趙傳軍

（北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027）

城鎮(zhèn)污水處理廠污泥（簡(jiǎn)稱污水污泥）屬于污水凈化過(guò)程的產(chǎn)物，可分為初沉污泥和剩余污泥。污水污泥具有產(chǎn)量大、成分復(fù)雜的特點(diǎn)，除含有大量有機(jī)質(zhì)和氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，還含有一定量的有害化學(xué)物質(zhì)，如不妥善處置，將會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和人類健康造成重大危害。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）規(guī)定，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理后再利用[1]。我國(guó)目前常用的污泥穩(wěn)定化方法主要有厭氧消化、好氧消化和好氧堆肥，相對(duì)于污泥好氧穩(wěn)定，污泥厭氧消化可以達(dá)到很好的穩(wěn)定效果，城市污泥可經(jīng)濃縮/厭氧消化/脫水后達(dá)到減量化和穩(wěn)定化的目的，實(shí)現(xiàn)后續(xù)的農(nóng)用，產(chǎn)生的可回收燃?xì)猓錃?、沼氣等）可被綜合利用。污泥厭氧消化產(chǎn)氣不僅可以解決污泥的出路問(wèn)題，還可實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

污泥厭氧消化是利用厭氧菌和兼性菌進(jìn)行消化反應(yīng)，使污泥中的有機(jī)物質(zhì)分解，達(dá)到污泥穩(wěn)定化的處理技術(shù)。消化過(guò)程產(chǎn)生的氣體（沼氣、氫氣）可作為生物質(zhì)能源回收利用，不僅可以降低污水處理廠的能耗，還可以減少溫室氣體的排放。傳統(tǒng)的厭氧消化方式存在處理效率低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)和產(chǎn)氣量不足等問(wèn)題，因而在很大程度上限制了厭氧消化技術(shù)的發(fā)展。水解階段是污泥消化過(guò)程中的限速階段，在污泥厭氧消化過(guò)程中，可以采用一定處理方法對(duì)污泥進(jìn)行前處理，使微生物細(xì)胞壁破裂水解，從而提高有機(jī)質(zhì)的降解率和消化的產(chǎn)氣量。目前研究較多的污泥厭氧消化前處理技術(shù)有熱水解預(yù)處理、超聲波預(yù)處理、輻射預(yù)處理、加堿預(yù)處理和臭氧氧化預(yù)處理，以及這些技術(shù)的不同組合等，以達(dá)到最優(yōu)化的工藝條件。

1 熱水解處理

熱水解處理工藝可以有效提高污泥的厭氧消化性能，提高后續(xù)厭氧消化系統(tǒng)的有機(jī)物去除率，增大甲烷的產(chǎn)氣量，提高污泥的脫水性能。目前，常用的熱水解處理溫度范圍為40℃～180℃[2]，也有的溫度范圍為150℃～250℃。研究發(fā)現(xiàn)，采用180℃高溫預(yù)處理污泥，甲烷產(chǎn)量成倍增長(zhǎng)[3]，但是溫度過(guò)高時(shí)，水解生成的中間產(chǎn)物在一定程度上會(huì)抑制厭氧消化。污泥熱水解不僅可以使污泥細(xì)胞溶解，污泥水解后形成的中間產(chǎn)物更適合作為微生物的生長(zhǎng)基質(zhì)。Rocher等[4]研究發(fā)現(xiàn)，污泥在pH=10、溫度60℃條件下水解處理20min，污泥細(xì)胞溶解和生物降解穩(wěn)定，污泥產(chǎn)率是常規(guī)活性污泥法的38%～43%。王治軍等[5]通過(guò)測(cè)定生物化學(xué)甲烷勢(shì)（BMP）考察熱水解處理對(duì)污泥厭氧消化性能的影響，得到熱水解處理最佳條件為溫度170℃、30min，此條件下污泥厭氧消化總化學(xué)需氧量（TCOD）去除率達(dá)到56.78%，污泥中TCOD沼氣產(chǎn)率提高到250mL/g，隨著水解溫度的升高，污泥的產(chǎn)氣率和有機(jī)物去除率升高，在170℃時(shí)達(dá)到最大值，而水解時(shí)間對(duì)厭氧消化的影響在低溫時(shí)比高溫時(shí)更顯著，但是熱水解對(duì)沼氣中的甲烷含量沒(méi)有顯著影響。Mavi Climenta等[6]對(duì)高溫?zé)崽幚硎Ｓ辔勰噙M(jìn)行了研究，采用可過(guò)濾揮發(fā)性固體（FVS）與總揮發(fā)性固體（TVS）的比值（FVS/TVS）考察熱處理對(duì)污泥破解程度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FVS/TVS隨著處理溫度和時(shí)間的增大而增大，同時(shí)還證實(shí)了與未經(jīng)處理污泥相比較經(jīng)熱水解處理（T = 134℃，t = 90min），F(xiàn)VS/TVS增加（914±5）%，但是產(chǎn)氣效果沒(méi)有變化，而低溫?zé)崽幚砦勰啵═ = 70℃，t = 9h），F(xiàn)VS/TVS增加（751±36）%，同時(shí)產(chǎn)氣量增加50%。Y-.Y. Li等[7]對(duì)熱預(yù)處理活性污泥用于厭氧消化進(jìn)行了研究，分別在溫度范圍62℃～175℃時(shí)間為15、30、60、90和120min對(duì)污泥進(jìn)行熱處理，經(jīng)分析，污泥中的有機(jī)顆粒被分解為可溶性醣類、蛋白質(zhì)、脂類或者轉(zhuǎn)化為低分子量物質(zhì)（如揮發(fā)性脂肪酸），經(jīng)熱處理后污泥的厭氧降解性和產(chǎn)氣量升高，厭氧消化停留時(shí)間縮短了5d，最佳熱處理?xiàng)l件為溫度170℃、60min，在此條件下COD去除率超過(guò)60%，產(chǎn)氣量為223～235mL/g·COD。綜上，影響污泥熱水解處理的因素中，溫度和時(shí)間是首先要考慮的主要因素，隨著溫度的升高，污泥的水解速率和水解程度增大，厭氧消化性能提高，但溫度過(guò)高時(shí)會(huì)對(duì)污泥厭氧消化的影響減弱，同時(shí)會(huì)有抑制水解物質(zhì)的生成，因此熱水解處理工藝研究方向是在盡量降低能耗的基礎(chǔ)上確定前處理的最佳工藝參數(shù)。

2 超聲波預(yù)處理

超聲波技術(shù)利用本身的高密度能量將污泥中細(xì)胞破解使胞內(nèi)物質(zhì)溶出，促進(jìn)厭氧消化反應(yīng)并提高有機(jī)物去除效率。同時(shí)超聲波具有的高能量可殺死污泥中的微生物和病原菌等從而達(dá)到無(wú)害化的處理效果。超聲波技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來(lái)許多人做過(guò)利用超聲波技術(shù)預(yù)處理污泥用于厭氧消化方面的研究。沈勁鋒等[8]的研究表明，超聲波預(yù)處理后污泥的后續(xù)中溫厭氧消化性能得到明顯改善，超聲波處理加速了有機(jī)物水解并提高了總產(chǎn)氣量，超聲波改變了污泥絮體結(jié)構(gòu)，而且強(qiáng)度越大，對(duì)污泥的破壞程度越大，處理后污泥的粒徑越小?？梢?jiàn)，超聲波強(qiáng)度會(huì)影響對(duì)污泥的處理效果，類似的研究也證明了這一結(jié)論。A.Tiehm等[9]采用3kHz高強(qiáng)度超聲波對(duì)污水污泥進(jìn)行預(yù)處理，處理后污泥上清液的COD增加，固體顆粒粒徑變小，經(jīng)超聲波處理后污泥的產(chǎn)氣量提高了2.2倍。

不僅超聲波的強(qiáng)度會(huì)對(duì)污泥破解效果產(chǎn)生影響，超聲波頻率的不同對(duì)污泥的處理效果也存在差異，有研究證明，低頻率超聲波的處理效果優(yōu)于高頻率超聲波[10]。超聲波破解污泥過(guò)程的影響因素有很多，Antti等[11]利用球形和矩形超聲波反應(yīng)器考察了超聲波能量、頻率、污泥干固體濃度、溫度和反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)污泥處理效果的影響，通過(guò)多元素分析得出以下結(jié)論：超聲波能耗、污泥干固體濃度（DS）、污泥溫度和輻射時(shí)間對(duì)污泥破解影響最為顯著，且高強(qiáng)度短時(shí)間超聲波處理比低強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間對(duì)污泥的破解效果更為顯著。蔣建國(guó)等[12]的研究證實(shí)影響污泥超聲波破解效果的主要因素為超聲波頻率、聲能密度和作用時(shí)間，并證實(shí)雙頻超聲波對(duì)污泥SCOD溶出效果優(yōu)于單頻。另外，還有研究證實(shí)超聲波還可以有效控制污泥厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)的浮沫[13]。

超聲波處理技術(shù)作用機(jī)理復(fù)雜，工藝條件復(fù)雜，處理效果受污泥多種參數(shù)（壓力、溫度、黏度等）以及超聲波發(fā)生設(shè)備的影響較大，距離實(shí)際應(yīng)用還需要更深入的研究。

3 輻射預(yù)處理

輻射法預(yù)處理污泥是利用輻射源釋放的射線對(duì)污泥進(jìn)行照射處理，目前研究較多的有γ-射線輻射和高能電子束輻射預(yù)處理方法。鄭正等[14]研究了γ-射線輻照預(yù)處理厭氧消化污泥，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)γ-射線輻照后的污泥厭氧消化特性明顯改善，平均粒徑減小，粒徑分布由70～120μm向0～40μm遷移，經(jīng)10kGy輻照處理后污泥厭氧消化產(chǎn)氣量明顯增加，消化性能得到很大改善。Kyung-Sook Shin等[15]進(jìn)行了高能電子束預(yù)處理污水污泥用于厭氧消化的研究，輻照計(jì)量為0.5k～10kGy，經(jīng)過(guò)24h輻照處理后的TCOD為35%～50%的污水污泥完全溶解，污泥細(xì)胞破裂，大量溶解COD、蛋白質(zhì)和醣類溶出，經(jīng)過(guò)高能電子束輻照處理后的污泥消化反應(yīng)速率將提高1倍。輻射法預(yù)處理污泥可以提高污泥厭氧消化效率，提高產(chǎn)氣量，但是此方法對(duì)操作技術(shù)要求高，能耗相對(duì)較大，實(shí)際應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。

4 加堿預(yù)處理

堿可以溶解脂類物質(zhì)使污泥細(xì)胞破裂，可以提高污泥消化過(guò)程中污泥水解的速率，提高CODs產(chǎn)量，改善污泥的厭氧消化性能[16]，通常加入的堿類為NaOH或Ca(OH)2，污泥經(jīng)過(guò)加堿后的脂類和蛋白質(zhì)可以被充分利用，有助于厭氧消化過(guò)程的pH值被控制在產(chǎn)甲烷的最佳范圍內(nèi)，從而達(dá)到提高甲烷產(chǎn)率的目的。林志高等[17]研究了加堿處理活性污泥用于厭氧消化，與未加堿處理的污泥進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)加堿處理后污泥基質(zhì)的去除率、產(chǎn)氣率、單位基質(zhì)去除產(chǎn)生的甲烷量和產(chǎn)氣中的甲烷含量均有所增加，厭氧消化的反應(yīng)速率也有所提高。肖本益等[18]研究了pH值對(duì)加堿預(yù)處理污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，污泥的初始pH值是影響堿處理發(fā)酵產(chǎn)氫的一個(gè)重要因素，當(dāng)污泥初始pH值為11.0時(shí)，堿處理污泥的氫產(chǎn)率最大，達(dá)14.4mL/g（VS）。

5 臭氧氧化處理

臭氧是一種活潑的氧化劑，可以與污泥中的化合物發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)氧化作用使細(xì)胞壁和細(xì)胞膜破解，進(jìn)一步破壞污泥中不易水解的大分子物質(zhì)從而提高污泥的消化性能[19]。Buning等認(rèn)為，經(jīng)過(guò)臭氧處理的污泥可以使蛋白質(zhì)和多聚糖溶出，蛋白質(zhì)繼續(xù)與臭氧反應(yīng)而被分解，多聚糖則被繼續(xù)氧化[20]。王嶸等[21]研究發(fā)現(xiàn)，污泥濃度和溶解性有機(jī)物濃度隨著臭氧投加量的增加呈現(xiàn)減少和增加的趨勢(shì)，在臭氧投加量為0.13gO3/gVSS時(shí)，污泥的TSS減少39.6%，SCOD溶出60.6倍。臭氧氧化的效率主要取決于污泥的性質(zhì)和操作條件，因而臭氧投加量和投加方式的控制較為復(fù)雜，使臭氧預(yù)處理污泥技術(shù)的應(yīng)用受到一定限制。根據(jù)奧地利VATECH WABAG公司的研究結(jié)果[22]，該工藝能使污泥的有機(jī)固體平均降解率從45%提高到65%，氣產(chǎn)量增加30%～40%；減少1/4至1/3的厭氧消化池容積，在增加臭氧裝置后，投資建設(shè)總費(fèi)用減少5%；節(jié)約加熱攪拌費(fèi)用，與常規(guī)的污泥厭氧消化相比，運(yùn)行費(fèi)用略少。

Shuzo等[23]比較了采用熱處理、化學(xué)處理（添加NaOH）和熱-化學(xué)處理?yè)诫s工業(yè)廢水的廢活性污泥，結(jié)果表明，熱化學(xué)處理后的污泥厭氧發(fā)酵效果最好，在經(jīng)溫度130℃、時(shí)間5min、熱處理堿劑量為0.3gNaOH/gVSS處理后，甲烷產(chǎn)量提高了兩倍。J.Müller等[24]比較了臭氧氧化、超聲波處理、熱分解和化學(xué)處理等不同方法處理厭氧消化污泥，考察有機(jī)碳釋放率和隨后消化實(shí)驗(yàn)中的固體揮發(fā)性降解率，結(jié)果表明，采用NaOH堿解污泥可以達(dá)到最大的有機(jī)碳釋放率，但堿解后污泥中鹽分含量過(guò)高，對(duì)厭氧消化存在不利影響，其中臭氧氧化處理后的污泥在隨后的厭氧消化試驗(yàn)中可以達(dá)到最大的固體揮發(fā)性降解率。

6 不同處理技術(shù)聯(lián)合處理

鄭鎮(zhèn)等[25]采用堿-熱處理法對(duì)污水處理廠濃縮污泥進(jìn)行處理，先用NaOH處理24h后再進(jìn)行熱處理，BMP試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)堿-熱法處理后的污泥，SCOD去除率是同步法預(yù)處理污泥SCOD去除率的1.06～1.31倍，產(chǎn)氣量是同步法預(yù)處理污泥產(chǎn)氣量的1.08～1.31倍。結(jié)果證明，堿-熱法能有效提高污泥中有機(jī)物的可生化性，減少厭氧消化后污泥的剩余SCOD濃度，提高生物產(chǎn)氣量。楊潔[26]進(jìn)行了堿和超聲波聯(lián)合處理厭氧消化污泥實(shí)驗(yàn)，通過(guò)單獨(dú)堿處理、超聲波處理和堿-超聲波的共同處理污泥實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堿和超聲波的組合方式對(duì)污泥的破解效果明顯優(yōu)于超聲波和堿單獨(dú)處理方式，不但污泥的水解速率得到提高，而且減少了堿的投加量，縮短了超聲波破解的時(shí)間。A.G. Vlyssides等[27]研究了活性污泥在經(jīng)中溫（50℃～80℃）和pH = 8～11的前處理后厭氧消化的水解動(dòng)力學(xué)和溶解特性，在溫度90℃、pH=11時(shí)活性污泥中可揮發(fā)性固體（VSS）濃度為6.82%，并且在10h內(nèi)可溶性COD下降至70.00mg/L，總體甲烷產(chǎn)率為0.28L/gVSS。Chiu YC等[28]研究了堿處理、超聲波處理和兩種方式聯(lián)合處理污泥的厭氧消化試驗(yàn)，超聲波頻率為20kHz、功率120W和堿劑量為40meq/LNaOH（14.4sec/mL）時(shí)，得到處理后污泥21h內(nèi)的TVFA/TCOD值為84%。

7 結(jié)語(yǔ)

從發(fā)達(dá)國(guó)家的污泥處置現(xiàn)狀看，土地利用將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，污泥厭氧消化技術(shù)未來(lái)將會(huì)被廣泛利用。我國(guó)“十二五”規(guī)劃也發(fā)布了一些政策鼓勵(lì)采用厭氧消化處理城市污泥。污泥的前處理與厭氧消化密不可分，因此，研究和開(kāi)發(fā)高效合理的污泥厭氧消化前處理技術(shù)是污泥厭氧的發(fā)展方向之一。目前，各種前處理方法中，熱處理和堿處理法技術(shù)成熟，建設(shè)和運(yùn)行成本較低；其他如超聲波處理、輻射處理等技術(shù)對(duì)工藝和操作要求高，實(shí)際應(yīng)用還需要更進(jìn)一步研究。各種污泥前處理方法作用機(jī)理不同，作用效果也有所差異，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以根據(jù)污泥的種類和性質(zhì)選擇不同的預(yù)處理技術(shù)，或者選取不同技術(shù)的組合，要與厭氧消化工藝相結(jié)合以達(dá)到最優(yōu)化的處理效果。

[1]城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）[S].

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