国内剩余污泥厌氧消化强化处理研究进展

黄惠莹

(广东省环境技术中心, 广东 广州 510308)

剩余污泥是城市污水处理过程中产生的副产物，包括污水中的泥砂、纤维等固体颗粒及其凝结的絮状体，各种胶体、有机质、重金属、病原菌、寄生虫卵以及病毒等，通常占污水处理量的0.3%～0.5%(含水率按97%计算)[1]。近年来我国剩余污泥产量大幅度增长，据统计，2015年全国6910座城镇污水处理厂全年共产生3015.9万吨污泥[2]。剩余污泥如不进行妥善处理将会造成重金属等污染物向环境重新释放等严重的二次污染，对生态环境和人类活动将构成严重威胁。目前，我国污泥处理处置严重滞后于污水处理。因对污泥处理处置的概念及重要性认识不足，致使部分污水处理厂污泥处理处置未能达到减量化、资源化、无害化要求[3]。国内外主要采用机械脱水、热干化、好氧发酵、厌氧消化以及干化焚烧的处置方式对剩余污泥进行处理处置，其中厌氧消化是使用最为广泛的处理工艺。鉴于我国目前的污泥具有低有机质、高含砂量、重金属含量高、有机物低、热值低等特性，这些特性大大影响了污泥处理处置的效率。笔者在分析剩余污泥处理现状的基础上，分析了厌氧消化强化技术类型及其处理效果，以及技术发展趋势。

1 厌氧消化处理现状

污泥处置处理以稳定化、减量化和无害化为目的，厌氧消化工艺是其中一种重要的稳定化工艺，其原理是利用兼氧菌和厌氧菌进行厌氧生化反应分解污泥中有机质[4]，具有高效的能量回收和较低的环境影响等优点。厌氧消化是目前国际上常用的污泥生物处理方法，同时也是大型污水处理厂较为经济的污泥处理方法[3]。全世界大约有100万座以上的污水处理厂使用该技术处理污泥[5]。 而国内的剩余污泥厌氧消化因现有技术运行管理难度大、处理成本高等问题出现技术应用瓶颈，仅约有60座城镇污水处理厂采用了污泥厌氧消化工艺。但是目前国内对污泥厌氧消化理论研究滞后与协同调控机制的认知不足，传统污泥厌氧消化法存在有机质厌氧转化率低、停留时间长、产气率较低等缺点。这些缺点限制了厌氧消化工艺在国内的应用。为进一步提高有机质厌氧转化率、产气率，缩短污泥停留时间，学者们对厌氧消化的强化技术展开了研究。

2 强化技术的研究进展

2.1 预处理技术

根据 Bryant 提出的厌氧消化三阶段理论，整个厌氧消化过程分为水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷3个阶段。但因微生物细胞壁的存在阻碍了污泥中有机物的释放与利用，所以水解酸化阶段是污泥消化的限速阶段[6]，并直接影响消化反应的效果。目前，国内的研究主要集中在对剩余污泥的强化预处理，利用物理、化学等方法促进击破污泥细胞壁，从而使细胞内的有机物质从固相向液相转移，最终实现污泥的降解[7]。

2.1.1 超声波预处理

超声波预处理技术因具有低成本、自动化操作、可操作性强、能提高产气率、改善污泥脱水性能、对后续处理不产生影响、无二次污染等优点。Bougrier[8]等的研究发现污泥的总固体增溶度 (STS)、沼气产量随超声波能量输入增加而增加。陈传政[9]研究得出超声破解剩余污泥的时间、频率、电功率、脉冲比的最佳水平组合为10 min，20 kHz，600 W，3∶1，超声破解时间能显著影响破解效率。容明知[10]等的研究结果表明，超声预处理在低能量输入条件下对污泥蛋白酶和脱氢酶活性存在促进作用，超声频率对污泥酶活性影响较为显著，其中20 kHz超声频率对蛋白酶和脱氢酶活性的促进效果最高。

2.1.2 碱解预处理

碱解预处理可有效地将细胞内硝化纤维溶解转化为溶解性有机碳化合物，进而被微生物利用，提高污泥产甲烷潜力。杨洁[11]等研究结果表明，污泥SCOD浓度随投碱量的增加而增加，在投碱量为1 gNaOH·g-1TS的情况下，挥发性悬浮固体的分解率可达62.05%。于子淇[12]研究确定了二级碱解的最佳工艺条件为：碱解pH值13，投加污泥与投加水的比例为1.75，发现与传统碱解相比，二级碱解可减少单位污泥15.0%的秏碱量，且后续厌氧处理无需加酸调节pH值；VS和TS去除率分别提高了26.78%和25%，达到44.3%和33.5%，含水率降到88.6%，使污泥体积缩小了78%。

2.1.3 酸解预处理

酸解预处理的作用机理与碱解相似。袁光环[13]等的研究结果表明，采用先酸(pH值4.0，4 d)后碱(pH值10.0，4 d)预处理，在污泥水解酸化过程中乙酸产量及其占总短链脂肪酸(SCFAs)的质量分数均高于其他预处理方式，其乙酸产量(以COD/VSS计)可达到74.4 mg·g-1，占总SCFAs的60.5%。酸-碱预处理后污泥混合液C∶N和C∶P比值更有利于后续厌氧消化。经过8 d酸-碱预处理和15 d的厌氧消化，累积甲烷产量(CH4/VSS加入)达到136.1 mL·g-1，挥发性悬浮固体(VSS)总去除率达到60.9%。

2.1.4 热水解预处理

热水解预处理具有操作简单、处理时间短、效果好等特点，但因其能耗高、管理难度大等缺点，实际应用不多。郝晓地[14]等对比了热水解(T=150℃,t=30 min)、超声波(P=500 W,t=2 h)、碱解(pH值13,t=2 h)和酸解(pH值2,t=2 h)等4种处理方式的处理效果，发现经热水解预处理的污泥能获得50.9%的COD溶出率，为四种处理方式中最高。

2.1.5 微波辐射预处理

微波辐射具有加热速度快，热效高，热量立体传递，设备体积小等优点，具有与良好的工业化应用前景[15]。李华峰[16]研究表明，微波预处理污泥有力地促进了污泥的厌氧消化，有机质降解率最高达到56.1%，生物产气累积量可提高54.4%，适当的微波预处理条件可以明显缩短厌氧消化周期，减少污泥停留时间(SRT)。王艳杰[17]等研究表明COD，TOC，蛋白质，多糖和DNA在微波处理6 min时的溶出量分别为相同条件下未经微波处理时的8.0倍，7.2倍，10.4倍，12.4倍和8.4倍。在厌氧消化15 d时，微波处理6 min的甲烷产率为144 mL·g-1，比未处理空白提高了62%。

2.1.6 臭氧氧化预处理

臭氧氧化预处理是通过氧化作用破坏细胞壁、释放出细胞内的细胞质并继续将大分子有机物降解为小分子，提高后续系统的生物降解性能。但因其运行成本较高，目前尚不具备工业化应用的条件。曹艳晓[18]等研究结果表明，针对MLSS=8.287 kg·m-3的污水处理厂剩余污泥，臭氧最佳投加量在0.038 gO3·g-1MLSS左右。石璞玉[19]等的研究结果表明，当臭氧处理时间为15 min时，污泥上清液中SCOD含量达到最高为1006.08 mg·L-1，较未处理污泥提高了420.85%。污泥上清液中蛋白质和多糖含量在臭氧处理时间为10 min时达到最高，产甲烷率达到最高为318.39 mL·g-1VS，较空白对照组提高了396%。

2.2 消化过程中投加生物酶促进剂、微生物菌种

除了通过各种预处理工艺强化厌氧消化外，还有相当部分研究通过在污泥中投加生物酶促进剂或特定微生物菌群以提高污泥消化效率。李娜[20]研究发现零价铁粉(ZVI)与表面活性剂烷基多苷(APG)联合投加能够促进污泥的水解、消化及有机酸的累积，明显改变有机酸分布，提高蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性降低污泥表面张力。宋艳美[21]研究发现改变剩余污泥发酵液的初始pH值、蛋白质与总糖的浓度比值(Pro/G)或者菌群条件后，再加入一定量的硫酸盐还原菌(SRB)能使促进有机酸的产生；最佳的产酸Pro/G=0.5，最高产酸量均可达1600 mg·L-1以上。

2.3 多种技术耦合

在上述研究的基础上，更多的研究向多种技术耦合的方向发展。何楚茵[22]等研究结果表明，臭氧+酸解、臭氧+碱解的联合处理对剩余污泥的溶胞效果均有不同程度的改善：剩余污泥破碎率及液相中多糖浓度上升，污泥颗粒平均粒径下降。徐慧敏[23]的研究结果表明：超声+碱解联合预处理技术对污泥破解和有机质溶解的效果，比超声和碱解单独作用之和更好。污泥破解增加值ΔSCOD/TCOD与加碱量之间存在显著的线性关系。超声和碱解联合预处理能显著增加污泥厌氧消化产甲烷量。池勇志[24]研究得出微波+碱预处理最佳预处理条件为加热温度170℃，加热时间1 min，加碱量0.05 gNaOH·g-1SS。刘吉宝[25]等研究结果表明：微波-过氧化氢-碱(0.2)预处理的强化效果最为显著，30 d累计产甲烷量比对照组增加了13.34%，产甲烷速率也得到了提升。

2.4 混合基质共消化

国内的剩余污泥普遍存在无机质比例过高的问题，通过投加各种底物提高污泥的厌氧消化效率，不但能减少环境污染，且能进一步提高产甲烷量。杨朝勇[26]等的研究结果表明，以牛粪和超声预处理污泥为发酵原料，在恒温35℃±1℃及底物浓度为15 gVS·L-1的条件下，超声预处理污泥与牛粪的比例为1∶2 时VS产气率达到了470.33 mL·g-1，甲烷产量在发酵稳定后达到了58．68%。ALOUN Manosane[27]等研究结果表明添加猪粪能明显提升消化效率，当猪粪与污泥以 2∶1 混合消化时甲烷累计产量最高可达684 L·kg-1VS，比污泥单独消化提升了 120%，VS 去除率可达 63.1%。张洪[28]等研究了不同混合比下市政污泥与餐厨垃圾二级高温共消化的情况，结果表明混合比为5∶1的反应罐稳定时出料的COD 浓度最高，为23000 mg·L-1。混合比为3∶1时，VS 去除率、日产气量、产气中甲烷含量最高，分别为 42.8%，12000 mL，92.49%。

2.5 分级分相厌氧消化

中持水务股份有限公司开发的市政污泥分级分相厌氧消化技术，采用高温水解酸化、中温甲烷化分级分相两级反应系统，提高污泥可生化性，破解了污泥厌氧消化的限速步骤。产酸/产气两相厌氧消化在两个反应池中进行，通过温度分级自然形成生物分相，给产酸菌和产甲烷菌提供各自的最佳生长环境(第一级高温消化、第二级中温消化)，提高有机物降解率和污泥厌氧消化的沼气产率。该工艺厌氧消化时间比单级单相厌氧消化缩短30%，污泥有机物降解率大于50%，沼气产率提高35%。处理的污泥含固率可达8%～10%，可使消化池容积缩小为原来的1/2，对于已建有厌氧消化设施的污泥处理设施，略加改造即可增加处理能力[29]。因此，分级分相厌氧消化具有广阔的应用前景。

3 结语

综上所述，多种厌氧消化预处理方式的耦合工艺是目前研究的热点，也是今后研究的主要方向之一。但各种预处理技术，投加生物酶促进剂，微生物菌种，多种技术耦合以及混合基质共消化等技术仍处于小试阶段，尚未有成熟的中试试验作为规模化应用的技术支撑。而分级分相厌氧消化技术已有规模化应用实例，且具备改造简易、无须投加药剂等特点，操作难度相对较低，更具工业化应用的意义。