超声-碱预处理促进污泥厌氧发酵的研究进展*

秦树彬，韦忻辰，孙红杰，莫秉文，张 晴

（大连民族大学，辽宁 大连 116600）

近年来，随着我国科技和经济的发展，城市污水处理厂处理效率和规模不断提高，剩余污泥产量呈逐年增加趋势。污水处理过程中产生的剩余污泥具有含水率高、易腐烂、有恶臭、含有大量寄生虫卵和病原微生物等特点，任其排放，将会破坏土壤、水环境，甚至威胁人体安全，需采取一系列措施对剩余污泥进行处理［1］。2021年，我国污泥年产量已达8000万t，预计2025年我国污泥年产量将超过9000万t［2］。随着社会对污泥处置问题关注度的提高，我国制定了一系列有关规划和政策，促使污泥管理向“泥水并重”转化，但同时，我国污泥的处理处置和资源化与国际先进水平还有较大差距。2019年，我国城市污泥产生量和处理量分别为1230万t和1180万t，每年约有50万t污泥被丢弃或是直接填埋，对环境造成严重污染。因此加强污泥处置已成为当务之急。

超声波预处理污泥的机理其实是利用声波能量会产生空化现象，并伴随空化作用产生的化学作用、机械作用等破解污泥絮体结构［3］。超声波与碱联合预处理污泥厌氧产酸可以在短时间内迅速释放细胞物质，促进细胞破碎后碎屑的水解，且具有安全、低能耗、清洁等特点，受到越来越多研究者的关注。

1 污泥发酵产酸的机理

污泥厌氧发酵分为4个阶段，分别为水解阶段、产酸阶段、产氢产乙酸阶段及产甲烷阶段。水解阶段为污泥将颗粒态的大分子（蛋白质、多糖、脂肪等）分解成单糖、脂肪酸、甘油等［4］。产酸阶段中的微生物，利用水解阶段的产物进行生长繁殖。产氢产乙酸阶段的细菌将产酸阶段的丙酸、丁酸等与醇类转化为乙酸、二氧化碳等［5］。产甲烷阶段的产甲烷菌将产氢产乙酸阶段的氢气、二氧化碳等转化为甲烷，并且产甲烷阶段通常会消耗挥发性脂肪酸（VFAs），因此通常会通过优化发酵条件或预处理限制产甲烷阶段的产生，使得VFAs成为主要产物。

2 污泥发酵产酸的影响因素

污泥厌氧发酵产酸在一定程度上受到很多因素影响，为使挥发性脂肪酸（VFAs）成为主要产物，国内外学者考察了不同因素对污泥厌氧发酵产酸的影响。

2.1 pH

污泥厌氧发酵产酸的速度受pH的影响。水解细菌和产酸细菌有较大的生存范围，可以在pH值为3.5～8.0范围内存活，但通常认为最适生长pH范围为6～7。

黄天寅等［6］通过研究不同pH值条件下剩余污泥厌氧发酵产酸过程中SCOD、VFAs、PO43-等参数的变化规律。结果表明，碱性条件更有利于污泥发酵产酸过程，碱性条件下污泥溶解出的SCOD大于酸性条件下污泥溶解出的SCOD。一方面，由于碱性条件较酸性条件更有利于污泥中的有机物水解，另一方面碱性条件下产甲烷菌的活性降低，积累的VFAs更多。因此碱性条件更有利于VFAs的产生。在污泥的厌氧消化过程中，污泥在酸性环境下溶出的P、NH-N浓度均大于碱性环境。

吕景花等［7］通过实验研究不同pH值对剩余污泥有机物溶出率的影响，结果表明，在碱性条件下，有机物溶出率、污泥破解率均高于中性和碱性条件。在污泥发酵10 d后，发酵液中SCOD含量从大到小为pH11＞pH10＞pH3＞pH9＞pH5＞pH7。虽然pH＝11时SCOD含量最高，但此时的发酵产物被认为是难生化降解，而pH＝10时的SCOD含量与pH＝11时相差不大，且生化性更好。因此使用NaOH对污泥进行厌氧发酵处理时，pH＝10是最佳处理条件。同时在pH＝10条件下，VFAs产量和蛋白质所占比例最大，为产酸菌提供更多可利用的发酵底物，因此，pH＝10的碱性环境更有利于有机酸的产生与积累，这与Yuan等的研究结果一致。

2.2 温度

污泥水解是一些高分子有机物在水解酶的作用下被转化为小分子有机物。温度影响微生物生长速率和新陈代谢，是水解酸化主要控制因素之一。污泥在10～37℃的条件下，VFAs会随着温度升高而提高。

赵峰辉等［8］通过实验研究不同温度 （20℃、25℃、30℃、35℃）条件下污泥水解酸化的效率，结果表明，随着温度的升高，VFAs呈现出了快速积累的趋势。在不同温度条件下，发酵液中VFAs含量从大到小为35℃＞30℃＞25℃＞20℃。在35℃条件下达到峰值295.0 mg／L，验证了升高温度有利于污泥的厌氧产酸过程。

吴昌生等［9］通过实验研究不同温度 （15℃、25℃、35℃、45℃）条件下，温度对生物絮凝吸附污泥水解酸化产物及产率的影响。结果表明，温度的升高加速了生物絮凝吸附污泥水解酸化。在45℃条件下，SCOD达到最大产量3976.0 mg／L，VFAs达到峰值1989.5 mg／L。

2.3 污泥性质

污水处理厂的污泥主要有初沉污泥、剩余污泥及絮凝污泥。这3种污泥水解酸化效果最好的是絮凝污泥，在相同发酵条件下，其水解酸化产生的SCOD和VFAs均高于其他两种污泥，主要是由于絮凝污泥能吸附水中的胶体、悬浮污染物和一部分溶解性有机物，该溶解性有机物很容易被水解酸化菌利用后产生VFAs［10］。污泥水解酸化过程中微生物主要以污泥中的蛋白质、碳水化合物等为基质。污泥产酸发酵的效率与基质的种类密切相关。

2.4 C／N

水解酸化适宜m（C）／m（N）为10～20。控制C／N在该范围内进行水解酸化，在m（C）／m（N）＝15时，水解酸化效率达到最高。张福贵等通过不同温度对m（C）／m（N）区间为15～35污泥厌氧消化产VFAs发现，中温条件下m（C）／m（N）＝25时，VFAs值最大，为3671.21 mg／L，高温条件下m（C）／m（N）＝15时，VFAs值最大，为2734.41 mg／L。

3 污泥的超声和碱预处理

3.1 污泥超声预处理

超声波根据频率可分为功率超声、高频超声、诊断超声。超声预处理污泥时会产生压缩和拉伸作用，即产生超声空化现象［11］。拉伸阶段对介质施加负压使得分子间距变大，这个过程会产生大量空化气泡并伴随着气泡的瞬间爆炸，在气泡周围的液体产生极端的高压和高温。气泡突然且猛烈的破裂产生的剪切力和冲击波会破坏污泥结构和污泥中的微生物细胞，使得难降解的有机物释放到液体中，改善污泥的水解环境。超声预处理与机械法、化学法等预处理方法相比，具有处理能耗小、不产生可能造成二次污染的物质，是一种绿色环保高效的预处理方式。

3.2 污泥碱预处理

碱预处理是污水处理厂常用的污泥预处理技术，碱能影响污泥细胞的渗透压，从而使有机物被分解溶于水中，而且碱能与污泥含有的脂类物质发生皂化反应，继续破坏细胞壁。碱处理还可以促进细胞外聚合物的溶解，释放出更多有机物。碱处理具有操作简便、成本较低等特点。侯银萍等［12］在探究热碱预处理对剩余污泥发酵产酸性能的影响的实验中，发现在强碱性条件下，有机物的水解速率加快，溶解性有机物的含量增加，在pH＝12时污泥中溶解性蛋白质、多糖浓度及SCOD的溶出量达到最大，在pH＝11时，VFAs的产量达到峰值，乙酸占VFAs总量的80%，VFAs最高积累量为5500 mg／L，而乙酸的最大产量为4340 mg／L，为乙酸型发酵，从资源化利用效率考虑，pH＝11可作为污泥厌氧发酵产乙酸的最佳处理条件。污泥的碱性发酵可以促进SCFAs的生产和污泥减量，同时对厌氧发酵也有很好的促进效果。但在实际应用中，单独应用碱预处理污泥不仅耗费的碱量大，而且对设备有较高的要求。

3.3 超声-碱预处理

超声处理、碱处理技术都是目前受到广泛关注的污泥预处理技术，但两种处理技术各存在一定的弊端。与碱处理相比，超声处理不仅能改变污泥细胞结构，还能打破微生物细胞壁，但碱处理技术对细胞破碎后碎屑的水解效果优于碱［13］。因此，两者联合可强化污泥的预处理效果。

超声和碱联合预处理的表现为以下几个方面：超声处理可增强细胞的可透过性，并释放微生物细胞到碱环境中，碱快速渗透细胞，细胞中的有机物渗透到液体中。超声的处理效果受到污泥凝胶层的限制，但碱能溶解凝胶层，细胞壁结构更易受超声波辐射影响，促进COD降低；超声可以分解碱处理后的污泥致密絮体，因此超声可以在一定程度上限制絮凝过程。此外，在碱性条件下，污泥中一些难以分解的物质在更容易分解。超声和碱联合预处理可以减小污泥絮体尺寸，仅通过酸、碱等化学预处理方法是无法实现的。

4 超声-碱预处理技术研究进展

超声波与碱联合处理可以在相同的pH条件下使污泥絮体分解效果达到最佳状态，从而促进细胞体内蛋白质、多糖、VFAs等营养物的释放。1997年首次发现联合处理可以促进TCOD转化为TVFA。此后的研究主要从处理工艺条件和处理产物两方面开展［14］。

U.Neis等［15］研究了超声频率对污泥预处理的影响。结果表明，当超声频率增大时，污泥的破解率降低。是因为超声波的周期随着超声频率的增加而缩短。气泡半径则是随着超声频率的降低而增加，当气泡半径达到一定程度时会破裂。较低的超声频率会产生更大的气泡半径，由此气泡破裂时会产生更强的机械射流。

江云等［16］研究不同超声频率对剩余污泥营养物质的释放和稳定化程度的影响。结果表明，在超声频率为22 kHz条件下，污泥上清液中COD、TP、TN含量最高，在此时超声破解的效果为最佳。原泥样的粒径范围为10～100μm之间，半径为d50＝34.80μm，而经过频率为22 kHz的超声处理后，泥样的粒径范围变为1～10μm，有利于后续污泥处理的减量化。由此可见，超声处理有利于促进污泥资源化使用。

申晓娟等［17］以剩余污泥为底物，研究不同超声功率（120 W、180W、240W、300 W）对污泥脱水性能的影响。结果表明，随着超声功率的增大，上清液中的COD、总氮及NH+4-N浓度呈增大趋势。但随着时间的推移，污泥细胞体中的营养物质浓度低于240 W 时的对应浓度，因此超声功率为240 W 是实验的最佳条件。

5 结语

与超声波或碱单独处理相比，超声波与碱联合处理可以在相同条件下达到更好的效果，增加营养物的释放［17］。超声波与碱联合处理技术十分有应用前景。但由于超声波和碱处理技术的复杂性，关于超声波和碱联合处理污泥机制的认识仍欠缺，因此仍需深入探讨两者协同作用的规律［18］。在未来，超声波和碱联合处理技术必将在实现污泥处理处置过程“减量化，无害化，资源化”的目标中发挥重要作用［19］。