市政污泥預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

李方志，劉曉峰，張 浩，劉新立，劉 波

（湖南軍信環(huán)保股份有限公司，長(zhǎng)沙 410000）

市政污泥預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

李方志，劉曉峰，張 浩，劉新立，劉 波

（湖南軍信環(huán)保股份有限公司，長(zhǎng)沙 410000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)市政污泥產(chǎn)量將進(jìn)一步增加，污泥的處理及處置已成為制約我國(guó)發(fā)展的重要問(wèn)題。厭氧消化和脫水是污泥的主要處理技術(shù)，而污泥生物細(xì)胞破壞和結(jié)合水的釋放是限制厭氧消化和脫水的瓶頸。污泥預(yù)處理，可以破壞污泥的生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提高污泥厭氧消化及脫水效率?；诖耍疚木C述了國(guó)內(nèi)外污泥預(yù)處理技術(shù)的原理、特性及研究進(jìn)展。

市政污泥；預(yù)處理；厭氧消化；污泥脫水

市政污泥是城市污水處理廠在廢水處理過(guò)程中產(chǎn)生的一種生物質(zhì)殘片，其含水率高（大于95%）、組分復(fù)雜，一般含有病原菌、寄生蟲(chóng)、有機(jī)物及重金屬等物質(zhì)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2016年第三季度市政污水處理量為1.7億m3/d[2]，按照每萬(wàn)噸污水產(chǎn)生濕污泥約5 t計(jì)算（80%含水率），年產(chǎn)市政污泥將達(dá)到3 000萬(wàn)t。預(yù)計(jì)到2020年底，全國(guó)市政污水處理量達(dá)到2.69億m3/d[3]，隨著污水廠提標(biāo)改造的推進(jìn)，污泥產(chǎn)量將進(jìn)一步提高，大量市政污泥若不妥善處理處置，必將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

厭氧消化及脫水是污泥處理的主要方法，但由于污泥干物質(zhì)中含有大量微生物，微生物細(xì)胞壁及胞外聚合物是限制厭氧消化及脫水效率的主要瓶頸。因此，利用預(yù)處理破壞污泥的細(xì)胞壁及胞外聚合物，是目前污泥預(yù)處理研究的重點(diǎn)方向。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外污泥預(yù)處理技術(shù)的原理、特性及研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 物理預(yù)處理

物理預(yù)處理指通過(guò)外加能量或通過(guò)機(jī)械破壞污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，包括熱水解、超聲波、微波、凍融、機(jī)械處理等方法。

1.1 熱水解

熱水解是指通過(guò)高溫高壓破壞污泥中微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，釋放細(xì)胞內(nèi)部的大分子有機(jī)物及結(jié)合水，并將有機(jī)物快速水解，以改善脫水及厭氧消化的性能的方法。熱水解溫度一般控制在40℃～180℃，熱水解反應(yīng)速率、處理效果和溫度成正比，但超過(guò)200℃后易發(fā)生美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致厭氧消化效率下降。

熱水解工藝在國(guó)外應(yīng)用較為廣泛，20世紀(jì)30年代末，已有企業(yè)開(kāi)始應(yīng)用熱水解改善污泥脫水性能，康碧（Cambi）公司于1997年在挪威Hammer污水廠實(shí)現(xiàn)該工藝的工程化。我國(guó)熱水解工程化應(yīng)用目前在長(zhǎng)沙、北京和深圳等地已有熱水解工程化案例。尤其是長(zhǎng)沙污泥熱水解-高溫厭氧消化項(xiàng)目，從2014年投運(yùn)至今已穩(wěn)定運(yùn)行3年。

1.2 超聲波

超聲波是指頻率超過(guò)20 kHz的機(jī)械波，超聲波作用于污泥中的水分，產(chǎn)生“空穴效應(yīng)”，液體將瞬間經(jīng)歷大量微小氣泡的產(chǎn)生及破裂，在此過(guò)程中形成高強(qiáng)度剪切力，導(dǎo)致氣液相界面產(chǎn)生約4 726℃的超高溫及上百個(gè)大氣壓的超高壓，從而破壞污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，釋放有機(jī)物及結(jié)合水。超聲波的能量密度及作用時(shí)間等均和處理效果有密切關(guān)系。

葉運(yùn)弟等人研究了超聲波作用時(shí)間及能量密度對(duì)污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)作用時(shí)間及能量分別為15 s、700 J時(shí)，污泥含水率、污泥比阻（SRF）及污泥毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）等達(dá)到最優(yōu)效果，能量過(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致脫水性能相對(duì)下降[4]。Maria等人研究超聲波對(duì)污泥性狀的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波處理后的污泥絮體平均尺寸為22.3 um，體積相對(duì)減小了60.9%，并且污泥粘度降低、過(guò)濾性能提高，污泥脫水性能顯著改善。

1.3 微波

微波是一種頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，可轉(zhuǎn)化為熱能對(duì)污泥加熱，相對(duì)于傳統(tǒng)加熱，微波加熱更加均勻且內(nèi)部溫度高于外部。微波對(duì)污泥的作用包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，其中熱效應(yīng)為界面極化損耗及偶極極化損耗等機(jī)制，主要通過(guò)輻射加熱污泥，使污泥細(xì)胞溶解，而非熱效應(yīng)的原理尚無(wú)定論。

Park等人將污泥經(jīng)微波處理后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣量和溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）去除率分別提高了79%及65%，并且污泥停留時(shí)間（SRT）由15 d縮短至8 d[5]。Eskicioglu等人研究了微波溫度及停留時(shí)間對(duì)污泥結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，微波可有效破壞污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，釋放胞內(nèi)SCOD[6]。設(shè)定微波加熱溫度為96℃、SRT為5 d時(shí)，污泥中總固體物質(zhì)（TSS）和揮發(fā)性固體物質(zhì)（VSS）的去除率比常溫下提高了32%和26%；SRT為20 d時(shí)，TSS和VSS的去除率分別提高了16%和12%。目前，微波預(yù)處理尚未有成熟的工程應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)熱處理技術(shù)，微波因可提高加熱效率、縮短反應(yīng)時(shí)間，具有較好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景，但目前微波設(shè)備價(jià)格較貴且處理成本較高，限制了微波工藝的應(yīng)用。

其他物理處理方法如γ射線(xiàn)預(yù)處理法、電子束預(yù)處理法、凍融法等，目前主要集中在理論研究，本文不做贅述。

物理預(yù)處理作用時(shí)間短，對(duì)污泥后續(xù)處理效果改善顯著，其中熱水解、超聲波等已有較多工程應(yīng)用，但其存在投資運(yùn)行成本相對(duì)較高、使用設(shè)備多、操作復(fù)雜，易產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。因此，研究開(kāi)發(fā)出能效利用率高、操作運(yùn)行簡(jiǎn)便的工藝設(shè)備是后續(xù)研究的方向。

2 化學(xué)法

化學(xué)預(yù)處理是指通過(guò)投加化學(xué)藥劑氧化或溶解污泥中微生物的細(xì)胞壁、破壞胞外聚合物，以提高污泥厭氧消化效果及脫水性能，主要包括氧化預(yù)處理、酸堿預(yù)處理等。

2.1 氧化法

氧化法是指加入臭氧或芬頓（Fenton）等強(qiáng)氧化物質(zhì)或采用電化學(xué)氧化等方式，氧化溶解細(xì)胞壁，釋放細(xì)胞內(nèi)部有機(jī)物及結(jié)合水，同時(shí)將大分子有機(jī)物氧化成小分子有機(jī)物，進(jìn)而改善污泥消化及脫水性能。

洪晨等人采用Fenton試劑處理污泥，發(fā)現(xiàn)投加適量Fenton可大幅度降低CST及污泥濾餅含水率，但過(guò)量會(huì)導(dǎo)致濾餅含水率升高[7]。因此，采用氧化法處理污泥時(shí)，需要控制投加量，投加量過(guò)大，不僅會(huì)使成本上升，還導(dǎo)致有機(jī)物完全氧化，不利于污泥厭氧消化。曾麗等人以鈦、二氧化鉛板為陰、陽(yáng)電極，研究了不同電解電壓、極板間距、電解質(zhì)種類(lèi)及投加量條件下對(duì)污泥脫水性能的影響，研究顯示電化學(xué)預(yù)處理可有效改善污泥脫水性能，并且電解電壓影響最大，最優(yōu)參數(shù)為：處理時(shí)間20 min、電壓20 V、間距2 cm、電解質(zhì)為NaCl（0.6 g）[8]。

2.2 酸/堿法

酸/堿法是指通過(guò)加入酸或堿調(diào)節(jié)污泥pH，破壞污泥中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。堿處理對(duì)改善污泥厭氧消化性能效果較好，不同種類(lèi)的堿效果有所不同，一般氫氧化鈉＞氫氧化鉀＞氫氧化鎂＞氫氧化鈣，由于Na+或K+濃度過(guò)高會(huì)抑制污泥厭氧消化，因此堿鹽投加量不宜過(guò)高。

Devlin等人研究了酸處理對(duì)污泥消化的影響：用37%的鹽酸處理污泥后，污泥厭氧消化13 d的產(chǎn)氣量與原生污泥消化21 d的產(chǎn)氣量相當(dāng)[9]。Chang等人研究了氫氧化鈉投加量對(duì)污泥中SCOD濃度的影響，最優(yōu)效果為：當(dāng)氫氧化鈉投量為0.04 g/g TSS、污泥TSS濃度為1.5 g/L時(shí)，SCOD/TCOD超過(guò)了45%。

化學(xué)預(yù)處理投資成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，處理效果好，但藥劑用量大、運(yùn)行成本高、易產(chǎn)生副產(chǎn)物及二次污染，并且采用酸堿法預(yù)處理后的污泥往往不適宜直接進(jìn)行厭氧消化。

3 生物法

生物預(yù)處理一般是指通過(guò)投加生物酶制劑破壞污泥細(xì)胞，提高污泥消化及脫水性能的方法。生物酶包括可分泌酶的菌種及不同類(lèi)型的酶制劑，生物酶可催化分解污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)、大分子有機(jī)物等，提高污泥的脫水及消化性能。Barjenbruch等人采用溶菌酶處理剩余污泥，發(fā)現(xiàn)污泥經(jīng)處理后有機(jī)物降解率明顯提高，并且厭氧消化沼氣產(chǎn)量提高10%[10]。

生物預(yù)處理操作簡(jiǎn)單，無(wú)副產(chǎn)物及二次污染，是未來(lái)污泥預(yù)處理的重要發(fā)展方向。但目前生物酶的制備成本較高，效果不穩(wěn)定，工程化難度較大，需進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)制備成本低、處理效能高的生物酶制劑。

此外，上述預(yù)處理方法還可進(jìn)行聯(lián)用，如臭氧-超聲波結(jié)合、酸-堿聯(lián)合處理污泥等，相對(duì)單一預(yù)處理方法，處理效果更好。

3 結(jié)論

預(yù)處理可有效破壞污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，縮短厭氧消化停留時(shí)間，提高脫水效率，但各類(lèi)方法也均存在一定的不足。

（1）物理法效率高、效果好，其中熱水解在我國(guó)多地實(shí)現(xiàn)工程化，超聲波預(yù)處理在國(guó)外也有成功工程案例，但其存在建設(shè)運(yùn)行成本較高、操作復(fù)雜、存在二次污染等問(wèn)題，如能針對(duì)應(yīng)用中的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，該處理工藝具有較好的推廣應(yīng)用前景。

（2）化學(xué)法應(yīng)用廣泛、操作簡(jiǎn)便、效果好，但藥劑投加量大，易產(chǎn)生二次污染，不適宜直接進(jìn)行厭氧消化。因此，需充分結(jié)合污泥處理情況謹(jǐn)慎選擇化學(xué)預(yù)處理工藝。

（3）生物法操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染、反應(yīng)條件溫和，具有廣泛的發(fā)展前景，但制備成本較高，效果不穩(wěn)定，需進(jìn)一步研發(fā)制備成本低、處理效能高的生物酶制劑。

1 Sorensen B L，Dall O L，Habib K.Environmental and resource implications of phosphorus recovery from waste activated sludge[J].Waste Management，2015，（45）：391-399.

2 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于2016年第三季度全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行情況的通報(bào)[Z]，2016.

3 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃[Z]，2016.

4 葉運(yùn)弟，鄭 莉，周 力.超聲波能量對(duì)污泥脫水性的影響變化研究[J].輕工科技，2013，（9）：113-114.

5 B Park，JH Ahn，J Kim，etal.Use of microwave pretreatment for enhanced anaerobiosis of secondary sludge[J].Water Science amp; Technology，2004，50（9）：17.

6 C Eskicioglu，KJ Kennedy，RL Droste.Characterization of soluble organic matter of waste activated sludge before and after thermal pretreatment[J].Water Research，2006，40（20）：3725-3736.

7 洪 晨，邢 奕，司艷曉，等.芬頓試劑氧化對(duì)污泥脫水性能的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究，2014，27（6）：615-622.

8 曾 麗，楊 波，蔣超金.采用Ti/PbO2陽(yáng)極氧化進(jìn)行污泥預(yù)處理的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，（4）：1382-1387.

9 DC Devlin，SR Esteves，RM Dinsdale，etal.The effect of acid pretreatment on the anaerobic digestion and dewatering of waste activated sludge[J].Bioresource Technology，2011，102（5）：4076-4082.

10 M Barjenbruch，O Kopplow.Enzymatic，mechanical and thermal pre-treatment of surplus sludge[J].Advances in Environmental Research，2003，7（3）：715-720.

Research Progress of Municipal Sewage Treatment Technology

Li Fangzhi, Liu Xiaofeng, Zhang Hao, Liu Xinli, Liu Bo
(Hunan Junxin Environmental Protection Co., Ltd., Changsha 410000, China)

With the continuous development of social economy, China's municipal sludge production will be further increased, sludge treatment and disposal has become an important issue restricting the development of China.Anaerobic digestion and dehydration are the main treatment techniques for sludge, while the destruction of sludge biological cells and the release of bound water is a bottleneck limiting anaerobic digestion and dehydration.Sludge pretreatment, can destroy the sludge biological cell structure, improve sludge anaerobic digestion and dehydration efficiency.Based on this, this paper summarizes the principle, characteristics and research progress of sludge pretreatment technology at home and abroad.

municipal sludge; pretreatment; anaerobic digestion; sludge dewatering

X703

A

1008-9500(2017)10-0063-03

2017-08-30

李方志（1984-），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，中級(jí)工程師，從事生活垃圾及市政污泥處理處置工作。