不同預處理方法對提高剩余污泥穩(wěn)定性的研究

張 蕾 杜海霞 吳艷霞 吳 俊 黃紫旖 文 蕾 鄭尹懷 吳慧芳

(南京工業(yè)大學 城市建設學院，江蘇 南京 211800)

目前我國污水處理廠污泥年排放量已高達140萬噸，且此數(shù)值每年還在不斷增長[1]。剩余污泥產(chǎn)量大且成分復雜，含有大量有機物質(zhì)、氮磷、病原體和重金屬。如不經(jīng)妥善處理，將剩余污泥直接投入周圍環(huán)境，將對自然環(huán)境和人類健康產(chǎn)生嚴重影響[2，3]。剩余污泥中由活細胞和水組成的特殊水合結構被包裹在胞外聚合物中，這種胞外聚合物很難被破壞，因此剩余污泥脫水性能極差，難以對其進行穩(wěn)定化處理，更是增加了減量化和資源化的難度。目前國內(nèi)外的許多學者探究出了一些物理、化學、生物的預處理方法來提高剩余污泥的脫水性能和穩(wěn)定化程度。

1 物理預處理

1.1 微波預處理

頻率在0.3～300GHz之間的電磁波為微波。微波預處理時，將污泥放入密閉的壓力容器內(nèi)，促使細胞裂解。微波預處理效率高，能減少后續(xù)厭氧消化時間，同時微波的加熱作用還能有效殺滅病原菌[4]。

Park等對剩余污泥進行微波預處理時發(fā)現(xiàn)，預處理后剩余污泥的產(chǎn)氣量提高79%，COD去除率提高64%[5]。高瑞麗等在210W功率下對污泥進行5min微波輻射，實驗結果表明，經(jīng)微波輻射后將剩余污泥進行厭氧消化產(chǎn)氣，剩余污泥產(chǎn)氣量比未處理時增加2.17倍[6]。喬瑋等使用頻率為2450MHz的微波對剩余污泥進行預處理，發(fā)現(xiàn)微波預處理能夠有效破解胞外聚合物，釋放其中的有機成分。他們還通過微波預處理不同濃度剩余污泥的對比實驗發(fā)現(xiàn)微波預處理水解效率受污泥濃度影響顯著[7]。

由上述實驗可以看出，微波預處理能有效破解剩余污泥的胞外聚合物，提高剩余污泥厭氧消化產(chǎn)氣的能力，帶來一定的經(jīng)濟效益。研究發(fā)現(xiàn)微波功率、時間、溫度、密度等因素均能對微波預處理效果產(chǎn)生影響。此外，考慮到其實際運行費用，要廣泛應用于剩余污泥的處理當中還需探究出更加低成本的方法。今后可就如何降低微波處理設備能耗的方向出發(fā)，同時注意到污泥含水率和污泥處理溫度等因素與能耗的關系，并通過結合其它方法，使微波預處理方法能廣泛運用[4]。

1.2 超聲波預處理

使用超聲波對污泥進行預處理時，會形成微氣泡并發(fā)生爆破，微氣泡爆破將產(chǎn)生極大的剪切力和幾百個大氣壓的高壓[8]。微生物細胞壁在此條件下破裂后釋放出酶和有機物。這些酶又將促使細胞壁溶解，進而又釋放出有機物。實驗表明剩余污泥可溶性COD比例和氮磷濃度都有增加，剩余污泥的微生物可利用性得到提高[9]。超聲波預處理方法處理效率高、其作用的時間短、并且預處理后的污泥產(chǎn)甲烷效率高，具有大量工程實際運用經(jīng)驗，發(fā)展和應用前景良好[4]。

郭超等利用超聲波對剩余污泥進行預處理，采用頻率為20～25kHz的超聲波，超聲密度和超聲時間分別為1.6W/mL和15min，污泥水解1h可以獲得能為污水廠提供補充碳源的污泥水解上清液[10]。曹秀芹等在超聲波作用下污泥絮體分解的實驗中，發(fā)現(xiàn)污泥上清液的SCOD值顯著上升，并且得出超聲作用時間能顯著影響生物細胞的分解效果的結論[11]。

在德國，研究者已成功利用超聲波技術減少污水污泥的體積和質(zhì)量約20%，沼氣產(chǎn)率增加20%～25%[12]。但使用超聲波預處理污泥對于我國目前的污泥產(chǎn)量來說成本過高，研究者可以從降低超聲波預處理能耗和找到最佳處理條件角度降低成本，提高處理效率。

1.3 熱預處理

熱處理即對污泥加熱，使得污泥中的間隙水、胞內(nèi)水釋放，破壞污泥的絮體結構和細胞膜、細胞壁上的化學鍵，減小絮體尺寸，釋放胞內(nèi)有機物，并水解成低分子有機物，為消化處理中的微生物提供可利用底物，有效地提高了污泥的脫水性能和消化效率[13]。污泥預處理溫度范圍一般為60～180℃，而低溫熱預處理是指溫度在100℃以下的熱預處理方法[14]。

傅木星等將高溫好氧預處理、酸預處理和堿預處理進行對比實驗，結果表明效果最佳的是高溫好氧預處理方法。此外，高溫好氧預處理方法的產(chǎn)氫率達到了10.68mL/g TS[15]。劉陽等進行的熱水解處理實驗，發(fā)現(xiàn)在175℃、0.6～0.8MPa的條件下進行熱水解處理反應了30min后，水解率達到48%，COD當量平均7800mg·L-1，揮發(fā)性脂肪酸的濃度更是提高了7～8倍，生化產(chǎn)甲烷的潛力也提高43%左右[16]。郭思宇探究熱預處理對中溫厭氧消化的影響時發(fā)現(xiàn)經(jīng)70℃預處理可以使剩余污泥釋放出溶解性有機物[17]。

熱預處理法作為傳統(tǒng)處理方法，對厭氧消化沼氣產(chǎn)率和污泥的脫水性都產(chǎn)生提高作用，并且促進污泥減量化。根據(jù)各研究實驗結果可以看出熱預處理不是溫度越高效果越好，并且溫度過高意味著耗能越高，需投入的更多成本。如何讓剩余污泥資源化，帶來經(jīng)濟效益降低污泥處理成本是一個值得研究的方向。

1.4 機械預處理

機械預處理方法是通過剪切力來破壞微生物的細胞壁和污泥絮體，釋放出有機質(zhì)。其中離心溶胞法、高壓均質(zhì)法和轉(zhuǎn)動磨球法較為常見[14]。

Dohanyos等采用離心溶胞法預處理方法，在35℃的情況下，剩余污泥厭氧消化25天得出產(chǎn)氣量增加85%的實驗結果[18]。高壓均質(zhì)法在污水處理廠運行試驗中發(fā)現(xiàn)，高壓均質(zhì)機預處理后的剩余污泥厭氧消化產(chǎn)生熟污泥的量相較于未經(jīng)預處理的情況減少23%，而沼氣產(chǎn)量也相應增加30%[19]。旋轉(zhuǎn)球磨預處理是使污泥微生物在剪切力與壓力作用下破碎。有試驗結果顯示磨珠的直徑為0.2～0.25mm時對污泥預處理能產(chǎn)生最佳破碎效果[4]。

機械預處理法產(chǎn)生的臭味小，效率高，對污泥的減量化有利。通過機械預處理，厭氧消化的產(chǎn)率也較高，但是機械預處理法耗能大并且易損壞，機械的運行、護理、維修都會大大提高剩余污泥處理的成本。

2 化學預處理

2.1 堿預處理

堿預處理方法可水解污泥胞外多聚物、細胞壁等大分子物質(zhì)，得到溶解性的有機物[14]。

Torres等將污泥加堿(Ca(OH)2)至其濃度為31mmol·L-1條件下處理6h發(fā)現(xiàn)污泥中SCOD增加11.5%，對預處理污泥進行厭氧消化反應，采用十天的固體停留時間，發(fā)現(xiàn)1kgVS可使CH4產(chǎn)氣量比未處理污泥提高72%[20]。肖本益等在對比酸、堿、熱處理對剩余污泥性質(zhì)的影響實驗中發(fā)現(xiàn)這三種預處理方法都可以增加污泥的SCOD，其中堿處理的處理效果和對污泥的破碎效果都為最好[21]。

堿預處理方法操作簡單方便、處理效果好。采用這一處理方法時，需格外注意堿的投加量，同時注意在投加NaOH、KOH等的堿類時，Na+、K+可能會對后期厭氧消化反應有抑制作用[14]。堿的投入也會對容器產(chǎn)生一些腐蝕作用，因此利用堿預處理法處理剩余污泥時應該把握好堿的投入量。

2.2 臭氧預處理

臭氧預處理方法是利用臭氧的強氧化性破壞分解微生物的細胞壁，釋放出細胞中的有機物質(zhì)，將一些大分子物質(zhì)分解成易降解的小分子物質(zhì)，以提高污泥水解速率和厭氧消化效果[14]。

金瑞洪等在臭氧對活性污泥特性影響研究的實驗中發(fā)現(xiàn)，臭氧破壞細胞壁后釋放出細胞質(zhì)，使得溶解性有機物增加。隨后溶解性有機物又被臭氧氧化分解，溶解性有機物的含量又隨之下降[22]。

由上述試驗得，臭氧預處理可以提高剩余污泥的水解速率，但效果不大。此外，由于臭氧的強氧化性，可以殺滅污泥中的病原菌，使得剩余污泥無害化。

2.3 Fenton試劑預處理

Fenton試劑可破壞污泥中的胞外聚合物和剩余污泥絮體結構，釋放污泥中的表面水，還可使污泥細胞破解后釋放出胞內(nèi)物質(zhì)[23]。在Fenton預處理過程中形成的鐵水絡合物具有絮凝作用，也可提高污泥的脫水性能。

宋建陽等在Fenton試劑對剩余污泥脫水性能的影響實驗發(fā)現(xiàn)，使用Fenton試劑調(diào)理污泥，反應30min后剩余污泥比阻基本趨于穩(wěn)定[24]。李娟等在利用Fenton試劑氧化破解剩余污泥的胞外聚合物實驗中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)enton氧化能增加了污泥顆粒的均勻性和無機化程度，改善污泥的脫水能力，使污泥得到有效地減量化和資源化[25]。杜艷等在污泥好氧消化反應時添加了Fenton試劑，與傳統(tǒng)的好氧消化反應相比較發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性懸浮物和水中懸浮物的去除率有所提高，有利于污泥的消化[3]。

由上述實驗結果可以看出，F(xiàn)enton試劑可通過破解剩余污泥的胞外聚合物，來提高剩余污泥的脫水性能和穩(wěn)定性。目前已有很多研究者通過實驗驗證了Fenton試劑預處理剩余污泥的效果。

3 生物預處理

將一定量的活性生物酶加入到剩余污泥中，使剩余污泥中細菌的細胞壁溶解，將碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)水解成易被微生物利用的水溶性小分子有機物。此類可以促進水解的酶是由分泌胞外酶的細菌群產(chǎn)生的，同樣也可通過直接使用生物酶制劑來得到[14]。目前國內(nèi)對于酶對剩余污泥預處理的研究還比較少。雖然可以使用外加酶來提高剩余污泥的水解能力，但是用酶進行預處理的污泥產(chǎn)氣效果地且會產(chǎn)生大量刺激性氣體。

4 總結

通過以上所述各種污泥預處理方法可以看出，雖然目前可以提高剩余污泥脫水性和穩(wěn)定性的預處理方法有很多，但是每一種方法都有其利弊，并且大部分有效的預處理方法耗能都很高，要實現(xiàn)高效低成本大量處理剩余污泥還有很多困難。所以在現(xiàn)有方法的基礎上，尋求一種低能耗、高效率地提高剩余污泥的穩(wěn)定性的方案是未來的研究方向。