不同预处理方法对提高剩余污泥稳定性的研究

张 蕾 杜海霞 吴艳霞 吴 俊 黄紫旖 文 蕾 郑尹怀 吴慧芳

(南京工业大学 城市建设学院，江苏 南京 211800)

目前我国污水处理厂污泥年排放量已高达140万吨，且此数值每年还在不断增长[1]。剩余污泥产量大且成分复杂，含有大量有机物质、氮磷、病原体和重金属。如不经妥善处理，将剩余污泥直接投入周围环境，将对自然环境和人类健康产生严重影响[2，3]。剩余污泥中由活细胞和水组成的特殊水合结构被包裹在胞外聚合物中，这种胞外聚合物很难被破坏，因此剩余污泥脱水性能极差，难以对其进行稳定化处理，更是增加了减量化和资源化的难度。目前国内外的许多学者探究出了一些物理、化学、生物的预处理方法来提高剩余污泥的脱水性能和稳定化程度。

1 物理预处理

1.1 微波预处理

频率在0.3～300GHz之间的电磁波为微波。微波预处理时，将污泥放入密闭的压力容器内，促使细胞裂解。微波预处理效率高，能减少后续厌氧消化时间，同时微波的加热作用还能有效杀灭病原菌[4]。

Park等对剩余污泥进行微波预处理时发现，预处理后剩余污泥的产气量提高79%，COD去除率提高64%[5]。高瑞丽等在210W功率下对污泥进行5min微波辐射，实验结果表明，经微波辐射后将剩余污泥进行厌氧消化产气，剩余污泥产气量比未处理时增加2.17倍[6]。乔玮等使用频率为2450MHz的微波对剩余污泥进行预处理，发现微波预处理能够有效破解胞外聚合物，释放其中的有机成分。他们还通过微波预处理不同浓度剩余污泥的对比实验发现微波预处理水解效率受污泥浓度影响显著[7]。

由上述实验可以看出，微波预处理能有效破解剩余污泥的胞外聚合物，提高剩余污泥厌氧消化产气的能力，带来一定的经济效益。研究发现微波功率、时间、温度、密度等因素均能对微波预处理效果产生影响。此外，考虑到其实际运行费用，要广泛应用于剩余污泥的处理当中还需探究出更加低成本的方法。今后可就如何降低微波处理设备能耗的方向出发，同时注意到污泥含水率和污泥处理温度等因素与能耗的关系，并通过结合其它方法，使微波预处理方法能广泛运用[4]。

1.2 超声波预处理

使用超声波对污泥进行预处理时，会形成微气泡并发生爆破，微气泡爆破将产生极大的剪切力和几百个大气压的高压[8]。微生物细胞壁在此条件下破裂后释放出酶和有机物。这些酶又将促使细胞壁溶解，进而又释放出有机物。实验表明剩余污泥可溶性COD比例和氮磷浓度都有增加，剩余污泥的微生物可利用性得到提高[9]。超声波预处理方法处理效率高、其作用的时间短、并且预处理后的污泥产甲烷效率高，具有大量工程实际运用经验，发展和应用前景良好[4]。

郭超等利用超声波对剩余污泥进行预处理，采用频率为20～25kHz的超声波，超声密度和超声时间分别为1.6W/mL和15min，污泥水解1h可以获得能为污水厂提供补充碳源的污泥水解上清液[10]。曹秀芹等在超声波作用下污泥絮体分解的实验中，发现污泥上清液的SCOD值显著上升，并且得出超声作用时间能显著影响生物细胞的分解效果的结论[11]。

在德国，研究者已成功利用超声波技术减少污水污泥的体积和质量约20%，沼气产率增加20%～25%[12]。但使用超声波预处理污泥对于我国目前的污泥产量来说成本过高，研究者可以从降低超声波预处理能耗和找到最佳处理条件角度降低成本，提高处理效率。

1.3 热预处理

热处理即对污泥加热，使得污泥中的间隙水、胞内水释放，破坏污泥的絮体结构和细胞膜、细胞壁上的化学键，减小絮体尺寸，释放胞内有机物，并水解成低分子有机物，为消化处理中的微生物提供可利用底物，有效地提高了污泥的脱水性能和消化效率[13]。污泥预处理温度范围一般为60～180℃，而低温热预处理是指温度在100℃以下的热预处理方法[14]。

傅木星等将高温好氧预处理、酸预处理和碱预处理进行对比实验，结果表明效果最佳的是高温好氧预处理方法。此外，高温好氧预处理方法的产氢率达到了10.68mL/g TS[15]。刘阳等进行的热水解处理实验，发现在175℃、0.6～0.8MPa的条件下进行热水解处理反应了30min后，水解率达到48%，COD当量平均7800mg·L-1，挥发性脂肪酸的浓度更是提高了7～8倍，生化产甲烷的潜力也提高43%左右[16]。郭思宇探究热预处理对中温厌氧消化的影响时发现经70℃预处理可以使剩余污泥释放出溶解性有机物[17]。

热预处理法作为传统处理方法，对厌氧消化沼气产率和污泥的脱水性都产生提高作用，并且促进污泥减量化。根据各研究实验结果可以看出热预处理不是温度越高效果越好，并且温度过高意味着耗能越高，需投入的更多成本。如何让剩余污泥资源化，带来经济效益降低污泥处理成本是一个值得研究的方向。

1.4 机械预处理

机械预处理方法是通过剪切力来破坏微生物的细胞壁和污泥絮体，释放出有机质。其中离心溶胞法、高压均质法和转动磨球法较为常见[14]。

Dohanyos等采用离心溶胞法预处理方法，在35℃的情况下，剩余污泥厌氧消化25天得出产气量增加85%的实验结果[18]。高压均质法在污水处理厂运行试验中发现，高压均质机预处理后的剩余污泥厌氧消化产生熟污泥的量相较于未经预处理的情况减少23%，而沼气产量也相应增加30%[19]。旋转球磨预处理是使污泥微生物在剪切力与压力作用下破碎。有试验结果显示磨珠的直径为0.2～0.25mm时对污泥预处理能产生最佳破碎效果[4]。

机械预处理法产生的臭味小，效率高，对污泥的减量化有利。通过机械预处理，厌氧消化的产率也较高，但是机械预处理法耗能大并且易损坏，机械的运行、护理、维修都会大大提高剩余污泥处理的成本。

2 化学预处理

2.1 碱预处理

碱预处理方法可水解污泥胞外多聚物、细胞壁等大分子物质，得到溶解性的有机物[14]。

Torres等将污泥加碱(Ca(OH)2)至其浓度为31mmol·L-1条件下处理6h发现污泥中SCOD增加11.5%，对预处理污泥进行厌氧消化反应，采用十天的固体停留时间，发现1kgVS可使CH4产气量比未处理污泥提高72%[20]。肖本益等在对比酸、碱、热处理对剩余污泥性质的影响实验中发现这三种预处理方法都可以增加污泥的SCOD，其中碱处理的处理效果和对污泥的破碎效果都为最好[21]。

碱预处理方法操作简单方便、处理效果好。采用这一处理方法时，需格外注意碱的投加量，同时注意在投加NaOH、KOH等的碱类时，Na+、K+可能会对后期厌氧消化反应有抑制作用[14]。碱的投入也会对容器产生一些腐蚀作用，因此利用碱预处理法处理剩余污泥时应该把握好碱的投入量。

2.2 臭氧预处理

臭氧预处理方法是利用臭氧的强氧化性破坏分解微生物的细胞壁，释放出细胞中的有机物质，将一些大分子物质分解成易降解的小分子物质，以提高污泥水解速率和厌氧消化效果[14]。

金瑞洪等在臭氧对活性污泥特性影响研究的实验中发现，臭氧破坏细胞壁后释放出细胞质，使得溶解性有机物增加。随后溶解性有机物又被臭氧氧化分解，溶解性有机物的含量又随之下降[22]。

由上述试验得，臭氧预处理可以提高剩余污泥的水解速率，但效果不大。此外，由于臭氧的强氧化性，可以杀灭污泥中的病原菌，使得剩余污泥无害化。

2.3 Fenton试剂预处理

Fenton试剂可破坏污泥中的胞外聚合物和剩余污泥絮体结构，释放污泥中的表面水，还可使污泥细胞破解后释放出胞内物质[23]。在Fenton预处理过程中形成的铁水络合物具有絮凝作用，也可提高污泥的脱水性能。

宋建阳等在Fenton试剂对剩余污泥脱水性能的影响实验发现，使用Fenton试剂调理污泥，反应30min后剩余污泥比阻基本趋于稳定[24]。李娟等在利用Fenton试剂氧化破解剩余污泥的胞外聚合物实验中发现，Fenton氧化能增加了污泥颗粒的均匀性和无机化程度，改善污泥的脱水能力，使污泥得到有效地减量化和资源化[25]。杜艳等在污泥好氧消化反应时添加了Fenton试剂，与传统的好氧消化反应相比较发现挥发性悬浮物和水中悬浮物的去除率有所提高，有利于污泥的消化[3]。

由上述实验结果可以看出，Fenton试剂可通过破解剩余污泥的胞外聚合物，来提高剩余污泥的脱水性能和稳定性。目前已有很多研究者通过实验验证了Fenton试剂预处理剩余污泥的效果。

3 生物预处理

将一定量的活性生物酶加入到剩余污泥中，使剩余污泥中细菌的细胞壁溶解，将碳水化合物、蛋白质、脂类等物质水解成易被微生物利用的水溶性小分子有机物。此类可以促进水解的酶是由分泌胞外酶的细菌群产生的，同样也可通过直接使用生物酶制剂来得到[14]。目前国内对于酶对剩余污泥预处理的研究还比较少。虽然可以使用外加酶来提高剩余污泥的水解能力，但是用酶进行预处理的污泥产气效果地且会产生大量刺激性气体。

4 总结

通过以上所述各种污泥预处理方法可以看出，虽然目前可以提高剩余污泥脱水性和稳定性的预处理方法有很多，但是每一种方法都有其利弊，并且大部分有效的预处理方法耗能都很高，要实现高效低成本大量处理剩余污泥还有很多困难。所以在现有方法的基础上，寻求一种低能耗、高效率地提高剩余污泥的稳定性的方案是未来的研究方向。