厌氧消化的剩余污泥细胞破壁预处理技术研究

张赟　张斯俊

摘要：剩余污泥在处理时，对于设备要求较为苛刻。而厌氧消化是一种污泥资源化处理新技术，目前已被广泛应用于剩余污泥细胞壁预处理。污泥细胞中因含有大量有机质难以释放，且无法直接利用，从而导致剩余污泥厌氧消化速率与厌氧消化效率降低。而目前剩余污泥破壁技术主要包括：化学法、生物法、物理法及联合法。为此，为提高剩余污泥中包内有机质能有效释放，本文将探讨以上不同预处理方法影响污泥细胞破壁效果，并论述剩余污泥厌氧消化效果。

关键词：厌氧消化；剩余污泥；细胞破壁；预处理技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.199

0前言

随着我国经济发展与城镇化水平的不断提高，据统计，目前我国城镇污水处理厂已建成将近3910座，且剩余污泥产量逐步增加，而我国污水处理能力为1.67亿m³/天。而具有资源化污泥处理原则及满足减量化的剩余污泥厌氧消化技术是近几年人们处理剩余污泥预处理技术的首选。为此，为提升厌氧消化效果，必须通过一定的预处理方式来强化破壁效果，从而有效释放胞内有机物质，即提高剩余污泥色可生化性及COD溶出率。而有效的预处理方法是实现剩余污泥厌氧消化效率的最终目的。

1化学法

化学法就是在剩余污泥中投放化学药剂，使其产生化学反应后达到破坏剩余污泥中生物细胞结构，并提高胞内溶出物质。

（1）化学法中的酸碱处理法。通过投加酸或碱的方式，调节剩余污泥的pH值，酸和碱会对其生物细胞结构进行破坏，从而提高胞内溶出物质，并进一步去除悬浮物质。据相关研究表明，在剩余污泥中投放碱可使蛋白质变性，并在脂类中发生皂化反应，使细胞壁及细胞膜出现损坏。在经过调整pH值后，其SCOD出现提升，且在经过170℃的处理后，污泥厌氧消化能力提高了45%。在经过调整NaOH的投加量及污泥pH=11，并通过反应6小时后，污泥上的清液SCOD就会有所增长，且沼气转化效率可提高到402.5%。为此，且在碱性条件下，其微生物细胞壁出现膨胀现象可使其失去平衡并发生破裂，进而将细胞中的遗传物质、蛋白质等释放出来，且降低甲烷活性。而酸性条件下仅能破坏其污泥的絮凝性，并没有破坏生物细胞结构。为此，SCOD及挥发性脂肪酸中的累积量在碱性条件下高于酸性条件。

（2）臭氧氧化法与高铁酸钾法。臭氧氧化法则是通过直接氧化与间接氧化而破坏有机物，最终破坏其生物架构。在剩余污泥中投放臭氧到一定数值，便可提升污泥溶细胞率。经过臭氧预处理后的剩余污泥，微生物细胞将被破坏，且缩小污泥中SS与VSS，提升沼气产量。而高铁酸钾法为一种绿色强氧化剂，对有机物具有更强的氧化性能，不仅具有杀死致病菌的作用，还可增强脱水效率。因其与剩余污泥中的微生物及有机物进行接触后生物细胞会破坏，从而生物胞内的溶出率得到提升。

2生物法

在剩余污泥中投放酶制剂或投放可生产胞外酶的微生物，使其经过水解催化作用，从而将剩余污泥中的有机物进行溶解。在其破坏有机结构的同时，转化有机物为无机物或小分子物质，最终实现剩余污泥生化降解性。相关研究结果表明，在剩余污泥中投放蛋白酶、复合酶及单一淀粉，且蛋白酶与复合酶配比为1：3时，水解酸化效果得到到最佳，还提升了VSS去除率，在降低污泥高分子有机的情况下，极大破坏微生物细胞结构。

3物理法

物理法能破坏剩余污泥中微生物细胞结构，并有效释放细胞内有机物。

（1）热处理法。热处理在通过有效控制剩余污泥处理工艺温度，破坏剩余污泥中的生物细胞，最终提高胞内物溶出率，是一种较为传统的处理技术。据相關研究指出，在170℃下对剩余污泥进行处理，可提高SCOD溶出率，提升厌氧消化产气效率；在130℃下对剩余污泥进行处理，可提升酵产气量；在180℃～210℃在进行处理，不仅污泥上清液COD溶出率提升至30%，其VS去除率也可提升至58%，甲烷产量有所提升。

（2）微波处理法。微博处理法在通过对有机质氢键进行破坏后，使剩余污泥细胞皮进一步破坏，最终使胞内物质溶出水解。剩余污泥在微波水解170℃下，且经过10min反应后，污泥微生物细胞壁遭到破坏；当微波时间延长时，污泥中的VS去除率随之增加，VS去除率可达32.9%；在1250W的微波下进行剩余污泥处理，并经过21天的温厌氧化消化后可提升沼气产量。

（3）超声波处理法。超声波的声波频率高于20kHz，当液体体系在超声波中达到具备的强度时，液体体系就会发生变化。而在剩余污泥中存在较多微生泡，实施超声波处理法可使其产生大小不一的小气泡，并使小气泡发生爆炸，在这高温及高强度的压力下，微生物细胞壁便可破解，且内部微观结构出现变化，最终将大量胞内有机物进入液相。而频率较低的超声波具有增强剪切力与产生空化气泡的作用，对细胞结构的破坏具有更强的作用效果。

4联合法

为获取更好的细胞破壁效果，联合法通过细胞破壁的不同原理及剩余污泥处理的方式进行有效处理。主要包括：热与碱联合处理、微波与碱联合处理、超声波与碱联合处理。热与碱联合处理是通过50℃或70℃的条件下加快有机物的水解速率，进而提高胞内物释放率及破壁效率。微波与碱联合处理与热与碱联合处理原理相近，当碱投放量为15mgNaOH/gTS时、微波功率为490W时，便可提高污泥上清液SCOD溶出率。超声波与碱联合处理可溶解60.2%的污泥VS，当超声密度达0.188W/mL，且pH=10时，可提升污泥上液清的SCOD浓度。

5结语

剩余污泥在进行处理对设备要求较为苛刻。化学法对设备及材料上要求较高，适用性较差；而生物法在对剩余污泥进行预处理时，要求生物制剂为廉价高效才可实施；剩余污泥在经过高温热预处理时，反应时间较长；在超声波预处理时，具备一定的经济效益；在微波预处理时，运行费用及能耗上花费较大。而联合法将以上几种预处理法的破壁效率有效提高，在进行剩余污泥预处理时，局域经济效益高、耗能较低的特点。为此，联合预处理技术是未来剩余污泥细胞破壁预处理技术的主要突破点。