剩余污泥预处理方法研究现状概述

2015-06-29鄢恒珍唐佳宾刘国校

科技资讯 2015年15期

鄢恒珍唐佳宾刘国校

摘要：活性污泥处理会产生大量剩余污泥，在剩余污泥处理过程中，为了加快污泥水解速率，提高厌氧消化性能，污泥预处理技术已成为国内外研究的热点问题。本文就目前常用的物理、化学、生物以及联合处理等几类污泥预处理方法进行了一定的介绍。不同的预处理方法各有利弊，超声波预处理具有作用时间短，处理效率高，能有效提高污泥厌氧消化的产甲烷能力等优点；碱处理可有效提高污泥产气率和脱水性能，但碱处理后的高pH值不利于产甲烷菌的生长，且碱对设备有一定的腐蚀作用；臭氧预处理和生物酶预处理均可提高剩余污泥溶解性，但臭氧生产耗能较高。选择不同预处理方法进行联合处理，往往能够取得更为显著的效果。

关键词：剩余污泥；预处理；预处理

中图分类号：X7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

活性污泥法是当今应用最广泛的污水生物处理技术，但该处理方法一直存在一个最大的弊端，会产生大量剩余污泥[1]。在剩余污泥处理过程中，污泥微生物细胞内含物的释放是限制污泥消化速率的关键。为了加快污泥的水解速率，提高厌氧消化性能，污泥预处理技术已成为国内外研究的热点问题[2]。目前，常用的污泥预处理方法有物理、化学、生物以及联合处理等方法[3]。本文就这几种处理方法的工艺原理、研究成果及应用分别介绍如下。

1物理预处理方法

传统污泥物理预处理方法主要包括加热和冻融预处理。近年来，随着研究的深入，出现了超声波、微波、珠磨、高压均质等预处理方法。

1.1超声波

超声波是指频率为20kHz～10MHz的声波。当声强增加到一定的程度时，会使传播中媒质的状态、组成、功能和结构等发生变化，统称为超声效应。从声学角度看，超声波破解污泥主要是利用声波的能量所产生的空化效应。在超声波作用下，污泥液体中将产生大量空化气泡，空化气泡瞬间破灭时会产生极为短暂的强压力脉冲，在气泡周围的微小空间内形成局部热点，并产生爆破。微气泡的爆破能够对其周围产生巨大的剪切力作用，使气液界面上的温度达到近5000K，同时产生近几百个大气压的高压，产生具有强烈冲击力的微射流。高温高压和微射流可以使污泥絮体结构解体，同时破坏微生物细胞的细胞壁，释放出细胞内的有机物和酶，被释放出的酶进一步加速污泥中细胞壁的溶解，从而加速污泥的水解进程[4]。

刘峻等[5]超声处理连续流系统剩余污泥，在声能密度为0.4 W/mL、超声作用时间为5min、超声污泥回流比为1：24时，污泥日均产量为13. 6 mg/（ L·d），减量效果达到95.81 %，污泥减量效果显著。胡凯等[6]研究了超声预处理技术对剩余污泥物理、化学性质的影响。结果表明，污泥溶解性COD随超声时间和超声波电功率密度的增加而呈线性上升，当超声波电功率密度分别为0.8和1.5 W/mL、作用30 min后，污泥溶解性COD是原泥的1.7倍和6.0倍。在污泥投配率为5%时，超声组比对照组反应器更快达到稳定产气状态，与对照组相比，超声污泥的平均日产气量提高了57.9%。因此，超声预处理促进了污泥有机物的溶解以及污泥减量，改善了污泥的厌氧消化效果。

超声波处理具有作用时间短，处理效率高，对细胞有较强的破坏能力，能有效提高污泥厌氧消化的产甲烷能力等优点。该预处理方法具有很好的应用前景，在工程应用中应注意选择最佳工艺运行参数，同时开发高效预处理装置。

1.2微波

微波是一种电磁波，其频率一般为0.3-300 GHz。研究发现，频率为915 MHz、2450 MHz的微波能够穿透几十厘米深度介质，快速均匀地加热物体。微波加热属于容积加热，因此能

从物体内部迅速加热，没有热损。微波加热处理污泥主要依靠热效应和非热效应的共同作用。热效应是指微波辐射快速加热，使污泥内微生物细胞发生裂解；非热效应的作用机理尚不明确，但有研究称，非热效应可能使有机物的氢键断裂并改变复杂生物分子结构等[3，4]。

肖朝伦等[7]研究了频率为2450 MHz、功率500 W的微波在脱水城市污泥中的穿透性及辐射过程中污泥脱水性能的变化。结果表明，微波的穿透深度为 8.7 mm，微波辐射5 min，上层容器中污泥离心后含水率由80.61%降至75.09%。当温度高于约60℃时，污泥中微生物细胞开始大量破碎，胞内水释出，离心后含水率随温度升高而降低；高于88℃时，胞外聚合物含量无明显增加而亲水性下降，污泥脱水性迅速改善。

梁仁礼等[8]将微波辐射用于污泥预处理，分别考察了500 W、750 W和900 W微波作用下，污泥性质和脱水性能的变化情况。结果表明，适宜的微波条件能够增加污泥粒径，提高污泥的脱水性能。900 W微波辐射60 s后，污泥粒径增加了71.40%，污泥毛细吸水时间和污泥比阻分别减少了42.70%和73.11%。如进一步增加微波接触时间，不仅增加能耗，同时使得污泥的脱水性能恶化。

田禹等[9]将微波辐射用于污水污泥预处理，考察了辐射130 s内污泥沉降、过滤脱水性能的变化。结果表明，适宜的微波辐射可明显改善污泥结构及脱水性，900W 微波辐射50s，SV减少48%，真空抽滤含水率由原泥直接抽滤的85%降为71%。胞外糖含量介于 15.8-16.5 mg/gMLSS 时，污泥脱水性最佳。过量的微波辐射因破坏污泥的细胞壁结构，导致胞内物质大量溢出，污泥黏度增加，脱水性恶化。

微波预处理方法具有处理速度快、效果好，还能杀灭病原菌，改善污泥脱水性能等优点。但其运行费用较高，因此限制了微波预处理方法的应用。

1.3珠磨

珠磨法是珠磨机在高速旋转下，其内部的钢制小珠强烈互相碰撞形成剪切力，打破微生物细胞的细胞壁，使胞内物质大量溶出[10]。磨珠大小对污泥破碎效果影响很大，一般来说，磨珠直径较小时可获得更好的破碎效果。该法运行费用较高。

1.4高压均质法

高压均质机是一种被应用于食品和医药行业的破胞装置，高压均质机以高压往复泵为动力传递及物料输送机构，将物料输送至工作阀（一级均质阀及二级乳化阀）部分。物料在通过工作阀的时候，在高压下产生强烈的剪切、空穴和撞击作用，从而使液态物质或以液体为载体的固体颗粒得到超微细化。近年来高压均质也被尝试应用于污泥微生物细胞的破碎。

2化学预处理方法

目前，研究较多的化学预处理方法是投加碱和臭氧氧化。

2.1碱

碱预处理是最常用的污泥预处理技术，碱能破坏污泥的渗透压，使污泥分解，溶出有机物，又能与污泥中的脂类发生皂化反应，进一步破坏微生物细胞的细胞壁，还能使胞外聚合物中含有的酸性基团解链，从而破坏胞外聚合物，因此碱预处理能使污泥胞内颗粒有机物向溶解性有机物转化[11]。

刘亚利等[12]对不同碱预处理污泥水解酸化过程进行研究，得出了挥发酸积累效果以及蛋白释放和降解规律。在一定条件下，碱投加量越高，越有利于挥发酸的积累。当碱投加量为0.20 g NaOH/g VSS，蛋白初始溶出浓度达到1780 mg/L，污泥水解酸化 15 d时，挥发酸总量达到3473 mg/L，蛋白浓度为750 mg/L。

碱处理可有效提高污泥产气率和脱水性能等优点，但碱处理后的高pH值不利于产甲烷菌的生长，且碱对设备有一定的腐蚀作用。

2.2臭氧

臭氧是一种强氧化剂，可与污泥中的化合物发生直接或间接反应。将臭氧通入污泥中，臭氧能够破坏污泥中微生物细胞壁的组成部分，使之转化成小分子化合物，释放出细胞质和酶，同时也将不溶于水的大分子物质分解成能溶于水的小分子物质。何楚茵等[13]对剩余污泥进行臭氧氧化破解实验，结果表明，随着臭氧化反应时间的增加，污泥微生物细胞裂解，胞内物质进人到污泥溶液中，污泥固体物质减少，因此利用臭氧对剩余污泥进行处理，可获得良好的减量化效果。

臭氧预处理能有效提高剩余污泥溶解性，但是臭氧生产耗能较高，使该方法的应用受到了限制。

3生物酶预处理方法

生物酶预处理是指直接向污泥中投加酶或投加能够分泌胞外酶的细菌的一种处理方法。酶能够催化有机物的分解，有效地溶解长链蛋白质、碳水化合物和脂类等有机物，较大地提高污泥的脱水性能和消化性能。

罗琨等[14]研究了单一酶和复合酶的加入对城市污水厂剩余污泥的破解及减量效果的影响。结果表明，外加酶可以促进污泥中悬浮固体的溶解和大分子有机物的分解。当酶最佳投加量（以TS中加入酶量计）为60 mg/g时，淀粉酶比蛋白酶的水解效果好，同时，复合酶的水解效果较单一酶的效果好，当水解温度为50℃，蛋白酶和淀粉酶的比例为1：3时，水解效果最佳，VSS去除率达68. 4%，还原糖、NH4+-N浓度分别由37.29和47.60 mg /L增加至177. 8和143.43 mg /L，酶水解过程的前4h，蛋白酶和淀粉酶活力均呈上升趋势，符合一级反应动力学，水解4h左右达最大值，之后酶活力逐渐下降。

生物酶预处理可有效提高污泥溶解性，且不需要特殊设备、不产生有害副产物，因此酶预处理具有较好的发展前景。

4联合预处理方法

作用原理不同的各种污泥预处理方法联合作用时，其预处理效果彼此增强，目前研究报道的污泥联合预处理方法主要包括微波与H2O2联合预处理、热与H2O2联合预处理、微波与碱联合预处理、热与碱联合预处理、超声波与碱联合预处理、超声波与臭氧联合预处理等。目前，许多研究者对不同联合预处理方法的污泥破碎性能、最佳处理条件等作了一定深度的研究。黄慧等[15]研究了臭氧、超声波及其组合工艺对剩余污泥的破解作用，研究表明，臭氧流量为7 L/min时破解效果最好，反应40min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分别比反应前提高了586%、178%、522%和1781%；超声功率为800 W时破解效果最好，反应40 min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分别比反应前提高了812%、404%、286%和682%；在超声波——臭氧联合作用下，臭氧流量7 L/min，超声功率800 W下反应40 min，SCOD、NH4+-N、TN和TP分别比反应前提高了925%、208%、815%和1946%。结果表明，超声波能强化臭氧对污泥破解的效果。马妮娜等[16]采用微波辐照与碱联合处理剩余污泥过程中污泥性质的变化。实验表明，密闭条件下微波辐照与碱联合处理可以加剧污泥的破解，使污泥中的物质释放到液相中。

5结论

通过分析各种污泥预处理方法的原理、处理效果，研究表明污泥预处理可以有效促进污泥微生物中胞内物质的释放，提高污泥的厌氧消化性能。但不同的预处理方法各有利弊，选择不同预处理方法进行联合处理，往往能够取得更为显著的效果。工程应用中，应综合考虑，选择高效、节能、便于操作、管理简单的预处理技术。

参考文献

[1] 吴健波，刘振鸿，陈季华. 剩余污泥处置的减量化发展方向.中国给水排水，2001，17（11）：24-26

[2] 任贺，韩相奎，李广，焦晓霞，李晶. 剩余污泥预处理方法概述. 中国资源综合利用，2014，32（3）：45-48

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[4] 丁杰. 剩余污泥快速减量化和稳定化. 合肥：合肥工业大学，2012

[5] 刘峻，刘永德，赵继红，王玫玫，王翔. 超声处理对系统剩余污泥减量效果的研究. 中国给水排水，2011，27（1）：58-60，64

[6] 胡凯，赵庆良，苗礼娟，王琨，邱微. 剩余污泥超声强化预处理及其厌氧消化效果. 浙江大学学报（工学版），2011，45（8）：1463-1468

[7] 肖朝伦，唐嘉丽，潘峰，王娟，孙阳，刘会洲. 微波辐射对脱水城市污泥穿透性和脱水性的影响. 过程工程学报，2011，11（2）：215-220

[8] 梁仁礼，雷恒毅，俞强，张兴红，王慧琴，章少伟. 微波辐射对污泥性质及脱水性能的影响. 环境工程学报，2012，6（6）：2087-2091

[9] 田禹，方琳，黄君礼. 微波辐射预处理对污泥结构及脱水性能的影响. 中国环境科学，2006，26（4）：459-463