污泥脱水预处理技术综述

田杨

北京中铁生态环境设计院有限公司 北京 102627

1 超声预处理

超声波根据频率可分为功率超声（20-100kHz）、高频超声（100kHz-1MHz）、诊断超声（1-500MHz）。超声技术最初应用于声呐，因意外发现声波会杀死鱼类，由此诞生了用超声波破坏或灭活生物细胞的方法。20世纪60年代低频超声波被首次用于实验室规模的细胞裂解研究，70年代首次应用于污泥絮体分散研究。

超声处理污泥时会在介质中产生交替的压缩和拉伸作用，压缩阶段将分子推到一起而对介质施加正压，拉伸阶段对介质施加负压，使分子间距离变大，负压达到一定程度时会在稀薄区域形成微气泡（空化气泡）。这些微泡在连续的循环中生长并达到不稳定的直径，其突然且猛烈的破裂会产生极端的高温和高压（约5000K的温度和持续几微秒的500个大气压的压力）。剧烈的破裂会在气泡周围的液体中产生强烈水力剪切，破坏污泥的絮体结构和微生物细胞。此外，超声分解污泥的机理还包括：①在超声辐射下产生的·OH、·H、·N、·O等自由基的氧化作用；②污泥中挥发性疏水性物质的热分解；③超声波作用于活性污泥时分解过程温度升高[1]。其中强大的水力剪切力是污泥解体的主要原因。碱处理污泥的原理是基于高pH导致蛋白质形态解散、脂质皂化和RNA水解。在碱性条件下，有机物的羟基和羧基解离产生静电斥力，使污泥中的胞外聚合物（EPS）大范围溶胀和溶解。EPS被破坏后，暴露于高pH环境中的细胞壁和细胞膜不能承受相应的膨胀压力，细胞发生破裂，并将细胞外和细胞内聚合物从固相转移到水相中，因此可将脂肪、碳氢化合物和蛋白质分解成脂肪酸、多糖和氨基酸类的小分子可溶性物质，同时诱导颗粒状有机物溶胀，增加生物可利用表面，使物质更易于发生酶促反应，提高微生物的可利用性。

污泥的碱性发酵对短链脂肪酸（SCFAs）生产和污泥减量有益]，因此其对厌氧发酵也有很好的促进效果。

2 热水解技术

污泥属于非牛顿流体，具有剪切变稀及触变特性，在高剪切速率下其流动行为与触变胶体相近，而在低剪切速率下，表现出固体的特性和黏弹特性。热水解预处理能够使污泥的网状絮体结构解体，固相中的有机物溶解，导致污泥的流变特性发生显著变化。

目前热水解预处理对污泥流变特性的影响研究较多，主要包括热水解对污泥黏度、屈服应力及黏弹特性的影响。大部分研究指出，热水解预处理能够显著降低污泥黏度，削弱污泥的固相特性，导致热水解污泥的非牛顿流体行为减弱。FENG等]研究发现：当热水解温度升至120℃时，污泥黏度从未经热处理时的264mPa·s降至21.6mPa·s；当热水解温度升至170℃时，污泥黏度降至3.16mPa·s；随后再升高温度污泥黏度基本不变。同时，随着热水解温度的升高，污泥的流动行为更接近于牛顿流体；当热水解温度升至170℃时，表征流动特性的流动指数从0.3显著升高至1.0，稠度系数（极限黏度）从5.90Pa·s降至0.002Pa·s。在相同的热水解温度下，随着热水解时间的延长，污泥黏度和稠度系数逐渐降低；当热水解时间超过40min时，下降趋势变缓。同时随着热水解温度的升高，表征污泥固相特性的弹性模量显著下降[2]，对于固含量（w，下同）为7%的污泥，当热水解温度升至140℃时，弹性模量由700Pa降至100Pa。

热水解可提高污泥流动性的原因主要归结于以下两个方面：①热水解后污泥中的自由水以不可逆的方式显著增加，降低了污泥悬浮液系统的黏度；②随着热水解温度的升高和热水解时间的延长，污泥中微生物的细胞壁和细胞膜遭到破坏，胞内有机物如蛋白质、碳水化合物、脂类等被释放，导致污泥固相特性降低。

另外，热水解污泥冷却至室温后，其屈服应力和黏度均比未热处理污泥小很多，表现出不可逆的特性，此现象被称为“热历史”。产生上述现象的主要原因为热水解过程中污泥组分的溶解和蛋白质不可逆的热变性。热水解污泥流动性的改善有利于提高后续厌氧消化的负荷，降低污泥的输送成本。

3 氧化法

氧化法指通过向污泥中投加一定比例的氧剂，如臭氧、Fenton试剂和过硫酸盐等，破坏污泥絮体的结构和污泥细胞的细胞壁，降解大分子的有机物，释放污泥中的间隙水和胞内水，从而改善污泥的脱水性能。此外，污泥絮体中的胞外聚合物和难降解有机物可以被氧化生成溶解性的有机物，甚至可以直接氧化生成二氧化碳和水，达到污泥减量化的目的。氧化法一般包括臭氧氧化、Fenton试剂氧化、Fe2+活化过硫酸盐氧化和高锰酸盐氧化等。氧化法所涉及的机理主要包括：污泥絮体的氧化，疏松结合胞外聚合物（LB-EPS）的分解，结合水的释放和转化、细胞结构的破坏、污泥颗粒的絮凝等。臭氧氧化是一种应用最广泛的氧化过程[3]。臭氧可以破坏细胞膜和菌胶团结构，加速胞内物质的释放，并将其氧化生成小分子物质，提高污泥的脱水性能。经臭氧氧化后，污泥中蛋白质和多糖的平均分子量降低了4个数量级，表明部分胞外聚合物被臭氧氧化降解，从而使大分子量物质转化成为小分子量的物质。Dytczak等]通过对比两组序批式反应器中臭氧的投加量，以污泥体积指数（SVI）和CST为参考，研究部分臭氧化对回流污泥脱水性的影响。试验结果表明：臭氧预处理可以破坏污泥絮体中TB-EPS的结构，使其转化生成溶解性的S-EPS。