剩余污泥强化厌氧消化预处理技术

随着城市化和工业化进程的加快，中国污水处理产业发展迅速，污水处理能力和技术不断提升。但是，污泥处理带来的问题也逐渐显现出来。具体来说，如果污水处理厂的污泥未经适当处理就随意堆放，污染物会以污泥的形式转化到环境中，造成地下水、地表水等水体的二次污染。同时，污泥中所含的能量也会被浪费掉。因此，厌氧消化技术是回收污泥中所含能量的一个非常重要的途径。

污泥虽然对环境有害，但由于含有大量的有机物和营养元素，成为污泥资源化利用的重要保障。常规厌氧消化技术难以达到较高的沼气转化效率(一般为30%~45%)，主要是因为厌氧细菌在水解酸化阶段难以破坏污泥细菌的细胞壁和木质纤维素结构。因此，各种污泥预处理方法应运而生，其主要目的是破坏污泥中细菌的细胞壁和木质纤维素结构，以释放细胞中的有机物、糖类、蛋白质等。因此，提高污泥溶解效率是强化污泥厌氧消化的关键。

1、剩余污泥的性质

剩余污泥的含水率极高，未经处理的污泥含水率可达97%~99%，其成分还包括脂肪、蛋白质、纤维素、腐殖质等。此外，还含有大量的微生物、有毒有机物、重金属、无机物等。其中，脂肪、蛋白质、多糖等。很容易被厌氧消化降解，在产甲烷菌的生化作用下可以成功转化为甲烷。然而，污泥中的木质纤维素、腐殖质和生物细胞很难被厌氧消化分解。因此，目前对剩余污泥预处理的研究主要集中在两个方面。一方面，探索大幅度降低剩余污泥含水率的可能方法；另一方面是寻找合适的方法对剩余污泥进行预处理，改变难降解物质的结构，破碎细胞，释放细胞内的可代谢物质，从而提高厌氧消化的沼气产量和甲烷转化效率，减少消化池的体积和停留时间，减少最终处置的污泥量。

在污泥处理阶段，污泥脱水效率将在很大程度上影响污泥处理能力，是后续污泥运输、消化和综合利用的重要保障。包括重力浓缩、机械脱水、干燥、冻融脱水等处理方法，人们也在不断研究一些新的方法，如表面活性剂与生物浸出的结合、使用改性玉米芯粉等。其实这些方法有的对强化厌氧消化也有很大的帮助。然而，专门用于强化厌氧消化的预处理包括物理预处理、化学预处理、生物预处理等，其中一些与其他方法相结合作为联合预处理。

2.剩余污泥预处理的研究

2.1机械预处理

用机械设备预处理污泥一般具有结构简单、使用方便、不含难降解有机物等优点。有高压均质、旋转球磨、裂解离心等多种研究。高压均质法是污泥在非常高的压力下，通常为几十MPa，以较低的速度进入均质器，其中压力突然降低，使污泥在压差下产生强烈的冲击。在剧烈的湍流和空化作用下，污泥的局部温度上升，导致污泥细胞破碎。旋转球磨法是利用球磨机的高速旋转，钢球与污泥搅拌碰撞，产生剪切力改变污泥结构。高压均质法、旋转球磨、裂解离心等。需要使用大型设备，且设备维护不方便。虽然已经应用，但裂解效率低于其他方法。由于剩余污泥含水量极高，机械方法产生的能量被不必要地消耗，导致污泥絮体和微生物细胞破坏不充分。因此，结合其他预处理方法可以弥补机械方法的不足。孙玉晓等采用水力旋流器和碱(pH=11)联合预处理取得了较好的效果，VFA提高了23.75%，甲烷产量提高了32.28%。

2.2物理预处理

在剩余污泥的物理预处理方法中，热解、微波、超声波和聚焦脉冲被广泛研究。热解是一种常规的污泥处理方法，被认为是污泥消化前的首选方法。通过对污泥加热，微生物的细胞壁因膨胀而破裂，使污泥中的大量有机物释放出来，同时可以降低污泥粘度，提高脱水速率。热解时，温度为80℃~180℃，时间为20min~40min，压力为600kPa~2500kPa。许多研究发现，温度越高，热解效果越好。但过高的温度(200℃以上)不仅会增加能耗，还会产生难降解物质，甚至有毒物质(美拉德反应)。因此，考虑到能耗、体积等因素，100℃以下的热解方式很多。总体来看，热解技术已经成熟，在国内外很多项目中得到了应用，但仍面临能耗高、加热不均匀、停留时间长等问题。

微波法是通过将电磁波转化为热能来加热污泥。由于微波法具有加热速度快、处理效果好、操作简单等优点，逐渐取代了常规的热解方法，也易于与其他方法结合。倪等研究比较了几种敏化剂联合微波和微波-过氧化氢处理污泥的效果，发现二氧化钛作为敏化剂的微波效应增强，污泥中C、N、P的释放量显著增加。王晶等人使用微波结合MEC处理城市污泥。首先用600W微波辐射180s，在0V~1.2V电压下，体系的甲烷产量、SCOD和VSS均有显著提高，分别比对照组提高了89.4%、56.9%和39.9%。单独使用微波可获得较好的处理效果，但高能耗的方向是寻找合适的敏化剂或与其他方法联用。

在剩余污泥中，超声波(>:20kHz声波)，导致水以超高速通过污泥固体表面，产生超高速射流。这种射流产生的冲击波可以带来很强的机械剪切力，并伴有一定的热、机械和化学作用，因此细胞壁开裂。超声波处理污泥的效果取决于声能密度和处理时间，是一种高效节能的处理方法，已在国外得到应用。但也面临能耗大的问题，需要寻找合适的参数和方法来降低能耗。王忠禹比较了单频和双频处理方法对污泥的处理效果。结果表明，在相同能耗下，双频(20kHz+25kHz)超声波的处理效果明显优于单频(20kHz或25kHz)超声波，当双频超声波能量为12000 kJ/GTS时，SCOD的溶出率为26.8%，对于提高剩余污泥的裂解效果和厌氧消化性能非常理想。

聚焦法(FP)是高压脉冲电场对微生物细胞膜的直接作用，破坏细胞膜的结构，产生“电穿孔”。这些都可以促进污泥细胞的分裂，溶出细胞内的有机物。同时，电弧还会破坏污泥本身的絮体结构，产生自由基。Rittmann等人用聚焦脉冲处理剩余污泥，使SCOD提高1.6倍，DOC提高1.2倍。

2.3化学预处理

污泥的化学预处理方法包括碱处理、臭氧氧化、电化学氧化、亚硫酸盐法、过氧化氢、芬顿试剂等。碱会使污泥中的有机颗粒膨胀，纤维成分溶解，导致微生物细胞破裂。碱处理法可以达到较好的预处理效果，但由于处理是在pH >: 10下进行的。因此，后续的污泥处理往往需要重新调整pH值，消耗大量的化学药剂，同时还会对腐蚀设备产生不利影响。目前研究主要是结合其他方法。

臭氧还可以作为氧化剂，破坏污泥预处理中的微生物细胞结构，提高剩余污泥厌氧发酵的效率。但添加剂的用量很难控制，不具备破坏细胞壁膜结构的针对性。氧化破坏的同时，也作用于污泥本身所含的有机物。适当利用臭氧破坏氧化性强的细胞膜，还可以分解污泥中的一些大分子有机物，有利于后期的厌氧消化。研究表明，0.088 go3 g-1 ~ 0.1 go3 g-1 ss的投加量可以获得更大的污泥裂解效率。但它面临的问题是，O3的消耗量大，消耗量小时，破坏细胞膜(壁)的效果不明显。O3会优先与污泥外的还原性有机物反应，而不是破坏细菌细胞膜，反应过度会影响厌氧消化产甲烷的效果。赵阳等。以次氯酸钠为电解质，与污泥混合均匀，施加电压20V，持续时间40min，厌氧消化45 d，与最终电化学法相比，产气和甲烷的比例优于碱处理、热解和热碱处理。曾力等选用Ti/PbO2电极对污泥进行电化学氧化。通过原子力显微镜可以观察到污泥细菌胶团的絮状结构被破坏，变得不规则，细胞破碎。毛细时间减少了90%以上，说明这一过程有效地氧化了胞外聚合物，破坏了细胞膜的结构，释放出大量的有机物。

一些学者认为大量使用氧化剂药物是不经济的，并寻找一些工业废料。赞飞翔等人利用亚硫酸盐破坏微生物细胞壁，用工业上常见的亚硫酸盐废液对剩余污泥进行预处理。结果表明，污泥水解率提高了1.7倍，产甲烷潜力提高了1.2倍。

2.4生物预处理

生物预处理是指利用微生物技术对污泥进行预处理。常见的方法主要是生物酶法。众所周知，酶是一种高效催化剂。由于其专一性和高效性，不像氧化剂、酸、碱等物质需要大量添加，少量即可达到良好效果，对后续处理的不良影响较小，发展空间大。通常加入蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等来水解污泥中的相关成分。陈伟等研究表明，当溶菌酶浓度小于20mg/g时，只有污泥的胞外物质被水解，增加酶量可显著引起污泥裂解。溶菌酶对原污泥有很好的水解效果，SCOD/TCOD高达28.14%，再加入蛋白酶和纤维素酶，获得很好的溶解效果。

3.结论

目前对强化厌氧消化过程中如何有效破坏细胞壁或裂解污泥的研究是定向的，处理方法主要集中在以上几个方面。从整体效果来看，存在不足，大部分技术距离工程应用还有一定距离。

1)机械污泥处理主要依靠设备运行产生的剪切力或压差，运行成本过高，设备维护量大，整体上不如物理预处理方法。目前的研究方向是如何优化设备参数或改变设备结构以提高裂解效率，或结合其他方法提高现有加工设备的标准。

2)在物理预处理方法中，热解已经有很多研究和工程案例，目前的研究重点是与其他方法的结合。微波法潜力很大，但也存在能耗高的问题。今后应着重降低能耗，例如寻找合适的可循环使用的敏化剂提高微波效率，寻找更好的工作条件，强化厌氧消化效果。

3)化学处理法需要大量的化学药品，对设备有腐蚀作用，不适合直接进入厌氧消化过程，甚至可能产生有毒有害物质，需要对污泥进行再次调整。例如，酸碱法完成后，需要再次调整污泥的pH值。在寻找合适的化学物质时，我们可以尝试使用一些对细胞有破坏作用的工业废料进行研究。

4)利用生物酶进行生物预处理具有许多其他方法不具备的优点，如不需要大型专用设备、不需要高温、不需要酸碱条件、不产生二次污染等。今后的研究方向应该是不同类型酶的组合、更好的用量和相应的反应条件。另外，关键是如何大量获得廉价的生物酶制剂，这取决于生物产业的发展。

5)由于单一的预处理方法具有很大的局限性和明显的缺点，因此将各种预处理方法结合起来发挥各自的长处也是今后研究的一个方向，研究重点应放在不同方法的主次搭配以及相关参数的选择和确定上，以降低能耗。

6)对于工程应用，需要更加关注能耗、实际运行等条件。目前的研究仍集中在预处理效果的优劣评价上，对能耗的比较还较少。以后可以把预处理环节和厌氧消化环节作为一个整体来研究(能耗和生产率)。(来源:陕西金焕科苑环境资源科技有限公司)

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