剩余污泥預處理方法研究現狀概述

鄢恒珍 唐佳賓 劉國校

摘要：活性污泥處理會產生大量剩余污泥，在剩余污泥處理過程中，為了加快污泥水解速率，提高厭氧消化性能，污泥預處理技術已成為國內外研究的熱點問題。本文就目前常用的物理、化學、生物以及聯合處理等幾類污泥預處理方法進行了一定的介紹。不同的預處理方法各有利弊，超聲波預處理具有作用時間短，處理效率高，能有效提高污泥厭氧消化的產甲烷能力等優點；堿處理可有效提高污泥產氣率和脫水性能，但堿處理后的高pH值不利于產甲烷菌的生長，且堿對設備有一定的腐蝕作用；臭氧預處理和生物酶預處理均可提高剩余污泥溶解性，但臭氧生產耗能較高。選擇不同預處理方法進行聯合處理，往往能夠取得更為顯著的效果。

關鍵詞：剩余污泥；預處理；預處理

中圖分類號：X7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

活性污泥法是當今應用最廣泛的污水生物處理技術，但該處理方法一直存在一個最大的弊端，會產生大量剩余污泥[1]。在剩余污泥處理過程中，污泥微生物細胞內含物的釋放是限制污泥消化速率的關鍵。為了加快污泥的水解速率，提高厭氧消化性能，污泥預處理技術已成為國內外研究的熱點問題[2]。目前，常用的污泥預處理方法有物理、化學、生物以及聯合處理等方法[3]。本文就這幾種處理方法的工藝原理、研究成果及應用分別介紹如下。

1物理預處理方法

傳統污泥物理預處理方法主要包括加熱和凍融預處理。近年來，隨著研究的深入，出現了超聲波、微波、珠磨、高壓均質等預處理方法。

1.1超聲波

超聲波是指頻率為20kHz～10MHz的聲波。當聲強增加到一定的程度時，會使傳播中媒質的狀態、組成、功能和結構等發生變化，統稱為超聲效應。從聲學角度看，超聲波破解污泥主要是利用聲波的能量所產生的空化效應。在超聲波作用下，污泥液體中將產生大量空化氣泡，空化氣泡瞬間破滅時會產生極為短暫的強壓力脈沖，在氣泡周圍的微小空間內形成局部熱點，并產生爆破。微氣泡的爆破能夠對其周圍產生巨大的剪切力作用，使氣液界面上的溫度達到近5000K，同時產生近幾百個大氣壓的高壓，產生具有強烈沖擊力的微射流。高溫高壓和微射流可以使污泥絮體結構解體，同時破壞微生物細胞的細胞壁，釋放出細胞內的有機物和酶，被釋放出的酶進一步加速污泥中細胞壁的溶解，從而加速污泥的水解進程[4]。

劉峻等[5]超聲處理連續流系統剩余污泥，在聲能密度為0.4 W/mL、超聲作用時間為5min、超聲污泥回流比為1：24時，污泥日均產量為13. 6 mg/（ L·d），減量效果達到95.81 %，污泥減量效果顯著。胡凱等[6]研究了超聲預處理技術對剩余污泥物理、化學性質的影響。結果表明，污泥溶解性COD隨超聲時間和超聲波電功率密度的增加而呈線性上升，當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，超聲組比對照組反應器更快達到穩定產氣狀態，與對照組相比，超聲污泥的平均日產氣量提高了57.9%。因此，超聲預處理促進了污泥有機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間短，處理效率高，對細胞有較強的破壞能力，能有效提高污泥厭氧消化的產甲烷能力等優點。該預處理方法具有很好的應用前景，在工程應用中應注意選擇最佳工藝運行參數，同時開發高效預處理裝置。

1.2微波

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

從物體內部迅速加熱，沒有熱損。微波加熱處理污泥主要依靠熱效應和非熱效應的共同作用。熱效應是指微波輻射快速加熱，使污泥內微生物細胞發生裂解；非熱效應的作用機理尚不明確，但有研究稱，非熱效應可能使有機物的氫鍵斷裂并改變復雜生物分子結構等[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程中污泥脫水性能的變化。結果表明，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%。當溫度高于約60℃時，污泥中微生物細胞開始大量破碎，胞內水釋出，離心后含水率隨溫度升高而降低；高于88℃時，胞外聚合物含量無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處理，分別考察了500 W、750 W和900 W微波作用下，污泥性質和脫水性能的變化情況。結果表明，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%，污泥毛細吸水時間和污泥比阻分別減少了42.70%和73.11%。如進一步增加微波接觸時間，不僅增加能耗，同時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處理，考察了輻射130 s內污泥沉降、過濾脫水性能的變化。結果表明，適宜的微波輻射可明顯改善污泥結構及脫水性，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，污泥脫水性最佳。過量的微波輻射因破壞污泥的細胞壁結構，導致胞內物質大量溢出，污泥黏度增加，脫水性惡化。

微波預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點。但其運行費用較高，因此限制了微波預處理方法的應用。

1.3珠磨

珠磨法是珠磨機在高速旋轉下，其內部的鋼制小珠強烈互相碰撞形成剪切力，打破微生物細胞的細胞壁，使胞內物質大量溶出[10]。磨珠大小對污泥破碎效果影響很大，一般來說，磨珠直徑較小時可獲得更好的破碎效果。該法運行費用較高。

1.4高壓均質法

高壓均質機是一種被應用于食品和醫藥行業的破胞裝置，高壓均質機以高壓往復泵為動力傳遞及物料輸送機構，將物料輸送至工作閥（一級均質閥及二級乳化閥）部分。物料在通過工作閥的時候，在高壓下產生強烈的剪切、空穴和撞擊作用，從而使液態物質或以液體為載體的固體顆粒得到超微細化。近年來高壓均質也被嘗試應用于污泥微生物細胞的破碎。

2化學預處理方法

目前，研究較多的化學預處理方法是投加堿和臭氧氧化。

2.1堿

堿預處理是最常用的污泥預處理技術，堿能破壞污泥的滲透壓，使污泥分解，溶出有機物，又能與污泥中的脂類發生皂化反應，進一步破壞微生物細胞的細胞壁，還能使胞外聚合物中含有的酸性基團解鏈，從而破壞胞外聚合物，因此堿預處理能使污泥胞內顆粒有機物向溶解性有機物轉化[11]。

劉亞利等[12]對不同堿預處理污泥水解酸化過程進行研究，得出了揮發酸積累效果以及蛋白釋放和降解規律。在一定條件下，堿投加量越高，越有利于揮發酸的積累。當堿投加量為0.20 g NaOH/g VSS，蛋白初始溶出濃度達到1780 mg/L，污泥水解酸化 15 d時，揮發酸總量達到3473 mg/L，蛋白濃度為750 mg/L。

堿處理可有效提高污泥產氣率和脫水性能等優點，但堿處理后的高pH值不利于產甲烷菌的生長，且堿對設備有一定的腐蝕作用。

2.2臭氧

臭氧是一種強氧化劑，可與污泥中的化合物發生直接或間接反應。將臭氧通入污泥中，臭氧能夠破壞污泥中微生物細胞壁的組成部分，使之轉化成小分子化合物，釋放出細胞質和酶，同時也將不溶于水的大分子物質分解成能溶于水的小分子物質。何楚茵等[13]對剩余污泥進行臭氧氧化破解實驗，結果表明，隨著臭氧化反應時間的增加，污泥微生物細胞裂解，胞內物質進人到污泥溶液中，污泥固體物質減少，因此利用臭氧對剩余污泥進行處理，可獲得良好的減量化效果。

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

3生物酶預處理方法

生物酶預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菌的一種處理方法。酶能夠催化有機物的分解，有效地溶解長鏈蛋白質、碳水化合物和脂類等有機物，較大地提高污泥的脫水性能和消化性能。

羅琨等[14]研究了單一酶和復合酶的加入對城市污水廠剩余污泥的破解及減量效果的影響。結果表明，外加酶可以促進污泥中懸浮固體的溶解和大分子有機物的分解。當酶最佳投加量（以TS中加入酶量計）為60 mg/g時，淀粉酶比蛋白酶的水解效果好，同時，復合酶的水解效果較單一酶的效果好，當水解溫度為50℃，蛋白酶和淀粉酶的比例為1：3時，水解效果最佳，VSS去除率達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，酶水解過程的前4h，蛋白酶和淀粉酶活力均呈上升趨勢，符合一級反應動力學，水解4h左右達最大值，之后酶活力逐漸下降。

生物酶預處理可有效提高污泥溶解性，且不需要特殊設備、不產生有害副產物，因此酶預處理具有較好的發展前景。

4聯合預處理方法

作用原理不同的各種污泥預處理方法聯合作用時，其預處理效果彼此增強，目前研究報道的污泥聯合預處理方法主要包括微波與H2O2聯合預處理、熱與H2O2聯合預處理、微波與堿聯合預處理、熱與堿聯合預處理、超聲波與堿聯合預處理、超聲波與臭氧聯合預處理等。目前，許多研究者對不同聯合預處理方法的污泥破碎性能、最佳處理條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剩余污泥的破解作用，研究表明，臭氧流量為7 L/min時破解效果最好，反應40min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分別比反應前提高了586%、178%、522%和1781%；超聲功率為800 W時破解效果最好，反應40 min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分別比反應前提高了812%、404%、286%和682%；在超聲波——臭氧聯合作用下，臭氧流量7 L/min，超聲功率800 W下反應40 min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分別比反應前提高了925%、208%、815%和1946%。結果表明，超聲波能強化臭氧對污泥破解的效果。馬妮娜等[16]采用微波輻照與堿聯合處理剩余污泥過程中污泥性質的變化。實驗表明，密閉條件下微波輻照與堿聯合處理可以加劇污泥的破解，使污泥中的物質釋放到液相中。

5結論

通過分析各種污泥預處理方法的原理、處理效果，研究表明污泥預處理可以有效促進污泥微生物中胞內物質的釋放，提高污泥的厭氧消化性能。但不同的預處理方法各有利弊，選擇不同預處理方法進行聯合處理，往往能夠取得更為顯著的效果。工程應用中，應綜合考慮，選擇高效、節能、便于操作、管理簡單的預處理技術。

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