秦樹彬，韋忻辰，孫紅杰，莫秉文，張 晴

（大連民族大學，遼寧 大連 116600）

近年來，隨著我國科技和經(jīng)濟的發(fā)展，城市污水處理廠處理效率和規(guī)模不斷提高，剩余污泥產(chǎn)量呈逐年增加趨勢。污水處理過程中產(chǎn)生的剩余污泥具有含水率高、易腐爛、有惡臭、含有大量寄生蟲卵和病原微生物等特點，任其排放，將會破壞土壤、水環(huán)境，甚至威脅人體安全，需采取一系列措施對剩余污泥進行處理［1］。2021年，我國污泥年產(chǎn)量已達8000萬t，預計2025年我國污泥年產(chǎn)量將超過9000萬t［2］。隨著社會對污泥處置問題關注度的提高，我國制定了一系列有關規(guī)劃和政策，促使污泥管理向“泥水并重”轉化，但同時，我國污泥的處理處置和資源化與國際先進水平還有較大差距。2019年，我國城市污泥產(chǎn)生量和處理量分別為1230萬t和1180萬t，每年約有50萬t污泥被丟棄或是直接填埋，對環(huán)境造成嚴重污染。因此加強污泥處置已成為當務之急。

超聲波預處理污泥的機理其實是利用聲波能量會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并伴隨空化作用產(chǎn)生的化學作用、機械作用等破解污泥絮體結構［3］。超聲波與堿聯(lián)合預處理污泥厭氧產(chǎn)酸可以在短時間內迅速釋放細胞物質，促進細胞破碎后碎屑的水解，且具有安全、低能耗、清潔等特點，受到越來越多研究者的關注。

1 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的機理

污泥厭氧發(fā)酵分為4個階段，分別為水解階段、產(chǎn)酸階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段及產(chǎn)甲烷階段。水解階段為污泥將顆粒態(tài)的大分子（蛋白質、多糖、脂肪等）分解成單糖、脂肪酸、甘油等［4］。產(chǎn)酸階段中的微生物，利用水解階段的產(chǎn)物進行生長繁殖。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的細菌將產(chǎn)酸階段的丙酸、丁酸等與醇類轉化為乙酸、二氧化碳等［5］。產(chǎn)甲烷階段的產(chǎn)甲烷菌將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的氫氣、二氧化碳等轉化為甲烷，并且產(chǎn)甲烷階段通常會消耗揮發(fā)性脂肪酸（VFAs），因此通常會通過優(yōu)化發(fā)酵條件或預處理限制產(chǎn)甲烷階段的產(chǎn)生，使得VFAs成為主要產(chǎn)物。

2 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響因素

污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸在一定程度上受到很多因素影響，為使揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）成為主要產(chǎn)物，國內外學者考察了不同因素對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響。

2.1 pH

污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的速度受pH的影響。水解細菌和產(chǎn)酸細菌有較大的生存范圍，可以在pH值為3.5～8.0范圍內存活，但通常認為最適生長pH范圍為6～7。

黃天寅等［6］通過研究不同pH值條件下剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中SCOD、VFAs、PO43-等參數(shù)的變化規(guī)律。結果表明，堿性條件更有利于污泥發(fā)酵產(chǎn)酸過程，堿性條件下污泥溶解出的SCOD大于酸性條件下污泥溶解出的SCOD。一方面，由于堿性條件較酸性條件更有利于污泥中的有機物水解，另一方面堿性條件下產(chǎn)甲烷菌的活性降低，積累的VFAs更多。因此堿性條件更有利于VFAs的產(chǎn)生。在污泥的厭氧消化過程中，污泥在酸性環(huán)境下溶出的P、NH-N濃度均大于堿性環(huán)境。

呂景花等［7］通過實驗研究不同pH值對剩余污泥有機物溶出率的影響，結果表明，在堿性條件下，有機物溶出率、污泥破解率均高于中性和堿性條件。在污泥發(fā)酵10 d后，發(fā)酵液中SCOD含量從大到小為pH11＞pH10＞pH3＞pH9＞pH5＞pH7。雖然pH＝11時SCOD含量最高，但此時的發(fā)酵產(chǎn)物被認為是難生化降解，而pH＝10時的SCOD含量與pH＝11時相差不大，且生化性更好。因此使用NaOH對污泥進行厭氧發(fā)酵處理時，pH＝10是最佳處理條件。同時在pH＝10條件下，VFAs產(chǎn)量和蛋白質所占比例最大，為產(chǎn)酸菌提供更多可利用的發(fā)酵底物，因此，pH＝10的堿性環(huán)境更有利于有機酸的產(chǎn)生與積累，這與Yuan等的研究結果一致。

2.2 溫度

污泥水解是一些高分子有機物在水解酶的作用下被轉化為小分子有機物。溫度影響微生物生長速率和新陳代謝，是水解酸化主要控制因素之一。污泥在10～37℃的條件下，VFAs會隨著溫度升高而提高。

趙峰輝等［8］通過實驗研究不同溫度 （20℃、25℃、30℃、35℃）條件下污泥水解酸化的效率，結果表明，隨著溫度的升高，VFAs呈現(xiàn)出了快速積累的趨勢。在不同溫度條件下，發(fā)酵液中VFAs含量從大到小為35℃＞30℃＞25℃＞20℃。在35℃條件下達到峰值295.0 mg／L，驗證了升高溫度有利于污泥的厭氧產(chǎn)酸過程。

吳昌生等［9］通過實驗研究不同溫度 （15℃、25℃、35℃、45℃）條件下，溫度對生物絮凝吸附污泥水解酸化產(chǎn)物及產(chǎn)率的影響。結果表明，溫度的升高加速了生物絮凝吸附污泥水解酸化。在45℃條件下，SCOD達到最大產(chǎn)量3976.0 mg／L，VFAs達到峰值1989.5 mg／L。

2.3 污泥性質

污水處理廠的污泥主要有初沉污泥、剩余污泥及絮凝污泥。這3種污泥水解酸化效果最好的是絮凝污泥，在相同發(fā)酵條件下，其水解酸化產(chǎn)生的SCOD和VFAs均高于其他兩種污泥，主要是由于絮凝污泥能吸附水中的膠體、懸浮污染物和一部分溶解性有機物，該溶解性有機物很容易被水解酸化菌利用后產(chǎn)生VFAs［10］。污泥水解酸化過程中微生物主要以污泥中的蛋白質、碳水化合物等為基質。污泥產(chǎn)酸發(fā)酵的效率與基質的種類密切相關。

2.4 C／N

水解酸化適宜m（C）／m（N）為10～20?？刂艭／N在該范圍內進行水解酸化，在m（C）／m（N）＝15時，水解酸化效率達到最高。張福貴等通過不同溫度對m（C）／m（N）區(qū)間為15～35污泥厭氧消化產(chǎn)VFAs發(fā)現(xiàn)，中溫條件下m（C）／m（N）＝25時，VFAs值最大，為3671.21 mg／L，高溫條件下m（C）／m（N）＝15時，VFAs值最大，為2734.41 mg／L。

3 污泥的超聲和堿預處理

3.1 污泥超聲預處理

超聲波根據(jù)頻率可分為功率超聲、高頻超聲、診斷超聲。超聲預處理污泥時會產(chǎn)生壓縮和拉伸作用，即產(chǎn)生超聲空化現(xiàn)象［11］。拉伸階段對介質施加負壓使得分子間距變大，這個過程會產(chǎn)生大量空化氣泡并伴隨著氣泡的瞬間爆炸，在氣泡周圍的液體產(chǎn)生極端的高壓和高溫。氣泡突然且猛烈的破裂產(chǎn)生的剪切力和沖擊波會破壞污泥結構和污泥中的微生物細胞，使得難降解的有機物釋放到液體中，改善污泥的水解環(huán)境。超聲預處理與機械法、化學法等預處理方法相比，具有處理能耗小、不產(chǎn)生可能造成二次污染的物質，是一種綠色環(huán)保高效的預處理方式。

3.2 污泥堿預處理

堿預處理是污水處理廠常用的污泥預處理技術，堿能影響污泥細胞的滲透壓，從而使有機物被分解溶于水中，而且堿能與污泥含有的脂類物質發(fā)生皂化反應，繼續(xù)破壞細胞壁。堿處理還可以促進細胞外聚合物的溶解，釋放出更多有機物。堿處理具有操作簡便、成本較低等特點。侯銀萍等［12］在探究熱堿預處理對剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸性能的影響的實驗中，發(fā)現(xiàn)在強堿性條件下，有機物的水解速率加快，溶解性有機物的含量增加，在pH＝12時污泥中溶解性蛋白質、多糖濃度及SCOD的溶出量達到最大，在pH＝11時，VFAs的產(chǎn)量達到峰值，乙酸占VFAs總量的80%，VFAs最高積累量為5500 mg／L，而乙酸的最大產(chǎn)量為4340 mg／L，為乙酸型發(fā)酵，從資源化利用效率考慮，pH＝11可作為污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙酸的最佳處理條件。污泥的堿性發(fā)酵可以促進SCFAs的生產(chǎn)和污泥減量，同時對厭氧發(fā)酵也有很好的促進效果。但在實際應用中，單獨應用堿預處理污泥不僅耗費的堿量大，而且對設備有較高的要求。

3.3 超聲-堿預處理

超聲處理、堿處理技術都是目前受到廣泛關注的污泥預處理技術，但兩種處理技術各存在一定的弊端。與堿處理相比，超聲處理不僅能改變污泥細胞結構，還能打破微生物細胞壁，但堿處理技術對細胞破碎后碎屑的水解效果優(yōu)于堿［13］。因此，兩者聯(lián)合可強化污泥的預處理效果。

超聲和堿聯(lián)合預處理的表現(xiàn)為以下幾個方面：超聲處理可增強細胞的可透過性，并釋放微生物細胞到堿環(huán)境中，堿快速滲透細胞，細胞中的有機物滲透到液體中。超聲的處理效果受到污泥凝膠層的限制，但堿能溶解凝膠層，細胞壁結構更易受超聲波輻射影響，促進COD降低；超聲可以分解堿處理后的污泥致密絮體，因此超聲可以在一定程度上限制絮凝過程。此外，在堿性條件下，污泥中一些難以分解的物質在更容易分解。超聲和堿聯(lián)合預處理可以減小污泥絮體尺寸，僅通過酸、堿等化學預處理方法是無法實現(xiàn)的。

4 超聲-堿預處理技術研究進展

超聲波與堿聯(lián)合處理可以在相同的pH條件下使污泥絮體分解效果達到最佳狀態(tài)，從而促進細胞體內蛋白質、多糖、VFAs等營養(yǎng)物的釋放。1997年首次發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理可以促進TCOD轉化為TVFA。此后的研究主要從處理工藝條件和處理產(chǎn)物兩方面開展［14］。

U.Neis等［15］研究了超聲頻率對污泥預處理的影響。結果表明，當超聲頻率增大時，污泥的破解率降低。是因為超聲波的周期隨著超聲頻率的增加而縮短。氣泡半徑則是隨著超聲頻率的降低而增加，當氣泡半徑達到一定程度時會破裂。較低的超聲頻率會產(chǎn)生更大的氣泡半徑，由此氣泡破裂時會產(chǎn)生更強的機械射流。

江云等［16］研究不同超聲頻率對剩余污泥營養(yǎng)物質的釋放和穩(wěn)定化程度的影響。結果表明，在超聲頻率為22 kHz條件下，污泥上清液中COD、TP、TN含量最高，在此時超聲破解的效果為最佳。原泥樣的粒徑范圍為10～100μm之間，半徑為d50＝34.80μm，而經(jīng)過頻率為22 kHz的超聲處理后，泥樣的粒徑范圍變?yōu)?～10μm，有利于后續(xù)污泥處理的減量化。由此可見，超聲處理有利于促進污泥資源化使用。

申曉娟等［17］以剩余污泥為底物，研究不同超聲功率（120 W、180W、240W、300 W）對污泥脫水性能的影響。結果表明，隨著超聲功率的增大，上清液中的COD、總氮及NH+4-N濃度呈增大趨勢。但隨著時間的推移，污泥細胞體中的營養(yǎng)物質濃度低于240 W 時的對應濃度，因此超聲功率為240 W 是實驗的最佳條件。

5 結語

與超聲波或堿單獨處理相比，超聲波與堿聯(lián)合處理可以在相同條件下達到更好的效果，增加營養(yǎng)物的釋放［17］。超聲波與堿聯(lián)合處理技術十分有應用前景。但由于超聲波和堿處理技術的復雜性，關于超聲波和堿聯(lián)合處理污泥機制的認識仍欠缺，因此仍需深入探討兩者協(xié)同作用的規(guī)律［18］。在未來，超聲波和堿聯(lián)合處理技術必將在實現(xiàn)污泥處理處置過程“減量化，無害化，資源化”的目標中發(fā)揮重要作用［19］。