市政污泥预处理技术研究进展

李方志，刘晓峰，张 浩，刘新立，刘 波

（湖南军信环保股份有限公司，长沙 410000）

市政污泥预处理技术研究进展

李方志，刘晓峰，张 浩，刘新立，刘 波

（湖南军信环保股份有限公司，长沙 410000）

随着社会经济的不断发展，我国市政污泥产量将进一步增加，污泥的处理及处置已成为制约我国发展的重要问题。厌氧消化和脱水是污泥的主要处理技术，而污泥生物细胞破坏和结合水的释放是限制厌氧消化和脱水的瓶颈。污泥预处理，可以破坏污泥的生物细胞结构，提高污泥厌氧消化及脱水效率。基于此，本文综述了国内外污泥预处理技术的原理、特性及研究进展。

市政污泥；预处理；厌氧消化；污泥脱水

市政污泥是城市污水处理厂在废水处理过程中产生的一种生物质残片，其含水率高（大于95%）、组分复杂，一般含有病原菌、寄生虫、有机物及重金属等物质[1]。据统计，我国2016年第三季度市政污水处理量为1.7亿m3/d[2]，按照每万吨污水产生湿污泥约5 t计算（80%含水率），年产市政污泥将达到3 000万t。预计到2020年底，全国市政污水处理量达到2.69亿m3/d[3]，随着污水厂提标改造的推进，污泥产量将进一步提高，大量市政污泥若不妥善处理处置，必将对环境造成严重污染。

厌氧消化及脱水是污泥处理的主要方法，但由于污泥干物质中含有大量微生物，微生物细胞壁及胞外聚合物是限制厌氧消化及脱水效率的主要瓶颈。因此，利用预处理破坏污泥的细胞壁及胞外聚合物，是目前污泥预处理研究的重点方向。本文对国内外污泥预处理技术的原理、特性及研究进展进行了综述。

1 物理预处理

物理预处理指通过外加能量或通过机械破坏污泥细胞结构，包括热水解、超声波、微波、冻融、机械处理等方法。

1.1 热水解

热水解是指通过高温高压破坏污泥中微生物的细胞结构，释放细胞内部的大分子有机物及结合水，并将有机物快速水解，以改善脱水及厌氧消化的性能的方法。热水解温度一般控制在40℃～180℃，热水解反应速率、处理效果和温度成正比，但超过200℃后易发生美拉德反应，导致厌氧消化效率下降。

热水解工艺在国外应用较为广泛，20世纪30年代末，已有企业开始应用热水解改善污泥脱水性能，康碧（Cambi）公司于1997年在挪威Hammer污水厂实现该工艺的工程化。我国热水解工程化应用目前在长沙、北京和深圳等地已有热水解工程化案例。尤其是长沙污泥热水解-高温厌氧消化项目，从2014年投运至今已稳定运行3年。

1.2 超声波

超声波是指频率超过20 kHz的机械波，超声波作用于污泥中的水分，产生“空穴效应”，液体将瞬间经历大量微小气泡的产生及破裂，在此过程中形成高强度剪切力，导致气液相界面产生约4 726℃的超高温及上百个大气压的超高压，从而破坏污泥细胞结构，释放有机物及结合水。超声波的能量密度及作用时间等均和处理效果有密切关系。

叶运弟等人研究了超声波作用时间及能量密度对污泥脱水性能的影响，发现作用时间及能量分别为15 s、700 J时，污泥含水率、污泥比阻（SRF）及污泥毛细吸水时间（CST）等达到最优效果，能量过大或过小均会导致脱水性能相对下降[4]。Maria等人研究超声波对污泥性状的影响，发现超声波处理后的污泥絮体平均尺寸为22.3 um，体积相对减小了60.9%，并且污泥粘度降低、过滤性能提高，污泥脱水性能显著改善。

1.3 微波

微波是一种频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，可转化为热能对污泥加热，相对于传统加热，微波加热更加均匀且内部温度高于外部。微波对污泥的作用包括热效应和非热效应，其中热效应为界面极化损耗及偶极极化损耗等机制，主要通过辐射加热污泥，使污泥细胞溶解，而非热效应的原理尚无定论。

Park等人将污泥经微波处理后，发现产气量和溶解性化学需氧量（SCOD）去除率分别提高了79%及65%，并且污泥停留时间（SRT）由15 d缩短至8 d[5]。Eskicioglu等人研究了微波温度及停留时间对污泥结构的影响，结果表明，微波可有效破坏污泥细胞结构，释放胞内SCOD[6]。设定微波加热温度为96℃、SRT为5 d时，污泥中总固体物质（TSS）和挥发性固体物质（VSS）的去除率比常温下提高了32%和26%；SRT为20 d时，TSS和VSS的去除率分别提高了16%和12%。目前，微波预处理尚未有成熟的工程应用。相比于传统热处理技术，微波因可提高加热效率、缩短反应时间，具有较好的开发应用前景，但目前微波设备价格较贵且处理成本较高，限制了微波工艺的应用。

其他物理处理方法如γ射线预处理法、电子束预处理法、冻融法等，目前主要集中在理论研究，本文不做赘述。

物理预处理作用时间短，对污泥后续处理效果改善显著，其中热水解、超声波等已有较多工程应用，但其存在投资运行成本相对较高、使用设备多、操作复杂，易产生二次污染等问题。因此，研究开发出能效利用率高、操作运行简便的工艺设备是后续研究的方向。

2 化学法

化学预处理是指通过投加化学药剂氧化或溶解污泥中微生物的细胞壁、破坏胞外聚合物，以提高污泥厌氧消化效果及脱水性能，主要包括氧化预处理、酸碱预处理等。

2.1 氧化法

氧化法是指加入臭氧或芬顿（Fenton）等强氧化物质或采用电化学氧化等方式，氧化溶解细胞壁，释放细胞内部有机物及结合水，同时将大分子有机物氧化成小分子有机物，进而改善污泥消化及脱水性能。

洪晨等人采用Fenton试剂处理污泥，发现投加适量Fenton可大幅度降低CST及污泥滤饼含水率，但过量会导致滤饼含水率升高[7]。因此，采用氧化法处理污泥时，需要控制投加量，投加量过大，不仅会使成本上升，还导致有机物完全氧化，不利于污泥厌氧消化。曾丽等人以钛、二氧化铅板为阴、阳电极，研究了不同电解电压、极板间距、电解质种类及投加量条件下对污泥脱水性能的影响，研究显示电化学预处理可有效改善污泥脱水性能，并且电解电压影响最大，最优参数为：处理时间20 min、电压20 V、间距2 cm、电解质为NaCl（0.6 g）[8]。

2.2 酸/碱法

酸/碱法是指通过加入酸或碱调节污泥pH，破坏污泥中的细胞结构。碱处理对改善污泥厌氧消化性能效果较好，不同种类的碱效果有所不同，一般氢氧化钠＞氢氧化钾＞氢氧化镁＞氢氧化钙，由于Na+或K+浓度过高会抑制污泥厌氧消化，因此碱盐投加量不宜过高。

Devlin等人研究了酸处理对污泥消化的影响：用37%的盐酸处理污泥后，污泥厌氧消化13 d的产气量与原生污泥消化21 d的产气量相当[9]。Chang等人研究了氢氧化钠投加量对污泥中SCOD浓度的影响，最优效果为：当氢氧化钠投量为0.04 g/g TSS、污泥TSS浓度为1.5 g/L时，SCOD/TCOD超过了45%。

化学预处理投资成本低、设备简单、操作方便，处理效果好，但药剂用量大、运行成本高、易产生副产物及二次污染，并且采用酸碱法预处理后的污泥往往不适宜直接进行厌氧消化。

3 生物法

生物预处理一般是指通过投加生物酶制剂破坏污泥细胞，提高污泥消化及脱水性能的方法。生物酶包括可分泌酶的菌种及不同类型的酶制剂，生物酶可催化分解污泥细胞结构、大分子有机物等，提高污泥的脱水及消化性能。Barjenbruch等人采用溶菌酶处理剩余污泥，发现污泥经处理后有机物降解率明显提高，并且厌氧消化沼气产量提高10%[10]。

生物预处理操作简单，无副产物及二次污染，是未来污泥预处理的重要发展方向。但目前生物酶的制备成本较高，效果不稳定，工程化难度较大，需进一步研究开发制备成本低、处理效能高的生物酶制剂。

此外，上述预处理方法还可进行联用，如臭氧-超声波结合、酸-碱联合处理污泥等，相对单一预处理方法，处理效果更好。

3 结论

预处理可有效破坏污泥细胞结构，缩短厌氧消化停留时间，提高脱水效率，但各类方法也均存在一定的不足。

（1）物理法效率高、效果好，其中热水解在我国多地实现工程化，超声波预处理在国外也有成功工程案例，但其存在建设运行成本较高、操作复杂、存在二次污染等问题，如能针对应用中的问题进行改进，该处理工艺具有较好的推广应用前景。

（2）化学法应用广泛、操作简便、效果好，但药剂投加量大，易产生二次污染，不适宜直接进行厌氧消化。因此，需充分结合污泥处理情况谨慎选择化学预处理工艺。

（3）生物法操作简单、无二次污染、反应条件温和，具有广泛的发展前景，但制备成本较高，效果不稳定，需进一步研发制备成本低、处理效能高的生物酶制剂。

1 Sorensen B L，Dall O L，Habib K.Environmental and resource implications of phosphorus recovery from waste activated sludge[J].Waste Management，2015，（45）：391-399.

2 中华人民共和国住房和城乡建设部.住房城乡建设部关于2016年第三季度全国城镇污水处理设施建设和运行情况的通报[Z]，2016.

3 中华人民共和国国家发展和改革委员会.“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划[Z]，2016.

4 叶运弟，郑 莉，周 力.超声波能量对污泥脱水性的影响变化研究[J].轻工科技，2013，（9）：113-114.

5 B Park，JH Ahn，J Kim，etal.Use of microwave pretreatment for enhanced anaerobiosis of secondary sludge[J].Water Science amp; Technology，2004，50（9）：17.

6 C Eskicioglu，KJ Kennedy，RL Droste.Characterization of soluble organic matter of waste activated sludge before and after thermal pretreatment[J].Water Research，2006，40（20）：3725-3736.

7 洪 晨，邢 奕，司艳晓，等.芬顿试剂氧化对污泥脱水性能的影响[J].环境科学研究，2014，27（6）：615-622.

8 曾 丽，杨 波，蒋超金.采用Ti/PbO2阳极氧化进行污泥预处理的研究[J].环境科学学报，2017，（4）：1382-1387.

9 DC Devlin，SR Esteves，RM Dinsdale，etal.The effect of acid pretreatment on the anaerobic digestion and dewatering of waste activated sludge[J].Bioresource Technology，2011，102（5）：4076-4082.

10 M Barjenbruch，O Kopplow.Enzymatic，mechanical and thermal pre-treatment of surplus sludge[J].Advances in Environmental Research，2003，7（3）：715-720.

Research Progress of Municipal Sewage Treatment Technology

Li Fangzhi, Liu Xiaofeng, Zhang Hao, Liu Xinli, Liu Bo
(Hunan Junxin Environmental Protection Co., Ltd., Changsha 410000, China)

With the continuous development of social economy, China's municipal sludge production will be further increased, sludge treatment and disposal has become an important issue restricting the development of China.Anaerobic digestion and dehydration are the main treatment techniques for sludge, while the destruction of sludge biological cells and the release of bound water is a bottleneck limiting anaerobic digestion and dehydration.Sludge pretreatment, can destroy the sludge biological cell structure, improve sludge anaerobic digestion and dehydration efficiency.Based on this, this paper summarizes the principle, characteristics and research progress of sludge pretreatment technology at home and abroad.

municipal sludge; pretreatment; anaerobic digestion; sludge dewatering

X703

A

1008-9500(2017)10-0063-03

2017-08-30

李方志（1984-），男，湖南岳阳人，硕士研究生，中级工程师，从事生活垃圾及市政污泥处理处置工作。