污泥厭氧消化預(yù)處理探究

黃垚志

（武漢輕工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

0 引言

當(dāng)今工業(yè)化世界面臨的主要問題之一是解決環(huán)境污染和確定有效的處理方法。在過去的幾十年里，利用活性污泥包括特定的微生物來處理各種廢水得到了廣泛的應(yīng)用，活性污泥已經(jīng)成為工業(yè)廢水處理中應(yīng)用最廣泛的生物材料。而廢水生物處理的主要副產(chǎn)品是剩余污泥,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(diǎn)，如不加以妥善處理，任其排放，將會(huì)造成二次污染。歐共體的剩余污泥的處理費(fèi)用已經(jīng)占整個(gè)污水處理費(fèi)用的25%～65%.并呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。如何控制剩余污泥的產(chǎn)生及發(fā)展污泥減量化技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。

目前處理的難度在于剩余污泥含水率極高導(dǎo)致其難以清除。而厭氧污泥消化既可以有效清除剩余污泥,還可用于污泥穩(wěn)定，使污泥揮發(fā)性固體物質(zhì)減少，產(chǎn)生沼氣。故近年來厭氧污泥消化成為一種新的剩余污泥處理技術(shù)，厭氧消化過程一般分為水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個(gè)階段。

由于水解步驟對(duì)于厭氧消化產(chǎn)生限制性，為了減輕該步驟的影響，將采取預(yù)處理的方法加速水解，提高反應(yīng)效率。預(yù)處理的方法多種多樣比如熱解；堿化；超聲和機(jī)械消解等。這些處理方式可以加速活性污泥的水解，減小顆粒大小，從而促進(jìn)厭氧消化的進(jìn)行。

熱處理對(duì)提高厭氧消化率和脫水性能產(chǎn)生極大地影響。堿化預(yù)處理也被用于溶解各種底物，如木質(zhì)纖維素材料或活性污泥。林等研究表明，氫氧化鈉預(yù)處理提高了活性污泥的化學(xué)需氧量和揮發(fā)性固體的還原、產(chǎn)氣和脫水能力。超聲裂解是一種高效的提取細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的方法，而機(jī)械預(yù)處理對(duì)活性污泥的效果也與上述其他預(yù)處理方法相同。張等對(duì)活性污泥的機(jī)械預(yù)處理進(jìn)行了研究，確定在30 bar處噴射到碰撞板上并與之碰撞，使污泥溶解。

綜上所述，很多研究都是針對(duì)活性污泥的厭氧消化預(yù)處理進(jìn)行研究，與未預(yù)處理相比，多采用單一的預(yù)處理方法。然而，關(guān)于厭氧消化的各種預(yù)處理方法的報(bào)道很少。預(yù)處理(機(jī)械預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、超聲波預(yù)處理和熱化學(xué)預(yù)處理)對(duì)增溶、粒徑減小和甲烷產(chǎn)量提高的影響。此外，為提高甲烷治理效率和提高甲烷產(chǎn)量，還在探索一條切實(shí)可行的途徑。

1 厭氧消化污泥預(yù)處理方法及效果

活性污泥的脫水是非常困難的，為了了解污泥中水的性質(zhì)，人們做了大量的科研工作，水相通常被定義為自由水和結(jié)合水。結(jié)合水需要更高的能量才能被移除，有些能量根本無法移除。這種結(jié)合水含量是影響除水效率的主要限制因素之一。只有通過改變污泥結(jié)構(gòu)的預(yù)處理工藝才能達(dá)到較高的固體干重:改變污泥絮凝體結(jié)構(gòu)，打開細(xì)菌細(xì)胞，釋放細(xì)胞含量。水解釋放的細(xì)胞水富含溶解的有機(jī)化合物。溶解的成分既可以用來提高后續(xù)生物降解過程的效率，也可以用來回收氮和磷等有用的成分。其它應(yīng)用包括污泥脫水的改善、病原體的減少或抑制。熱處理時(shí)，溫度范圍在40-180℃。污泥中的碳水化合物和脂質(zhì)易于降解，而蛋白質(zhì)受細(xì)胞壁的保護(hù)，不受酶解作用。在60-180℃的低溫范圍內(nèi)，熱預(yù)處理破壞細(xì)胞壁，使蛋白質(zhì)易于生物降解。熱能的輸入主要通過換熱器或蒸汽對(duì)污泥的作用來實(shí)現(xiàn)。

多年來，人們已經(jīng)知道，熱預(yù)處理可以改善污泥的脫水性能。美國(guó)學(xué)者布魯克斯觀察溶解樣品的有機(jī)質(zhì)和初級(jí)污泥的混合物,并在40-60%和20-35%的含量分別加熱170℃時(shí)實(shí)驗(yàn)與市政污水污泥，結(jié)果表明最高水解速率可以在165-180℃之間發(fā)生，加熱時(shí)間10-30 分鐘時(shí)對(duì)結(jié)果沒有影響。溶解的成分在消化過程中很容易降解。此外，脫水能力顯著增加[1]。

張毅華等報(bào)道了高溫處理污水污泥的效果。結(jié)果表明，在150℃以上的高溫條件下，污泥的脫水性能有較大的提高，而在180℃以上的高溫條件下，脫水效果更為明顯。但是，在這些較高的溫度下，他們還報(bào)道了難降解化學(xué)需氧量化合物的形成，化學(xué)需氧量是化學(xué)破壞廢水有機(jī)化合物所需的氧氣量。作為研究的一部分，他們觀察了一些選定的水相，并得出結(jié)論，約三分之一的水相化學(xué)需氧量是無法治療的。張等研究了低溫?zé)崽幚?，以獲得提高消化率的脫水性的一些好處，同時(shí)避免了高溫?zé)崽幚碇谐霈F(xiàn)的問題[6]。

張萌等研究表明，未消化和已消化污泥的脫水性是有可能得到改善的，175℃大約是消化被抑制前的消化率極限(可能是由于抑制和/或難降解化合物的形成)。結(jié)果表明，活性污泥對(duì)消化率的影響最大，但在175℃時(shí)，所有污泥的脫水效果都較好。高溫導(dǎo)致天然氣產(chǎn)量下降。熱解作為預(yù)處理對(duì)消解器的性能有很好的影響[5]。

嚴(yán)媛媛等人進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)酶預(yù)處理混合污泥和食物垃圾的厭氧生物甲烷生產(chǎn)潛力進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)真菌預(yù)處理混合污泥的生物甲烷產(chǎn)量是未預(yù)處理活性污泥的2.5 倍。然而，利用超聲波作為預(yù)處理手段，已經(jīng)成功地提高了產(chǎn)甲烷量和沼氣池性能。采用超聲波預(yù)處理麥秸和牛糞混合料，分別在186 mL/g TS(總固體)、6.04 kJ/gTS 和2.88kJ/g TS 條件下進(jìn)行了產(chǎn)甲烷總量、凈能量和能量效益的測(cè)定。超聲用于產(chǎn)甲烷顆粒評(píng)價(jià)反應(yīng)器的性能時(shí)，脫氫酶活性和三磷酸腺苷含量分別提高了257%和374%。謝等人在厭氧污泥中應(yīng)用0.2 W/cm2的低強(qiáng)度超聲處理10 分鐘，發(fā)現(xiàn)厭氧污泥活性增強(qiáng)，同時(shí)有機(jī)去除效率提高30%。然而，上述研究研究的是一種超聲波清洗浴，其中厭氧污泥采取100 毫升血清瓶。鍍液的固定頻率為35khz，功率從0 到80w 不等。在上流式厭氧污泥包層反應(yīng)器(1s/min,0.05W/mlUS密度)中，在COD/m3為2 kg 的有機(jī)負(fù)荷條件下，在常溫和中溫條件下，反應(yīng)器對(duì)啤酒廢水CH4 的產(chǎn)率分別提高了38%和19%。此外,在上述研究應(yīng)用超聲波降解法(每30年代2 s,0.0015 W /毫升的密度)干燥,系統(tǒng)相同的2 公斤有機(jī)負(fù)荷報(bào)道,甲烷產(chǎn)量增加了40%通過減少固體含量從12%到10%,表明高固體含量減少了我們的效果。在上述研究中，我們觀察到不同的污泥產(chǎn)率，即86.1%和94.3%的COD 去除被轉(zhuǎn)化為CH4，而其余13.9%和5.7%的COD 去除在對(duì)照組中可能被轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，并被超聲處理反應(yīng)器。李等研究了5 種不同的中溫體系，評(píng)價(jià)了超聲波處理對(duì)食物垃圾厭氧生物降解性的影響，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)超聲處理效果優(yōu)于預(yù)處理。上述研究報(bào)告了67%的VSS 去除效率和3.2 LCH4/L 反應(yīng)器產(chǎn)甲烷率，有機(jī)負(fù)荷為11.7 kg COD/m3。上述研究表明，在輸入能量為500 kJ/kgTS 的情況下，甲烷產(chǎn)量增加了28%，而對(duì)于TS 含量較高的豬糞和原生污泥，超聲是一種更有效的預(yù)處理工藝[3]。

牟艷艷等采用高溫二氧化鈣協(xié)同熱水解預(yù)處理技術(shù)，提高了活性污泥發(fā)酵短鏈脂肪酸的產(chǎn)量。優(yōu)化了各種預(yù)處理?xiàng)l件，包括加熱溫度、過氧化氫濃度和時(shí)間。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,最佳預(yù)處理?xiàng)l件的溫度67.4 攝氏度,二氧化鈣0.12 g / g VSS和時(shí)間19 h,在最大SCFAs 產(chǎn)量達(dá)到336.5 毫克的鱈魚/ g VSS 5 天的發(fā)酵后,與醋酸的比例占70.1%。機(jī)理研究表明，二氧化鈣和熱處理對(duì)污泥的增溶和短鏈脂肪酸的產(chǎn)生具有正向協(xié)同作用。與單純的控制、熱處理和添加二氧化鈣相比，熱處理的二氧化鈣不僅促進(jìn)了有機(jī)物的釋放，而且增加了可生物降解有機(jī)物的比例，從而為后續(xù)短鏈脂肪酸的生產(chǎn)提供了更多的有機(jī)物。結(jié)果表明，熱氧化鈣預(yù)處理提高了產(chǎn)酸酶和水解酶的活性，同時(shí)抑制了產(chǎn)甲烷菌的輔酶活性。此外，熱氧化鈣預(yù)處理和后續(xù)發(fā)酵在去除難降解有機(jī)污染物和活性污泥中所含病原體方面效果良好。進(jìn)一步分析表明，在活性污泥處理過程中，熱二氧化鈣預(yù)處理是一種既可回收有價(jià)值的碳源，又可去除難降解污染物的有效方法[4]。

多種預(yù)處理方式的不斷更新，不僅能夠加速厭氧消化反應(yīng)，在很大程度上能夠保證污泥的快速處理，提升負(fù)荷量，在環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益增強(qiáng)的今天，預(yù)處理方法能夠極大地緩解污泥難處理的問題，能夠使污泥的含水率降低，更加快速的反應(yīng)，同時(shí)，通過不同預(yù)處理方法的混合使用，減少了處理的成本，此外污泥原有的處理方式從填埋和焚燒逐步升級(jí)為厭氧消化，這是對(duì)環(huán)境保護(hù)和土壤保護(hù)的貢獻(xiàn)，加速厭氧消化進(jìn)程也就是在不斷提升環(huán)境保護(hù)的能力。

2 厭氧消化污泥預(yù)處理對(duì)環(huán)境保護(hù)的影響

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有效利用能源、減少環(huán)境污染、降低安全生產(chǎn)事故頻次，防止突發(fā)環(huán)境事件，確保生命安全的重要性日益凸顯。制定并執(zhí)行環(huán)保政策和措施，致在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)改善人民的生活質(zhì)量，已經(jīng)成為我國(guó)民生工程的關(guān)注點(diǎn)。保護(hù)環(huán)境不僅關(guān)乎人們的生存環(huán)境，也影響著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。環(huán)境保護(hù)就是研究和防止由于人類生活、生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)使自然環(huán)境惡化，進(jìn)而尋求控制、治理和消除各類因素對(duì)環(huán)境的污染和破壞，并努力改善環(huán)境、美化環(huán)境、保護(hù)環(huán)境，使它更好的適應(yīng)人類生活和工作需要。換句話說，環(huán)境保護(hù)就是運(yùn)用環(huán)境科學(xué)的理論和方法，在更好地利用自然資源的同時(shí)，深入認(rèn)識(shí)污染和破壞環(huán)境的根源及危害，有計(jì)劃地保護(hù)環(huán)境，預(yù)防環(huán)境質(zhì)量惡化，控制環(huán)境污染，促進(jìn)人類與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，提高人類生活質(zhì)量，保護(hù)人類健康，造福子孫后代。其中厭氧消化污泥預(yù)處理切實(shí)有效的方式。多種預(yù)處理方法可以有效地減輕污泥含水率，現(xiàn)在已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)可以進(jìn)行工業(yè)化處理，在很大程度上能夠節(jié)約處理時(shí)間，縮減處理成本，在水處理廠，污泥消化處理一直是比較麻煩的問題，含水率極大地限制了反應(yīng)的速率。隨著國(guó)家排水標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，要求水處理和污泥處理的工藝不斷升級(jí)，預(yù)處理的方法能夠極大地改善這一問題，能夠幫助污水廠更好的達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，此外厭氧消化能夠產(chǎn)生一定量的甲烷氣體，這一新的清潔能源可以為污水處理廠提供能源，在一定程度上能夠節(jié)儉開支，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

3 結(jié)語

水解速率低是制約污泥化學(xué)能量回收利用的重要因素。為加快污泥水解速度，提高厭氧消化效率，探索了多種崩解方法。預(yù)處理可降解三維聚合物骨架(即EPS)，并破壞剛性細(xì)胞壁，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，同時(shí)提高或改變后續(xù)消解器的性能。在通常報(bào)告的方法中，經(jīng)常同時(shí)研究機(jī)械、熱力和化學(xué)過程，并在商業(yè)上實(shí)施若干專利技術(shù);建立標(biāo)準(zhǔn)化的必要性應(yīng)該成為未來重要的研究課題，以幫助行業(yè)確定最經(jīng)濟(jì)有效的共處理路線，確保污泥的最佳轉(zhuǎn)化和能源回收。能夠?qū)Νh(huán)境保護(hù)作出積極的貢獻(xiàn)，尤其是節(jié)能減排。與處理的方式極大程度上減輕了對(duì)能源的依賴，減少了能源消耗量。