厭氧消化的剩余污泥細(xì)胞破壁預(yù)處理技術(shù)研究

張赟　張斯俊

摘要：剩余污泥在處理時(shí)，對(duì)于設(shè)備要求較為苛刻。而厭氧消化是一種污泥資源化處理新技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于剩余污泥細(xì)胞壁預(yù)處理。污泥細(xì)胞中因含有大量有機(jī)質(zhì)難以釋放，且無法直接利用，從而導(dǎo)致剩余污泥厭氧消化速率與厭氧消化效率降低。而目前剩余污泥破壁技術(shù)主要包括：化學(xué)法、生物法、物理法及聯(lián)合法。為此，為提高剩余污泥中包內(nèi)有機(jī)質(zhì)能有效釋放，本文將探討以上不同預(yù)處理方法影響污泥細(xì)胞破壁效果，并論述剩余污泥厭氧消化效果。

關(guān)鍵詞：厭氧消化；剩余污泥；細(xì)胞破壁；預(yù)處理技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.199

0前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國城鎮(zhèn)污水處理廠已建成將近3910座，且剩余污泥產(chǎn)量逐步增加，而我國污水處理能力為1.67億m³/天。而具有資源化污泥處理原則及滿足減量化的剩余污泥厭氧消化技術(shù)是近幾年人們處理剩余污泥預(yù)處理技術(shù)的首選。為此，為提升厭氧消化效果，必須通過一定的預(yù)處理方式來強(qiáng)化破壁效果，從而有效釋放胞內(nèi)有機(jī)物質(zhì)，即提高剩余污泥色可生化性及COD溶出率。而有效的預(yù)處理方法是實(shí)現(xiàn)剩余污泥厭氧消化效率的最終目的。

1化學(xué)法

化學(xué)法就是在剩余污泥中投放化學(xué)藥劑，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后達(dá)到破壞剩余污泥中生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并提高胞內(nèi)溶出物質(zhì)。

（1）化學(xué)法中的酸堿處理法。通過投加酸或堿的方式，調(diào)節(jié)剩余污泥的pH值，酸和堿會(huì)對(duì)其生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，從而提高胞內(nèi)溶出物質(zhì)，并進(jìn)一步去除懸浮物質(zhì)。據(jù)相關(guān)研究表明，在剩余污泥中投放堿可使蛋白質(zhì)變性，并在脂類中發(fā)生皂化反應(yīng)，使細(xì)胞壁及細(xì)胞膜出現(xiàn)損壞。在經(jīng)過調(diào)整pH值后，其SCOD出現(xiàn)提升，且在經(jīng)過170℃的處理后，污泥厭氧消化能力提高了45%。在經(jīng)過調(diào)整NaOH的投加量及污泥pH=11，并通過反應(yīng)6小時(shí)后，污泥上的清液SCOD就會(huì)有所增長，且沼氣轉(zhuǎn)化效率可提高到402.5%。為此，且在堿性條件下，其微生物細(xì)胞壁出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象可使其失去平衡并發(fā)生破裂，進(jìn)而將細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)、蛋白質(zhì)等釋放出來，且降低甲烷活性。而酸性條件下僅能破壞其污泥的絮凝性，并沒有破壞生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)。為此，SCOD及揮發(fā)性脂肪酸中的累積量在堿性條件下高于酸性條件。

（2）臭氧氧化法與高鐵酸鉀法。臭氧氧化法則是通過直接氧化與間接氧化而破壞有機(jī)物，最終破壞其生物架構(gòu)。在剩余污泥中投放臭氧到一定數(shù)值，便可提升污泥溶細(xì)胞率。經(jīng)過臭氧預(yù)處理后的剩余污泥，微生物細(xì)胞將被破壞，且縮小污泥中SS與VSS，提升沼氣產(chǎn)量。而高鐵酸鉀法為一種綠色強(qiáng)氧化劑，對(duì)有機(jī)物具有更強(qiáng)的氧化性能，不僅具有殺死致病菌的作用，還可增強(qiáng)脫水效率。因其與剩余污泥中的微生物及有機(jī)物進(jìn)行接觸后生物細(xì)胞會(huì)破壞，從而生物胞內(nèi)的溶出率得到提升。

2生物法

在剩余污泥中投放酶制劑或投放可生產(chǎn)胞外酶的微生物，使其經(jīng)過水解催化作用，從而將剩余污泥中的有機(jī)物進(jìn)行溶解。在其破壞有機(jī)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，轉(zhuǎn)化有機(jī)物為無機(jī)物或小分子物質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)剩余污泥生化降解性。相關(guān)研究結(jié)果表明，在剩余污泥中投放蛋白酶、復(fù)合酶及單一淀粉，且蛋白酶與復(fù)合酶配比為1：3時(shí)，水解酸化效果得到到最佳，還提升了VSS去除率，在降低污泥高分子有機(jī)的情況下，極大破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

3物理法

物理法能破壞剩余污泥中微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并有效釋放細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物。

（1）熱處理法。熱處理在通過有效控制剩余污泥處理工藝溫度，破壞剩余污泥中的生物細(xì)胞，最終提高胞內(nèi)物溶出率，是一種較為傳統(tǒng)的處理技術(shù)。據(jù)相關(guān)研究指出，在170℃下對(duì)剩余污泥進(jìn)行處理，可提高SCOD溶出率，提升厭氧消化產(chǎn)氣效率；在130℃下對(duì)剩余污泥進(jìn)行處理，可提升酵產(chǎn)氣量；在180℃～210℃在進(jìn)行處理，不僅污泥上清液COD溶出率提升至30%，其VS去除率也可提升至58%，甲烷產(chǎn)量有所提升。

（2）微波處理法。微博處理法在通過對(duì)有機(jī)質(zhì)氫鍵進(jìn)行破壞后，使剩余污泥細(xì)胞皮進(jìn)一步破壞，最終使胞內(nèi)物質(zhì)溶出水解。剩余污泥在微波水解170℃下，且經(jīng)過10min反應(yīng)后，污泥微生物細(xì)胞壁遭到破壞；當(dāng)微波時(shí)間延長時(shí)，污泥中的VS去除率隨之增加，VS去除率可達(dá)32.9%；在1250W的微波下進(jìn)行剩余污泥處理，并經(jīng)過21天的溫厭氧化消化后可提升沼氣產(chǎn)量。

（3）超聲波處理法。超聲波的聲波頻率高于20kHz，當(dāng)液體體系在超聲波中達(dá)到具備的強(qiáng)度時(shí)，液體體系就會(huì)發(fā)生變化。而在剩余污泥中存在較多微生泡，實(shí)施超聲波處理法可使其產(chǎn)生大小不一的小氣泡，并使小氣泡發(fā)生爆炸，在這高溫及高強(qiáng)度的壓力下，微生物細(xì)胞壁便可破解，且內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，最終將大量胞內(nèi)有機(jī)物進(jìn)入液相。而頻率較低的超聲波具有增強(qiáng)剪切力與產(chǎn)生空化氣泡的作用，對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞具有更強(qiáng)的作用效果。

4聯(lián)合法

為獲取更好的細(xì)胞破壁效果，聯(lián)合法通過細(xì)胞破壁的不同原理及剩余污泥處理的方式進(jìn)行有效處理。主要包括：熱與堿聯(lián)合處理、微波與堿聯(lián)合處理、超聲波與堿聯(lián)合處理。熱與堿聯(lián)合處理是通過50℃或70℃的條件下加快有機(jī)物的水解速率，進(jìn)而提高胞內(nèi)物釋放率及破壁效率。微波與堿聯(lián)合處理與熱與堿聯(lián)合處理原理相近，當(dāng)堿投放量為15mgNaOH/gTS時(shí)、微波功率為490W時(shí)，便可提高污泥上清液SCOD溶出率。超聲波與堿聯(lián)合處理可溶解60.2%的污泥VS，當(dāng)超聲密度達(dá)0.188W/mL，且pH=10時(shí)，可提升污泥上液清的SCOD濃度。

5結(jié)語

剩余污泥在進(jìn)行處理對(duì)設(shè)備要求較為苛刻。化學(xué)法對(duì)設(shè)備及材料上要求較高，適用性較差；而生物法在對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，要求生物制劑為廉價(jià)高效才可實(shí)施；剩余污泥在經(jīng)過高溫?zé)犷A(yù)處理時(shí)，反應(yīng)時(shí)間較長；在超聲波預(yù)處理時(shí)，具備一定的經(jīng)濟(jì)效益；在微波預(yù)處理時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用及能耗上花費(fèi)較大。而聯(lián)合法將以上幾種預(yù)處理法的破壁效率有效提高，在進(jìn)行剩余污泥預(yù)處理時(shí)，局域經(jīng)濟(jì)效益高、耗能較低的特點(diǎn)。為此，聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)是未來剩余污泥細(xì)胞破壁預(yù)處理技術(shù)的主要突破點(diǎn)。