污泥厭氧消化預處理探究

黃垚志

（武漢輕工大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430000）

0 引言

當今工業(yè)化世界面臨的主要問題之一是解決環(huán)境污染和確定有效的處理方法。在過去的幾十年里，利用活性污泥包括特定的微生物來處理各種廢水得到了廣泛的應用，活性污泥已經成為工業(yè)廢水處理中應用最廣泛的生物材料。而廢水生物處理的主要副產品是剩余污泥,剩余污泥具有含水率高、易腐爛、有惡臭、含有大量寄生蟲卵和病原微生物等特點，如不加以妥善處理，任其排放，將會造成二次污染。歐共體的剩余污泥的處理費用已經占整個污水處理費用的25%～65%.并呈現(xiàn)逐年上升趨勢。如何控制剩余污泥的產生及發(fā)展污泥減量化技術已成為當務之急。

目前處理的難度在于剩余污泥含水率極高導致其難以清除。而厭氧污泥消化既可以有效清除剩余污泥,還可用于污泥穩(wěn)定，使污泥揮發(fā)性固體物質減少，產生沼氣。故近年來厭氧污泥消化成為一種新的剩余污泥處理技術，厭氧消化過程一般分為水解、產酸、產乙酸和產甲烷四個階段。

由于水解步驟對于厭氧消化產生限制性，為了減輕該步驟的影響，將采取預處理的方法加速水解，提高反應效率。預處理的方法多種多樣比如熱解；堿化；超聲和機械消解等。這些處理方式可以加速活性污泥的水解，減小顆粒大小，從而促進厭氧消化的進行。

熱處理對提高厭氧消化率和脫水性能產生極大地影響。堿化預處理也被用于溶解各種底物，如木質纖維素材料或活性污泥。林等研究表明，氫氧化鈉預處理提高了活性污泥的化學需氧量和揮發(fā)性固體的還原、產氣和脫水能力。超聲裂解是一種高效的提取細胞內物質的方法，而機械預處理對活性污泥的效果也與上述其他預處理方法相同。張等對活性污泥的機械預處理進行了研究，確定在30 bar處噴射到碰撞板上并與之碰撞，使污泥溶解。

綜上所述，很多研究都是針對活性污泥的厭氧消化預處理進行研究，與未預處理相比，多采用單一的預處理方法。然而，關于厭氧消化的各種預處理方法的報道很少。預處理(機械預處理、化學預處理、超聲波預處理和熱化學預處理)對增溶、粒徑減小和甲烷產量提高的影響。此外，為提高甲烷治理效率和提高甲烷產量，還在探索一條切實可行的途徑。

1 厭氧消化污泥預處理方法及效果

活性污泥的脫水是非常困難的，為了了解污泥中水的性質，人們做了大量的科研工作，水相通常被定義為自由水和結合水。結合水需要更高的能量才能被移除，有些能量根本無法移除。這種結合水含量是影響除水效率的主要限制因素之一。只有通過改變污泥結構的預處理工藝才能達到較高的固體干重:改變污泥絮凝體結構，打開細菌細胞，釋放細胞含量。水解釋放的細胞水富含溶解的有機化合物。溶解的成分既可以用來提高后續(xù)生物降解過程的效率，也可以用來回收氮和磷等有用的成分。其它應用包括污泥脫水的改善、病原體的減少或抑制。熱處理時，溫度范圍在40-180℃。污泥中的碳水化合物和脂質易于降解，而蛋白質受細胞壁的保護，不受酶解作用。在60-180℃的低溫范圍內，熱預處理破壞細胞壁，使蛋白質易于生物降解。熱能的輸入主要通過換熱器或蒸汽對污泥的作用來實現(xiàn)。

多年來，人們已經知道，熱預處理可以改善污泥的脫水性能。美國學者布魯克斯觀察溶解樣品的有機質和初級污泥的混合物,并在40-60%和20-35%的含量分別加熱170℃時實驗與市政污水污泥，結果表明最高水解速率可以在165-180℃之間發(fā)生，加熱時間10-30 分鐘時對結果沒有影響。溶解的成分在消化過程中很容易降解。此外，脫水能力顯著增加[1]。

張毅華等報道了高溫處理污水污泥的效果。結果表明，在150℃以上的高溫條件下，污泥的脫水性能有較大的提高，而在180℃以上的高溫條件下，脫水效果更為明顯。但是，在這些較高的溫度下，他們還報道了難降解化學需氧量化合物的形成，化學需氧量是化學破壞廢水有機化合物所需的氧氣量。作為研究的一部分，他們觀察了一些選定的水相，并得出結論，約三分之一的水相化學需氧量是無法治療的。張等研究了低溫熱處理，以獲得提高消化率的脫水性的一些好處，同時避免了高溫熱處理中出現(xiàn)的問題[6]。

張萌等研究表明，未消化和已消化污泥的脫水性是有可能得到改善的，175℃大約是消化被抑制前的消化率極限(可能是由于抑制和/或難降解化合物的形成)。結果表明，活性污泥對消化率的影響最大，但在175℃時，所有污泥的脫水效果都較好。高溫導致天然氣產量下降。熱解作為預處理對消解器的性能有很好的影響[5]。

嚴媛媛等人進行了一項實驗，對酶預處理混合污泥和食物垃圾的厭氧生物甲烷生產潛力進行了評估，發(fā)現(xiàn)真菌預處理混合污泥的生物甲烷產量是未預處理活性污泥的2.5 倍。然而，利用超聲波作為預處理手段，已經成功地提高了產甲烷量和沼氣池性能。采用超聲波預處理麥秸和牛糞混合料，分別在186 mL/g TS(總固體)、6.04 kJ/gTS 和2.88kJ/g TS 條件下進行了產甲烷總量、凈能量和能量效益的測定。超聲用于產甲烷顆粒評價反應器的性能時，脫氫酶活性和三磷酸腺苷含量分別提高了257%和374%。謝等人在厭氧污泥中應用0.2 W/cm2的低強度超聲處理10 分鐘，發(fā)現(xiàn)厭氧污泥活性增強，同時有機去除效率提高30%。然而，上述研究研究的是一種超聲波清洗浴，其中厭氧污泥采取100 毫升血清瓶。鍍液的固定頻率為35khz，功率從0 到80w 不等。在上流式厭氧污泥包層反應器(1s/min,0.05W/mlUS密度)中，在COD/m3為2 kg 的有機負荷條件下，在常溫和中溫條件下，反應器對啤酒廢水CH4 的產率分別提高了38%和19%。此外,在上述研究應用超聲波降解法(每30年代2 s,0.0015 W /毫升的密度)干燥,系統(tǒng)相同的2 公斤有機負荷報道,甲烷產量增加了40%通過減少固體含量從12%到10%,表明高固體含量減少了我們的效果。在上述研究中，我們觀察到不同的污泥產率，即86.1%和94.3%的COD 去除被轉化為CH4，而其余13.9%和5.7%的COD 去除在對照組中可能被轉化為生物質，并被超聲處理反應器。李等研究了5 種不同的中溫體系，評價了超聲波處理對食物垃圾厭氧生物降解性的影響，發(fā)現(xiàn)反應器內超聲處理效果優(yōu)于預處理。上述研究報告了67%的VSS 去除效率和3.2 LCH4/L 反應器產甲烷率，有機負荷為11.7 kg COD/m3。上述研究表明，在輸入能量為500 kJ/kgTS 的情況下，甲烷產量增加了28%，而對于TS 含量較高的豬糞和原生污泥，超聲是一種更有效的預處理工藝[3]。

牟艷艷等采用高溫二氧化鈣協(xié)同熱水解預處理技術，提高了活性污泥發(fā)酵短鏈脂肪酸的產量。優(yōu)化了各種預處理條件，包括加熱溫度、過氧化氫濃度和時間。仿真和實驗結果表明,最佳預處理條件的溫度67.4 攝氏度,二氧化鈣0.12 g / g VSS和時間19 h,在最大SCFAs 產量達到336.5 毫克的鱈魚/ g VSS 5 天的發(fā)酵后,與醋酸的比例占70.1%。機理研究表明，二氧化鈣和熱處理對污泥的增溶和短鏈脂肪酸的產生具有正向協(xié)同作用。與單純的控制、熱處理和添加二氧化鈣相比，熱處理的二氧化鈣不僅促進了有機物的釋放，而且增加了可生物降解有機物的比例，從而為后續(xù)短鏈脂肪酸的生產提供了更多的有機物。結果表明，熱氧化鈣預處理提高了產酸酶和水解酶的活性，同時抑制了產甲烷菌的輔酶活性。此外，熱氧化鈣預處理和后續(xù)發(fā)酵在去除難降解有機污染物和活性污泥中所含病原體方面效果良好。進一步分析表明，在活性污泥處理過程中，熱二氧化鈣預處理是一種既可回收有價值的碳源，又可去除難降解污染物的有效方法[4]。

多種預處理方式的不斷更新，不僅能夠加速厭氧消化反應，在很大程度上能夠保證污泥的快速處理，提升負荷量，在環(huán)境保護意識日益增強的今天，預處理方法能夠極大地緩解污泥難處理的問題，能夠使污泥的含水率降低，更加快速的反應，同時，通過不同預處理方法的混合使用，減少了處理的成本，此外污泥原有的處理方式從填埋和焚燒逐步升級為厭氧消化，這是對環(huán)境保護和土壤保護的貢獻，加速厭氧消化進程也就是在不斷提升環(huán)境保護的能力。

2 厭氧消化污泥預處理對環(huán)境保護的影響

隨著我國經濟的發(fā)展，有效利用能源、減少環(huán)境污染、降低安全生產事故頻次，防止突發(fā)環(huán)境事件，確保生命安全的重要性日益凸顯。制定并執(zhí)行環(huán)保政策和措施，致在保護環(huán)境的同時改善人民的生活質量，已經成為我國民生工程的關注點。保護環(huán)境不僅關乎人們的生存環(huán)境，也影響著經濟發(fā)展。環(huán)境保護就是研究和防止由于人類生活、生產建設活動使自然環(huán)境惡化，進而尋求控制、治理和消除各類因素對環(huán)境的污染和破壞，并努力改善環(huán)境、美化環(huán)境、保護環(huán)境，使它更好的適應人類生活和工作需要。換句話說，環(huán)境保護就是運用環(huán)境科學的理論和方法，在更好地利用自然資源的同時，深入認識污染和破壞環(huán)境的根源及危害，有計劃地保護環(huán)境，預防環(huán)境質量惡化，控制環(huán)境污染，促進人類與環(huán)境協(xié)調發(fā)展，提高人類生活質量，保護人類健康，造福子孫后代。其中厭氧消化污泥預處理切實有效的方式。多種預處理方法可以有效地減輕污泥含水率，現(xiàn)在已經有比較成熟的技術可以進行工業(yè)化處理，在很大程度上能夠節(jié)約處理時間，縮減處理成本，在水處理廠，污泥消化處理一直是比較麻煩的問題，含水率極大地限制了反應的速率。隨著國家排水標準的不斷提升，要求水處理和污泥處理的工藝不斷升級，預處理的方法能夠極大地改善這一問題，能夠幫助污水廠更好的達到國家排放標準，此外厭氧消化能夠產生一定量的甲烷氣體，這一新的清潔能源可以為污水處理廠提供能源，在一定程度上能夠節(jié)儉開支，達到節(jié)能減排的目標。

3 結語

水解速率低是制約污泥化學能量回收利用的重要因素。為加快污泥水解速度，提高厭氧消化效率，探索了多種崩解方法。預處理可降解三維聚合物骨架(即EPS)，并破壞剛性細胞壁，導致細胞內物質的釋放，同時提高或改變后續(xù)消解器的性能。在通常報告的方法中，經常同時研究機械、熱力和化學過程，并在商業(yè)上實施若干專利技術;建立標準化的必要性應該成為未來重要的研究課題，以幫助行業(yè)確定最經濟有效的共處理路線，確保污泥的最佳轉化和能源回收。能夠對環(huán)境保護作出積極的貢獻，尤其是節(jié)能減排。與處理的方式極大程度上減輕了對能源的依賴，減少了能源消耗量。