李 曉 朱火軍 吳俊杰 胡 韜

（上海奕茂環(huán)境科技有限公司 上海 201400）

引言

污泥是在污水處理過程中產生的固體廢棄物，污泥中含有大量病原體、重金屬、有機污染物等，污泥處理不僅需要考慮處理效果，還要考慮處理后產生的環(huán)境影響，避免對公眾健康產生危害。當前環(huán)境監(jiān)管日益嚴格，也使得污水處理廠面臨巨大的經濟和環(huán)境壓力[1]。在污水廠的運營成本中，污泥處置費用占比超過50%，因此迫切需要在污泥處理過程中采用經濟有效的處理技術[2]。目前一些有代表性的技術在實際應用中用于污泥處置，如填埋、堆肥、干化-焚燒、厭氧消化、回收做建筑材料等。然而，由于污泥結構復雜，含有胞外聚合物和堅硬細胞壁等結構，使污泥含水率超過95%以上[3]。污泥中組分含量較多，其中水分主要包括自由水、間隙水、吸附水和結合水，而自由水和間隙水為主，含量超過80%[4]，污泥經過濃縮處理后，含水率降低較少，但仍需深度脫水。污泥在簡單的脫水處理后，含水率較高，呈流態(tài)或半流態(tài)的形狀，不方便運輸和處置。因此，提高污泥脫水率，實現(xiàn)污泥減量化是污泥安全管理和廢棄處置的前提和重要一步，也是建設“無廢城市”的迫切需要。

1 污泥的來源

在污水處理過程中，水中化學需氧量去除過程中部分被轉化為生物固體，從而成為污泥的一部分。根據(jù)聯(lián)合國調查數(shù)據(jù)顯示[5]，美國污水處理廠每年產生大約650 萬噸污泥，而日本和中國每年大約產生200 萬和300 萬噸污泥。面對發(fā)展中國家日益增長的污水處理廠項目，這一統(tǒng)計數(shù)字未來還將繼續(xù)增長。在歐美國家如美國，94%的污泥可以被有效的回收處置，在亞洲地區(qū)如日本，污泥回收率可以達到97%，其中超過50%的污泥被制作成建筑材料。相比之下，發(fā)展中國家的污泥使用和回收情況則不太樂觀。在中國最常用的污泥處理方式就是填埋處理，污泥在機械脫水后通常被直接填埋處理，但由于污泥含水率高，抗壓輕度低，不僅會大量占用土地，還會帶來一些二次危害（如塌方和二次污染）。污泥的管理復雜且成本較高，發(fā)展中國家在污泥管理上還需要更多的努力。

2 污泥的特點和處置

污泥絮狀物成分復雜，包括微生物聚合物，絲狀菌株，有機和無機顆粒，以及胞外聚合物（EPS）和大量的水[6]。原始廢水的種類和組分也決定了污泥的構成，其中胞外聚合物來自于微生物分泌和細胞溶解或者污水中纖維素和腐殖酸等的吸附[7]。EPS 主要包含了蛋白質，多糖，核酸，腐殖質，脂肪等。胞外聚合物通常分為：溶解性EPS（S-EPS），疏松型EPS（LB-EPS），緊密附著性EPS（TB-EPS）[8]。S-EPS 在水相中分布均勻，LB-EPS 中含有多孔結構，而TB-EPS 附著于污泥絮體中的細菌細胞表面。胞外聚合物為細胞提供保護和防護，以避免細胞破裂和水解，從而影響污泥的強度、絮凝性、脫水能力和生物降解性。因此，EPS 含量較高將使得污泥難以水解和減量化。污泥復雜的微觀結構和成分使其含水率極難降低，因此需要在機械脫水前進行前處理。前處理的目的是破壞胞外聚合物的基質和細胞壁，強化污泥脫水性能并促進泥水分離。

3 物理法前處理

3.1 超聲波前處理

超聲是一種較成熟的污泥分解技術，超聲通過產生周期性壓縮和擴散，在污泥中產生微氣泡，并使其在達到臨界尺寸后在幾毫秒內激烈的破裂[9]。突然而劇烈的破裂會產生高溫高壓，并產生強大的機械剪切力和高活性基團（H·and·OH）[10]。機械剪切力和H·HO·的氧化性使污泥絮凝體破裂，胞外物質釋放。超聲以聲波的形式傳導，超聲傳播效果與其頻率、強度和作用時間相聯(lián)系。Martin 等[11]研究發(fā)現(xiàn)使用超聲降解可以有效提高污泥得厭氧消化效果。原因在于超聲降解前處理后，進一步增加了污泥絮體的分裂和溶解，使不溶性有機物轉化為可溶形態(tài)。

3.2 微波輻射前處理

微波被視為一種替代傳統(tǒng)加熱技術的方案。在電磁波譜中，微波產生的波長在1mm-1m，振動頻率為0.3－300GHz[12]。微波通過輻射方式破壞污泥細胞，主要以兩種方式破壞：振蕩電磁場下的熱效應和極性分子偶極取向變化引起的非熱效應。熱效應是通過在振蕩電磁場下，使細胞液被加熱到沸點，導致細菌的細胞破裂。非熱效應是由極化分子的偶極方向改變引起的，這為氫鍵的斷裂和打開以及復雜生物分子的變性提供了可能，使得在更低溫下清除微生物。Apples 等[13]研究了微波前處理對污泥溶解和厭氧消化的影響，他們發(fā)現(xiàn)微波前處理可以使污泥中的有機物有效溶解，甲烷產生量提高了50%。使用微波前處理也可以高效殺滅污泥中的病原體。Hong 等[14]的研究發(fā)現(xiàn)使用2450MHz 的微波輻射處理污泥，可以使厭氧消化池內的大腸桿菌移除率超過2.66 log。同樣的，Kuglarz 等[15]證實單獨進行微波輻射前處理可以使桿菌減少50%，而未經微波處理的消化污泥中桿菌數(shù)量與原始污泥中幾乎相同。這證實了在提高消化污泥脫水性能方面微波輻射有良好的潛能。

3.3 水熱法前處理

水熱法是通過在密閉容器中加熱污泥，通過一定溫度和壓力使污泥細胞破碎，從而使細胞結構被破壞，降低粘度以促進泥水分離，提高污泥的脫水性能。在水熱處理過程中細胞內的大分子在高溫下水解，由固態(tài)溶解進入液態(tài)，從而提高其生物降解能力。但其脫水效果嚴重依賴于處理溫度和時間的選擇。Carrère等[16]人使用水熱法對六個不同種類的污泥進行前處理，發(fā)現(xiàn)當溫度升高到190 度時，污泥溶解逐漸增加。在所研究的溫度范圍內，水熱法使污泥生物降解能力改善，顯示出了水熱法對污泥的顯著溶解能力。實驗中即使處理時間延長，污泥溶解效果也沒有什么不同，表明熱處理時間對污泥溶解的影響較弱。相反，溫度如果沒有足夠高，則需要幾個小時到幾天的加熱期。

4 化學法前處理

化學法預處理是通過試劑使細胞壁和細胞膜變形，從而有利于酶攻擊污泥中的有機質，相關文獻資料中采用的試劑主要包括酸、堿和氧化劑。

4.1 酸、堿法前處理

酸堿前處理在生物質溶解方面顯示出巨大的前景，它們具有多重優(yōu)勢，如設備簡單，易操作，成本低等。常用的酸試劑如HCl，H2SO4，H3PO4和HNO3，而堿處理通常是使用一些堿溶液，如NaOH，KOH，Ca（OH）2，Mg（OH）2，CaO 和氨水。酸堿的添加避免了高溫的使用，因此可以在室溫條件下進行，但酸堿的前處理效果可能隨著研究底物的類型和特點而改變。這是由于它們對有機物質的獨特親和力。酸預處理對木質纖維素生物質更有效，在這一過程中發(fā)生的主要反應是半纖維素的水解，反應中細胞壁基質會釋放單糖和可溶性低聚物到水解產物中從而提高酶的消化率。該方法在半纖維素的去除上有良好的效果，但對木質素的水解幾乎沒有影響[17]。但酸性處理方法存在不足，包括：其極低的pH 產生的毒性大、腐蝕性強的反應條件，需要特殊材料作為反應容器。堿前處理則比較適合木質素的水解。堿水解的基本原理是基于溶劑化和皂化作用，從而誘導木質素和碳水化合物鍵的解聚和分裂，從而使不易被生物降解的細胞物質更容易被胞外酶降解。堿性方法比酸性方法在污泥消化中獲得更高的普及度。在堿試劑中，氫氧化鈉是使污泥增溶、提高沼氣產量最有效的試劑。然而堿處理的缺點包括：需要對處理后的污泥進行再中和，并且該處理方法提高了污泥中的礦物質含量。近來也有一些將堿處理跟其他污泥消解方法相結合的方式，比如超聲、微波、水熱、和電解，以達到減少堿的消耗和最大限度回收甲烷的目的。

4.2 臭氧氧化前處理

在文獻中所提及的氧化技術中，臭氧使用范圍最廣。它能破壞細胞膜、分裂菌膠團結構，現(xiàn)在被成功應用于污泥溶解和減量。臭氧氧化現(xiàn)在也與污泥厭氧消化相結合以減少水解步驟，并提高污泥厭氧消化后的沼氣產量。污泥的增溶效果與投加臭氧量呈線性相關，且呈現(xiàn)劑量依賴。臭氧氧化過程的效率與臭氧反應動力學密切相關。因此，盡管提高了臭氧使用量，也不可能觀察到日益增加的污泥溶解量。此外過量的臭氧確實可以使污泥細胞局部甚至全部礦化，從而影響最終甲烷產量。污泥溶解的臭氧的最佳劑量各不相同，其取決于污泥特性和使用的前處理方法。污泥的臭氧氧化是一種耗能方法，它需要很多的能量來產生臭氧。因此需要改進臭氧生產技術來節(jié)省成本。

4.3 芬頓氧化前處理

芬頓法涉及到過氧化氫和催化劑亞鐵離子的反應，通過產生高氧化性物質：羥基自由基（HO·），羥基自由基比過氧化氫和臭氧具有更高的氧化電位，能有效分解胞外聚合物，水解微生物細胞，使胞內物質和結合水釋放出來。因此，芬頓法廣泛用于提高污泥脫水效果。在污泥脫水中增加氧化劑用量，可提高污泥厭氧消化處理后的沼氣產量，并減少了污泥體積。它的氧化影響因素主要是：氧化劑濃度，F(xiàn)e2+/H2O2比例，處理時間，初始pH 和溫度。

4.4 亞鐵離子活化過硫酸鹽氧化前處理

亞鐵離子活化過硫酸鹽氧化是一個新興污泥前處理技術，Zhen[18]在2012 年首次提出用過硫酸鹽來改善和加強污泥脫水性能。過硫酸鹽能夠被高溫、紫外、過渡金屬活化產生硫酸根基團，其具有極強的氧化性。他們將污泥脫水性能提高歸咎于硫酸根基團的強氧化能力，硫酸根基團攻擊胞外聚合物和細菌細胞，并隨之改善污泥脫水能力。后來進一步研究發(fā)現(xiàn)在酸性條件下污泥更容易被氧化，因此成為一種較劃算的替代方案，在工藝過程中可以顯著提高污泥脫水率和污泥干重。

5 挑戰(zhàn)與未來展望

大量的前處理技術被提及以用于提高污泥脫水性能。目前，人們對機械預處理、熱處理和化學預處理進行了深入的研究。一些專利技術被實際應用于污泥處理。然而，預處理技術的研究并不完善，大部分仍舊處于實驗室規(guī)模的研究。為了使預處理工藝實際應用于工業(yè)場景，系統(tǒng)性研究是非常必要的。此外，也應最大限度地回收污泥資源，使廢棄污泥經處理后產生具有額外價值的副產品，如熱解得到焦碳和活性炭。通過熱解產生的焦碳，可用于吸附沼氣中揮發(fā)性的有毒污染物（如硅氧烷），以用于沼氣凈化。此外，從工業(yè)角度來看，系統(tǒng)評估不同預處理方案，決定哪個方法是最合適的是十分必須的。然而，方法比較是一項非常困難的工作，因為需要考慮多種影響因素。一種方法的技術可行性，不僅依賴于污泥分解和污泥資源回收率，還取決于能量和環(huán)境效益。預處理會影響污泥的厭氧消化、脫水、運輸和最終處理所需的能量，以及產生相應的溫室氣體排放。以往對污泥預處理的研究大多集中在污泥預處理上，很少考慮污泥預處理過程中的能量和環(huán)境問題。因此，在今后的實際工程應用中需要加以關注。

結語

通過研究相關的污泥前處理方法，加快污泥的水解速度，提高污泥脫水效果，是提高污泥處理能力的有效方法。前處理可以降解污泥細胞的三維聚合物骨架，打破堅硬的細胞壁，使胞內物質釋放，同時增強或改變污泥的厭氧消化性能。在眾多已報道的方法中機械法、水熱法和化學法經常被同時研究，一些專利技術也已被商業(yè)化實施。然而，目前對前處理技術的研究還不夠全面，還需要更多的研究來推動這些技術從實驗室轉到實際污泥處理的工程應用中。此外，當前缺少成本效益優(yōu)化的工具標準，來從經濟角度、環(huán)境角度和技術角度的實用性方面評估每種前處理方法，這限制了前處理技術之間對比的可靠性。因此需要建立一種標準評估方法和工具，以幫助企業(yè)確定相應的經濟適用、合理有效的技術處理路線，以達到最佳的污泥處理和資源化效果。