城市污泥厌氧消化前处理技术研究概况

赵传军

（北京机电院高技术股份有限公司，北京 100027）

城镇污水处理厂污泥（简称污水污泥）属于污水净化过程的产物，可分为初沉污泥和剩余污泥。污水污泥具有产量大、成分复杂的特点，除含有大量有机质和氮磷等营养物质外，还含有一定量的有害化学物质，如不妥善处置，将会对周围环境和人类健康造成重大危害。根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）规定，城镇污水处理厂污泥应进行稳定化处理后再利用[1]。我国目前常用的污泥稳定化方法主要有厌氧消化、好氧消化和好氧堆肥，相对于污泥好氧稳定，污泥厌氧消化可以达到很好的稳定效果，城市污泥可经浓缩/厌氧消化/脱水后达到减量化和稳定化的目的，实现后续的农用，产生的可回收燃气（氢气、沼气等）可被综合利用。污泥厌氧消化产气不仅可以解决污泥的出路问题，还可实现污泥的资源化利用，具有很高的应用价值。

污泥厌氧消化是利用厌氧菌和兼性菌进行消化反应，使污泥中的有机物质分解，达到污泥稳定化的处理技术。消化过程产生的气体（沼气、氢气）可作为生物质能源回收利用，不仅可以降低污水处理厂的能耗，还可以减少温室气体的排放。传统的厌氧消化方式存在处理效率低、反应时间长和产气量不足等问题，因而在很大程度上限制了厌氧消化技术的发展。水解阶段是污泥消化过程中的限速阶段，在污泥厌氧消化过程中，可以采用一定处理方法对污泥进行前处理，使微生物细胞壁破裂水解，从而提高有机质的降解率和消化的产气量。目前研究较多的污泥厌氧消化前处理技术有热水解预处理、超声波预处理、辐射预处理、加碱预处理和臭氧氧化预处理，以及这些技术的不同组合等，以达到最优化的工艺条件。

1 热水解处理

热水解处理工艺可以有效提高污泥的厌氧消化性能，提高后续厌氧消化系统的有机物去除率，增大甲烷的产气量，提高污泥的脱水性能。目前，常用的热水解处理温度范围为40℃～180℃[2]，也有的温度范围为150℃～250℃。研究发现，采用180℃高温预处理污泥，甲烷产量成倍增长[3]，但是温度过高时，水解生成的中间产物在一定程度上会抑制厌氧消化。污泥热水解不仅可以使污泥细胞溶解，污泥水解后形成的中间产物更适合作为微生物的生长基质。Rocher等[4]研究发现，污泥在pH=10、温度60℃条件下水解处理20min，污泥细胞溶解和生物降解稳定，污泥产率是常规活性污泥法的38%～43%。王治军等[5]通过测定生物化学甲烷势（BMP）考察热水解处理对污泥厌氧消化性能的影响，得到热水解处理最佳条件为温度170℃、30min，此条件下污泥厌氧消化总化学需氧量（TCOD）去除率达到56.78%，污泥中TCOD沼气产率提高到250mL/g，随着水解温度的升高，污泥的产气率和有机物去除率升高，在170℃时达到最大值，而水解时间对厌氧消化的影响在低温时比高温时更显著，但是热水解对沼气中的甲烷含量没有显著影响。Mavi Climenta等[6]对高温热处理剩余污泥进行了研究，采用可过滤挥发性固体（FVS）与总挥发性固体（TVS）的比值（FVS/TVS）考察热处理对污泥破解程度的影响，结果发现FVS/TVS随着处理温度和时间的增大而增大，同时还证实了与未经处理污泥相比较经热水解处理（T = 134℃，t = 90min），FVS/TVS增加（914±5）%，但是产气效果没有变化，而低温热处理污泥（T = 70℃，t = 9h），FVS/TVS增加（751±36）%，同时产气量增加50%。Y-.Y. Li等[7]对热预处理活性污泥用于厌氧消化进行了研究，分别在温度范围62℃～175℃时间为15、30、60、90和120min对污泥进行热处理，经分析，污泥中的有机颗粒被分解为可溶性醣类、蛋白质、脂类或者转化为低分子量物质（如挥发性脂肪酸），经热处理后污泥的厌氧降解性和产气量升高，厌氧消化停留时间缩短了5d，最佳热处理条件为温度170℃、60min，在此条件下COD去除率超过60%，产气量为223～235mL/g·COD。综上，影响污泥热水解处理的因素中，温度和时间是首先要考虑的主要因素，随着温度的升高，污泥的水解速率和水解程度增大，厌氧消化性能提高，但温度过高时会对污泥厌氧消化的影响减弱，同时会有抑制水解物质的生成，因此热水解处理工艺研究方向是在尽量降低能耗的基础上确定前处理的最佳工艺参数。

2 超声波预处理

超声波技术利用本身的高密度能量将污泥中细胞破解使胞内物质溶出，促进厌氧消化反应并提高有机物去除效率。同时超声波具有的高能量可杀死污泥中的微生物和病原菌等从而达到无害化的处理效果。超声波技术具有设备简单、占地面积小、可操作性强等特点。近年来许多人做过利用超声波技术预处理污泥用于厌氧消化方面的研究。沈劲锋等[8]的研究表明，超声波预处理后污泥的后续中温厌氧消化性能得到明显改善，超声波处理加速了有机物水解并提高了总产气量，超声波改变了污泥絮体结构，而且强度越大，对污泥的破坏程度越大，处理后污泥的粒径越小。可见，超声波强度会影响对污泥的处理效果，类似的研究也证明了这一结论。A.Tiehm等[9]采用3kHz高强度超声波对污水污泥进行预处理，处理后污泥上清液的COD增加，固体颗粒粒径变小，经超声波处理后污泥的产气量提高了2.2倍。

不仅超声波的强度会对污泥破解效果产生影响，超声波频率的不同对污泥的处理效果也存在差异，有研究证明，低频率超声波的处理效果优于高频率超声波[10]。超声波破解污泥过程的影响因素有很多，Antti等[11]利用球形和矩形超声波反应器考察了超声波能量、频率、污泥干固体浓度、温度和反应时间等因素对污泥处理效果的影响，通过多元素分析得出以下结论：超声波能耗、污泥干固体浓度（DS）、污泥温度和辐射时间对污泥破解影响最为显著，且高强度短时间超声波处理比低强度长时间对污泥的破解效果更为显著。蒋建国等[12]的研究证实影响污泥超声波破解效果的主要因素为超声波频率、声能密度和作用时间，并证实双频超声波对污泥SCOD溶出效果优于单频。另外，还有研究证实超声波还可以有效控制污泥厌氧消化系统内的浮沫[13]。

超声波处理技术作用机理复杂，工艺条件复杂，处理效果受污泥多种参数（压力、温度、黏度等）以及超声波发生设备的影响较大，距离实际应用还需要更深入的研究。

3 辐射预处理

辐射法预处理污泥是利用辐射源释放的射线对污泥进行照射处理，目前研究较多的有γ-射线辐射和高能电子束辐射预处理方法。郑正等[14]研究了γ-射线辐照预处理厌氧消化污泥，结果表明，经过γ-射线辐照后的污泥厌氧消化特性明显改善，平均粒径减小，粒径分布由70～120μm向0～40μm迁移，经10kGy辐照处理后污泥厌氧消化产气量明显增加，消化性能得到很大改善。Kyung-Sook Shin等[15]进行了高能电子束预处理污水污泥用于厌氧消化的研究，辐照计量为0.5k～10kGy，经过24h辐照处理后的TCOD为35%～50%的污水污泥完全溶解，污泥细胞破裂，大量溶解COD、蛋白质和醣类溶出，经过高能电子束辐照处理后的污泥消化反应速率将提高1倍。辐射法预处理污泥可以提高污泥厌氧消化效率，提高产气量，但是此方法对操作技术要求高，能耗相对较大，实际应用还需要进一步研究。

4 加碱预处理

碱可以溶解脂类物质使污泥细胞破裂，可以提高污泥消化过程中污泥水解的速率，提高CODs产量，改善污泥的厌氧消化性能[16]，通常加入的碱类为NaOH或Ca(OH)2，污泥经过加碱后的脂类和蛋白质可以被充分利用，有助于厌氧消化过程的pH值被控制在产甲烷的最佳范围内，从而达到提高甲烷产率的目的。林志高等[17]研究了加碱处理活性污泥用于厌氧消化，与未加碱处理的污泥进行比较，结果发现经加碱处理后污泥基质的去除率、产气率、单位基质去除产生的甲烷量和产气中的甲烷含量均有所增加，厌氧消化的反应速率也有所提高。肖本益等[18]研究了pH值对加碱预处理污泥进行厌氧发酵产氢，污泥的初始pH值是影响碱处理发酵产氢的一个重要因素，当污泥初始pH值为11.0时，碱处理污泥的氢产率最大，达14.4mL/g（VS）。

5 臭氧氧化处理

臭氧是一种活泼的氧化剂，可以与污泥中的化合物发生反应，通过氧化作用使细胞壁和细胞膜破解，进一步破坏污泥中不易水解的大分子物质从而提高污泥的消化性能[19]。Buning等认为，经过臭氧处理的污泥可以使蛋白质和多聚糖溶出，蛋白质继续与臭氧反应而被分解，多聚糖则被继续氧化[20]。王嵘等[21]研究发现，污泥浓度和溶解性有机物浓度随着臭氧投加量的增加呈现减少和增加的趋势，在臭氧投加量为0.13gO3/gVSS时，污泥的TSS减少39.6%，SCOD溶出60.6倍。臭氧氧化的效率主要取决于污泥的性质和操作条件，因而臭氧投加量和投加方式的控制较为复杂，使臭氧预处理污泥技术的应用受到一定限制。根据奥地利VATECH WABAG公司的研究结果[22]，该工艺能使污泥的有机固体平均降解率从45%提高到65%，气产量增加30%～40%；减少1/4至1/3的厌氧消化池容积，在增加臭氧装置后，投资建设总费用减少5%；节约加热搅拌费用，与常规的污泥厌氧消化相比，运行费用略少。

Shuzo等[23]比较了采用热处理、化学处理（添加NaOH）和热-化学处理掺杂工业废水的废活性污泥，结果表明，热化学处理后的污泥厌氧发酵效果最好，在经温度130℃、时间5min、热处理碱剂量为0.3gNaOH/gVSS处理后，甲烷产量提高了两倍。J.Müller等[24]比较了臭氧氧化、超声波处理、热分解和化学处理等不同方法处理厌氧消化污泥，考察有机碳释放率和随后消化实验中的固体挥发性降解率，结果表明，采用NaOH碱解污泥可以达到最大的有机碳释放率，但碱解后污泥中盐分含量过高，对厌氧消化存在不利影响，其中臭氧氧化处理后的污泥在随后的厌氧消化试验中可以达到最大的固体挥发性降解率。

6 不同处理技术联合处理

郑镇等[25]采用碱-热处理法对污水处理厂浓缩污泥进行处理，先用NaOH处理24h后再进行热处理，BMP试验结果表明：经碱-热法处理后的污泥，SCOD去除率是同步法预处理污泥SCOD去除率的1.06～1.31倍，产气量是同步法预处理污泥产气量的1.08～1.31倍。结果证明，碱-热法能有效提高污泥中有机物的可生化性，减少厌氧消化后污泥的剩余SCOD浓度，提高生物产气量。杨洁[26]进行了碱和超声波联合处理厌氧消化污泥实验，通过单独碱处理、超声波处理和碱-超声波的共同处理污泥实验，结果发现，碱和超声波的组合方式对污泥的破解效果明显优于超声波和碱单独处理方式，不但污泥的水解速率得到提高，而且减少了碱的投加量，缩短了超声波破解的时间。A.G. Vlyssides等[27]研究了活性污泥在经中温（50℃～80℃）和pH = 8～11的前处理后厌氧消化的水解动力学和溶解特性，在温度90℃、pH=11时活性污泥中可挥发性固体（VSS）浓度为6.82%，并且在10h内可溶性COD下降至70.00mg/L，总体甲烷产率为0.28L/gVSS。Chiu YC等[28]研究了碱处理、超声波处理和两种方式联合处理污泥的厌氧消化试验，超声波频率为20kHz、功率120W和碱剂量为40meq/LNaOH（14.4sec/mL）时，得到处理后污泥21h内的TVFA/TCOD值为84%。

7 结语

从发达国家的污泥处置现状看，土地利用将是未来的发展趋势，污泥厌氧消化技术未来将会被广泛利用。我国“十二五”规划也发布了一些政策鼓励采用厌氧消化处理城市污泥。污泥的前处理与厌氧消化密不可分，因此，研究和开发高效合理的污泥厌氧消化前处理技术是污泥厌氧的发展方向之一。目前，各种前处理方法中，热处理和碱处理法技术成熟，建设和运行成本较低；其他如超声波处理、辐射处理等技术对工艺和操作要求高，实际应用还需要更进一步研究。各种污泥前处理方法作用机理不同，作用效果也有所差异，在实际工程应用中可以根据污泥的种类和性质选择不同的预处理技术，或者选取不同技术的组合，要与厌氧消化工艺相结合以达到最优化的处理效果。

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