超聲-堿預(yù)處理促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵的研究進(jìn)展*

秦樹(shù)彬，韋忻辰，孫紅杰，莫秉文，張 晴

（大連民族大學(xué)，遼寧 大連 116600）

近年來(lái)，隨著我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市污水處理廠處理效率和規(guī)模不斷提高，剩余污泥產(chǎn)量呈逐年增加趨勢(shì)。污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的剩余污泥具有含水率高、易腐爛、有惡臭、含有大量寄生蟲(chóng)卵和病原微生物等特點(diǎn)，任其排放，將會(huì)破壞土壤、水環(huán)境，甚至威脅人體安全，需采取一系列措施對(duì)剩余污泥進(jìn)行處理［1］。2021年，我國(guó)污泥年產(chǎn)量已達(dá)8000萬(wàn)t，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)污泥年產(chǎn)量將超過(guò)9000萬(wàn)t［2］。隨著社會(huì)對(duì)污泥處置問(wèn)題關(guān)注度的提高，我國(guó)制定了一系列有關(guān)規(guī)劃和政策，促使污泥管理向“泥水并重”轉(zhuǎn)化，但同時(shí)，我國(guó)污泥的處理處置和資源化與國(guó)際先進(jìn)水平還有較大差距。2019年，我國(guó)城市污泥產(chǎn)生量和處理量分別為1230萬(wàn)t和1180萬(wàn)t，每年約有50萬(wàn)t污泥被丟棄或是直接填埋，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此加強(qiáng)污泥處置已成為當(dāng)務(wù)之急。

超聲波預(yù)處理污泥的機(jī)理其實(shí)是利用聲波能量會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并伴隨空化作用產(chǎn)生的化學(xué)作用、機(jī)械作用等破解污泥絮體結(jié)構(gòu)［3］。超聲波與堿聯(lián)合預(yù)處理污泥厭氧產(chǎn)酸可以在短時(shí)間內(nèi)迅速釋放細(xì)胞物質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞破碎后碎屑的水解，且具有安全、低能耗、清潔等特點(diǎn)，受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

1 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的機(jī)理

污泥厭氧發(fā)酵分為4個(gè)階段，分別為水解階段、產(chǎn)酸階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段及產(chǎn)甲烷階段。水解階段為污泥將顆粒態(tài)的大分子（蛋白質(zhì)、多糖、脂肪等）分解成單糖、脂肪酸、甘油等［4］。產(chǎn)酸階段中的微生物，利用水解階段的產(chǎn)物進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的細(xì)菌將產(chǎn)酸階段的丙酸、丁酸等與醇類(lèi)轉(zhuǎn)化為乙酸、二氧化碳等［5］。產(chǎn)甲烷階段的產(chǎn)甲烷菌將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的氫氣、二氧化碳等轉(zhuǎn)化為甲烷，并且產(chǎn)甲烷階段通常會(huì)消耗揮發(fā)性脂肪酸（VFAs），因此通常會(huì)通過(guò)優(yōu)化發(fā)酵條件或預(yù)處理限制產(chǎn)甲烷階段的產(chǎn)生，使得VFAs成為主要產(chǎn)物。

2 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響因素

污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸在一定程度上受到很多因素影響，為使揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）成為主要產(chǎn)物，國(guó)內(nèi)外學(xué)者考察了不同因素對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響。

2.1 pH

污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的速度受pH的影響。水解細(xì)菌和產(chǎn)酸細(xì)菌有較大的生存范圍，可以在pH值為3.5～8.0范圍內(nèi)存活，但通常認(rèn)為最適生長(zhǎng)pH范圍為6～7。

黃天寅等［6］通過(guò)研究不同pH值條件下剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程中SCOD、VFAs、PO43-等參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，堿性條件更有利于污泥發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程，堿性條件下污泥溶解出的SCOD大于酸性條件下污泥溶解出的SCOD。一方面，由于堿性條件較酸性條件更有利于污泥中的有機(jī)物水解，另一方面堿性條件下產(chǎn)甲烷菌的活性降低，積累的VFAs更多。因此堿性條件更有利于VFAs的產(chǎn)生。在污泥的厭氧消化過(guò)程中，污泥在酸性環(huán)境下溶出的P、NH-N濃度均大于堿性環(huán)境。

呂景花等［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同pH值對(duì)剩余污泥有機(jī)物溶出率的影響，結(jié)果表明，在堿性條件下，有機(jī)物溶出率、污泥破解率均高于中性和堿性條件。在污泥發(fā)酵10 d后，發(fā)酵液中SCOD含量從大到小為pH11＞pH10＞pH3＞pH9＞pH5＞pH7。雖然pH＝11時(shí)SCOD含量最高，但此時(shí)的發(fā)酵產(chǎn)物被認(rèn)為是難生化降解，而pH＝10時(shí)的SCOD含量與pH＝11時(shí)相差不大，且生化性更好。因此使用NaOH對(duì)污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理時(shí)，pH＝10是最佳處理?xiàng)l件。同時(shí)在pH＝10條件下，VFAs產(chǎn)量和蛋白質(zhì)所占比例最大，為產(chǎn)酸菌提供更多可利用的發(fā)酵底物，因此，pH＝10的堿性環(huán)境更有利于有機(jī)酸的產(chǎn)生與積累，這與Yuan等的研究結(jié)果一致。

2.2 溫度

污泥水解是一些高分子有機(jī)物在水解酶的作用下被轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物。溫度影響微生物生長(zhǎng)速率和新陳代謝，是水解酸化主要控制因素之一。污泥在10～37℃的條件下，VFAs會(huì)隨著溫度升高而提高。

趙峰輝等［8］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同溫度 （20℃、25℃、30℃、35℃）條件下污泥水解酸化的效率，結(jié)果表明，隨著溫度的升高，VFAs呈現(xiàn)出了快速積累的趨勢(shì)。在不同溫度條件下，發(fā)酵液中VFAs含量從大到小為35℃＞30℃＞25℃＞20℃。在35℃條件下達(dá)到峰值295.0 mg／L，驗(yàn)證了升高溫度有利于污泥的厭氧產(chǎn)酸過(guò)程。

吳昌生等［9］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同溫度 （15℃、25℃、35℃、45℃）條件下，溫度對(duì)生物絮凝吸附污泥水解酸化產(chǎn)物及產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明，溫度的升高加速了生物絮凝吸附污泥水解酸化。在45℃條件下，SCOD達(dá)到最大產(chǎn)量3976.0 mg／L，VFAs達(dá)到峰值1989.5 mg／L。

2.3 污泥性質(zhì)

污水處理廠的污泥主要有初沉污泥、剩余污泥及絮凝污泥。這3種污泥水解酸化效果最好的是絮凝污泥，在相同發(fā)酵條件下，其水解酸化產(chǎn)生的SCOD和VFAs均高于其他兩種污泥，主要是由于絮凝污泥能吸附水中的膠體、懸浮污染物和一部分溶解性有機(jī)物，該溶解性有機(jī)物很容易被水解酸化菌利用后產(chǎn)生VFAs［10］。污泥水解酸化過(guò)程中微生物主要以污泥中的蛋白質(zhì)、碳水化合物等為基質(zhì)。污泥產(chǎn)酸發(fā)酵的效率與基質(zhì)的種類(lèi)密切相關(guān)。

2.4 C／N

水解酸化適宜m（C）／m（N）為10～20?？刂艭／N在該范圍內(nèi)進(jìn)行水解酸化，在m（C）／m（N）＝15時(shí)，水解酸化效率達(dá)到最高。張福貴等通過(guò)不同溫度對(duì)m（C）／m（N）區(qū)間為15～35污泥厭氧消化產(chǎn)VFAs發(fā)現(xiàn)，中溫條件下m（C）／m（N）＝25時(shí)，VFAs值最大，為3671.21 mg／L，高溫條件下m（C）／m（N）＝15時(shí)，VFAs值最大，為2734.41 mg／L。

3 污泥的超聲和堿預(yù)處理

3.1 污泥超聲預(yù)處理

超聲波根據(jù)頻率可分為功率超聲、高頻超聲、診斷超聲。超聲預(yù)處理污泥時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓縮和拉伸作用，即產(chǎn)生超聲空化現(xiàn)象［11］。拉伸階段對(duì)介質(zhì)施加負(fù)壓使得分子間距變大，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量空化氣泡并伴隨著氣泡的瞬間爆炸，在氣泡周?chē)囊后w產(chǎn)生極端的高壓和高溫。氣泡突然且猛烈的破裂產(chǎn)生的剪切力和沖擊波會(huì)破壞污泥結(jié)構(gòu)和污泥中的微生物細(xì)胞，使得難降解的有機(jī)物釋放到液體中，改善污泥的水解環(huán)境。超聲預(yù)處理與機(jī)械法、化學(xué)法等預(yù)處理方法相比，具有處理能耗小、不產(chǎn)生可能造成二次污染的物質(zhì)，是一種綠色環(huán)保高效的預(yù)處理方式。

3.2 污泥堿預(yù)處理

堿預(yù)處理是污水處理廠常用的污泥預(yù)處理技術(shù)，堿能影響污泥細(xì)胞的滲透壓，從而使有機(jī)物被分解溶于水中，而且堿能與污泥含有的脂類(lèi)物質(zhì)發(fā)生皂化反應(yīng)，繼續(xù)破壞細(xì)胞壁。堿處理還可以促進(jìn)細(xì)胞外聚合物的溶解，釋放出更多有機(jī)物。堿處理具有操作簡(jiǎn)便、成本較低等特點(diǎn)。侯銀萍等［12］在探究熱堿預(yù)處理對(duì)剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸性能的影響的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)堿性條件下，有機(jī)物的水解速率加快，溶解性有機(jī)物的含量增加，在pH＝12時(shí)污泥中溶解性蛋白質(zhì)、多糖濃度及SCOD的溶出量達(dá)到最大，在pH＝11時(shí)，VFAs的產(chǎn)量達(dá)到峰值，乙酸占VFAs總量的80%，VFAs最高積累量為5500 mg／L，而乙酸的最大產(chǎn)量為4340 mg／L，為乙酸型發(fā)酵，從資源化利用效率考慮，pH＝11可作為污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙酸的最佳處理?xiàng)l件。污泥的堿性發(fā)酵可以促進(jìn)SCFAs的生產(chǎn)和污泥減量，同時(shí)對(duì)厭氧發(fā)酵也有很好的促進(jìn)效果。但在實(shí)際應(yīng)用中，單獨(dú)應(yīng)用堿預(yù)處理污泥不僅耗費(fèi)的堿量大，而且對(duì)設(shè)備有較高的要求。

3.3 超聲-堿預(yù)處理

超聲處理、堿處理技術(shù)都是目前受到廣泛關(guān)注的污泥預(yù)處理技術(shù)，但兩種處理技術(shù)各存在一定的弊端。與堿處理相比，超聲處理不僅能改變污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，還能打破微生物細(xì)胞壁，但堿處理技術(shù)對(duì)細(xì)胞破碎后碎屑的水解效果優(yōu)于堿［13］。因此，兩者聯(lián)合可強(qiáng)化污泥的預(yù)處理效果。

超聲和堿聯(lián)合預(yù)處理的表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：超聲處理可增強(qiáng)細(xì)胞的可透過(guò)性，并釋放微生物細(xì)胞到堿環(huán)境中，堿快速滲透細(xì)胞，細(xì)胞中的有機(jī)物滲透到液體中。超聲的處理效果受到污泥凝膠層的限制，但堿能溶解凝膠層，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)更易受超聲波輻射影響，促進(jìn)COD降低；超聲可以分解堿處理后的污泥致密絮體，因此超聲可以在一定程度上限制絮凝過(guò)程。此外，在堿性條件下，污泥中一些難以分解的物質(zhì)在更容易分解。超聲和堿聯(lián)合預(yù)處理可以減小污泥絮體尺寸，僅通過(guò)酸、堿等化學(xué)預(yù)處理方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

4 超聲-堿預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

超聲波與堿聯(lián)合處理可以在相同的pH條件下使污泥絮體分解效果達(dá)到最佳狀態(tài)，從而促進(jìn)細(xì)胞體內(nèi)蛋白質(zhì)、多糖、VFAs等營(yíng)養(yǎng)物的釋放。1997年首次發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理可以促進(jìn)TCOD轉(zhuǎn)化為T(mén)VFA。此后的研究主要從處理工藝條件和處理產(chǎn)物兩方面開(kāi)展［14］。

U.Neis等［15］研究了超聲頻率對(duì)污泥預(yù)處理的影響。結(jié)果表明，當(dāng)超聲頻率增大時(shí)，污泥的破解率降低。是因?yàn)槌暡ǖ闹芷陔S著超聲頻率的增加而縮短。氣泡半徑則是隨著超聲頻率的降低而增加，當(dāng)氣泡半徑達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)破裂。較低的超聲頻率會(huì)產(chǎn)生更大的氣泡半徑，由此氣泡破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的機(jī)械射流。

江云等［16］研究不同超聲頻率對(duì)剩余污泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放和穩(wěn)定化程度的影響。結(jié)果表明，在超聲頻率為22 kHz條件下，污泥上清液中COD、TP、TN含量最高，在此時(shí)超聲破解的效果為最佳。原泥樣的粒徑范圍為10～100μm之間，半徑為d50＝34.80μm，而經(jīng)過(guò)頻率為22 kHz的超聲處理后，泥樣的粒徑范圍變?yōu)?～10μm，有利于后續(xù)污泥處理的減量化。由此可見(jiàn)，超聲處理有利于促進(jìn)污泥資源化使用。

申曉娟等［17］以剩余污泥為底物，研究不同超聲功率（120 W、180W、240W、300 W）對(duì)污泥脫水性能的影響。結(jié)果表明，隨著超聲功率的增大，上清液中的COD、總氮及NH+4-N濃度呈增大趨勢(shì)。但隨著時(shí)間的推移，污泥細(xì)胞體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度低于240 W 時(shí)的對(duì)應(yīng)濃度，因此超聲功率為240 W 是實(shí)驗(yàn)的最佳條件。

5 結(jié)語(yǔ)

與超聲波或堿單獨(dú)處理相比，超聲波與堿聯(lián)合處理可以在相同條件下達(dá)到更好的效果，增加營(yíng)養(yǎng)物的釋放［17］。超聲波與堿聯(lián)合處理技術(shù)十分有應(yīng)用前景。但由于超聲波和堿處理技術(shù)的復(fù)雜性，關(guān)于超聲波和堿聯(lián)合處理污泥機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍欠缺，因此仍需深入探討兩者協(xié)同作用的規(guī)律［18］。在未來(lái)，超聲波和堿聯(lián)合處理技術(shù)必將在實(shí)現(xiàn)污泥處理處置過(guò)程“減量化，無(wú)害化，資源化”的目標(biāo)中發(fā)揮重要作用［19］。