污泥脫水預處理技術(shù)綜述

田楊

北京中鐵生態(tài)環(huán)境設計院有限公司 北京 102627

1 超聲預處理

超聲波根據(jù)頻率可分為功率超聲（20-100kHz）、高頻超聲（100kHz-1MHz）、診斷超聲（1-500MHz）。超聲技術(shù)最初應用于聲吶，因意外發(fā)現(xiàn)聲波會殺死魚類，由此誕生了用超聲波破壞或滅活生物細胞的方法。20世紀60年代低頻超聲波被首次用于實驗室規(guī)模的細胞裂解研究，70年代首次應用于污泥絮體分散研究。

超聲處理污泥時會在介質(zhì)中產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸作用，壓縮階段將分子推到一起而對介質(zhì)施加正壓，拉伸階段對介質(zhì)施加負壓，使分子間距離變大，負壓達到一定程度時會在稀薄區(qū)域形成微氣泡（空化氣泡）。這些微泡在連續(xù)的循環(huán)中生長并達到不穩(wěn)定的直徑，其突然且猛烈的破裂會產(chǎn)生極端的高溫和高壓（約5000K的溫度和持續(xù)幾微秒的500個大氣壓的壓力）。劇烈的破裂會在氣泡周圍的液體中產(chǎn)生強烈水力剪切，破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)和微生物細胞。此外，超聲分解污泥的機理還包括：①在超聲輻射下產(chǎn)生的·OH、·H、·N、·O等自由基的氧化作用；②污泥中揮發(fā)性疏水性物質(zhì)的熱分解；③超聲波作用于活性污泥時分解過程溫度升高[1]。其中強大的水力剪切力是污泥解體的主要原因。堿處理污泥的原理是基于高pH導致蛋白質(zhì)形態(tài)解散、脂質(zhì)皂化和RNA水解。在堿性條件下，有機物的羥基和羧基解離產(chǎn)生靜電斥力，使污泥中的胞外聚合物（EPS）大范圍溶脹和溶解。EPS被破壞后，暴露于高pH環(huán)境中的細胞壁和細胞膜不能承受相應的膨脹壓力，細胞發(fā)生破裂，并將細胞外和細胞內(nèi)聚合物從固相轉(zhuǎn)移到水相中，因此可將脂肪、碳氫化合物和蛋白質(zhì)分解成脂肪酸、多糖和氨基酸類的小分子可溶性物質(zhì)，同時誘導顆粒狀有機物溶脹，增加生物可利用表面，使物質(zhì)更易于發(fā)生酶促反應，提高微生物的可利用性。

污泥的堿性發(fā)酵對短鏈脂肪酸（SCFAs）生產(chǎn)和污泥減量有益]，因此其對厭氧發(fā)酵也有很好的促進效果。

2 熱水解技術(shù)

污泥屬于非牛頓流體，具有剪切變稀及觸變特性，在高剪切速率下其流動行為與觸變膠體相近，而在低剪切速率下，表現(xiàn)出固體的特性和黏彈特性。熱水解預處理能夠使污泥的網(wǎng)狀絮體結(jié)構(gòu)解體，固相中的有機物溶解，導致污泥的流變特性發(fā)生顯著變化。

目前熱水解預處理對污泥流變特性的影響研究較多，主要包括熱水解對污泥黏度、屈服應力及黏彈特性的影響。大部分研究指出，熱水解預處理能夠顯著降低污泥黏度，削弱污泥的固相特性，導致熱水解污泥的非牛頓流體行為減弱。FENG等]研究發(fā)現(xiàn)：當熱水解溫度升至120℃時，污泥黏度從未經(jīng)熱處理時的264mPa·s降至21.6mPa·s；當熱水解溫度升至170℃時，污泥黏度降至3.16mPa·s；隨后再升高溫度污泥黏度基本不變。同時，隨著熱水解溫度的升高，污泥的流動行為更接近于牛頓流體；當熱水解溫度升至170℃時，表征流動特性的流動指數(shù)從0.3顯著升高至1.0，稠度系數(shù)（極限黏度）從5.90Pa·s降至0.002Pa·s。在相同的熱水解溫度下，隨著熱水解時間的延長，污泥黏度和稠度系數(shù)逐漸降低；當熱水解時間超過40min時，下降趨勢變緩。同時隨著熱水解溫度的升高，表征污泥固相特性的彈性模量顯著下降[2]，對于固含量（w，下同）為7%的污泥，當熱水解溫度升至140℃時，彈性模量由700Pa降至100Pa。

熱水解可提高污泥流動性的原因主要歸結(jié)于以下兩個方面：①熱水解后污泥中的自由水以不可逆的方式顯著增加，降低了污泥懸浮液系統(tǒng)的黏度；②隨著熱水解溫度的升高和熱水解時間的延長，污泥中微生物的細胞壁和細胞膜遭到破壞，胞內(nèi)有機物如蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類等被釋放，導致污泥固相特性降低。

另外，熱水解污泥冷卻至室溫后，其屈服應力和黏度均比未熱處理污泥小很多，表現(xiàn)出不可逆的特性，此現(xiàn)象被稱為“熱歷史”。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因為熱水解過程中污泥組分的溶解和蛋白質(zhì)不可逆的熱變性。熱水解污泥流動性的改善有利于提高后續(xù)厭氧消化的負荷，降低污泥的輸送成本。

3 氧化法

氧化法指通過向污泥中投加一定比例的氧劑，如臭氧、Fenton試劑和過硫酸鹽等，破壞污泥絮體的結(jié)構(gòu)和污泥細胞的細胞壁，降解大分子的有機物，釋放污泥中的間隙水和胞內(nèi)水，從而改善污泥的脫水性能。此外，污泥絮體中的胞外聚合物和難降解有機物可以被氧化生成溶解性的有機物，甚至可以直接氧化生成二氧化碳和水，達到污泥減量化的目的。氧化法一般包括臭氧氧化、Fenton試劑氧化、Fe2+活化過硫酸鹽氧化和高錳酸鹽氧化等。氧化法所涉及的機理主要包括：污泥絮體的氧化，疏松結(jié)合胞外聚合物（LB-EPS）的分解，結(jié)合水的釋放和轉(zhuǎn)化、細胞結(jié)構(gòu)的破壞、污泥顆粒的絮凝等。臭氧氧化是一種應用最廣泛的氧化過程[3]。臭氧可以破壞細胞膜和菌膠團結(jié)構(gòu)，加速胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，并將其氧化生成小分子物質(zhì)，提高污泥的脫水性能。經(jīng)臭氧氧化后，污泥中蛋白質(zhì)和多糖的平均分子量降低了4個數(shù)量級，表明部分胞外聚合物被臭氧氧化降解，從而使大分子量物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為小分子量的物質(zhì)。Dytczak等]通過對比兩組序批式反應器中臭氧的投加量，以污泥體積指數(shù)（SVI）和CST為參考，研究部分臭氧化對回流污泥脫水性的影響。試驗結(jié)果表明：臭氧預處理可以破壞污泥絮體中TB-EPS的結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化生成溶解性的S-EPS。