國內剩余污泥厭氧消化強化處理研究進展

黃惠瑩

(廣東省環境技術中心, 廣東 廣州 510308)

剩余污泥是城市污水處理過程中產生的副產物，包括污水中的泥砂、纖維等固體顆粒及其凝結的絮狀體，各種膠體、有機質、重金屬、病原菌、寄生蟲卵以及病毒等，通常占污水處理量的0.3%～0.5%(含水率按97%計算)[1]。近年來我國剩余污泥產量大幅度增長，據統計，2015年全國6910座城鎮污水處理廠全年共產生3015.9萬噸污泥[2]。剩余污泥如不進行妥善處理將會造成重金屬等污染物向環境重新釋放等嚴重的二次污染，對生態環境和人類活動將構成嚴重威脅。目前，我國污泥處理處置嚴重滯后于污水處理。因對污泥處理處置的概念及重要性認識不足，致使部分污水處理廠污泥處理處置未能達到減量化、資源化、無害化要求[3]。國內外主要采用機械脫水、熱干化、好氧發酵、厭氧消化以及干化焚燒的處置方式對剩余污泥進行處理處置，其中厭氧消化是使用最為廣泛的處理工藝。鑒于我國目前的污泥具有低有機質、高含砂量、重金屬含量高、有機物低、熱值低等特性，這些特性大大影響了污泥處理處置的效率。筆者在分析剩余污泥處理現狀的基礎上，分析了厭氧消化強化技術類型及其處理效果，以及技術發展趨勢。

1 厭氧消化處理現狀

污泥處置處理以穩定化、減量化和無害化為目的，厭氧消化工藝是其中一種重要的穩定化工藝，其原理是利用兼氧菌和厭氧菌進行厭氧生化反應分解污泥中有機質[4]，具有高效的能量回收和較低的環境影響等優點。厭氧消化是目前國際上常用的污泥生物處理方法，同時也是大型污水處理廠較為經濟的污泥處理方法[3]。全世界大約有100萬座以上的污水處理廠使用該技術處理污泥[5]。 而國內的剩余污泥厭氧消化因現有技術運行管理難度大、處理成本高等問題出現技術應用瓶頸，僅約有60座城鎮污水處理廠采用了污泥厭氧消化工藝。但是目前國內對污泥厭氧消化理論研究滯后與協同調控機制的認知不足，傳統污泥厭氧消化法存在有機質厭氧轉化率低、停留時間長、產氣率較低等缺點。這些缺點限制了厭氧消化工藝在國內的應用。為進一步提高有機質厭氧轉化率、產氣率，縮短污泥停留時間，學者們對厭氧消化的強化技術展開了研究。

2 強化技術的研究進展

2.1 預處理技術

根據 Bryant 提出的厭氧消化三階段理論，整個厭氧消化過程分為水解酸化、產氫產乙酸和產甲烷3個階段。但因微生物細胞壁的存在阻礙了污泥中有機物的釋放與利用，所以水解酸化階段是污泥消化的限速階段[6]，并直接影響消化反應的效果。目前，國內的研究主要集中在對剩余污泥的強化預處理，利用物理、化學等方法促進擊破污泥細胞壁，從而使細胞內的有機物質從固相向液相轉移，最終實現污泥的降解[7]。

2.1.1 超聲波預處理

超聲波預處理技術因具有低成本、自動化操作、可操作性強、能提高產氣率、改善污泥脫水性能、對后續處理不產生影響、無二次污染等優點。Bougrier[8]等的研究發現污泥的總固體增溶度 (STS)、沼氣產量隨超聲波能量輸入增加而增加。陳傳政[9]研究得出超聲破解剩余污泥的時間、頻率、電功率、脈沖比的最佳水平組合為10 min，20 kHz，600 W，3∶1，超聲破解時間能顯著影響破解效率。容明知[10]等的研究結果表明，超聲預處理在低能量輸入條件下對污泥蛋白酶和脫氫酶活性存在促進作用，超聲頻率對污泥酶活性影響較為顯著，其中20 kHz超聲頻率對蛋白酶和脫氫酶活性的促進效果最高。

2.1.2 堿解預處理

堿解預處理可有效地將細胞內硝化纖維溶解轉化為溶解性有機碳化合物，進而被微生物利用，提高污泥產甲烷潛力。楊潔[11]等研究結果表明，污泥SCOD濃度隨投堿量的增加而增加，在投堿量為1 gNaOH·g-1TS的情況下，揮發性懸浮固體的分解率可達62.05%。于子淇[12]研究確定了二級堿解的最佳工藝條件為：堿解pH值13，投加污泥與投加水的比例為1.75，發現與傳統堿解相比，二級堿解可減少單位污泥15.0%的秏堿量，且后續厭氧處理無需加酸調節pH值；VS和TS去除率分別提高了26.78%和25%，達到44.3%和33.5%，含水率降到88.6%，使污泥體積縮小了78%。

2.1.3 酸解預處理

酸解預處理的作用機理與堿解相似。袁光環[13]等的研究結果表明，采用先酸(pH值4.0，4 d)后堿(pH值10.0，4 d)預處理，在污泥水解酸化過程中乙酸產量及其占總短鏈脂肪酸(SCFAs)的質量分數均高于其他預處理方式，其乙酸產量(以COD/VSS計)可達到74.4 mg·g-1，占總SCFAs的60.5%。酸-堿預處理后污泥混合液C∶N和C∶P比值更有利于后續厭氧消化。經過8 d酸-堿預處理和15 d的厭氧消化，累積甲烷產量(CH4/VSS加入)達到136.1 mL·g-1，揮發性懸浮固體(VSS)總去除率達到60.9%。

2.1.4 熱水解預處理

熱水解預處理具有操作簡單、處理時間短、效果好等特點，但因其能耗高、管理難度大等缺點，實際應用不多。郝曉地[14]等對比了熱水解(T=150℃,t=30 min)、超聲波(P=500 W,t=2 h)、堿解(pH值13,t=2 h)和酸解(pH值2,t=2 h)等4種處理方式的處理效果，發現經熱水解預處理的污泥能獲得50.9%的COD溶出率，為四種處理方式中最高。

2.1.5 微波輻射預處理

微波輻射具有加熱速度快，熱效高，熱量立體傳遞，設備體積小等優點，具有與良好的工業化應用前景[15]。李華峰[16]研究表明，微波預處理污泥有力地促進了污泥的厭氧消化，有機質降解率最高達到56.1%，生物產氣累積量可提高54.4%，適當的微波預處理條件可以明顯縮短厭氧消化周期，減少污泥停留時間(SRT)。王艷杰[17]等研究表明COD，TOC，蛋白質，多糖和DNA在微波處理6 min時的溶出量分別為相同條件下未經微波處理時的8.0倍，7.2倍，10.4倍，12.4倍和8.4倍。在厭氧消化15 d時，微波處理6 min的甲烷產率為144 mL·g-1，比未處理空白提高了62%。

2.1.6 臭氧氧化預處理

臭氧氧化預處理是通過氧化作用破壞細胞壁、釋放出細胞內的細胞質并繼續將大分子有機物降解為小分子，提高后續系統的生物降解性能。但因其運行成本較高，目前尚不具備工業化應用的條件。曹艷曉[18]等研究結果表明，針對MLSS=8.287 kg·m-3的污水處理廠剩余污泥，臭氧最佳投加量在0.038 gO3·g-1MLSS左右。石璞玉[19]等的研究結果表明，當臭氧處理時間為15 min時，污泥上清液中SCOD含量達到最高為1006.08 mg·L-1，較未處理污泥提高了420.85%。污泥上清液中蛋白質和多糖含量在臭氧處理時間為10 min時達到最高，產甲烷率達到最高為318.39 mL·g-1VS，較空白對照組提高了396%。

2.2 消化過程中投加生物酶促進劑、微生物菌種

除了通過各種預處理工藝強化厭氧消化外，還有相當部分研究通過在污泥中投加生物酶促進劑或特定微生物菌群以提高污泥消化效率。李娜[20]研究發現零價鐵粉(ZVI)與表面活性劑烷基多苷(APG)聯合投加能夠促進污泥的水解、消化及有機酸的累積，明顯改變有機酸分布，提高蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性降低污泥表面張力。宋艷美[21]研究發現改變剩余污泥發酵液的初始pH值、蛋白質與總糖的濃度比值(Pro/G)或者菌群條件后，再加入一定量的硫酸鹽還原菌(SRB)能使促進有機酸的產生；最佳的產酸Pro/G=0.5，最高產酸量均可達1600 mg·L-1以上。

2.3 多種技術耦合

在上述研究的基礎上，更多的研究向多種技術耦合的方向發展。何楚茵[22]等研究結果表明，臭氧+酸解、臭氧+堿解的聯合處理對剩余污泥的溶胞效果均有不同程度的改善：剩余污泥破碎率及液相中多糖濃度上升，污泥顆粒平均粒徑下降。徐慧敏[23]的研究結果表明：超聲+堿解聯合預處理技術對污泥破解和有機質溶解的效果，比超聲和堿解單獨作用之和更好。污泥破解增加值ΔSCOD/TCOD與加堿量之間存在顯著的線性關系。超聲和堿解聯合預處理能顯著增加污泥厭氧消化產甲烷量。池勇志[24]研究得出微波+堿預處理最佳預處理條件為加熱溫度170℃，加熱時間1 min，加堿量0.05 gNaOH·g-1SS。劉吉寶[25]等研究結果表明：微波-過氧化氫-堿(0.2)預處理的強化效果最為顯著，30 d累計產甲烷量比對照組增加了13.34%，產甲烷速率也得到了提升。

2.4 混合基質共消化

國內的剩余污泥普遍存在無機質比例過高的問題，通過投加各種底物提高污泥的厭氧消化效率，不但能減少環境污染，且能進一步提高產甲烷量。楊朝勇[26]等的研究結果表明，以牛糞和超聲預處理污泥為發酵原料，在恒溫35℃±1℃及底物濃度為15 gVS·L-1的條件下，超聲預處理污泥與牛糞的比例為1∶2 時VS產氣率達到了470.33 mL·g-1，甲烷產量在發酵穩定后達到了58．68%。ALOUN Manosane[27]等研究結果表明添加豬糞能明顯提升消化效率，當豬糞與污泥以 2∶1 混合消化時甲烷累計產量最高可達684 L·kg-1VS，比污泥單獨消化提升了 120%，VS 去除率可達 63.1%。張洪[28]等研究了不同混合比下市政污泥與餐廚垃圾二級高溫共消化的情況，結果表明混合比為5∶1的反應罐穩定時出料的COD 濃度最高，為23000 mg·L-1。混合比為3∶1時，VS 去除率、日產氣量、產氣中甲烷含量最高，分別為 42.8%，12000 mL，92.49%。

2.5 分級分相厭氧消化

中持水務股份有限公司開發的市政污泥分級分相厭氧消化技術，采用高溫水解酸化、中溫甲烷化分級分相兩級反應系統，提高污泥可生化性，破解了污泥厭氧消化的限速步驟。產酸/產氣兩相厭氧消化在兩個反應池中進行，通過溫度分級自然形成生物分相，給產酸菌和產甲烷菌提供各自的最佳生長環境(第一級高溫消化、第二級中溫消化)，提高有機物降解率和污泥厭氧消化的沼氣產率。該工藝厭氧消化時間比單級單相厭氧消化縮短30%，污泥有機物降解率大于50%，沼氣產率提高35%。處理的污泥含固率可達8%～10%，可使消化池容積縮小為原來的1/2，對于已建有厭氧消化設施的污泥處理設施，略加改造即可增加處理能力[29]。因此，分級分相厭氧消化具有廣闊的應用前景。

3 結語

綜上所述，多種厭氧消化預處理方式的耦合工藝是目前研究的熱點，也是今后研究的主要方向之一。但各種預處理技術，投加生物酶促進劑，微生物菌種，多種技術耦合以及混合基質共消化等技術仍處于小試階段，尚未有成熟的中試試驗作為規模化應用的技術支撐。而分級分相厭氧消化技術已有規模化應用實例，且具備改造簡易、無須投加藥劑等特點，操作難度相對較低，更具工業化應用的意義。