談污泥厭氧消化預(yù)處理方法

張 祥

(山西清澤陽光環(huán)?？萍加邢薰荆轿魈?030006)

隨著活性污泥法在污水處理中的廣泛應(yīng)用，剩余污泥的處理與處置問題已經(jīng)日益突出［1］。剩余污泥具有含水率高、成分復(fù)雜、產(chǎn)量大等特點(diǎn)，因此剩余污泥處理費(fèi)用高、難度大。由于其含水率高給運(yùn)輸、減量化等帶來難度。近年來，已有不少研究者致力于剩余污泥消化和脫水減量化研究中，也取得了不少成果。

由于厭氧消化具有高能源回收率和低處理費(fèi)用，是目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣的污泥處理方法［2］。厭氧消化能減少污泥總懸浮固體，在一定程度上穩(wěn)定污泥，有利于后續(xù)處理。另外，厭氧消化污泥能實現(xiàn)污泥消毒并且其中仍含有豐富的有機(jī)質(zhì)，可用于土地處理。同時厭氧消化可以用產(chǎn)生的沼氣的方式來回收能源。但是，傳統(tǒng)的厭氧消化技術(shù)消化速率低、停留時間長且產(chǎn)氣率低。因此，對剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理來提高其厭氧消化效率和充分發(fā)揮厭氧消化的優(yōu)勢具有重要意義。厭氧消化分為水解，酸化和產(chǎn)甲烷三個步驟，其中水解步驟被認(rèn)為是限速步驟［3，4］。對污泥進(jìn)行預(yù)處理主要是達(dá)到加快污泥溶解和減小污泥顆粒的目的，目前主要方法有熱處理、化學(xué)處理、生物處理、機(jī)械分解處理等。研究中大多采用單一的預(yù)處理方法，但近年來也有不少研究采用聯(lián)合預(yù)處理方法［3］。本文旨在總結(jié)剩余污泥厭氧消化預(yù)處理的各種方法對厭氧消化的影響，為研究者提供相關(guān)參考。

1 熱處理

熱處理是污泥預(yù)處理中研究和應(yīng)用較多的方法，在高溫下污泥微生物機(jī)體基本組成物質(zhì)遭到破壞，如蛋白質(zhì)變性、脂肪受熱溶解從而使細(xì)胞膜產(chǎn)生小孔，引起細(xì)胞內(nèi)含物泄漏，因此，加熱處理能破解污泥，提高污泥厭氧消化性能。溫度是加熱處理的主要影響因素，處理時間對其影響甚小［5］。研究中的加熱處理溫度范圍從60℃ ～270℃，多數(shù)在60℃ ～180℃之間。并且研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度高于200℃時會形成難溶化合物，這一點(diǎn)在Bougrier［6］的研究中也有體現(xiàn)。Bougrier研究得出經(jīng)過190℃預(yù)處理后厭氧消化過程中脂質(zhì)降解從67%上升到84%，碳水化合物從56%上升到82%，蛋白質(zhì)由35%增加到46%，COD去除率從52%增加到64%，甲烷產(chǎn)氣量經(jīng)過190℃處理后提高25%，但會產(chǎn)生難溶化合物。另外，F(xiàn)errer［4］研究了低溫加熱預(yù)處理對厭氧消化的影響，經(jīng)過9 h 70℃預(yù)處理后揮發(fā)性溶解固體(VDS)差不多增加了10倍，72 h后產(chǎn)VFA的性能從0增加到5 g/L，并且在分批和半連續(xù)實驗中沼氣產(chǎn)量增至30%。研究證明加熱預(yù)處理污泥能有效改善污泥性質(zhì)，增加污泥可生物降解能力。這種預(yù)處理方法已在國外有許多應(yīng)用，如1995年，在挪威的海德馬克郡(Hamar)的HIAS污水處理廠在處理污泥時利用熱水解法，使得消化污泥餅體積減量30%，產(chǎn)氣量以及甲烷發(fā)電量均有明顯提高。

此外，Montusiewicz等［7］用冰凍/解凍處理初級污泥和剩余污泥的混合污泥，使總COD，總N，揮發(fā)性固體和總固體降低10%，溶解性COD和VFA增加一倍，并發(fā)現(xiàn)有氮?dú)忉尫藕土谆衔锂a(chǎn)生。揮發(fā)性固體去除量達(dá)1.31 m3/kg，是未處理污泥的1.5倍。可見，該預(yù)處理方法也能有效的增加厭氧消化效率。

2 化學(xué)處理

化學(xué)處理是相對有效的污泥溶解技術(shù)，所采用的方法主要包括加堿、加酸處理和氧化作用。

2.1 酸/堿處理

加堿處理可提高污泥揮發(fā)性固體、COD降解率和產(chǎn)甲烷量，縮短污泥厭氧消化的周期，同時調(diào)節(jié)污泥pH，使其處于適宜厭氧消化的pH控制范圍。不同堿試劑的效果為NaOH＞KOH＞Mg(OH)2和Ca(OH)2［8］，但是過高的Na+和K+會對之后的厭氧消化產(chǎn)生抑制作用。Lin［9］以NaOH預(yù)處理造紙污泥，厭氧消化中去除每千克揮發(fā)性固體的最大甲烷產(chǎn)量達(dá)0.32 m3，是未預(yù)處理污泥的1.84倍。Devlin［10］用HCl預(yù)處理污泥后進(jìn)行厭氧消化和脫水，證明pH為2的污泥加酸預(yù)處理能增加剩余污泥的溶解性碳水化合物，蛋白質(zhì)和COD，分批實驗和半連續(xù)厭氧消化中甲烷產(chǎn)量高于未處理污泥。同時，加酸預(yù)處理剩余污泥在脫水中達(dá)到相同含固量的泥餅時，可減少40%的陽離子聚合物的添加，這說明加酸預(yù)處理對污泥厭氧消化和污泥脫水都有促進(jìn)作用。

袁光環(huán)等［11］利用酸堿先后處理污泥來提高厭氧消化效率，研究表明采用先酸后堿的處理方法是最佳的預(yù)處理方法。經(jīng)過酸/堿預(yù)處理污泥厭氧消化到第15天時，甲烷累積產(chǎn)量達(dá)到136.1 mL CH4/gVSS，分別是無處理、堿/酸預(yù)處理和單獨(dú)堿預(yù)處理污泥的2.5倍，1.7倍以及1.6倍，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)總?cè)コ蔬_(dá)到60.9%。

2.2 氧化作用

氧化作用預(yù)處理法中常用Fenton試劑和臭氧作為氧化劑，使污泥在強(qiáng)氧化作用下，破壞污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，增加污泥中可溶解成分，進(jìn)而提高污泥厭氧消化性能。Erden［12］得出經(jīng)過以Fenton氧化法預(yù)處理污泥能提高固體減少量和甲烷產(chǎn)量，F(xiàn)enton法預(yù)處理可顯著減少污泥細(xì)胞外聚合物(EPS)量，從而降低生物固體脫水阻力。Yeom［13］以0.1 gO3/g COD預(yù)處理混合污泥，使甲烷產(chǎn)氣量顯著增加，達(dá)到220 mL/g。

3 機(jī)械處理

機(jī)械污泥分解方法是基于利用剪切力破壞微生物細(xì)胞壁［4］。盡管攪拌球磨機(jī)，高壓拌勻器和機(jī)械射流粉碎技術(shù)已被應(yīng)用于機(jī)械預(yù)處理，但大多數(shù)研究中利用污泥聲波分解法，而且微波也已經(jīng)被用于細(xì)胞分解。

3.1 超聲預(yù)處理

超聲波能夠擊破細(xì)胞、打破剛性細(xì)胞壁，促進(jìn)污泥的水解和酸化，因此能大大縮短厭氧消化所需的時間。影響超聲機(jī)械處理的主要三個因素分別是供能、超聲頻率和處理材料的性質(zhì)［14］。根據(jù)Bougrier［15］研究可知，超聲預(yù)處理二級污泥使污泥SCOD增加，當(dāng)供能從低于1 000 kJ/kgTS增加到15 000 kJ/kgTS時，SCOD從8%增加到35%。劉暢［16］研究得出在1 200 W，2 min功率超聲破解下得到的污泥破解程度較合適，此時SCOD/TCOD為10.9%，超聲預(yù)處理污泥20 d的累計產(chǎn)氣量較無預(yù)處理污泥提高了28.6%。超音波方法在污水廠的污泥消化的應(yīng)用已有成功案例，可在人口當(dāng)量50 000～750 000之間應(yīng)用，可使污泥的減量達(dá)到30%，并可減少約33%脫水劑的添加及增加5%的污泥脫水率。

3.2 微波處理

微波是一種振動頻率在300 MHz～300 kMHz的電磁波，這種電磁波能引起極性分子高速摩擦而產(chǎn)生熱量，改變微生物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。微波技術(shù)具有加熱快，加熱源和加熱材料之間不直接接觸等特點(diǎn)，微波預(yù)處理是一種非?？焖俚募?xì)胞水解方法。利用微波技術(shù)破解污泥從而提高污泥厭氧消化性能已被廣泛研究。余林鋒［17］研究得出微波破解污泥后，引起污泥上清液SCOD和TCOD值的增加，加速污泥水解速度，縮短厭氧消化周期，提高污泥厭氧消化的沼氣產(chǎn)量。

4 生物處理

生物酶技術(shù)是在污泥中直接加入溶菌酶等酶制劑水解細(xì)菌的細(xì)胞壁，增加細(xì)胞可溶解物質(zhì)，有利于厭氧菌對底物的利用，促進(jìn)厭氧消化并提高效率，此外也可以通過投加能夠分泌胞外酶的細(xì)菌達(dá)到這一目的，這些溶菌酶可以從消化池中直接篩選，也可以選育特殊的噬菌體和具有溶菌能力的真菌［18］。投加能分泌胞外酶細(xì)菌的溶胞技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)合理、操作簡單、對設(shè)備無腐蝕、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢。Yang等［19］研究在剩余污泥中添加商業(yè)酶制劑對污泥水解的作用，得出了單獨(dú)添加蛋白酶和淀粉酶后污泥溶化液分別提高了39.70%和54.24%，但當(dāng)兩種酶以1∶3混合且反應(yīng)溫度在50℃時VSS減少量最佳，可達(dá)68.43%。此外，將一些會排泄蛋白酶、淀粉酶等的微生物添加到厭氧消化污泥中，它們在厭氧消化過程中能改善污泥性能，提高厭氧消化效率。由于生物酶技術(shù)起步較晚，在這方面的研究還有待深入。

5 聯(lián)合處理

近年來，越來越多的研究者開始采用兩種或幾種不同的預(yù)處理方法結(jié)合來處理污泥，對比其對污泥厭氧消化的促進(jìn)作用。Park等［20］對造紙廠廢水處理剩余污泥進(jìn)行加堿和超聲聯(lián)合預(yù)處理，污泥中溶解性COD、揮發(fā)性固體(VS)、TS增加3倍～14倍;并在厭氧消化研究中得出預(yù)處理后的污泥在厭氧消化中產(chǎn)甲烷量并無明顯增加但產(chǎn)甲烷速率加快，且VS減少量顯著增加。池勇志［21］用微波結(jié)合堿解預(yù)處理剩余污泥，在HRT為30 d，COD容積負(fù)荷為1.91 kg CODCr/(m3·d)條件下，高溫厭氧消化中SCOD增加51%，溶解性總碳水化合物增加5%，甲烷產(chǎn)率增加。Kim［3］比較了單獨(dú)化學(xué)處理和熱處理以及兩種聯(lián)合處理對污泥厭氧消化性能的影響，得出熱化學(xué)處理聯(lián)合處理效果最佳，其在厭氧消化中的產(chǎn)甲烷量達(dá)3 367 L/(m3WAS)，SCOD去除率和VS去除率分別為 61.4% 和 46.1%。Vlyssides［22］在 pH=11 和加熱至90℃條件下，VSS=6.82%，在10 h內(nèi)VSS減少量達(dá)到45%，同時SCOD 達(dá)到70.000 mg/L，產(chǎn)甲烷總效率達(dá)0.28 L/gVSS。

6 結(jié)語

以上幾種污泥厭氧消化預(yù)處理方法均能達(dá)到破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，增加細(xì)胞可溶性，促進(jìn)污泥水解過程，縮短厭氧消化周期，提高甲烷產(chǎn)氣量。目前使用的預(yù)處理方法中還存在一些弊端，諸如，加熱和機(jī)械方法的能耗大，溫度過高時會生成難溶物質(zhì)，化學(xué)處理會引入一些抑制厭氧消化過程的離子等。生物預(yù)處理技術(shù)有經(jīng)濟(jì)合理、操作簡單、對設(shè)備無腐蝕、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢，但目前研究尚未成熟，還有待進(jìn)一步的研究。

污泥厭氧消化預(yù)處理主要是達(dá)到破壞微生物細(xì)胞，提高溶解性物質(zhì)，加速污泥水解過程，從而減少厭氧消化停留時間，提高效率。預(yù)處理方法可考慮結(jié)合幾種不同的方式，揚(yáng)長避短，優(yōu)勢互補(bǔ)，使污泥厭氧消化的優(yōu)勢得到最大體現(xiàn)。

［1］NEYENS E，BAEYENS J.A review of thermal sludge pre-treatment processes to improve dewaterability［J］.Journal of Hazardous Materials，2003，98(1/3):51-67.

［2］曹秀芹，陳愛寧，甘一萍，等.污泥厭氧消化技術(shù)的研究與進(jìn)展［J］.環(huán)境工程，2008，26(S1):215-219.

［3］KIM J，PARK C，KIM T H，et al.Effects of various pretreatments for enhanced anaerobic digestion with waste activated sludge［J］.Journal of bioscience and bioengineering，2003，95(3):271-275.

［4］FERRER I，PONS S，V ZQUEZ F，et al.Increasing biogas production by thermal(70℃)sludge pre-treatment prior to thermophilic anaerobic digestion［J］.Biochemical Engineering Journal，2008，42(2):186-192.

［5］LI Y Y，NOIKE T.Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by thermal pretreatment［J］.Water Science ＆Technology，1992，26(3/4):857-866.

［6］BOUGRIER C，DELGEN S J P，CARR RE H.Impacts of thermal pre-treatments on the semi-continuous anaerobic digestion of waste activated sludge［J］.Biochemical Engineering Journal，2007，34(1):20-27.

［7］MONTUSIEWICZ A，LEBIOCKA M，ROZEJ A，et al.Freezing/thawing effects on anaerobic digestion of mixed sewage sludge［J］.Bioresource Technology，2010，101(10):3466-3473.

［8］CARR RE H，DUMAS C，BATTIMELLI A，et al.Pretreatment methods to improve sludge anaerobic degradability:A review［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，183(1/3):1-15.

［9］LIN Y，WANG D，WU S，et al.Alkali pretreatment enhances biogas production in the anaerobic digestion of pulp and paper sludge［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，170(1):366-373.

［10］DEVLIN D C，ESTEVES S R R，DINSDALE R M，et al.The effect of acid pretreatment on the anaerobic digestion and dewatering of waste activated sludge［J］.Bioresource Technology，2011，102(5):4076-4082.

［11］袁光環(huán)，周興求，伍健東.酸/堿預(yù)處理促進(jìn)剩余污泥厭氧消化的研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2012，33(6):1918-1922.

［12］ERDEN G，F(xiàn)ILIBELI A.Improving anaerobic biodegradability of biological sludges by Fenton pre-treatment:effects on single stage and two-stage anaerobic digestion［J］.Desalination，2010，251(1):58-63.

［13］YEOM I，LEE K，LEE Y，et al.Effects of ozone treatment on the biodegradability of sludge from municipal wastewater treatment plants［J］.Water Science ＆ Technology，2002，46(4/5):421-425.

［14］CLIMENT M，F(xiàn)ERRER I，BAEZA M D M，et al.Effects of thermal and mechanical pretreatments of secondary sludge on biogas production under thermophilic conditions［J］.Chemical Engineering Journal，2007，133(1/3):335-342.

［15］BOUGRIER C，CARR RE H，DELGEN S J P.Solubilisation of waste-activated sludge by ultrasonic treatment［J］.Chemical Engineering Journal，2005，106(2):163-169.

［16］劉 暢.超聲預(yù)處理組合技術(shù)改善污水污泥厭氧消化的研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［17］余林鋒.微波破解污泥及其厭氧消化性能的研究［D］.廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2008.

［18］戴前進(jìn)，方先金，邵輝煌.城市污水處理廠污泥厭氧消化的預(yù)處理技術(shù)［J］.中國沼氣，2006，25(2):11-14.

［19］YANG Q，LUO K，LI X M，et al.Enhanced efficiency of biological excess sludge hydrolysis under anaerobic digestion by additional enzymes［J］.Bioresource Technology，2010，101(9):2924-2930.

［20］PARK N D，HELLE S S，THRING R W.Combined alkaline and ultrasound pre-treatment of thickened pulp mill waste activated sludge for improved anaerobic digestion［J］.Biomass and Bioenergy，2012(46):750-756.

［21］池勇志.微波結(jié)合堿解預(yù)處理改善剩余污泥厭氧消化效能的研究［D］.天津:天津大學(xué)，2010.

［22］VLYSSIDES A.Thermal-alkaline solubilization of waste activated sludge as a pre-treatment stage for anaerobic digestion［J］.Bioresource Technology，2004，91(2):201-206.