(jī)廢棄物處理方法相比，熱解技術(shù)具有污染小、能耗低、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，并能夠有效利用各種廢棄物中的能源和資源。目前，污泥熱解技術(shù)已在一些發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。研究表明，熱解技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用，還能減少污泥處理處置過(guò)程中的二次污染，具有顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

于匯淼［6］采用“低溫?zé)崴?厭氧消化”組合的工藝，以城市污水處理廠剩余污泥為對(duì)象，研究低溫?zé)崴庠诓煌瑴囟?、不同HRT下對(duì)厭氧消化的影響，結(jié)果表明：同一HRT條件下對(duì)比中、高溫系統(tǒng)分析可知，在各HRT下中溫厭氧消化系統(tǒng)TCOD去除率、降解單位COD（以CH4計(jì)）產(chǎn)氣量均優(yōu)于高溫系統(tǒng)，因此得出“70℃、9 h低溫?zé)峤忸A(yù)處理+中溫HRT＝30 d厭氧消化”工藝組合處理剩余污泥效果最佳。

孫啟元等［7］認(rèn)為，污泥減量的首要在于脫水，他們利用污泥熱干化系統(tǒng)，對(duì)于處理前含水率為80%的污泥，經(jīng)熱干化脫水，出料污泥含水率保持在20%～30%，減量比例高達(dá)71.4%，效果非常穩(wěn)定。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化，將污泥從含水率為80%降至30%以下，大大減少了剩余污泥的占地面積。

鄭凱琪等［8］在缺氧條件下通過(guò)改變溫度制備污泥生物炭，探究污泥生物炭對(duì)Pb2+、Cd2+的吸附特性，結(jié)果表明：在25℃時(shí)，低溫?zé)峤庵苽湮勰嗌锾繉?duì)Pb2+、Cd2+的吸附為RC300＜RC400＜RC500；RC500的飽和吸附量分別為 Cd2+（1.45mg／g）＜Pb2+（14.39mg／g）；污泥生物炭對(duì)重金屬離子的吸附量與其水合離子半徑呈負(fù)相關(guān)。

1.2 超聲波處理

超聲波是一類具備穿透力和高能量密度的彈性機(jī)械波，其振動(dòng)頻段介于20 kHz和100000 kHz之間。當(dāng)超聲波相互作用于污水時(shí)，會(huì)引發(fā)超聲空化作用，使液態(tài)中的微細(xì)泡沫進(jìn)行一些激烈運(yùn)動(dòng)，包括振蕩、增長(zhǎng)、緊縮和爆炸，進(jìn)而在液態(tài)中局部區(qū)域形成瞬時(shí)負(fù)壓，這種負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致大量微細(xì)泡沫瞬間爆炸，進(jìn)而導(dǎo)致大量的污染物排放到環(huán)境中。通過(guò)超聲波處理，可以在氣泡周圍形成5000 K的高溫和5.0×104kPa的高壓局部熱點(diǎn)［9］，可以有效地減少淤泥的數(shù)量，改進(jìn)淤泥的厭氧消化和重金屬溶解性能，進(jìn)而進(jìn)一步提高淤泥的脫水性能?！皵?shù)字化、無(wú)毒化、資源化”旨在實(shí)現(xiàn)污泥處理處置程序中的目標(biāo)，以滿足資源節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展需求。相比傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌或剪切方式，超聲處理污水技術(shù)擁有更低的能耗、更低的成本以及更少的二次污染，因此受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注［10］。

目前應(yīng)用于有機(jī)廢水處理的超聲技術(shù)有很多，如超聲化學(xué)、超聲電解、超聲波催化、超聲水處理、超聲波強(qiáng)化氧化等。此外，還利用超聲技術(shù)進(jìn)行廢水中重金屬離子吸附和廢水中難降解有機(jī)污染物去除等方面的研究。盡管這些研究已經(jīng)取得了較好的成果，但從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，在處理水體污染方面還存在很多問(wèn)題，如：一是大多數(shù)方法處理成本太高；二是該方法目前還主要用于工業(yè)廢水處理；三是對(duì)于使用過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染缺乏有效控制方法。

陳穎等［11］研究利用超聲和堿聯(lián)合處理促進(jìn)剩余污泥水解堿化，強(qiáng)化有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放，促進(jìn)剩余污泥資源化。研究表明，利用超聲堿解污泥能有效地提高污泥水解堿化效率，增強(qiáng)有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放，并且在設(shè)備持續(xù)運(yùn)行和堿投放量不斷增加的情況下，組合強(qiáng)化能夠在高投配率下達(dá)到理想的水解堿化效果。

胡凱等［12］采用超聲預(yù)處理技術(shù)來(lái)處理剩余污泥，以探究其理化性質(zhì)的變化以及厭氧消化的效果。結(jié)果表明，超聲處理時(shí)間和超聲波電功率密度對(duì)污泥中有機(jī)物的溶出量有顯著影響，且兩者之間呈現(xiàn)出線性正相關(guān)性。超聲預(yù)處理通過(guò)溶解TS和VS，實(shí)現(xiàn)污泥減量。與對(duì)照組相比，超聲預(yù)處理改善了污泥厭氧消化的TCOD去除效果。通過(guò)超聲預(yù)處理，污泥中的有機(jī)物得到了有效的溶解，從而大幅減少了污泥的數(shù)量，并且提高了厭氧消化的效率。

2 化學(xué)預(yù)處理方法

2.1 堿處理

堿解剩余污泥是以污泥為主要原料，加入堿液（NaOH溶液）對(duì)污泥進(jìn)行堿解，使其中的細(xì)胞壁破壞并溶出其中的可溶性有機(jī)成分。通過(guò)堿解，污泥中所含的有機(jī)成分得到了有效的濃縮后處理，也使微生物失去了活性。堿解后的污泥與其他廢棄物一樣需要進(jìn)行焚燒處置。經(jīng)過(guò)堿解的污泥，含水率大幅降低，達(dá)到（降低90%左右），且有機(jī)物含量明顯提高，對(duì)環(huán)境和生態(tài)影響很小，同時(shí)也節(jié)省了處理費(fèi)用。

堿預(yù)處理是一種有效的污泥處理技術(shù)，它能夠有效地打破淤泥的滲透壓，使其解體，溶出有機(jī)質(zhì)，并且能夠與淤泥中的脂類產(chǎn)生皂化反應(yīng)，進(jìn)而損壞細(xì)菌壁，同時(shí)還能夠使胞外高分子中的強(qiáng)酸基團(tuán)解鏈，進(jìn)而使淤泥中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄杂袡C(jī)質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到要求［13］。經(jīng)過(guò)堿解的污泥，其含水率大幅降低（降低90%左右），且有機(jī)物含量明顯提高，對(duì)環(huán)境和生態(tài)影響很小，同時(shí)也減少了填埋容積，但也存在藥劑成本高和二次污染等缺點(diǎn)。常用方法有：機(jī)械脫水法、熱脫水法、化學(xué)脫水法以及真空脫水法等。

蔣昌旺等［14］研究了各種堿投加量下熱堿結(jié)合預(yù)處理對(duì)高含固殘余污水溶胞效率和厭氧消化吸收特性的負(fù)面影響，并利用三種動(dòng)力學(xué)模型來(lái)仿真生物化工產(chǎn)出甲烷能力，以期獲得更好的處理效果。結(jié)果顯示，熱堿聯(lián)合預(yù)處理能夠有效地提升剩余污泥的溶胞效率，而且隨著堿投加量的增大，溶胞效率也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的提升趨勢(shì)。通過(guò)改變堿投加量，可以有效地提高剩余污泥厭氧消化的性能，但是過(guò)大的堿投加量或許會(huì)阻止產(chǎn)出甲烷的入流程。在三種動(dòng)力學(xué)模型中，錐體模式的擬合效果最好，不論處理?xiàng)l件如何，模型擬合的相關(guān)系數(shù)R2均超過(guò)0.990。

徐慧婷等［15］以剩余污泥為底物，采用堿處理，探究不同pH條件對(duì)污泥有機(jī)質(zhì)溶出量和溶出效率的影響以及產(chǎn)甲烷的效果。對(duì)比兩種動(dòng)力學(xué)模型的產(chǎn)出甲烷過(guò)程，選出最優(yōu)模型。并采用Spearman，分析產(chǎn)出甲烷和氨基酸之間相關(guān)性。研究表明：在堿處理過(guò)程中，污泥中甲烷的產(chǎn)量隨著pH值的增加而增加。當(dāng)pH值升高時(shí)，污泥水解產(chǎn)生的L型和D型氨基酸含量顯著增加。此外，D-Leu、D-Asp、L-Thr和LCys與甲烷產(chǎn)量之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，其Spearman系數(shù)均為0，表明這些氨基酸對(duì)甲烷的影響是顯著的［0.894、0.9、0.9和0.9（P＜0.05）］。

2.2 臭氧氧化

臭氧在室溫下即可生成強(qiáng)氧化性自由基，在不加熱及無(wú)任何外加氧化劑條件下，能迅速氧化有機(jī)物及腐殖質(zhì)，而且氧化速率極快，氧化產(chǎn)物為CO2、H2O等無(wú)毒無(wú)害物質(zhì)，無(wú)二次污染。此外，這種方法具備優(yōu)良的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，能耗低，處理效率高，因此受到了廣泛的關(guān)注和研究。但是，臭氧生產(chǎn)也存在投資和能耗相對(duì)較大等缺點(diǎn)。降低臭氧生產(chǎn)能耗、臭氧投加量和提高臭氧在污水中的溶解度是今后的重點(diǎn)發(fā)展方向［16］。

臭氧氧化污泥主要有兩種方式：一是利用反應(yīng)器，二是不利用反應(yīng)器。隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)條件對(duì)臭氧氧化效果的影響較大。pH、反應(yīng)溫度、氣液比和投加量等，均影響臭氧氧化剩余污泥的效果，并且通過(guò)對(duì)三種反應(yīng)條件的考察，得出了最佳反應(yīng)條件。將反應(yīng)器應(yīng)用于剩余污泥處理中，可增加污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。但由于投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，并不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。另外，對(duì)于污泥中添加助凝劑后對(duì)臭氧氧化剩余污泥的影響，至今沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于氧化處理后剩余污泥含水率和化學(xué)需氧量、氨氮去除率等生化性能指標(biāo)沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

何楚茵等［17］通過(guò)使用質(zhì)子置換聚合膜電解生成臭氧，對(duì)殘余污水開(kāi)展氧化裂解試驗(yàn)。結(jié)果顯示，由于臭氧氧化反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，淤泥中的有機(jī)微生物細(xì)菌會(huì)出現(xiàn)裂解，胞內(nèi)產(chǎn)物流入淤泥介質(zhì)，導(dǎo)致污泥固形物降低，從而使得TS和VTS顯著降低。經(jīng)過(guò)臭氧處理后，SV30和濾餅的含水率顯著下降，這表明臭氧處理能夠有效地改善剩余污泥的沉降性能和脫水性能，從而達(dá)到良好的減量效果。

趙玉鑫等［18］采用自制的臭氧氧化反應(yīng)器，研究了不同投加量、pH值和初期污泥濃度對(duì)污泥分解速度的負(fù)面影響。結(jié)果顯示，40mg／g是污泥裂解的最佳投加量，超過(guò)這一直后，污泥顆粒開(kāi)始溶解，并且隨著投加量的增加而不斷增加。在中性、微酸性環(huán)境，以及19629 mg／L的起始污泥質(zhì)量濃度下，可以有效地促進(jìn)污泥的臭氧氧化分解。為了確保最佳的運(yùn)行條件，我們將臭氧投加量調(diào)整至208 mg／g，pH值調(diào)節(jié)至6，以便有效地釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)。

3 生物法

相對(duì)于其他方法，生物處理是一種更清潔的處理剩余污泥的方式。由于利用細(xì)胞的活力，可以有效地溶出污水中的生物質(zhì)，同時(shí)，還可以采用氧化、水解、轉(zhuǎn)化、吸收或減量等多種方法，使污水到達(dá)處理的目的，從而實(shí)現(xiàn)污泥處理的最佳效果。生物法是指通過(guò)微生物的代謝作用，使有機(jī)物分解為二氧化碳和水，或?qū)㈦y降解的物質(zhì)分解為可降解物質(zhì)。污泥經(jīng)過(guò)生物法處理后，有機(jī)物被微生物分解為CO2和水，或?qū)㈦y降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易降解的物質(zhì)，從而使污水得到凈化。這個(gè)過(guò)程雖然投入低、無(wú)污染，但花費(fèi)時(shí)間太長(zhǎng)，時(shí)間成本高，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)并不會(huì)對(duì)污水處理廠有益。

生物法破解剩余污泥主要是利用微生物在厭氧條件下，通過(guò)厭氧消化過(guò)程對(duì)剩余污泥中的有機(jī)物進(jìn)行降解，進(jìn)而得到可用于制取沼氣、有機(jī)肥、生物炭等的原料。其中，厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣為能源化利用提供了可能。由于生物法處理具有效率高、占地面積少、處理效果好且沒(méi)有二次污染，可以就地資源化利用，減少對(duì)環(huán)境的影響，處理過(guò)程所需溫度和水量均較低，投資少、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，成為了我國(guó)污泥處理處置的主要方式之一。目前已有很多國(guó)家對(duì)生物法進(jìn)行了深入研究，并得到了廣泛應(yīng)用。

牛渤超等［19］通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了酶解預(yù)處理剩余污泥的最佳條件，并將未經(jīng)酶解預(yù)處理和經(jīng)酶解預(yù)處理的剩余污泥上清液利用鳥(niǎo)糞石結(jié)晶法進(jìn)行磷回收的效果進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行酶解預(yù)處理的剩余污泥磷回收效果更佳。

汪剛慧［20］將餐廚垃圾進(jìn)行培養(yǎng)產(chǎn)生生物酶，對(duì)活性污泥進(jìn)行生物預(yù)處理，研究了厭氧消化的效果。對(duì)比之下，直接將富酶的餐廚垃圾和剩余污泥混合進(jìn)行厭氧消化，能夠大大縮短運(yùn)行時(shí)間和成本。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)剩余污泥物理、化學(xué)、生物預(yù)處理方法的研究和對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)每一種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在要處理剩余污泥時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況選擇最適合的方法。當(dāng)然，相信在不久的未來(lái)，技術(shù)會(huì)得到更大的發(fā)展，研究出更高效、節(jié)能的預(yù)處理技術(shù)。