污泥預(yù)處理的幾種新技術(shù)

張?jiān)磩P,王洪臣,莊 健

(中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100872)

污泥預(yù)處理的幾種新技術(shù)

張?jiān)磩P,王洪臣,莊 健

(中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100872)

介紹了幾種污泥預(yù)處理新技術(shù)：電磁場(chǎng)預(yù)處理技術(shù)、輻射預(yù)處理技術(shù)、生物水解預(yù)處理技術(shù),分析它們的原理、特點(diǎn)、處理效果以及今后研究方向,旨在為污泥資源化技術(shù)發(fā)展提供參考。

剩余污泥；資源化；預(yù)處理技術(shù)；厭氧消化

污水處理廠在處理污水過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥,污泥體積通常占污水處理總體積的0.3%～1.0%[1]。目前我國(guó)每年排放的干污泥大約為130萬(wàn)t,并以大約10%的速率增加[2]。剩余污泥中含有大量的污染物,如重金屬、內(nèi)分泌干擾劑、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴以及二噁英等[4],這些污染物如果得不到妥善處理,會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。剩余污泥的處理費(fèi)用巨大,一般占城市污水處理廠總費(fèi)用的40%～60%[3]。目前對(duì)污泥處理多采用污泥厭氧消化的方法[5]。厭氧消化過(guò)程主要有水解、酸化、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷4個(gè)階段,其中,水解過(guò)程由于厭氧微生物所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大部分存在于污泥絮體以及微生物的細(xì)胞膜(壁)內(nèi)部原生質(zhì)中,胞外分泌酶無(wú)法與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)充分有效地接觸,嚴(yán)重限制了厭氧消化的速率[6]。因此,要對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理,即破碎污泥絮體和污泥細(xì)胞膜(壁),使?fàn)I養(yǎng)基質(zhì)得以釋放,加快整個(gè)厭氧消化過(guò)程[7-8]。

為提高污泥厭氧消化效率,許多污泥破壁或溶胞預(yù)處理技術(shù)正在研發(fā)之中。筆者綜述國(guó)內(nèi)外已有報(bào)道且具有良好應(yīng)用前景的幾種污泥預(yù)處理技術(shù),將這些技術(shù)歸納為電磁場(chǎng)、輻射以及生物處理等污泥預(yù)處理技術(shù),并分析它們的原理、特點(diǎn)、處理效果以及發(fā)展方向。

1 污泥電磁場(chǎng)預(yù)處理技術(shù)

電磁場(chǎng)預(yù)處理技術(shù)主要包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及電磁波等處理技術(shù)。電場(chǎng)和電磁波方面主要包括聚焦脈沖技術(shù)和微波技術(shù);而在磁場(chǎng)方面,國(guó)內(nèi)外的主要研究方向是加強(qiáng)活性污泥法污水處理效果[9]和污泥脫水性能的改善[10]。李帥等[11]在研究磁場(chǎng)對(duì)污泥的脫水性能時(shí),發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)作用下,污泥濾液中的COD和N質(zhì)量濃度都在短時(shí)間內(nèi)升高,COD質(zhì)量濃度的最大變化率為60%,說(shuō)明在磁場(chǎng)作用下,污泥細(xì)胞有一定程度的破壁,因此磁場(chǎng)污泥預(yù)處理技術(shù)有望成為一種有效的污泥預(yù)處理技術(shù)。本文推薦使用強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)進(jìn)行污泥預(yù)處理,因?yàn)殡S著磁場(chǎng)強(qiáng)度或脈沖數(shù)的增加,磁場(chǎng)殺菌效果越好[12],污泥破壁效果也可能更好。

1.1 聚焦脈沖預(yù)處理技術(shù)

聚焦脈沖(FP)技術(shù)盡管在醫(yī)學(xué)破壁和食物殺菌方面為人所熟知[13-14],但對(duì)其提高厭氧消化效率方面的研究仍較少。聚焦脈沖在水中電弧放電,可以產(chǎn)生沖擊波、紫外線輻射以及各種自由基[15],同時(shí)在高壓條件下,細(xì)胞膜會(huì)產(chǎn)生電穿孔[16],這些都可以促使污泥細(xì)胞破碎,溶出胞內(nèi)有機(jī)物。研究[17-20]表明：①當(dāng)采用較弱的電場(chǎng)時(shí),可使細(xì)胞膜形成可逆電擊穿,即電場(chǎng)所誘導(dǎo)的細(xì)胞膜電穿孔在一定條件下可以重新封閉;②隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,細(xì)胞膜孔數(shù)增多,孔徑增大,當(dāng)達(dá)到一定程度后膜孔就不能再封閉,從而造成不可逆擊穿,使細(xì)胞死亡、破裂。在污泥預(yù)處理中,主要是運(yùn)用電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞膜不可逆擊穿原理。20世紀(jì)60年代后期,Sale等[21-22]首次采用多個(gè)高壓電脈沖對(duì)微生物細(xì)胞進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在電場(chǎng)作用下溶解或死亡。聚焦脈沖電穿孔機(jī)理見(jiàn)圖1[23]。圖1中,正負(fù)電極分別與聚焦脈沖電源和地面連接,絕緣的細(xì)胞膜在快速變化的電場(chǎng)中發(fā)生極化。這是由于磷脂分子是極性分子,隨著電荷的積累,膜間電壓升高。如果膜間電壓超過(guò)了某一閾值,細(xì)胞膜間由于引力引起的壓力就會(huì)破壞磷脂雙分子層而形成小孔。

圖1 聚焦脈沖電穿孔機(jī)理示意圖

細(xì)胞電穿孔機(jī)理主要研究電脈沖的幅度、寬度、波形以及個(gè)數(shù)等參數(shù)對(duì)細(xì)胞膜通透性變化的影響。脈沖寬度與幅度之間存在互補(bǔ)關(guān)系,即降低脈沖幅度,就需要加寬脈沖時(shí)程來(lái)彌補(bǔ)。細(xì)胞穿孔的效率往往與脈沖幅度與寬度的乘積成正比[24]。在細(xì)胞穿孔的大多數(shù)試驗(yàn)中,使用DC方波脈沖[25]和RC指數(shù)衰減形脈沖[26]的研究表明,如果脈沖在峰電壓擊穿細(xì)胞之后,能以較低的電壓維持膜孔洞開(kāi)放一段時(shí)間,則有利于提高細(xì)胞電穿孔的效率,因此,RC指數(shù)衰減形脈沖往往比相同的DC方波脈沖更有效[27]。增加脈沖個(gè)數(shù)能增大細(xì)胞穿孔的效果,后續(xù)

式中：TI為聚焦脈沖對(duì)污泥的處理強(qiáng)度,(kW·h)/m3; V為脈沖電壓,(kg·m2)/(C·s2);D為脈沖寬度,s; f為脈沖頻率,1/s;e為樣品的電導(dǎo)率,S/m;L為電極間的距離,m;HRT為污泥樣品在脈沖電場(chǎng)中停留的時(shí)間,s;K為單位轉(zhuǎn)換常數(shù),用來(lái)評(píng)估污泥處理強(qiáng)度對(duì)COD生成CH4的影響,取2.8×10-7(kW·h)/J。

Hanna等[30]利用聚焦脈沖處理剩余污泥后,發(fā)現(xiàn)SCOD/TCOD以及污泥中胞外多聚物ECP成分的含量分別增加了4.5倍和6.6倍。厭氧消化后,甲烷產(chǎn)量提高了2.5倍。美國(guó)OpenCELTM產(chǎn)品已經(jīng)在梅薩市西北污水處理廠中得到應(yīng)用[31],經(jīng)處理后的剩余污泥中,溶解性化學(xué)需氧量SCOD以及溶解性有機(jī)碳DOC分別增加了160%和120%。當(dāng)剩余污泥處理率為60%時(shí),甲烷產(chǎn)量增加了40%以上。經(jīng)計(jì)算,聚焦脈沖預(yù)處理所提高的產(chǎn)甲烷量與回收的熱能之和達(dá)到了聚焦脈沖預(yù)處理所消耗能量的18倍。即使不考慮回收的熱能,污泥產(chǎn)甲烷量的增量也達(dá)到輸入能量的2.7倍。聚焦脈沖預(yù)處理運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示,設(shè)備安裝投資成本回收期不會(huì)超過(guò)3年。

聚焦脈沖技術(shù)不但明顯地提高了污泥厭氧消化效率,而且減少了厭氧消化過(guò)程中的臭味和泡沫等,因此可能在污水處理廠中能得到廣泛應(yīng)用。今后聚焦脈沖技術(shù)的研究方向在以下幾個(gè)方面：①改變脈沖的形式,如使用振蕩電場(chǎng),使除了具有壓縮磷脂雙分子層的效果之外,還會(huì)產(chǎn)生電-機(jī)械力耦聯(lián)效應(yīng)[32],可能會(huì)提高污泥處理的效果;②聯(lián)合其他預(yù)處理工藝,提高污泥處理能力;③改善脈沖電場(chǎng)處理室的材料和構(gòu)造,因?yàn)樵诿}沖處理過(guò)程中,處理室會(huì)受到很大的腐蝕[33];④增加污泥處理量,因?yàn)樗褂玫碾妷簯?yīng)可以產(chǎn)生幾個(gè)kV/cm的強(qiáng)電場(chǎng),而限制了污泥處理室的容積。

1.2 微波預(yù)處理技術(shù)

微波是一種頻率從300 MHz～300 GHz,即波長(zhǎng)在1 m～0.1 mm范圍的電磁波[34]。目前用于工業(yè)目的的微波頻率一般為915 MHz和2 450 MHz。微波對(duì)微生物的作用可分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)兩種。微波熱效應(yīng)主要有偶極極化損耗、界面極化損耗等機(jī)制[35-36],而對(duì)非熱效應(yīng)原理至今還具有很大的爭(zhēng)議。

目前,微波污泥預(yù)處理技術(shù)的研究較為熱門(mén)。脈沖的積累成活率比第一脈沖下降得更快[28]。

聚焦脈沖預(yù)處理污泥能夠有效提高污泥溶解性有機(jī)物濃度和污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷效率,并且具有較高的能效。聚焦脈沖對(duì)污泥處理強(qiáng)度的計(jì)算公式為Cigdem等[37]認(rèn)為,雖然污泥處理的前7 d微波對(duì)產(chǎn)氣影響不大,但明顯提高了污泥厭氧消化的性能。Eskicioglu等[38]的研究表明,微波對(duì)污泥絮體的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜具有破壞能力,使污泥釋放胞內(nèi)外溶解性顆粒COD有機(jī)物質(zhì)(如蛋白質(zhì),多糖,核酸等)。在96℃溫度下,當(dāng)污泥停留時(shí)間為5 d時(shí),污泥中總固體TS和揮發(fā)性固體VS的去除率比常溫下處理的去除率提高了32%和26%;而當(dāng)污泥停留時(shí)間為20 d時(shí),同樣操作條件下TS和VS去除率提高了16%和12%,說(shuō)明溫度和污泥停留時(shí)間對(duì)微波提高污泥厭氧性都具有影響。Park等[39]發(fā)現(xiàn)經(jīng)微波處理后的剩余污泥中,產(chǎn)氣量和COD去除率分別提高了79%和65%,同時(shí),污泥停留時(shí)間可由原來(lái)的15 d縮短至8 d。Eskicioglu等[40]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度、處理強(qiáng)度以及污泥濃度對(duì)污泥溶解性的影響較大。

微波預(yù)處理技術(shù)處理速度快、效果好,可有效溶解污泥細(xì)胞壁,提高厭氧消化效率,但運(yùn)行費(fèi)用較高,限制了其廣泛應(yīng)用。今后應(yīng)以降低能耗為著手點(diǎn),研究影響微波處理效率的因素,找出最佳工況,并聯(lián)合其他處理工藝,進(jìn)一步提高厭氧消化效果,降低能耗。微波應(yīng)用前景較好,值得進(jìn)一步研究,并推動(dòng)其在工程上的廣泛應(yīng)用。

2 污泥輻射預(yù)處理技術(shù)

輻射技術(shù)用于廢物處理最早始于20世紀(jì)50年代[41]。目前輻射類(lèi)型主要有兩種：①由同位素60Co及137Cs作為輻照源產(chǎn)生γ射線;②利用電子加速器加速出來(lái)的高能電子束。基于輻射的污泥處理技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、高效率、低能耗等特點(diǎn),因此應(yīng)加以提倡和推廣[42]。

TensorFlow是谷歌研發(fā)的第二代人工智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，它是一個(gè)依靠數(shù)據(jù)流圖進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的開(kāi)源軟件庫(kù)。它可以用于包括機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在內(nèi)的各個(gè)方面的研究。由于其高度的靈活性、優(yōu)良的可移植性以及多語(yǔ)言的支持，如今已成為最受歡迎的深度學(xué)習(xí)工具，本文的LSTM算法同樣基于TensorFlow工具進(jìn)行試驗(yàn)開(kāi)發(fā)。

2.1 γ射線預(yù)處理法

60Co和137Cs都能有效地產(chǎn)生γ射線進(jìn)行污泥處理,但在工業(yè)上普遍使用60Co,這是因?yàn)?37Cs半衰期為30年,有可能會(huì)引起核泄漏[43]。ˇCUBA等[44]的實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)γ射線(16 kGy)處理后的污泥產(chǎn)氣量提高了22%。文獻(xiàn)[45]發(fā)現(xiàn)γ射線還可以提高污泥的沉降性、脫水性,能抑制污泥發(fā)泡。YUAN等[46]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),污泥經(jīng)過(guò)γ射線處理后,總固體TS、揮發(fā)性固體VS、懸浮物SS以及揮發(fā)性懸浮物VSS都在減少,而且隨著輻射劑量從0增加到30 kGy時(shí),污泥粒徑分布從80～100 μm降低到0～40 μm,這表明污泥絮體受到破壞。由于污泥細(xì)胞溶出胞內(nèi)物質(zhì),SCOD升高。輻射劑量分別為2.48 kGy,6.51 kGy和11.24 kGy處理過(guò)的污泥,產(chǎn)氣量分別增加了44%,98%和178%。鄭正等[47]的實(shí)驗(yàn)表明,在較低輻射劑量(2.48 kGy)下,SCOD增加了178.7%;當(dāng)輻射劑量增至10～20 kGy時(shí),SCOD的增加率超過(guò)500%。經(jīng)10 kGy輻射劑量處理后的污泥產(chǎn)氣比率有顯著提高。當(dāng)污泥停留時(shí)間為8 d, 12 d和20 d時(shí),污泥產(chǎn)氣比率分別增加了52.6%, 53.5%和37.6%。牟艷艷等[48]研究發(fā)現(xiàn),γ射線輻照預(yù)處理方法可有效改善厭氧消化污泥的物化性質(zhì)：①可降低污泥中有機(jī)質(zhì)顆粒的大小,增加細(xì)菌胞外酶接觸底物的幾率,從而提高厭氧消化的水解速率;②破壞污泥中微生物的細(xì)胞壁,提高污泥厭氧消化的有效成分;③提高污泥厭氧消化系統(tǒng)的抗酸性能;④γ射線與水分子發(fā)生反應(yīng)生成活性物質(zhì)OH·、H·,提高污泥厭氧消化的速率。

可見(jiàn),γ射線預(yù)處理法可有效進(jìn)行污泥破壁,提高厭氧消化速率。但關(guān)于γ射線污泥預(yù)處理法的研究相當(dāng)少,今后研究的方向?qū)⑹牵孩俳档挺蒙渚€預(yù)處理法裝置的基建費(fèi)用;②研究影響γ射線預(yù)處理法污泥處理效果的因素,如輻射劑量、輻射時(shí)間、污泥溫度、污泥含水率以及污泥層厚度等,進(jìn)而優(yōu)化運(yùn)行參數(shù),提高污泥處理效率;③研究和其他預(yù)處理技術(shù)(如加堿等)相結(jié)合的污泥處理方法;④提高γ射線預(yù)處理法的安全性以及γ射線產(chǎn)生量。

2.2 電子束預(yù)處理技術(shù)

電子束預(yù)處理技術(shù)不需要添加額外的化學(xué)試劑,不生成副產(chǎn)物,并且可以通過(guò)由輻射產(chǎn)生的OH·來(lái)降解有毒難處理的物質(zhì)[49]。當(dāng)高能電子束輻射純水時(shí),在10-7s內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[50]：

方括號(hào)中的數(shù)字表示每吸收100eV的能量時(shí),水中產(chǎn)生的各種自由基的數(shù)量。這個(gè)反應(yīng)也可以在污泥中發(fā)生,因?yàn)槲勰嘀泻写罅康乃?。Park等[51]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在輻照劑量為20 kGy下,污泥層厚度為1.0 cm,0.75 cm,0.5 cm以及0.25 cm中的SCOD分別增加了49%,54%,97%和147%,并且發(fā)現(xiàn)輻照時(shí)間從0.3 s增加到1.2 s過(guò)程中,SCOD增加量并不明顯,但是蛋白質(zhì)含量增加了5倍,從而得出結(jié)論：污泥層厚度是影響污泥中有機(jī)物溶解的重要參數(shù),輻照時(shí)間是影響污泥細(xì)胞溶胞的重要參數(shù)。SHIN等[52]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電子束輻射處理污泥后的24 h期間,總化學(xué)需氧量TCOD釋放了30%～52%,揮發(fā)性脂肪酸VFAs大約增加了90%,并且厭氧消化時(shí)間縮短了一半。此外實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),污泥的pH值不影響電子束污泥處理效果,在SCOD增加較快的期間,氧化還原電位(oxidation-reductionpotential,ORP)曲線下降,而當(dāng)SCOD曲線趨于平衡時(shí),ORP曲線開(kāi)始上升,由此可將ORP作為一個(gè)快速表征污泥水解的參數(shù)。CAO等[53]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著輻射劑量的增大,SCOD、溶解性總氮STN等迅速增加,而混合液污泥濃度MLSS大幅度減小,說(shuō)明此時(shí)污泥細(xì)胞破解溶出大量細(xì)胞內(nèi)物質(zhì);并且當(dāng)污泥層為5 cm時(shí)處理效果較好,處理后的污泥zeta電位趨近于零,說(shuō)明污泥的沉降性能變好。

電子束污泥預(yù)處理技術(shù)具有高效、快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景較好。今后的研究方向應(yīng)在于：①確定影響電子束預(yù)處理技術(shù)的因素,優(yōu)化工況參數(shù);②與其他預(yù)處理技術(shù)聯(lián)用,提高污泥處理效果;③提高電子束預(yù)處理技術(shù)的安全性。

3 污泥生物水解預(yù)處理技術(shù)

采用生物技術(shù)處理污泥,由于具有可持續(xù)性、無(wú)害化、安全以及對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),得到了許多研究者的青睞。目前,生物水解預(yù)處理技術(shù)主要包括生物酶預(yù)處理技術(shù)和生物強(qiáng)化預(yù)處理技術(shù)。隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展,生物水解預(yù)處理技術(shù)具有較好的發(fā)展前景。

生物酶水解技術(shù)已經(jīng)有了30多年的研究歷史,許多種類(lèi)的酶在廢物處理當(dāng)中起著重要的作用。先前的研究結(jié)果表明,額外添加酶類(lèi)可以提高污泥厭氧消化效率,并可改善酶類(lèi)的沉降性能[54],降低處理成本[55],控制簡(jiǎn)單,產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)害[56]。Guang等[57]將胞外聚合物(EPS)分成松散(LB-EPS)和緊密(TB-EPS)兩部分,并根據(jù)酶系列實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,認(rèn)為蛋白酶主要作用于污泥顆粒,α-淀粉酶和α-葡糖苷酶作用于松散的胞外聚合物(LB-EPS),只有很少部分的蛋白酶、α-淀粉酶和α-葡糖苷酶作用在緊密的胞外聚合物(TB-EPS)。44%～65%的α-淀粉酶和59%～100%的α-葡糖苷酶作用在LB-EPS,表明污泥絮體水解部分主要是蛋白質(zhì)和碳水化合物。Roman等[58]將纖維素酶和鏈霉蛋白酶E分單一和混合兩種投加方式來(lái)處理污泥,結(jié)果表明,經(jīng)混合投加方式處理后的污泥,污泥量減少了80%,顆粒型COD去除了93%,總化學(xué)需氧量TCOD去除了97%,總懸浮固體TSS從25 g/L降低到5g/L,減少了80%。而單一投加方式對(duì)污泥的溶解、COD以及TSS卻幾乎沒(méi)有影響,但所有方式的投加酶都可以降低揮發(fā)性脂肪酸VFAs。由于VFAs積累可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵失敗,所以得出結(jié)論是額外添加酶可從降低VFAs,污泥減量,以及由于pH值穩(wěn)定而保證消化穩(wěn)定等方面,說(shuō)明可以提高厭氧消化效率。Andres等[59]的實(shí)驗(yàn)表明,污泥被生物酶處理后,其在脈沖電場(chǎng)中停留的時(shí)間縮短了30%,這意味著反應(yīng)器容積可以大大減小,不僅降低加熱和攪拌的能耗,而且還可以降低基建的費(fèi)用。

生物酶預(yù)處理技術(shù)可有效提高污泥溶解性以及厭氧消化效率,大大提高產(chǎn)甲烷能力,不需要特殊的反應(yīng)設(shè)備,反應(yīng)條件溫和,不產(chǎn)生2次污染物,所以具有良好的應(yīng)用前景。由于酶的種類(lèi)繁多及其本身特性,今后研究方向應(yīng)包含：①研究利用不同種類(lèi)的酶進(jìn)行污泥預(yù)處理,尋找其最佳組合;②由于酶類(lèi)對(duì)環(huán)境較敏感,所以要研究最佳的工況參數(shù)(如pH、溫度等)和最佳投加量;③提高生物工程技術(shù),生產(chǎn)低廉高效生物酶試劑。

3.2 生物強(qiáng)化預(yù)處理技術(shù)

生物強(qiáng)化預(yù)處理是向污泥中投加具有特定功能的微生物來(lái)改善污泥厭氧消化性能,充分發(fā)揮微生物的潛力。微生物可以改變或者破壞污泥絮體的結(jié)構(gòu)和成分。研究發(fā)現(xiàn),絲狀真菌具有很強(qiáng)的釋放蛋白質(zhì)、酶、有機(jī)酸以及其他代謝產(chǎn)物的能力[60],可以抑制或減少堿性物質(zhì)以保持pH平衡,降解有機(jī)物。根據(jù)Molla等[61]的研究,混入絲狀真菌可以通過(guò)加強(qiáng)其他菌分泌酶的能力來(lái)加快基質(zhì)的分解。通過(guò)生物強(qiáng)化后,沼氣產(chǎn)量會(huì)大大提高。Miah等[62]通過(guò)接種高溫消化菌種AT,沼氣產(chǎn)量增加了2.2倍。Tepe等[63]通過(guò)向厭氧發(fā)酵池中投加桿菌、假單胞菌以及放線菌等來(lái)提高產(chǎn)甲烷量,當(dāng)加入細(xì)菌量為5 g/L時(shí),純甲烷產(chǎn)量提高了29%,丙酸殘留濃度降低了46%,此外,CH3SH生成量降低了63%,大大減少了發(fā)酵過(guò)程中的臭味。Miah等[64]利用菌種SPT2-1進(jìn)行污泥預(yù)處理,此菌種可以分泌蛋白酶以及蛋白酶等胞外酶,在有氧條件下使污泥溶解速度加快了大約40%,而在厭氧條件下生物沼氣產(chǎn)量提高了1.5倍。

從已有的研究成果發(fā)現(xiàn),生物強(qiáng)化技術(shù)在一定程度上和酶強(qiáng)化技術(shù)重合,只是生物酶的來(lái)源不同。兩種處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)基本一樣,有較好的發(fā)展前景。今后研究方向應(yīng)為：①由于菌種繁多,應(yīng)明確起主要作用的是哪一種或者哪一類(lèi)菌種;②確定最優(yōu)化的菌種劑量,提高經(jīng)濟(jì)性;③利用生物工程技術(shù),培養(yǎng)出高效的菌種試劑。

4 結(jié) 語(yǔ)

雖然現(xiàn)有的污泥預(yù)處理技術(shù)種類(lèi)繁多,但實(shí)際應(yīng)用方面的研究不夠深入和全面。今后,研究工作應(yīng)該著眼于實(shí)際生產(chǎn),解決相關(guān)技術(shù)投資高、能耗大以及不經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。本文筆者所論述的污泥預(yù)處理技術(shù),都有良好的發(fā)展應(yīng)用發(fā)展空間,值得深入研究。

[1]卓英蓮,周興求.污泥接種量對(duì)剩余污泥水解酸化的影響研究[J].中國(guó)給水排水,2009,25(23)：34-37. (ZHUO Yinglian,ZHOU Xingqiu.Effect of inoculated sludge quantity on hydrolysis and acidification[J].China Water&Waste Water,2009,25(23)：34-37.(in Chinese))

[2]張義安,高定,陳同斌,等.城市污泥不同處理處置方式的成本和效益分析：以北京市為例[J].生態(tài)環(huán)境, 2006,15(2)：234-238.(ZHANG Yian,GAO Ding, CHEN Tongbin,et al.Economical evaluation of different techniques to treatment and dispose sewage sludge in Beijing[J].Ecology and Environment,2006,15(2)：234-238.(in Chinese))

[3]MA H,ZHANG S,LU X,et al.Excess sludge reduction using pilot-scale lysis-cryptic growth system integrated ultrasonic/alkalinedisintegrationandhydrolysis/ acidogenesis pretreatment[J].Bioresource Technology, 2012,116：441-447.

[4]ESKICIOGLU C,PROROT A,MARIN J,et al.Synergetic pretreatment of sewage sludge by microwave irradiation in presence of H2O2for enhanced anaerobic digestion[J]. Water Research,2008,42(18)：4674-4682.

[5]APPELS L,BAEYENS J,DEGRèVE J,et al.Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge[J].Progress in Energy and Combustion Science, 2008,34(6)：755-781.

[6]EASTMAN JA,FERGUSONJF.Solubilizationof particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion[J].Journal Water Pollution Control Federation,1981,53：352-366.

[7]CHOI H B,HWANG K Y,SHIN B B.Effects on anaerobic digestion of sewage sludge pretreatment[J].Water Science and Technology,1997,35(10)：207-211.

[8]CLIMENT M,FERRER I,BAEZA M M,et al.Effects of thermal and mechanical pretreatments of secondary sludge on biogas production under thermophilic conditions[J]. Chemical Engineering Journal,2007,133(1)：335-342.

[9]NIShouqing NI Jianyuan,YANG Ning,et al.Effect of magnetic nanoparticles on the performance of activated sludge treatment system[J].Bioresource Technology, 2013,143：555-561.

[10]李帥,邊炳鑫.磁場(chǎng)對(duì)污泥脫水性能影響研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2007,33(1)：12-14.(LI Shuai,BIAN Bingxin.Study on effect of magnetic treatment on sludge dewater ability[J].Environmental Protection Science, 2007,33(1)：12-14.(in Chinese))

[11]李帥,邊炳鑫,周正.磁場(chǎng)對(duì)活性污泥脫水性能的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2007,20(3)：119-123.(LI Shuai, BIAN Bingxin,ZHOU Zheng.Study on effect of magnetic treatment on sludge dewatering ability[J].Research of Environmental Sciences,2007,20(3)：119-123.(in Chinese))

[12]楊巧絨,高夢(mèng)祥,馬海樂(lè).強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)的殺菌效果及對(duì)食品品質(zhì)的影響[J].微波學(xué)報(bào),2004,20(3)：82-85. (YANG Qiaorong,GAO Mengxiang,MA Haile,et al. Sterilization effectofpulsedmagneticfieldandits influence on food quality[J].Journal of Microwaves, 2004,20(3)：82-85.(in Chinese))

[13]MIZUNO A,HORI Y.Destruction of living cells by pulsed high-voltage application[J].IEEETransactionson Industry Applications,1988,14(3)：387-394.

[14]DEVLIEGHERE F,VERMEIREN L,DEBEVERE J.New preservation technologies：possibilities and limitations [J].International Dairy Journal,2004,14(4)：273-285.

[15]?UNKA P.Pulse electrical discharges in water and their applications[J].Physics of Plasmas,2001,8(5)：2587-2594.

[16]RITTMANN B E,LEE H S,ZHANG H,et al.Full-scale application of focused-pulsed pre-treatment for improving biosolids digestion and conversion to methane[J].Water Sci Technol,2008,58(10)：1895-1901.

[17]NEUMANN E,ROSENHECK K.Permeability changes induced by electric impulses in vesicular membranes[J]. Journal of Membrane Biology,1972,10(1)：279-290.

[18]NEUMANN E,ROSENHECKK.Potentialdifference across vesicular membranes[J].J Membr Biol,1973,14：194-196.

[19]COSTER H G L,ZIMMERMANN U.Dielectric breakdown in the membranes of Valonia utricularis.The role of energy dissipation[J].Biochimica et Biophysica Acta,1975,382 (3)：410-418.

[20]KINOSITA K,TSONG T Y.Survival of sucrose-loaded erythrocytes in the circulation[J].Nature,1978,272：258-260.

[21]SALE A J H,HAMILTON W A.Effects of high electric fields on microorganisms：I.killing of bacteria and yeasts [J].Biochimica et Biophysica Acta,1967,148(3)：781-788.

[22]SALE A J H,HAMILTON W A.Effects of high electric fields on micro-organisms：III.Lysis of erythrocytes and protoplasts[J].Biochemica et Biophysica Acta,1968, 163：37-43.

[23]KOPPLOW O,BARJENBRUCH M,HEINZ V.Sludge pretreatment with pulsed electric fields[J].Water Science& Technology,2004,49(10)：123-129.

[24]CHANG D C,SAUNDERS,J A,SOWERS A E.Guide to electroporation and electrofusion[M].Salt Lake City：Academic Press Inc.,1992.

[25]KINOSITA K,TSONG T Y.Formation and resealing of pores of controlled sizes in human erythrocyte membrane [J].Nature,1977,268：438-441.

[26]SOWERS A E.Characterization of electric field-induced fusion in erythrocyte ghost membranes[J].Journal of Cell Biology,1984,99(6)：1989-1996.

[27]CHANG D C,CHASSY B M,SAUNDERS J A,et al.Guide to electroporation and electrofusion[M].Salt Lake City：Academic Press Inc.,1992.

[28]汪和睦,魯玉瓦,謝廷棟,等.細(xì)胞的電融合：一種改進(jìn)的平行多電極系統(tǒng)[J].科學(xué)通報(bào),1987(13)：1032-1035.(WANG Hemu,LU Yuwa,XIE Tingdong,et al.Cell electrofusion：an improved parallel multi electrode system [J].Science Bulletin,1987(13)：1032-1035.(in Chinese))

[29]SALERNO M B,LEE H S,PARAMESWARAN P,et al. Using a pulsed electric field as apretreatmentfor improved biosolids digestion and methanogenesis[J]. Water Environment Research,2009,81(8)：831-839.

[30]CHOI H,JEONG S W,CHUNG Y.Enhanced anaerobic gas production of waste activated sludge pretreated by pulse power technique[J].Bioresource Technology, 2006,97(2)：198-203.

[31]RITTMANN B E,LEE H S,ZHANG H,et al.Full-scale application of focused-pulsed pre-treatment for improving biosolids digestion and conversion to methane[J].Water Science and Technology,2008,58(10)：1895-1901.

[32]CHANG D C.Cell poration and cell fusion using an oscillating electric field[J].Biophysical Journal,1989,56 (4)：641-652.

[33]QIN B,ZHANG Q,BARBOSA-CáNOVAS G V,et al. Pulsed electric field treatment chamber design for liquid food pasteurization using a finite element method[J]. Transactions of the ASAE,1995,38(2)：557-565.

[34]趙春暉,張朝柱.微波技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2007.

[35]王劍虹,嚴(yán)蓮荷,周申范,等.微波技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理,2003,23(4)：18-22. (WANG Jianhong,YAN Lianhe,ZHOU Shenfan,et al. Applicationofthemicrowavetechnologytothe environmental protection[J].Industrial Water Treatment, 2003,23(4)：18-22.(in Chinese))

[36]WHITTAKER A G,MINGOS D M P.Tau he application of microwave heating to chemical syntheses[J].Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy,1994,29 (4)：195-220.

[37]ESKICIOGLU C,TERZIAN N,KENNEDY K J,et al.A thermal microwave effects for enhancing digestibility of waste activated sludge[J].Water Research,2007,41 (11)：2457-2466.

[38]ESKICIOGLUC,DROSTERL,KENNEDYKJ. Performance of continuous flow anaerobic sludge digesters aftermicrowavepretreatment[C]//Proceedingsof WEFTEC.Alexandria：Water Environment Federation, 2006：526-540.

[39]PARK B,AHN J H,KIM J,et al.Use of microwave pretreatment for enhanced anaerobiosis of secondary sludge [J].Water Science and Technology,2004,50(9)：17-23.

[40]ESKICIOGLU C,KENNEDY K J,DROSTE R L.Initial examinationofmicrowavepretreatmentonprimary, secondary and mixed sludges before and after anaerobic digestion[J].Water Science and Technology,2008,57 (3)：311-317.

[41]BORRELY S I,CRUZ A C,DEL MASTRO N L,et al. Radiation processing of sewage and sludge：a review[J]. Progress in Nuclear Energy,1998,33(1)：3-21.

[42]牟艷艷.γ射線輻照預(yù)處理對(duì)污泥厭氧消化性質(zhì)的影響及其機(jī)理研究[D].南京：南京大學(xué),2005.

[43]WANG J.Application of radiation technology to sewage sludge processing：a review[J].Journal of Hazardous Materials,2007,143(1)：2-7.

[44]ˇCUBA V,POSPí?IL M,MùˇCKA V,et al.Electron beam/ biological processing of anaerobic and aerobic sludge[J]. Czechoslovak Journal of Physics,2003,53(1)：369-374.

[45]LAFITTE-TROUQUE S,FORSTER C F.The use of ultrasound and γ-irradiation as pre-treatments for the anaerobic digestion of waste activated sludge at mesophilic andthermophilictemperatures[J].Bioresource Technology,2002,84(2)：113-118.

[46]YUAN S,ZHENG Z,MU Y,et al.Use of gammairradiation pretreatment for enhancement of anaerobic digestibilityofsewagesludge[J].Frontiersof Environmental Science&Engineering in China,2008,2 (2)：247-250.

[47]鄭正,袁守軍,張繼彪,等.γ射線輻照預(yù)處理加速污泥厭氧消化[J].環(huán)境化學(xué),2006,25(3)：297-300. (ZHENG Zheng,YUAN Shoujun,ZHANG Jibiao,et al. Accelerationthespeedofsewagesludgeanaerobic digestion by γ-irradiation pretreatment[J].Environmental Chemistry,2006,25(3)：297-300.(in Chinese))

[48]牟艷艷,袁守軍,崔磊,等.γ射線預(yù)處理對(duì)改善污泥厭氧消化特性的影響研究[J].核技術(shù),2005,28(10)：751-754.(MOU Yanyan,YUAN Shoujun,CUI Lei,et al. Effect of gamma-irradiation pretreatment on improvement of anaerobic digestive characteristic of sludge[J].Nuclear Techniques,2005,28(10)：751-754.)

[49]KIM TH,LEEJK,LEEMJ.Biodegradability enhancement oftextilewastewaterbyelectronbeam irradiation[J].Radiation Physics and Chemistry,2007,76 (6)：1037-1041.

[50]HYUN S H,YOUNG J C,KIM I S.Inhibition kinetics forpropionate degradation using propionate enriched mixed cultures[J].Water Science and Technology,1998,38 (8)：443-451.

[51]PARK W,HWANG M H,KIM T H,et al.Enhancement in characteristics of sewage sludge and anaerobic treatability by electron beam pre-treatment[J].Radiation Physics and Chemistry,2009,78(2)：124-129.

[52]SHIN K S,KANG H.Electron beam pretreatment of sewage sludge before anaerobic digestion[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,2003,109(1/3)：227-239.

[53]CAO C S,WANG M.Treatment of municipal sewage sludge by electron beam irradiation[J].Nuclear Science and Techniques,2012,23(1)：29-33.

[54]WAWRZYNCZYK J,RECKTENWALD M,NORRL?W O, et al.Thefunctionofcation-bindingagentsinthe enzymatic treatment of municipal sludge[J].Water Research,2008,42(6)：1555-1562.

[55]BEIJER R.Enzymatic treatment of wastewater sludge in presence of a cation binding agent：improved solubilisation and increasedmethaneproduction[D].Link?ping：Link?ping University,2008.

[56]AHUJA S K,FERREIRA G M,MOREIRA A R.Utilization of enzymes for environmental applications[J].Critical Reviews in Biotechnology,2004,24(2/3)：125-154.

[57]YU G H,HE P J,SHAO L M,et al.Enzyme activities in activated sludge flocs[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2007,77(3)：605-612.

[58]ROMAN H J,BURGESS J E,PLETSCHKE B I.Enzyme treatment to decrease solids and improve digestion of primarysewagesludge[J].AfricanJournalof Biotechnology,2006,5(10)：963-967.

[59]DONOSO-BRAVO A,FDZ-POLANCO M.Anaerobic codigestion of sewage sludge and grease trap：assessment of enzyme addition[J].Process Biochemistry,2013,48：936.

[60]COULIBALY L,GOURENE G,AGATHOS N S.Utilization of fungi for biotreatment of raw wastewaters[J].African Journal of Biotechnology,2004,2(12)：620-630.

[61]MOLLA A H,FAKHRU'L-RAZI A,ABD-AZIZ S,et al. In-vitro compatibility evaluation of fungal mixed culture for bioconversion of domestic wastewater sludge[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2001,17(9)：849-856.

[62]MIAH M S,TADA C,YANG Y,et al.Aerobic thermophilic bacteria enhance biogas production[J].Journal of Material Cycles and Waste Management,2005,7(1)：48-54.

[63]TEPE N,YURTSEVER D,MEHTA R J,et al.Odor control duringpost-digestionprocessingofbiosolidsthrough bioaugmentation of anaerobic digestion[J].Water Science and Technology,2008,57(4)：589-594.

[64]MIAH M S,TADA C,YANG Y,et al.Aerobic thermophilic bacteria enhance biogas production[J].Journal of Material Cycles and Waste Management,2005,7(1)：48-54.

New technologies for sludge pretreatment

ZHANG Yuankai,WANG Hongchen,ZHUANG Jian
(School of Environment and Natural Resources,Renmin University of China,Beijing 100872,China)

This paper introduces several new technologies for sludge pretreatment,which include electromagnetic field pretreatment technology,radialization pretreatment technology,and biological hydrolysis pretreatment technology.The theories,characteristics,and treatment efficiencies of these technologies are described.The future development of the technologies is analyzed.This study provides references for the development of sludge resource recovery technologies.

wasted sludge;resources recovery;pretreatment technology;anaerobic digestion

X703

A

10046933(2014)04007107

20131005 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.015

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX07316-001);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA063404)

張?jiān)磩P(1986—)男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗廴究刂乒こ?。E-mail：zyk11@ruc.edu.cn

王洪臣,教授。E-mail：whc@ruc.edu.cn