城市污泥厭氧消化前處理技術研究概況

趙傳軍

（北京機電院高技術股份有限公司，北京 100027）

城鎮(zhèn)污水處理廠污泥（簡稱污水污泥）屬于污水凈化過程的產物，可分為初沉污泥和剩余污泥。污水污泥具有產量大、成分復雜的特點，除含有大量有機質和氮磷等營養(yǎng)物質外，還含有一定量的有害化學物質，如不妥善處置，將會對周圍環(huán)境和人類健康造成重大危害。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）規(guī)定，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥應進行穩(wěn)定化處理后再利用[1]。我國目前常用的污泥穩(wěn)定化方法主要有厭氧消化、好氧消化和好氧堆肥，相對于污泥好氧穩(wěn)定，污泥厭氧消化可以達到很好的穩(wěn)定效果，城市污泥可經濃縮/厭氧消化/脫水后達到減量化和穩(wěn)定化的目的，實現(xiàn)后續(xù)的農用，產生的可回收燃氣（氫氣、沼氣等）可被綜合利用。污泥厭氧消化產氣不僅可以解決污泥的出路問題，還可實現(xiàn)污泥的資源化利用，具有很高的應用價值。

污泥厭氧消化是利用厭氧菌和兼性菌進行消化反應，使污泥中的有機物質分解，達到污泥穩(wěn)定化的處理技術。消化過程產生的氣體（沼氣、氫氣）可作為生物質能源回收利用，不僅可以降低污水處理廠的能耗，還可以減少溫室氣體的排放。傳統(tǒng)的厭氧消化方式存在處理效率低、反應時間長和產氣量不足等問題，因而在很大程度上限制了厭氧消化技術的發(fā)展。水解階段是污泥消化過程中的限速階段，在污泥厭氧消化過程中，可以采用一定處理方法對污泥進行前處理，使微生物細胞壁破裂水解，從而提高有機質的降解率和消化的產氣量。目前研究較多的污泥厭氧消化前處理技術有熱水解預處理、超聲波預處理、輻射預處理、加堿預處理和臭氧氧化預處理，以及這些技術的不同組合等，以達到最優(yōu)化的工藝條件。

1 熱水解處理

熱水解處理工藝可以有效提高污泥的厭氧消化性能，提高后續(xù)厭氧消化系統(tǒng)的有機物去除率，增大甲烷的產氣量，提高污泥的脫水性能。目前，常用的熱水解處理溫度范圍為40℃～180℃[2]，也有的溫度范圍為150℃～250℃。研究發(fā)現(xiàn)，采用180℃高溫預處理污泥，甲烷產量成倍增長[3]，但是溫度過高時，水解生成的中間產物在一定程度上會抑制厭氧消化。污泥熱水解不僅可以使污泥細胞溶解，污泥水解后形成的中間產物更適合作為微生物的生長基質。Rocher等[4]研究發(fā)現(xiàn)，污泥在pH=10、溫度60℃條件下水解處理20min，污泥細胞溶解和生物降解穩(wěn)定，污泥產率是常規(guī)活性污泥法的38%～43%。王治軍等[5]通過測定生物化學甲烷勢（BMP）考察熱水解處理對污泥厭氧消化性能的影響，得到熱水解處理最佳條件為溫度170℃、30min，此條件下污泥厭氧消化總化學需氧量（TCOD）去除率達到56.78%，污泥中TCOD沼氣產率提高到250mL/g，隨著水解溫度的升高，污泥的產氣率和有機物去除率升高，在170℃時達到最大值，而水解時間對厭氧消化的影響在低溫時比高溫時更顯著，但是熱水解對沼氣中的甲烷含量沒有顯著影響。Mavi Climenta等[6]對高溫熱處理剩余污泥進行了研究，采用可過濾揮發(fā)性固體（FVS）與總揮發(fā)性固體（TVS）的比值（FVS/TVS）考察熱處理對污泥破解程度的影響，結果發(fā)現(xiàn)FVS/TVS隨著處理溫度和時間的增大而增大，同時還證實了與未經處理污泥相比較經熱水解處理（T = 134℃，t = 90min），F(xiàn)VS/TVS增加（914±5）%，但是產氣效果沒有變化，而低溫熱處理污泥（T = 70℃，t = 9h），F(xiàn)VS/TVS增加（751±36）%，同時產氣量增加50%。Y-.Y. Li等[7]對熱預處理活性污泥用于厭氧消化進行了研究，分別在溫度范圍62℃～175℃時間為15、30、60、90和120min對污泥進行熱處理，經分析，污泥中的有機顆粒被分解為可溶性醣類、蛋白質、脂類或者轉化為低分子量物質（如揮發(fā)性脂肪酸），經熱處理后污泥的厭氧降解性和產氣量升高，厭氧消化停留時間縮短了5d，最佳熱處理條件為溫度170℃、60min，在此條件下COD去除率超過60%，產氣量為223～235mL/g·COD。綜上，影響污泥熱水解處理的因素中，溫度和時間是首先要考慮的主要因素，隨著溫度的升高，污泥的水解速率和水解程度增大，厭氧消化性能提高，但溫度過高時會對污泥厭氧消化的影響減弱，同時會有抑制水解物質的生成，因此熱水解處理工藝研究方向是在盡量降低能耗的基礎上確定前處理的最佳工藝參數(shù)。

2 超聲波預處理

超聲波技術利用本身的高密度能量將污泥中細胞破解使胞內物質溶出，促進厭氧消化反應并提高有機物去除效率。同時超聲波具有的高能量可殺死污泥中的微生物和病原菌等從而達到無害化的處理效果。超聲波技術具有設備簡單、占地面積小、可操作性強等特點。近年來許多人做過利用超聲波技術預處理污泥用于厭氧消化方面的研究。沈勁鋒等[8]的研究表明，超聲波預處理后污泥的后續(xù)中溫厭氧消化性能得到明顯改善，超聲波處理加速了有機物水解并提高了總產氣量，超聲波改變了污泥絮體結構，而且強度越大，對污泥的破壞程度越大，處理后污泥的粒徑越小?？梢?，超聲波強度會影響對污泥的處理效果，類似的研究也證明了這一結論。A.Tiehm等[9]采用3kHz高強度超聲波對污水污泥進行預處理，處理后污泥上清液的COD增加，固體顆粒粒徑變小，經超聲波處理后污泥的產氣量提高了2.2倍。

不僅超聲波的強度會對污泥破解效果產生影響，超聲波頻率的不同對污泥的處理效果也存在差異，有研究證明，低頻率超聲波的處理效果優(yōu)于高頻率超聲波[10]。超聲波破解污泥過程的影響因素有很多，Antti等[11]利用球形和矩形超聲波反應器考察了超聲波能量、頻率、污泥干固體濃度、溫度和反應時間等因素對污泥處理效果的影響，通過多元素分析得出以下結論：超聲波能耗、污泥干固體濃度（DS）、污泥溫度和輻射時間對污泥破解影響最為顯著，且高強度短時間超聲波處理比低強度長時間對污泥的破解效果更為顯著。蔣建國等[12]的研究證實影響污泥超聲波破解效果的主要因素為超聲波頻率、聲能密度和作用時間，并證實雙頻超聲波對污泥SCOD溶出效果優(yōu)于單頻。另外，還有研究證實超聲波還可以有效控制污泥厭氧消化系統(tǒng)內的浮沫[13]。

超聲波處理技術作用機理復雜，工藝條件復雜，處理效果受污泥多種參數(shù)（壓力、溫度、黏度等）以及超聲波發(fā)生設備的影響較大，距離實際應用還需要更深入的研究。

3 輻射預處理

輻射法預處理污泥是利用輻射源釋放的射線對污泥進行照射處理，目前研究較多的有γ-射線輻射和高能電子束輻射預處理方法。鄭正等[14]研究了γ-射線輻照預處理厭氧消化污泥，結果表明，經過γ-射線輻照后的污泥厭氧消化特性明顯改善，平均粒徑減小，粒徑分布由70～120μm向0～40μm遷移，經10kGy輻照處理后污泥厭氧消化產氣量明顯增加，消化性能得到很大改善。Kyung-Sook Shin等[15]進行了高能電子束預處理污水污泥用于厭氧消化的研究，輻照計量為0.5k～10kGy，經過24h輻照處理后的TCOD為35%～50%的污水污泥完全溶解，污泥細胞破裂，大量溶解COD、蛋白質和醣類溶出，經過高能電子束輻照處理后的污泥消化反應速率將提高1倍。輻射法預處理污泥可以提高污泥厭氧消化效率，提高產氣量，但是此方法對操作技術要求高，能耗相對較大，實際應用還需要進一步研究。

4 加堿預處理

堿可以溶解脂類物質使污泥細胞破裂，可以提高污泥消化過程中污泥水解的速率，提高CODs產量，改善污泥的厭氧消化性能[16]，通常加入的堿類為NaOH或Ca(OH)2，污泥經過加堿后的脂類和蛋白質可以被充分利用，有助于厭氧消化過程的pH值被控制在產甲烷的最佳范圍內，從而達到提高甲烷產率的目的。林志高等[17]研究了加堿處理活性污泥用于厭氧消化，與未加堿處理的污泥進行比較，結果發(fā)現(xiàn)經加堿處理后污泥基質的去除率、產氣率、單位基質去除產生的甲烷量和產氣中的甲烷含量均有所增加，厭氧消化的反應速率也有所提高。肖本益等[18]研究了pH值對加堿預處理污泥進行厭氧發(fā)酵產氫，污泥的初始pH值是影響堿處理發(fā)酵產氫的一個重要因素，當污泥初始pH值為11.0時，堿處理污泥的氫產率最大，達14.4mL/g（VS）。

5 臭氧氧化處理

臭氧是一種活潑的氧化劑，可以與污泥中的化合物發(fā)生反應，通過氧化作用使細胞壁和細胞膜破解，進一步破壞污泥中不易水解的大分子物質從而提高污泥的消化性能[19]。Buning等認為，經過臭氧處理的污泥可以使蛋白質和多聚糖溶出，蛋白質繼續(xù)與臭氧反應而被分解，多聚糖則被繼續(xù)氧化[20]。王嶸等[21]研究發(fā)現(xiàn)，污泥濃度和溶解性有機物濃度隨著臭氧投加量的增加呈現(xiàn)減少和增加的趨勢，在臭氧投加量為0.13gO3/gVSS時，污泥的TSS減少39.6%，SCOD溶出60.6倍。臭氧氧化的效率主要取決于污泥的性質和操作條件，因而臭氧投加量和投加方式的控制較為復雜，使臭氧預處理污泥技術的應用受到一定限制。根據(jù)奧地利VATECH WABAG公司的研究結果[22]，該工藝能使污泥的有機固體平均降解率從45%提高到65%，氣產量增加30%～40%；減少1/4至1/3的厭氧消化池容積，在增加臭氧裝置后，投資建設總費用減少5%；節(jié)約加熱攪拌費用，與常規(guī)的污泥厭氧消化相比，運行費用略少。

Shuzo等[23]比較了采用熱處理、化學處理（添加NaOH）和熱-化學處理摻雜工業(yè)廢水的廢活性污泥，結果表明，熱化學處理后的污泥厭氧發(fā)酵效果最好，在經溫度130℃、時間5min、熱處理堿劑量為0.3gNaOH/gVSS處理后，甲烷產量提高了兩倍。J.Müller等[24]比較了臭氧氧化、超聲波處理、熱分解和化學處理等不同方法處理厭氧消化污泥，考察有機碳釋放率和隨后消化實驗中的固體揮發(fā)性降解率，結果表明，采用NaOH堿解污泥可以達到最大的有機碳釋放率，但堿解后污泥中鹽分含量過高，對厭氧消化存在不利影響，其中臭氧氧化處理后的污泥在隨后的厭氧消化試驗中可以達到最大的固體揮發(fā)性降解率。

6 不同處理技術聯(lián)合處理

鄭鎮(zhèn)等[25]采用堿-熱處理法對污水處理廠濃縮污泥進行處理，先用NaOH處理24h后再進行熱處理，BMP試驗結果表明：經堿-熱法處理后的污泥，SCOD去除率是同步法預處理污泥SCOD去除率的1.06～1.31倍，產氣量是同步法預處理污泥產氣量的1.08～1.31倍。結果證明，堿-熱法能有效提高污泥中有機物的可生化性，減少厭氧消化后污泥的剩余SCOD濃度，提高生物產氣量。楊潔[26]進行了堿和超聲波聯(lián)合處理厭氧消化污泥實驗，通過單獨堿處理、超聲波處理和堿-超聲波的共同處理污泥實驗，結果發(fā)現(xiàn)，堿和超聲波的組合方式對污泥的破解效果明顯優(yōu)于超聲波和堿單獨處理方式，不但污泥的水解速率得到提高，而且減少了堿的投加量，縮短了超聲波破解的時間。A.G. Vlyssides等[27]研究了活性污泥在經中溫（50℃～80℃）和pH = 8～11的前處理后厭氧消化的水解動力學和溶解特性，在溫度90℃、pH=11時活性污泥中可揮發(fā)性固體（VSS）濃度為6.82%，并且在10h內可溶性COD下降至70.00mg/L，總體甲烷產率為0.28L/gVSS。Chiu YC等[28]研究了堿處理、超聲波處理和兩種方式聯(lián)合處理污泥的厭氧消化試驗，超聲波頻率為20kHz、功率120W和堿劑量為40meq/LNaOH（14.4sec/mL）時，得到處理后污泥21h內的TVFA/TCOD值為84%。

7 結語

從發(fā)達國家的污泥處置現(xiàn)狀看，土地利用將是未來的發(fā)展趨勢，污泥厭氧消化技術未來將會被廣泛利用。我國“十二五”規(guī)劃也發(fā)布了一些政策鼓勵采用厭氧消化處理城市污泥。污泥的前處理與厭氧消化密不可分，因此，研究和開發(fā)高效合理的污泥厭氧消化前處理技術是污泥厭氧的發(fā)展方向之一。目前，各種前處理方法中，熱處理和堿處理法技術成熟，建設和運行成本較低；其他如超聲波處理、輻射處理等技術對工藝和操作要求高，實際應用還需要更進一步研究。各種污泥前處理方法作用機理不同，作用效果也有所差異，在實際工程應用中可以根據(jù)污泥的種類和性質選擇不同的預處理技術，或者選取不同技術的組合，要與厭氧消化工藝相結合以達到最優(yōu)化的處理效果。

[1]城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）[S].

[2]MULLER J A. Pretreatment processes for the recycling and reuse of sewage sludge[J].Water Science Technology, 2000, 42：167-174.

[3]肖本益，閻鴻，魏源送.污泥熱處理及其強化污泥厭氧消化的研究進展[J].環(huán)境科學學報，2009，（4）：673-680.

[4]Rocher M, Goma G, Begue A P. Towards a reduction in excess sludge production in an actived sludge process： biomass physicochemical treatment and biodegradation[J].Applied Microbiotechnology, 1999, 51(4)：883-890.

[5]王治軍，王偉.熱水解預處理改善污泥的厭氧消化性能[J].環(huán)境科學, 2005, 26（1）： 68-71.

[6]Mavi Climenta, Ivet Ferrerb, Madel Mar Baezac, et al. Effects of thermal and mechanical pretreatments of secondary sludge on biogas production under thermophilic conditions[J]. Chemical Engineering Journal, 2007, 133(1-3)：335-342.

[7]Y-.Y.Li, T.Noike. Upgrading of Anaerobic Digestion of Waste Activated Sludge Thermal Pretreatment[J].Water Science & Technology,1992,26(3-4)：857-866.

[8]沈勁鋒，殷絢，谷和平，等. 超聲波處理剩余活性污泥促進厭氧消化[J].化工環(huán)保，2006，26（4）：306-309.

[9]A.Tiehm, K.Nickel, U.Neis.The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge[J]. Water science and technology, 1997,36(11)：121-128.

[10]C.M.Braguglia, M.C.Gagliano, S.Rossetti. High frequency ultrasound pretreatment for sludge anaerobic digestion： Effect on floc structure and microbial population[J].Bioresource Technology, 2012, (110)： 43-49.

[11]Antti G H, Kirsi K. Ultrasound assisted method to increase soluble chemical oxygen demand (SCOD) of sewage sludge for digestion[J]. Ultras Sonochemistry, 2005 , 12 ：115-120.

[12]蔣建國，張妍，張群芳，等.超聲波對污泥破解及改善其厭氧消化效果的研究[J].環(huán)境科學，2008，29（10）：2815-2819.

[13]Muller C, Abu-Orf M, Blumen schein C, et al.The impact of ultrasound energy on mesophilic anaerobic digestion In： WEF Proceedings of the Residuals and Biosolids Management Conference, Covington, KY, 2005.

[14]鄭正，袁守軍，張繼彪，等. γ-射線輻照預處理加速污泥厭氧消化[J].環(huán)境化學，2006，25（3）：297-300.

[15]Kyung-Sook Shin，H O Kang. Electron Beam Pretreatment of Sewage Sludge Before Anaerobic Digestion[J].Applied Biochemistry and Biotechnology, 2003, (109)：227-239.

[16]李敏，郭靜，羅璟. 化學前處理——改善城市污水污泥厭氧消化處理的有效途徑[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，1997，10（4）：60-62.

[17]林志高，張守中.廢棄活性污泥加堿預處理后厭氧消化的試驗研究[J].給水排水，1997，（1）：10-15.

[18]肖本益，劉俊新. pH值對堿處理污泥厭氧發(fā)酵產氫的影響[J].科學學報，2005，50（24）：25-29.

[19]Scheminske A，KrullR，Hempel D C.Oxidative Treatment of Digested Sewage Sludge with Ozone [J]Water Science Technology, 2000, 42（9）：151-158.

[20]Jiunn Jyilay. Modeling and Optimzation of Anaerobic Digested-sludge Converting Starch to Hydrogen[J].Biotechnology and Bioengineering，2000，68（3）： 269-278.

[21]王嶸，萬金保，吳聲東，等. 臭氧氧化對活性污泥特性的影響[J].化工進展，2008，27（5）：773-794.

[22]Robert Vranitzky, Dr.Josef Lahnsteiner. Sewage sludge disintegration using ozone-a method of enhancing the anaerobic stabilization of sewage sludge[J]，2005，22(3)：1-16.

[23]Shuzo Tanaka, Toshio Kobayashi, Ken-ichi Kamiyama，et al. Effects of thermochemical pretreatment on the anaerobic digestion of waste activated sludge[J].Water Science and Technology，1997，35（8）： 209-215.

[24]SCHEMINSKI A. KRULL R., HEMPEL D. C. Oxidative treatment of digested sewage sludge with ozone[J]Water science and technology，2000，42（9）：0273-1223.

[25]鄭鎮(zhèn)，劉彬，虞旭.堿-熱法預處理改善污泥厭氧消化性能的試驗研究[J].水資源與水工程學報，2011，21（3）：110-112.

[26]楊潔.堿和超聲波預處理技術促進污泥厭氧消化效能及機理研究[D].天津：天津大學，2008：1-66.

[27]A.G.Vlyssides,P.K. Karlis.Thermal-alkaline solubilization of waste activated sludge as a pre-treatment stage for anaerobic digestion[J].Bioresource Technology，2004，91（2）： 201-206.

[28]Chiu YC, Chang CN, Lin JG, et al. Alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before anaerobic digestion[J].Water science and technology，1997，36（11）： 155-162.