國內(nèi)剩余污泥厭氧消化強(qiáng)化處理研究進(jìn)展

黃惠瑩

(廣東省環(huán)境技術(shù)中心, 廣東 廣州 510308)

剩余污泥是城市污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，包括污水中的泥砂、纖維等固體顆粒及其凝結(jié)的絮狀體，各種膠體、有機(jī)質(zhì)、重金屬、病原菌、寄生蟲卵以及病毒等，通常占污水處理量的0.3%～0.5%(含水率按97%計算)[1]。近年來我國剩余污泥產(chǎn)量大幅度增長，據(jù)統(tǒng)計，2015年全國6910座城鎮(zhèn)污水處理廠全年共產(chǎn)生3015.9萬噸污泥[2]。剩余污泥如不進(jìn)行妥善處理將會造成重金屬等污染物向環(huán)境重新釋放等嚴(yán)重的二次污染，對生態(tài)環(huán)境和人類活動將構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前，我國污泥處理處置嚴(yán)重滯后于污水處理。因?qū)ξ勰嗵幚硖幹玫母拍罴爸匾哉J(rèn)識不足，致使部分污水處理廠污泥處理處置未能達(dá)到減量化、資源化、無害化要求[3]。國內(nèi)外主要采用機(jī)械脫水、熱干化、好氧發(fā)酵、厭氧消化以及干化焚燒的處置方式對剩余污泥進(jìn)行處理處置，其中厭氧消化是使用最為廣泛的處理工藝。鑒于我國目前的污泥具有低有機(jī)質(zhì)、高含砂量、重金屬含量高、有機(jī)物低、熱值低等特性，這些特性大大影響了污泥處理處置的效率。筆者在分析剩余污泥處理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了厭氧消化強(qiáng)化技術(shù)類型及其處理效果，以及技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 厭氧消化處理現(xiàn)狀

污泥處置處理以穩(wěn)定化、減量化和無害化為目的，厭氧消化工藝是其中一種重要的穩(wěn)定化工藝，其原理是利用兼氧菌和厭氧菌進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)分解污泥中有機(jī)質(zhì)[4]，具有高效的能量回收和較低的環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。厭氧消化是目前國際上常用的污泥生物處理方法，同時也是大型污水處理廠較為經(jīng)濟(jì)的污泥處理方法[3]。全世界大約有100萬座以上的污水處理廠使用該技術(shù)處理污泥[5]。 而國內(nèi)的剩余污泥厭氧消化因現(xiàn)有技術(shù)運(yùn)行管理難度大、處理成本高等問題出現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用瓶頸，僅約有60座城鎮(zhèn)污水處理廠采用了污泥厭氧消化工藝。但是目前國內(nèi)對污泥厭氧消化理論研究滯后與協(xié)同調(diào)控機(jī)制的認(rèn)知不足，傳統(tǒng)污泥厭氧消化法存在有機(jī)質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化率低、停留時間長、產(chǎn)氣率較低等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)限制了厭氧消化工藝在國內(nèi)的應(yīng)用。為進(jìn)一步提高有機(jī)質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氣率，縮短污泥停留時間，學(xué)者們對厭氧消化的強(qiáng)化技術(shù)展開了研究。

2 強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1 預(yù)處理技術(shù)

根據(jù) Bryant 提出的厭氧消化三階段理論，整個厭氧消化過程分為水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3個階段。但因微生物細(xì)胞壁的存在阻礙了污泥中有機(jī)物的釋放與利用，所以水解酸化階段是污泥消化的限速階段[6]，并直接影響消化反應(yīng)的效果。目前，國內(nèi)的研究主要集中在對剩余污泥的強(qiáng)化預(yù)處理，利用物理、化學(xué)等方法促進(jìn)擊破污泥細(xì)胞壁，從而使細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)從固相向液相轉(zhuǎn)移，最終實(shí)現(xiàn)污泥的降解[7]。

2.1.1 超聲波預(yù)處理

超聲波預(yù)處理技術(shù)因具有低成本、自動化操作、可操作性強(qiáng)、能提高產(chǎn)氣率、改善污泥脫水性能、對后續(xù)處理不產(chǎn)生影響、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。Bougrier[8]等的研究發(fā)現(xiàn)污泥的總固體增溶度 (STS)、沼氣產(chǎn)量隨超聲波能量輸入增加而增加。陳傳政[9]研究得出超聲破解剩余污泥的時間、頻率、電功率、脈沖比的最佳水平組合為10 min，20 kHz，600 W，3∶1，超聲破解時間能顯著影響破解效率。容明知[10]等的研究結(jié)果表明，超聲預(yù)處理在低能量輸入條件下對污泥蛋白酶和脫氫酶活性存在促進(jìn)作用，超聲頻率對污泥酶活性影響較為顯著，其中20 kHz超聲頻率對蛋白酶和脫氫酶活性的促進(jìn)效果最高。

2.1.2 堿解預(yù)處理

堿解預(yù)處理可有效地將細(xì)胞內(nèi)硝化纖維溶解轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)碳化合物，進(jìn)而被微生物利用，提高污泥產(chǎn)甲烷潛力。楊潔[11]等研究結(jié)果表明，污泥SCOD濃度隨投堿量的增加而增加，在投堿量為1 gNaOH·g-1TS的情況下，揮發(fā)性懸浮固體的分解率可達(dá)62.05%。于子淇[12]研究確定了二級堿解的最佳工藝條件為：堿解pH值13，投加污泥與投加水的比例為1.75，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)堿解相比，二級堿解可減少單位污泥15.0%的秏堿量，且后續(xù)厭氧處理無需加酸調(diào)節(jié)pH值；VS和TS去除率分別提高了26.78%和25%，達(dá)到44.3%和33.5%，含水率降到88.6%，使污泥體積縮小了78%。

2.1.3 酸解預(yù)處理

酸解預(yù)處理的作用機(jī)理與堿解相似。袁光環(huán)[13]等的研究結(jié)果表明，采用先酸(pH值4.0，4 d)后堿(pH值10.0，4 d)預(yù)處理，在污泥水解酸化過程中乙酸產(chǎn)量及其占總短鏈脂肪酸(SCFAs)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于其他預(yù)處理方式，其乙酸產(chǎn)量(以COD/VSS計)可達(dá)到74.4 mg·g-1，占總SCFAs的60.5%。酸-堿預(yù)處理后污泥混合液C∶N和C∶P比值更有利于后續(xù)厭氧消化。經(jīng)過8 d酸-堿預(yù)處理和15 d的厭氧消化，累積甲烷產(chǎn)量(CH4/VSS加入)達(dá)到136.1 mL·g-1，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)總?cè)コ蔬_(dá)到60.9%。

2.1.4 熱水解預(yù)處理

熱水解預(yù)處理具有操作簡單、處理時間短、效果好等特點(diǎn)，但因其能耗高、管理難度大等缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用不多。郝曉地[14]等對比了熱水解(T=150℃,t=30 min)、超聲波(P=500 W,t=2 h)、堿解(pH值13,t=2 h)和酸解(pH值2,t=2 h)等4種處理方式的處理效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱水解預(yù)處理的污泥能獲得50.9%的COD溶出率，為四種處理方式中最高。

2.1.5 微波輻射預(yù)處理

微波輻射具有加熱速度快，熱效高，熱量立體傳遞，設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)，具有與良好的工業(yè)化應(yīng)用前景[15]。李華峰[16]研究表明，微波預(yù)處理污泥有力地促進(jìn)了污泥的厭氧消化，有機(jī)質(zhì)降解率最高達(dá)到56.1%，生物產(chǎn)氣累積量可提高54.4%，適當(dāng)?shù)奈⒉A(yù)處理?xiàng)l件可以明顯縮短厭氧消化周期，減少污泥停留時間(SRT)。王艷杰[17]等研究表明COD，TOC，蛋白質(zhì)，多糖和DNA在微波處理6 min時的溶出量分別為相同條件下未經(jīng)微波處理時的8.0倍，7.2倍，10.4倍，12.4倍和8.4倍。在厭氧消化15 d時，微波處理6 min的甲烷產(chǎn)率為144 mL·g-1，比未處理空白提高了62%。

2.1.6 臭氧氧化預(yù)處理

臭氧氧化預(yù)處理是通過氧化作用破壞細(xì)胞壁、釋放出細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)并繼續(xù)將大分子有機(jī)物降解為小分子，提高后續(xù)系統(tǒng)的生物降解性能。但因其運(yùn)行成本較高，目前尚不具備工業(yè)化應(yīng)用的條件。曹艷曉[18]等研究結(jié)果表明，針對MLSS=8.287 kg·m-3的污水處理廠剩余污泥，臭氧最佳投加量在0.038 gO3·g-1MLSS左右。石璞玉[19]等的研究結(jié)果表明，當(dāng)臭氧處理時間為15 min時，污泥上清液中SCOD含量達(dá)到最高為1006.08 mg·L-1，較未處理污泥提高了420.85%。污泥上清液中蛋白質(zhì)和多糖含量在臭氧處理時間為10 min時達(dá)到最高，產(chǎn)甲烷率達(dá)到最高為318.39 mL·g-1VS，較空白對照組提高了396%。

2.2 消化過程中投加生物酶促進(jìn)劑、微生物菌種

除了通過各種預(yù)處理工藝強(qiáng)化厭氧消化外，還有相當(dāng)部分研究通過在污泥中投加生物酶促進(jìn)劑或特定微生物菌群以提高污泥消化效率。李娜[20]研究發(fā)現(xiàn)零價鐵粉(ZVI)與表面活性劑烷基多苷(APG)聯(lián)合投加能夠促進(jìn)污泥的水解、消化及有機(jī)酸的累積，明顯改變有機(jī)酸分布，提高蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性降低污泥表面張力。宋艷美[21]研究發(fā)現(xiàn)改變剩余污泥發(fā)酵液的初始pH值、蛋白質(zhì)與總糖的濃度比值(Pro/G)或者菌群條件后，再加入一定量的硫酸鹽還原菌(SRB)能使促進(jìn)有機(jī)酸的產(chǎn)生；最佳的產(chǎn)酸Pro/G=0.5，最高產(chǎn)酸量均可達(dá)1600 mg·L-1以上。

2.3 多種技術(shù)耦合

在上述研究的基礎(chǔ)上，更多的研究向多種技術(shù)耦合的方向發(fā)展。何楚茵[22]等研究結(jié)果表明，臭氧+酸解、臭氧+堿解的聯(lián)合處理對剩余污泥的溶胞效果均有不同程度的改善：剩余污泥破碎率及液相中多糖濃度上升，污泥顆粒平均粒徑下降。徐慧敏[23]的研究結(jié)果表明：超聲+堿解聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)對污泥破解和有機(jī)質(zhì)溶解的效果，比超聲和堿解單獨(dú)作用之和更好。污泥破解增加值ΔSCOD/TCOD與加堿量之間存在顯著的線性關(guān)系。超聲和堿解聯(lián)合預(yù)處理能顯著增加污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷量。池勇志[24]研究得出微波+堿預(yù)處理最佳預(yù)處理?xiàng)l件為加熱溫度170℃，加熱時間1 min，加堿量0.05 gNaOH·g-1SS。劉吉寶[25]等研究結(jié)果表明：微波-過氧化氫-堿(0.2)預(yù)處理的強(qiáng)化效果最為顯著，30 d累計產(chǎn)甲烷量比對照組增加了13.34%，產(chǎn)甲烷速率也得到了提升。

2.4 混合基質(zhì)共消化

國內(nèi)的剩余污泥普遍存在無機(jī)質(zhì)比例過高的問題，通過投加各種底物提高污泥的厭氧消化效率，不但能減少環(huán)境污染，且能進(jìn)一步提高產(chǎn)甲烷量。楊朝勇[26]等的研究結(jié)果表明，以牛糞和超聲預(yù)處理污泥為發(fā)酵原料，在恒溫35℃±1℃及底物濃度為15 gVS·L-1的條件下，超聲預(yù)處理污泥與牛糞的比例為1∶2 時VS產(chǎn)氣率達(dá)到了470.33 mL·g-1，甲烷產(chǎn)量在發(fā)酵穩(wěn)定后達(dá)到了58．68%。ALOUN Manosane[27]等研究結(jié)果表明添加豬糞能明顯提升消化效率，當(dāng)豬糞與污泥以 2∶1 混合消化時甲烷累計產(chǎn)量最高可達(dá)684 L·kg-1VS，比污泥單獨(dú)消化提升了 120%，VS 去除率可達(dá) 63.1%。張洪[28]等研究了不同混合比下市政污泥與餐廚垃圾二級高溫共消化的情況，結(jié)果表明混合比為5∶1的反應(yīng)罐穩(wěn)定時出料的COD 濃度最高，為23000 mg·L-1?；旌媳葹?∶1時，VS 去除率、日產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣中甲烷含量最高，分別為 42.8%，12000 mL，92.49%。

2.5 分級分相厭氧消化

中持水務(wù)股份有限公司開發(fā)的市政污泥分級分相厭氧消化技術(shù)，采用高溫水解酸化、中溫甲烷化分級分相兩級反應(yīng)系統(tǒng)，提高污泥可生化性，破解了污泥厭氧消化的限速步驟。產(chǎn)酸/產(chǎn)氣兩相厭氧消化在兩個反應(yīng)池中進(jìn)行，通過溫度分級自然形成生物分相，給產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌提供各自的最佳生長環(huán)境(第一級高溫消化、第二級中溫消化)，提高有機(jī)物降解率和污泥厭氧消化的沼氣產(chǎn)率。該工藝厭氧消化時間比單級單相厭氧消化縮短30%，污泥有機(jī)物降解率大于50%，沼氣產(chǎn)率提高35%。處理的污泥含固率可達(dá)8%～10%，可使消化池容積縮小為原來的1/2，對于已建有厭氧消化設(shè)施的污泥處理設(shè)施，略加改造即可增加處理能力[29]。因此，分級分相厭氧消化具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

綜上所述，多種厭氧消化預(yù)處理方式的耦合工藝是目前研究的熱點(diǎn)，也是今后研究的主要方向之一。但各種預(yù)處理技術(shù)，投加生物酶促進(jìn)劑，微生物菌種，多種技術(shù)耦合以及混合基質(zhì)共消化等技術(shù)仍處于小試階段，尚未有成熟的中試試驗(yàn)作為規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)支撐。而分級分相厭氧消化技術(shù)已有規(guī)模化應(yīng)用實(shí)例，且具備改造簡易、無須投加藥劑等特點(diǎn)，操作難度相對較低，更具工業(yè)化應(yīng)用的意義。