市政污泥預處理技術研究進展

李方志，劉曉峰，張 浩，劉新立，劉 波

（湖南軍信環保股份有限公司，長沙 410000）

市政污泥預處理技術研究進展

李方志，劉曉峰，張 浩，劉新立，劉 波

（湖南軍信環保股份有限公司，長沙 410000）

隨著社會經濟的不斷發展，我國市政污泥產量將進一步增加，污泥的處理及處置已成為制約我國發展的重要問題。厭氧消化和脫水是污泥的主要處理技術，而污泥生物細胞破壞和結合水的釋放是限制厭氧消化和脫水的瓶頸。污泥預處理，可以破壞污泥的生物細胞結構，提高污泥厭氧消化及脫水效率。基于此，本文綜述了國內外污泥預處理技術的原理、特性及研究進展。

市政污泥；預處理；厭氧消化；污泥脫水

市政污泥是城市污水處理廠在廢水處理過程中產生的一種生物質殘片，其含水率高（大于95%）、組分復雜，一般含有病原菌、寄生蟲、有機物及重金屬等物質[1]。據統計，我國2016年第三季度市政污水處理量為1.7億m3/d[2]，按照每萬噸污水產生濕污泥約5 t計算（80%含水率），年產市政污泥將達到3 000萬t。預計到2020年底，全國市政污水處理量達到2.69億m3/d[3]，隨著污水廠提標改造的推進，污泥產量將進一步提高，大量市政污泥若不妥善處理處置，必將對環境造成嚴重污染。

厭氧消化及脫水是污泥處理的主要方法，但由于污泥干物質中含有大量微生物，微生物細胞壁及胞外聚合物是限制厭氧消化及脫水效率的主要瓶頸。因此，利用預處理破壞污泥的細胞壁及胞外聚合物，是目前污泥預處理研究的重點方向。本文對國內外污泥預處理技術的原理、特性及研究進展進行了綜述。

1 物理預處理

物理預處理指通過外加能量或通過機械破壞污泥細胞結構，包括熱水解、超聲波、微波、凍融、機械處理等方法。

1.1 熱水解

熱水解是指通過高溫高壓破壞污泥中微生物的細胞結構，釋放細胞內部的大分子有機物及結合水，并將有機物快速水解，以改善脫水及厭氧消化的性能的方法。熱水解溫度一般控制在40℃～180℃，熱水解反應速率、處理效果和溫度成正比，但超過200℃后易發生美拉德反應，導致厭氧消化效率下降。

熱水解工藝在國外應用較為廣泛，20世紀30年代末，已有企業開始應用熱水解改善污泥脫水性能，康碧（Cambi）公司于1997年在挪威Hammer污水廠實現該工藝的工程化。我國熱水解工程化應用目前在長沙、北京和深圳等地已有熱水解工程化案例。尤其是長沙污泥熱水解-高溫厭氧消化項目，從2014年投運至今已穩定運行3年。

1.2 超聲波

超聲波是指頻率超過20 kHz的機械波，超聲波作用于污泥中的水分，產生“空穴效應”，液體將瞬間經歷大量微小氣泡的產生及破裂，在此過程中形成高強度剪切力，導致氣液相界面產生約4 726℃的超高溫及上百個大氣壓的超高壓，從而破壞污泥細胞結構，釋放有機物及結合水。超聲波的能量密度及作用時間等均和處理效果有密切關系。

葉運弟等人研究了超聲波作用時間及能量密度對污泥脫水性能的影響，發現作用時間及能量分別為15 s、700 J時，污泥含水率、污泥比阻（SRF）及污泥毛細吸水時間（CST）等達到最優效果，能量過大或過小均會導致脫水性能相對下降[4]。Maria等人研究超聲波對污泥性狀的影響，發現超聲波處理后的污泥絮體平均尺寸為22.3 um，體積相對減小了60.9%，并且污泥粘度降低、過濾性能提高，污泥脫水性能顯著改善。

1.3 微波

微波是一種頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，可轉化為熱能對污泥加熱，相對于傳統加熱，微波加熱更加均勻且內部溫度高于外部。微波對污泥的作用包括熱效應和非熱效應，其中熱效應為界面極化損耗及偶極極化損耗等機制，主要通過輻射加熱污泥，使污泥細胞溶解，而非熱效應的原理尚無定論。

Park等人將污泥經微波處理后，發現產氣量和溶解性化學需氧量（SCOD）去除率分別提高了79%及65%，并且污泥停留時間（SRT）由15 d縮短至8 d[5]。Eskicioglu等人研究了微波溫度及停留時間對污泥結構的影響，結果表明，微波可有效破壞污泥細胞結構，釋放胞內SCOD[6]。設定微波加熱溫度為96℃、SRT為5 d時，污泥中總固體物質（TSS）和揮發性固體物質（VSS）的去除率比常溫下提高了32%和26%；SRT為20 d時，TSS和VSS的去除率分別提高了16%和12%。目前，微波預處理尚未有成熟的工程應用。相比于傳統熱處理技術，微波因可提高加熱效率、縮短反應時間，具有較好的開發應用前景，但目前微波設備價格較貴且處理成本較高，限制了微波工藝的應用。

其他物理處理方法如γ射線預處理法、電子束預處理法、凍融法等，目前主要集中在理論研究，本文不做贅述。

物理預處理作用時間短，對污泥后續處理效果改善顯著，其中熱水解、超聲波等已有較多工程應用，但其存在投資運行成本相對較高、使用設備多、操作復雜，易產生二次污染等問題。因此，研究開發出能效利用率高、操作運行簡便的工藝設備是后續研究的方向。

2 化學法

化學預處理是指通過投加化學藥劑氧化或溶解污泥中微生物的細胞壁、破壞胞外聚合物，以提高污泥厭氧消化效果及脫水性能，主要包括氧化預處理、酸堿預處理等。

2.1 氧化法

氧化法是指加入臭氧或芬頓（Fenton）等強氧化物質或采用電化學氧化等方式，氧化溶解細胞壁，釋放細胞內部有機物及結合水，同時將大分子有機物氧化成小分子有機物，進而改善污泥消化及脫水性能。

洪晨等人采用Fenton試劑處理污泥，發現投加適量Fenton可大幅度降低CST及污泥濾餅含水率，但過量會導致濾餅含水率升高[7]。因此，采用氧化法處理污泥時，需要控制投加量，投加量過大，不僅會使成本上升，還導致有機物完全氧化，不利于污泥厭氧消化。曾麗等人以鈦、二氧化鉛板為陰、陽電極，研究了不同電解電壓、極板間距、電解質種類及投加量條件下對污泥脫水性能的影響，研究顯示電化學預處理可有效改善污泥脫水性能，并且電解電壓影響最大，最優參數為：處理時間20 min、電壓20 V、間距2 cm、電解質為NaCl（0.6 g）[8]。

2.2 酸/堿法

酸/堿法是指通過加入酸或堿調節污泥pH，破壞污泥中的細胞結構。堿處理對改善污泥厭氧消化性能效果較好，不同種類的堿效果有所不同，一般氫氧化鈉＞氫氧化鉀＞氫氧化鎂＞氫氧化鈣，由于Na+或K+濃度過高會抑制污泥厭氧消化，因此堿鹽投加量不宜過高。

Devlin等人研究了酸處理對污泥消化的影響：用37%的鹽酸處理污泥后，污泥厭氧消化13 d的產氣量與原生污泥消化21 d的產氣量相當[9]。Chang等人研究了氫氧化鈉投加量對污泥中SCOD濃度的影響，最優效果為：當氫氧化鈉投量為0.04 g/g TSS、污泥TSS濃度為1.5 g/L時，SCOD/TCOD超過了45%。

化學預處理投資成本低、設備簡單、操作方便，處理效果好，但藥劑用量大、運行成本高、易產生副產物及二次污染，并且采用酸堿法預處理后的污泥往往不適宜直接進行厭氧消化。

3 生物法

生物預處理一般是指通過投加生物酶制劑破壞污泥細胞，提高污泥消化及脫水性能的方法。生物酶包括可分泌酶的菌種及不同類型的酶制劑，生物酶可催化分解污泥細胞結構、大分子有機物等，提高污泥的脫水及消化性能。Barjenbruch等人采用溶菌酶處理剩余污泥，發現污泥經處理后有機物降解率明顯提高，并且厭氧消化沼氣產量提高10%[10]。

生物預處理操作簡單，無副產物及二次污染，是未來污泥預處理的重要發展方向。但目前生物酶的制備成本較高，效果不穩定，工程化難度較大，需進一步研究開發制備成本低、處理效能高的生物酶制劑。

此外，上述預處理方法還可進行聯用，如臭氧-超聲波結合、酸-堿聯合處理污泥等，相對單一預處理方法，處理效果更好。

3 結論

預處理可有效破壞污泥細胞結構，縮短厭氧消化停留時間，提高脫水效率，但各類方法也均存在一定的不足。

（1）物理法效率高、效果好，其中熱水解在我國多地實現工程化，超聲波預處理在國外也有成功工程案例，但其存在建設運行成本較高、操作復雜、存在二次污染等問題，如能針對應用中的問題進行改進，該處理工藝具有較好的推廣應用前景。

（2）化學法應用廣泛、操作簡便、效果好，但藥劑投加量大，易產生二次污染，不適宜直接進行厭氧消化。因此，需充分結合污泥處理情況謹慎選擇化學預處理工藝。

（3）生物法操作簡單、無二次污染、反應條件溫和，具有廣泛的發展前景，但制備成本較高，效果不穩定，需進一步研發制備成本低、處理效能高的生物酶制劑。

1 Sorensen B L，Dall O L，Habib K.Environmental and resource implications of phosphorus recovery from waste activated sludge[J].Waste Management，2015，（45）：391-399.

2 中華人民共和國住房和城鄉建設部.住房城鄉建設部關于2016年第三季度全國城鎮污水處理設施建設和運行情況的通報[Z]，2016.

3 中華人民共和國國家發展和改革委員會.“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃[Z]，2016.

4 葉運弟，鄭 莉，周 力.超聲波能量對污泥脫水性的影響變化研究[J].輕工科技，2013，（9）：113-114.

5 B Park，JH Ahn，J Kim，etal.Use of microwave pretreatment for enhanced anaerobiosis of secondary sludge[J].Water Science amp; Technology，2004，50（9）：17.

6 C Eskicioglu，KJ Kennedy，RL Droste.Characterization of soluble organic matter of waste activated sludge before and after thermal pretreatment[J].Water Research，2006，40（20）：3725-3736.

7 洪 晨，邢 奕，司艷曉，等.芬頓試劑氧化對污泥脫水性能的影響[J].環境科學研究，2014，27（6）：615-622.

8 曾 麗，楊 波，蔣超金.采用Ti/PbO2陽極氧化進行污泥預處理的研究[J].環境科學學報，2017，（4）：1382-1387.

9 DC Devlin，SR Esteves，RM Dinsdale，etal.The effect of acid pretreatment on the anaerobic digestion and dewatering of waste activated sludge[J].Bioresource Technology，2011，102（5）：4076-4082.

10 M Barjenbruch，O Kopplow.Enzymatic，mechanical and thermal pre-treatment of surplus sludge[J].Advances in Environmental Research，2003，7（3）：715-720.

Research Progress of Municipal Sewage Treatment Technology

Li Fangzhi, Liu Xiaofeng, Zhang Hao, Liu Xinli, Liu Bo
(Hunan Junxin Environmental Protection Co., Ltd., Changsha 410000, China)

With the continuous development of social economy, China's municipal sludge production will be further increased, sludge treatment and disposal has become an important issue restricting the development of China.Anaerobic digestion and dehydration are the main treatment techniques for sludge, while the destruction of sludge biological cells and the release of bound water is a bottleneck limiting anaerobic digestion and dehydration.Sludge pretreatment, can destroy the sludge biological cell structure, improve sludge anaerobic digestion and dehydration efficiency.Based on this, this paper summarizes the principle, characteristics and research progress of sludge pretreatment technology at home and abroad.

municipal sludge; pretreatment; anaerobic digestion; sludge dewatering

X703

A

1008-9500(2017)10-0063-03

2017-08-30

李方志（1984-），男，湖南岳陽人，碩士研究生，中級工程師，從事生活垃圾及市政污泥處理處置工作。