剩余污泥预处理技术研究进展*

.福建师范大学环境科学研究所 .福建师范大学地理科学学院 王玉兰 刘常青 刘文伟 吴春山**

随着我国城镇化进程的加快，城市污水处理量快速增长，相应污泥产生量也急剧增加，污泥出路成为一大问题。污泥消化可以对污泥进行减量化和资源化，是比较理想的处理方法。由于水解是厌氧消化限速阶段[1-2]，因此提高污泥厌氧消化效率的关键就是使污泥中的微生物细胞壁（膜）破碎，提高水解速率，从而缩短厌氧消化周期。许多细胞裂解技术处于研究之中，目前进行污泥细胞破壁（膜）的方法主要有物理/机械、化学、生物预处理以及联合预处理方法。

1 物理/机械预处理

物理/机械预处理是指利用物理或机械的方法使微生物的细胞壁（膜）破碎。常用的方法主要有热水解、超声波、微波、热解、冻/融，这些物理处理方法已有较多研究。目前，γ射线、电子束等也处于被研究中，而旋转球磨、溶胞离心等需要使用大型设备，且设备维修等较不方便，较难应用于工程中。

1.1 热水解

污泥经过热水解处理后，微生物絮体解体，细胞中的结合水得以释放,污泥自由水的比例增大[3]，有利于污泥减量[4]，而且能促进后续的厌氧发酵性能。常用的热水解温度为60℃～180℃。热水解温度低于100℃称为低温热水解，高于100℃称为高温热水解[4]。目前对于热水解的研究较多，许多研究者对低温热水解进行了研究，不同研究者的结论也各有差异。Yonggang Xue 等[5]研究表明，对于低温热处理（60℃～90)℃，当处理温度为90℃时，污泥中的有机物溶出效果最好。Lise Appels 等[6]对低温段（70℃～90℃）热水解预处理进行研究，结果表明，温度为70℃、处理时间为60 min时，有机物的溶出效果最好。Xiaocong Liao等[7]则研究表明，相比较于处理时间，热处理温度对于污泥中有机物的溶出扮演了一个更重要的角色，当温度为 80℃、处理时间为 30 min时，污泥处理效果最佳。刘巍等[8]研究表明，最适宜的热水解条件为70℃，24h，此时剩余污泥TCOD的去除率由18%提高到 30%。陈文花等[9]对污泥进行热处理，75℃热处理10min效果最好。吴静等[10]研究表明，低温热水解的最佳工艺条件为：HRT为1d，温度54℃～60℃，污泥含固率3%。在最佳工况下进行中温（35℃）厌氧消化，消化反应10d后，沼气产量比未低温热水解时增加44%。一些研究者对高温热水解也进行了大量研究，一般来说，温度越高，热水解效果越好。程瑶等[11]以含固率为10%的污泥为对象，在热水解时间为20min时，温度由150℃升高到180℃，VSS水解率由22.9%增至38.4%，污泥中VSS由46.28 g/L降低到40.63g/L。王治军等[12]研究表明，最适宜的热水解温度为 170℃，反应时间为30 min，经热水解污泥的厌氧消化性能和系统的处理效率都得到显著提高，COD去除率最大时提高了 20.18%，日均产气量则增加了79.20%～99.55%。李广等人[13]建议高压热水解控制条件为5MPa、150℃处理30min，在此条件下，VSS去除率为57.6%，SCOD/TCOD由4.9%提升至31.9%，BMP试验污泥产气率较初始值提高了79%。稂时光等[14]针对糖纸厂污水活性污泥法处理后剩余污泥进行热水解厌氧消化研究，温度为 165℃，30min热水解预处理工艺能够有效改善污泥性质，在厌氧消化过程中，SCOD和VS平均去除率分别达到90.9%和41.8%，沼气甲烷含量达到60%。

热水解不仅能提高污泥中有机物的溶出效果，而且能促进后续的污泥厌氧发酵。污泥热水解的优点还包括污泥的环境卫生，污泥黏度降低，而且不需要额外的能量，因为热水解所需要的热量可以通过产生的生物气来抵消[15]，具有较好

1.2 超声波

超声波主要是通过破坏微生物细胞的细胞壁（膜），使的前景。

细胞内的物质能够在厌氧消化中不断被利用，以降解为CH4和 CO2。超声波的污泥降解效果很好，在实验室已得到了证 实[16–18]。研究表明，声能量密度及处理时间对污泥处理效果具有较大的影响。胡凯等[19]研究表明，当超声波电功率密度分别为0.8 W/mL和1.5 W/mL，作用30 min后，污泥溶解性COD是原泥的4.7倍和6.0倍。在5%污泥投配率下，超声组反应器在10d内即达到稳定产气状态，超声污泥的平均日产气量提高了57.9%。

超声波预处理能在短时间内发挥较大的作用，能够有效提高甲烷的产量，对于今后的研究很有意义。可以通过研究其最佳运行参数在保证处理效果的情况下减少其能耗，具有很好的应用前景。

1.3 冻/融

冷融处理是一种有效的污泥预处理技术，冷融处理可以破解污泥，将胞内固体物质转化为液相成分。剩余污泥经过冷融处理后，污泥脱水性能提高，污泥的理化性质得以改变。胡凯等[20]将混合污泥和剩余污泥放入-18℃冰箱中冷冻72h，冷冻结束后，在室内环境下（温度约29℃，相对湿度47%～56%）解冻3h。结果发现，剩余污泥和混合污泥的SCOD分别达到3810.4 mg/L和3328.9mg/L，是原泥的4.0倍和3.6倍。李玉瑛等[21]将剩余污泥在-18 ℃下冷冻 13 h，解冻后发现SCOD从原先的1075±26mg/L增加到2458±33mg/L。代东梁[22]对剩余污泥首先进行冻融预处理，结果表明，同一温度下，随着冷冻时间的延长，剩余污泥在冻融前后TCOD 数值几乎不变，SCOD数值出现上升。结果表明，剩余污泥在-18℃、冷冻72h、解冻3h的条件下，SCOD和VS溶解性最好，冻融预处理后的剩余污泥累计产气量较原泥提高了33%。

冻/融法处理效果好，但其能耗较大，对于采用机械制冷方式用于处理污泥则不适合。在我国北方地区，则可以充分利用当地的气候条件，采用冻/融这一方式进行预处理。

1.4 γ-射线/电子束

γ-射线/电子束操作简便、灭菌迅速、无二次污染，因此在污泥的处置和处理中被广泛采用。研究表明，污泥的处理效果和γ-射线/电子束辐照剂量有关。牟艳艳等[23]采用γ-射线辐照法对污泥进行前处理，当剂量在10～12 kGy时，污泥的SCOD增加率可达50%左右。袁守军等[24]采用γ-射线辐照法对城市污水厂剩余污泥进行预处理，在辐照剂量为 6.51～30.75kGy范围内，可溶性有机组分随着辐照剂量升高而增加，当辐照剂量为 19.4kGy时，SCOD增加率达 552.5%。Wooshin Park等[25]研究表明，对于5 cm厚的污泥分别进行1, 3, 5 ,7 kGy 剂量的处理后，产气量明显大于原污泥，经过7 kGy 剂量处理后，产气体积比原污泥增加22%。

γ-射线/电子束具有较高的降解效率，使污泥中的微生物细胞壁（膜）得以破坏,能有效地提高污泥的产甲烷能力，但其穿透力较强，若不注意容易对人体产生伤害，故研究较少，比较不适合用于工程领域。

2 化学预处理

在污泥化学预处理中，应用最多的是碱处理、臭氧处理和酸处理，同时，投加氯气、过氧化氢等处理方法也处在研究中，但研究相对较少。

2.1 碱

碱解处理可有效破坏污泥中微生物的细胞壁（膜），使有机物溶出被微生物利用。研究表明，碱的浓度对污泥处理效果的影响较大，通常碱性越强，处理效果越好。胡亚冰等[26]对污泥进行碱处理，当pH值为11、 处理时间为48 h时，VS去除率可达22%。碱解处理调节pH值分别为9、10、11的污泥进行厌氧消化 30d，总甲烷产量比未经碱解处理的污泥分别提高了8%、23%、41%。其中经碱解处理至pH值为11的污泥的COD去除率为32%。钟丽艳[27]对污泥进行碱处理，碱处理pH=12效果最好，释放的SCOD最高(为937.984 mg/L)，处理后的污泥液相中蛋白质、总糖、DNA均增加最多。

碱处理速度快，能有效提高污泥中有机物的水解效率及产气效率，但由于该方法药剂的投加量大，不利于后续阶段的运行处理，且容易对设备造成腐蚀，较不提倡使用。

2.2 臭氧

臭氧的氧化性很强，可以和污泥中的化合物发生直接或间接的反应，可破坏不容易被生物降解的细胞壁（膜）等，使细胞内物质得以溶出，使其更容易被微生物利用。万金保等[28]研究表明，在臭氧浓度为 40.25mg·L-1的作用过程中，SCOD从开始的7mg·L-1增加到306.7mg·L-1，增长了43倍；MLSS和MLVSS降低最大量分别为1250mg·L-1和465mg·L-1，SCOD增加最大量为250.3mg·L-1。王兴华等[29]研究表明，经0.25gO3·gVS-1臭氧处理后的污泥 TCOD 降低了 1800mg·L-1，SCOD上升了400mg·L-1，VS平均上升了20%，TS平均降低了2.5%，产气量较未处理增加250%。

臭氧能有效破解微生物的细胞壁（膜），使微生物体内有机质溶出，且溶出物能被微生物作为底物重新利用，是一种较好的预处理方式。

3 生物预处理

生物预处理是指利用生物技术对污泥进行预处理。酶作为一种高效催化剂，可以有效地破坏污泥中微生物的细胞壁（膜），提高其产气性能，且生物酶不会像添加化学物质一样，在处理后期出现一些其他问题。目前，已经有越来越多人对生物酶进行了研究。潘维等[30]考察了淀粉酶对污泥的破解效果，结果显示，淀粉酶预处理污泥4h后水解效果最佳，溶解性化学需氧量与总化学需氧量之比( SCOD/TCOD)从原污泥的 6.36%增加到 30.928%，可溶性蛋白质和可溶性糖分别达到原污泥的8.65倍和51.65倍。淀粉酶预处理污泥接种产氢菌后，最大产氢率可达 13．92mL·g-1，为淀粉酶处理污泥未接种产氢菌的1.875倍。陈小粉等[31]研究表明，淀粉酶的加入对剩余污泥的热水解有促进作用。在最适温度50℃、酶投加量0.5g/L条件下水解4h后，污泥中的SCOD/TCOD达到30.98%，比未加酶时高7.68%。在淀粉酶催化作用和热水解的共同作用下，污泥固体溶解，大分子碳水化合物被水解成小分子糖类，固相蛋白质溶出，并进一步水解。

由于生物酶处理方法操作简便，不会产生二次污染，能有效促进污泥中有机物的溶出，具有较大的发展空间。

4 联合预处理

联合预处理主要指将不同性质的预处理方法联合起来对污泥进行预处理，可以克服单一处理的缺点，使两者的处理效果达到最佳。目前，常用的联合预处理方法主要有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、超声波和热联合预处理等。

4.1 微波与碱联合预处理

微波加热是一种容积加热，能从内部迅速加热，没有热传递过程的热损失。微波预处理可通过微波对污泥絮体及微生物细胞壁（膜）进行破解，使胞内和EPS中有机物得到释放、水解，进而提高后续污泥的厌氧消化性能。杨洁等[32]将碱和超声波进行联合处理，结果表明，碱和超声波的组合预处理方式对污泥溶解性COD的释放效果和VSS减少效果明显优于单独的超声波和单独的碱处理。乔玮等[33]向污泥中加入NaOH进行微波热水解实验，添加量为0.05gNaOH/gSS时，经150℃处理污泥的产气量最大,比未处理污泥高28.5%。马妮娜等[34]研究了在微波辐照功率为800W、辐照时间为110s、添加量为0.14 gNaOH/gSS时，SS去除率达到46%，SCOD增至2487 mg/L，比单独微波处理的190mg/L增加了约12倍。

微波具有快速、高效、资源回收利用率高、无二次污染、成本低等显著优点，被广泛应用于工程领域。但该技术仍存在一些不足，污泥微波预处理需要特殊设备，且污泥微波预处理能耗较大，关于微波组合工艺的研究目前还不够深入和成熟。

4.2 热与碱联合预处理

热—碱水解是一种有效的污泥预处理技术，可以有效破解污泥，改善污泥的脱水性能，提高污泥的厌氧消化性能以及厌氧生物产气量。郑镇等[35]先对污泥用NaOH处理24h，然后再进行热处理，经碱－热法处理的污泥，SCOD去除率是同步法预处理污泥SCOD去除率的1.06～1.31倍，产气量是同步法预处理污泥产气量的1.08～1.31倍。彭晶等[36]采用热—碱技术对剩余污泥进行预处理，在 pH=12.0，温度为88.8 ℃条件下处理73.79 min，能获得理论最大溶胞率48.1%，挥发性脂肪酸积累量在发酵第3天达到最大值，最高挥发酸质量浓度( 以COD计) 为3 269.20 mg /L，是对照组的3.22倍。

热碱处理可以有效改善污泥的厌氧消化性能，但需要投加药剂，成本较高，且不利于后续处理。

4.3 超声波和热联合预处理

超声波和热水解联合应用，可以在污泥消化前成功破坏活性，污泥中复杂的絮体结构和释放胞外和胞内的细胞聚合物，随着特殊有机物的溶解进入固相[37]。廖足良等[38]用热超声组合的方法对污泥进行预处理，在120℃和0.15 MPa的条件下，预处理30min为最适热水解处理条件。超声波预处理的最佳条件为在0.3 W/mL超声声能密度下处理30min。通过增加预处理，可以使污泥厌氧消化产气量提高 16.51%～36.98%，并可将55 ℃温度条件下厌氧消化周期最小缩短至11d。合理的升高温度和增加预处理可以使污泥的厌氧消化性能得到一定的改善。但在相同预处理条件下，厌氧消化温度由35 ℃升高到55 ℃时，其厌氧消化效果的改善却并不明显。Serkan Sahinkaya等[37]研究表明，超声波和热水解联用的最佳操作条件是在1.0 W/mL的超声波下处理1min，然后在80℃下热水解1h，发现总的甲烷产量增加了13.6%，比单独的超声波和热水解效果好，VS和TCOD的减少量也有明显的提高。

超声波和热联合预处理能够获得较好的处理效果，但两者联用，所需能耗较大，可以通过优化其参数，降低成本，达到最佳处理效果，具有较大的发展空间。

5 结论

通过对各种污泥预处理方法原理、处理效果及应用现状进行全面论述与分析后 ,综合对各种方法特点的比较，可得到以下结论：

（1）物理/机械预处理方法处理效果好，但能耗较大,且设备维护量大、运行费用偏高，这就阻碍了它们的工程应用。

（2）化学预处理方法虽具有速度快、效果好特点，但由于药剂投加量大、对设备腐蚀性强，且可能抑制甲烷细菌生长、甚至容易产生有毒有害的化学物质。因此，在使用化学预处理方法前，还需要对其经济性和适用性等进行综合比较。

（3）生物处理法比较温和，处理方法比较简单，容易操作，没有二次污染，而且处理效果也好，具有一定的发展前景。

（4）联合处理方法处理效果较单一处理方法好，可以克服两者单一处理方法的缺点，但其能耗较高，可以通过优化其参数，达到最佳处理效果，具有较大的发展空间。

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