剩余污泥预处理方法综述*

张 晴，孙红杰，张延松，秦树彬，马子禾，赵健羽

（大连民族大学，辽宁 大连 116600）

近年来，我国经济发展迅速，城镇污水处理厂的数量和规模不断扩大，污水产出也呈现出快速增长的趋势。据统计，2019年中国污泥产量已突破六千万吨（以含水率80%计），估计到2025年，中国污泥产量将达到九千万吨以上［1］。逐年剧增的污泥产量给污水处理厂造成了很大的压力。

剩余污泥具有难破解、占地面积大、含有大量的重金属及其他有毒有害物质等特点。为了避免造成二次污染，一定要对其进行相应的处理。城镇污水处理厂产生的活性污泥逐渐增多，如何将其危害降到最低并实现资源化利用备受关注［2］。如何有效提高剩余污泥厌氧消化效率，减少污泥占地面积，将污泥减量化、资源化已成为很多专家学者关注的热点问题。

剩余污泥中不仅含有多种有机物，如挥发性脂肪酸、腐殖酸和蛋白质，而且还富含磷、钾、钙和镁等营养元素，具有巨大的潜力，可以用于多种应用［3］。如果能妥善处理好活性污泥，那就能污泥变废为宝，将碳源再次投入到脱氮除磷污水处理系统中，降低污水处理厂的运营成本。目前，国内外污泥处理处置技术主要有土地利用、填埋、焚烧等。污泥经过处理后，可以实现资源化利用。对于污泥的资源化利用，主要是针对不同的应用领域采取相应的处理处置技术。本文将从常用的物理、化学、生物三个方面介绍了污泥预处理技术。

1 物理预处理方法

1.1 热处理

热预处理对污泥絮凝体和细胞膜的解体有积极的影响，会导致有机化合物的溶解和胞内物质释放，从而进一步改善厌氧发酵过程中的性能［4］。热水解技术是一种常见的污泥处理方法，适用温度区域在60℃至180℃。低温热水解的温度范围在60℃至100℃，而高温热水解的工作温度则更高［5］。低温热解预处理和高温热解预处理相比，能耗较低，但处理时间较长，所需的反应容器容积较大。热处理投资与运行费用限制了它在工程上应用，虽可以将热处理与其他预处理方法联合使用，但在进行工程应用上仍需要进一步考虑与研究。

污泥的热解过程，主要包括湿污泥的干燥、脱水和干化三个阶段。污泥热解技术是指以污泥为原料，通过热解过程得到燃料及某些物质的过程。与其他有机废弃物处理方法相比，热解技术具有污染小、能耗低、经济性好等优点，并能够有效利用各种废弃物中的能源和资源。目前，污泥热解技术已在一些发达国家得到了广泛的应用和推广。研究表明，热解技术不仅可以实现污泥资源化利用，还能减少污泥处理处置过程中的二次污染，具有显著的环境效益和社会效益。

于汇淼［6］采用“低温热水解+厌氧消化”组合的工艺，以城市污水处理厂剩余污泥为对象，研究低温热水解在不同温度、不同HRT下对厌氧消化的影响，结果表明：同一HRT条件下对比中、高温系统分析可知，在各HRT下中温厌氧消化系统TCOD去除率、降解单位COD（以CH4计）产气量均优于高温系统，因此得出“70℃、9 h低温热解预处理+中温HRT＝30 d厌氧消化”工艺组合处理剩余污泥效果最佳。

孙启元等［7］认为，污泥减量的首要在于脱水，他们利用污泥热干化系统，对于处理前含水率为80%的污泥，经热干化脱水，出料污泥含水率保持在20%～30%，减量比例高达71.4%，效果非常稳定。该项目实现了污泥的减量化，将污泥从含水率为80%降至30%以下，大大减少了剩余污泥的占地面积。

郑凯琪等［8］在缺氧条件下通过改变温度制备污泥生物炭，探究污泥生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附特性，结果表明：在25℃时，低温热解制备污泥生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附为RC300＜RC400＜RC500；RC500的饱和吸附量分别为 Cd2+（1.45mg／g）＜Pb2+（14.39mg／g）；污泥生物炭对重金属离子的吸附量与其水合离子半径呈负相关。

1.2 超声波处理

超声波是一类具备穿透力和高能量密度的弹性机械波，其振动频段介于20 kHz和100000 kHz之间。当超声波相互作用于污水时，会引发超声空化作用，使液态中的微细泡沫进行一些激烈运动，包括振荡、增长、紧缩和爆炸，进而在液态中局部区域形成瞬时负压，这种负压会导致大量微细泡沫瞬间爆炸，进而导致大量的污染物排放到环境中。通过超声波处理，可以在气泡周围形成5000 K的高温和5.0×104kPa的高压局部热点［9］，可以有效地减少淤泥的数量，改进淤泥的厌氧消化和重金属溶解性能，进而进一步提高淤泥的脱水性能。“数字化、无毒化、资源化”旨在实现污泥处理处置程序中的目标，以满足资源节约型社会的发展需求。相比传统的机械搅拌或剪切方式，超声处理污水技术拥有更低的能耗、更低的成本以及更少的二次污染，因此受到了学者的广泛关注［10］。

目前应用于有机废水处理的超声技术有很多，如超声化学、超声电解、超声波催化、超声水处理、超声波强化氧化等。此外，还利用超声技术进行废水中重金属离子吸附和废水中难降解有机污染物去除等方面的研究。尽管这些研究已经取得了较好的成果，但从实际应用角度来看，在处理水体污染方面还存在很多问题，如：一是大多数方法处理成本太高；二是该方法目前还主要用于工业废水处理；三是对于使用过程中产生的二次污染缺乏有效控制方法。

陈颖等［11］研究利用超声和碱联合处理促进剩余污泥水解碱化，强化有机物及营养物质的释放，促进剩余污泥资源化。研究表明，利用超声碱解污泥能有效地提高污泥水解碱化效率，增强有机物和营养物质的释放，并且在设备持续运行和碱投放量不断增加的情况下，组合强化能够在高投配率下达到理想的水解碱化效果。

胡凯等［12］采用超声预处理技术来处理剩余污泥，以探究其理化性质的变化以及厌氧消化的效果。结果表明，超声处理时间和超声波电功率密度对污泥中有机物的溶出量有显著影响，且两者之间呈现出线性正相关性。超声预处理通过溶解TS和VS，实现污泥减量。与对照组相比，超声预处理改善了污泥厌氧消化的TCOD去除效果。通过超声预处理，污泥中的有机物得到了有效的溶解，从而大幅减少了污泥的数量，并且提高了厌氧消化的效率。

2 化学预处理方法

2.1 碱处理

碱解剩余污泥是以污泥为主要原料，加入碱液（NaOH溶液）对污泥进行碱解，使其中的细胞壁破坏并溶出其中的可溶性有机成分。通过碱解，污泥中所含的有机成分得到了有效的浓缩后处理，也使微生物失去了活性。碱解后的污泥与其他废弃物一样需要进行焚烧处置。经过碱解的污泥，含水率大幅降低，达到（降低90%左右），且有机物含量明显提高，对环境和生态影响很小，同时也节省了处理费用。

碱预处理是一种有效的污泥处理技术，它能够有效地打破淤泥的渗透压，使其解体，溶出有机质，并且能够与淤泥中的脂类产生皂化反应，进而损坏细菌壁，同时还能够使胞外高分子中的强酸基团解链，进而使淤泥中的有机质转变为可溶性有机质，进而达到要求［13］。经过碱解的污泥，其含水率大幅降低（降低90%左右），且有机物含量明显提高，对环境和生态影响很小，同时也减少了填埋容积，但也存在药剂成本高和二次污染等缺点。常用方法有：机械脱水法、热脱水法、化学脱水法以及真空脱水法等。

蒋昌旺等［14］研究了各种碱投加量下热碱结合预处理对高含固残余污水溶胞效率和厌氧消化吸收特性的负面影响，并利用三种动力学模型来仿真生物化工产出甲烷能力，以期获得更好的处理效果。结果显示，热碱联合预处理能够有效地提升剩余污泥的溶胞效率，而且随着碱投加量的增大，溶胞效率也会呈现出明显的提升趋势。通过改变碱投加量，可以有效地提高剩余污泥厌氧消化的性能，但是过大的碱投加量或许会阻止产出甲烷的入流程。在三种动力学模型中，锥体模式的拟合效果最好，不论处理条件如何，模型拟合的相关系数R2均超过0.990。

徐慧婷等［15］以剩余污泥为底物，采用碱处理，探究不同pH条件对污泥有机质溶出量和溶出效率的影响以及产甲烷的效果。对比两种动力学模型的产出甲烷过程，选出最优模型。并采用Spearman，分析产出甲烷和氨基酸之间相关性。研究表明：在碱处理过程中，污泥中甲烷的产量随着pH值的增加而增加。当pH值升高时，污泥水解产生的L型和D型氨基酸含量显著增加。此外，D-Leu、D-Asp、L-Thr和LCys与甲烷产量之间存在着密切的关联，其Spearman系数均为0，表明这些氨基酸对甲烷的影响是显著的［0.894、0.9、0.9和0.9（P＜0.05）］。

2.2 臭氧氧化

臭氧在室温下即可生成强氧化性自由基，在不加热及无任何外加氧化剂条件下，能迅速氧化有机物及腐殖质，而且氧化速率极快，氧化产物为CO2、H2O等无毒无害物质，无二次污染。此外，这种方法具备优良的化学反应环境，能耗低，处理效率高，因此受到了广泛的关注和研究。但是，臭氧生产也存在投资和能耗相对较大等缺点。降低臭氧生产能耗、臭氧投加量和提高臭氧在污水中的溶解度是今后的重点发展方向［16］。

臭氧氧化污泥主要有两种方式：一是利用反应器，二是不利用反应器。随着研究的不断深入，发现反应条件对臭氧氧化效果的影响较大。pH、反应温度、气液比和投加量等，均影响臭氧氧化剩余污泥的效果，并且通过对三种反应条件的考察，得出了最佳反应条件。将反应器应用于剩余污泥处理中，可增加污水处理系统的稳定性和安全性。但由于投资和运行费用较高，并不能达到经济和环境效益。另外，对于污泥中添加助凝剂后对臭氧氧化剩余污泥的影响，至今没有形成统一标准；对于氧化处理后剩余污泥含水率和化学需氧量、氨氮去除率等生化性能指标没有进行相关检测。

何楚茵等［17］通过使用质子置换聚合膜电解生成臭氧，对残余污水开展氧化裂解试验。结果显示，由于臭氧氧化反应时间的延长，淤泥中的有机微生物细菌会出现裂解，胞内产物流入淤泥介质，导致污泥固形物降低，从而使得TS和VTS显著降低。经过臭氧处理后，SV30和滤饼的含水率显著下降，这表明臭氧处理能够有效地改善剩余污泥的沉降性能和脱水性能，从而达到良好的减量效果。

赵玉鑫等［18］采用自制的臭氧氧化反应器，研究了不同投加量、pH值和初期污泥浓度对污泥分解速度的负面影响。结果显示，40mg／g是污泥裂解的最佳投加量，超过这一直后，污泥颗粒开始溶解，并且随着投加量的增加而不断增加。在中性、微酸性环境，以及19629 mg／L的起始污泥质量浓度下，可以有效地促进污泥的臭氧氧化分解。为了确保最佳的运行条件，我们将臭氧投加量调整至208 mg／g，pH值调节至6，以便有效地释放细胞内物质。

3 生物法

相对于其他方法，生物处理是一种更清洁的处理剩余污泥的方式。由于利用细胞的活力，可以有效地溶出污水中的生物质，同时，还可以采用氧化、水解、转化、吸收或减量等多种方法，使污水到达处理的目的，从而实现污泥处理的最佳效果。生物法是指通过微生物的代谢作用，使有机物分解为二氧化碳和水，或将难降解的物质分解为可降解物质。污泥经过生物法处理后，有机物被微生物分解为CO2和水，或将难降解的物质转化为易降解的物质，从而使污水得到净化。这个过程虽然投入低、无污染，但花费时间太长，时间成本高，从长远来说并不会对污水处理厂有益。

生物法破解剩余污泥主要是利用微生物在厌氧条件下，通过厌氧消化过程对剩余污泥中的有机物进行降解，进而得到可用于制取沼气、有机肥、生物炭等的原料。其中，厌氧消化过程中产生的沼气为能源化利用提供了可能。由于生物法处理具有效率高、占地面积少、处理效果好且没有二次污染，可以就地资源化利用，减少对环境的影响，处理过程所需温度和水量均较低，投资少、运行费用低等特点，成为了我国污泥处理处置的主要方式之一。目前已有很多国家对生物法进行了深入研究，并得到了广泛应用。

牛渤超等［19］通过实验探究了酶解预处理剩余污泥的最佳条件，并将未经酶解预处理和经酶解预处理的剩余污泥上清液利用鸟粪石结晶法进行磷回收的效果进行分析对比，结果发现，进行酶解预处理的剩余污泥磷回收效果更佳。

汪刚慧［20］将餐厨垃圾进行培养产生生物酶，对活性污泥进行生物预处理，研究了厌氧消化的效果。对比之下，直接将富酶的餐厨垃圾和剩余污泥混合进行厌氧消化，能够大大缩短运行时间和成本。

4 结语

通过对剩余污泥物理、化学、生物预处理方法的研究和对比，可以发现每一种方法都有其优点和缺点，在要处理剩余污泥时要结合实际情况选择最适合的方法。当然，相信在不久的未来，技术会得到更大的发展，研究出更高效、节能的预处理技术。