剩余污泥強(qiáng)化厭氧消化預(yù)處理技術(shù)

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，中國污水處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，污水處理能力和技術(shù)不斷提升。但是，污泥處理帶來的問題也逐漸顯現(xiàn)出來。具體來說，如果污水處理廠的污泥未經(jīng)適當(dāng)處理就隨意堆放，污染物會(huì)以污泥的形式轉(zhuǎn)化到環(huán)境中，造成地下水、地表水等水體的二次污染。同時(shí)，污泥中所含的能量也會(huì)被浪費(fèi)掉。因此，厭氧消化技術(shù)是回收污泥中所含能量的一個(gè)非常重要的途徑。

污泥雖然對(duì)環(huán)境有害，但由于含有大量的有機(jī)物和營養(yǎng)元素，成為污泥資源化利用的重要保障。常規(guī)厭氧消化技術(shù)難以達(dá)到較高的沼氣轉(zhuǎn)化效率(一般為30%~45%)，主要是因?yàn)閰捬跫?xì)菌在水解酸化階段難以破壞污泥細(xì)菌的細(xì)胞壁和木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)。因此，各種污泥預(yù)處理方法應(yīng)運(yùn)而生，其主要目的是破壞污泥中細(xì)菌的細(xì)胞壁和木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，以釋放細(xì)胞中的有機(jī)物、糖類、蛋白質(zhì)等。因此，提高污泥溶解效率是強(qiáng)化污泥厭氧消化的關(guān)鍵。

1、剩余污泥的性質(zhì)

剩余污泥的含水率極高，未經(jīng)處理的污泥含水率可達(dá)97%~99%，其成分還包括脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、腐殖質(zhì)等。此外，還含有大量的微生物、有毒有機(jī)物、重金屬、無機(jī)物等。其中，脂肪、蛋白質(zhì)、多糖等。很容易被厭氧消化降解，在產(chǎn)甲烷菌的生化作用下可以成功轉(zhuǎn)化為甲烷。然而，污泥中的木質(zhì)纖維素、腐殖質(zhì)和生物細(xì)胞很難被厭氧消化分解。因此，目前對(duì)剩余污泥預(yù)處理的研究主要集中在兩個(gè)方面。一方面，探索大幅度降低剩余污泥含水率的可能方法；另一方面是尋找合適的方法對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理，改變難降解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，破碎細(xì)胞，釋放細(xì)胞內(nèi)的可代謝物質(zhì)，從而提高厭氧消化的沼氣產(chǎn)量和甲烷轉(zhuǎn)化效率，減少消化池的體積和停留時(shí)間，減少最終處置的污泥量。

在污泥處理階段，污泥脫水效率將在很大程度上影響污泥處理能力，是后續(xù)污泥運(yùn)輸、消化和綜合利用的重要保障。包括重力濃縮、機(jī)械脫水、干燥、凍融脫水等處理方法，人們也在不斷研究一些新的方法，如表面活性劑與生物浸出的結(jié)合、使用改性玉米芯粉等。其實(shí)這些方法有的對(duì)強(qiáng)化厭氧消化也有很大的幫助。然而，專門用于強(qiáng)化厭氧消化的預(yù)處理包括物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理等，其中一些與其他方法相結(jié)合作為聯(lián)合預(yù)處理。

2.剩余污泥預(yù)處理的研究

2.1機(jī)械預(yù)處理

用機(jī)械設(shè)備預(yù)處理污泥一般具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不含難降解有機(jī)物等優(yōu)點(diǎn)。有高壓均質(zhì)、旋轉(zhuǎn)球磨、裂解離心等多種研究。高壓均質(zhì)法是污泥在非常高的壓力下，通常為幾十MPa，以較低的速度進(jìn)入均質(zhì)器，其中壓力突然降低，使污泥在壓差下產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。在劇烈的湍流和空化作用下，污泥的局部溫度上升，導(dǎo)致污泥細(xì)胞破碎。旋轉(zhuǎn)球磨法是利用球磨機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，鋼球與污泥攪拌碰撞，產(chǎn)生剪切力改變污泥結(jié)構(gòu)。高壓均質(zhì)法、旋轉(zhuǎn)球磨、裂解離心等。需要使用大型設(shè)備，且設(shè)備維護(hù)不方便。雖然已經(jīng)應(yīng)用，但裂解效率低于其他方法。由于剩余污泥含水量極高，機(jī)械方法產(chǎn)生的能量被不必要地消耗，導(dǎo)致污泥絮體和微生物細(xì)胞破壞不充分。因此，結(jié)合其他預(yù)處理方法可以彌補(bǔ)機(jī)械方法的不足。孫玉曉等采用水力旋流器和堿(pH=11)聯(lián)合預(yù)處理取得了較好的效果，VFA提高了23.75%，甲烷產(chǎn)量提高了32.28%。

2.2物理預(yù)處理

在剩余污泥的物理預(yù)處理方法中，熱解、微波、超聲波和聚焦脈沖被廣泛研究。熱解是一種常規(guī)的污泥處理方法，被認(rèn)為是污泥消化前的首選方法。通過對(duì)污泥加熱，微生物的細(xì)胞壁因膨脹而破裂，使污泥中的大量有機(jī)物釋放出來，同時(shí)可以降低污泥粘度，提高脫水速率。熱解時(shí)，溫度為80℃~180℃，時(shí)間為20min~40min，壓力為600kPa~2500kPa。許多研究發(fā)現(xiàn)，溫度越高，熱解效果越好。但過高的溫度(200℃以上)不僅會(huì)增加能耗，還會(huì)產(chǎn)生難降解物質(zhì)，甚至有毒物質(zhì)(美拉德反應(yīng))。因此，考慮到能耗、體積等因素，100℃以下的熱解方式很多?？傮w來看，熱解技術(shù)已經(jīng)成熟，在國內(nèi)外很多項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，但仍面臨能耗高、加熱不均勻、停留時(shí)間長等問題。

微波法是通過將電磁波轉(zhuǎn)化為熱能來加熱污泥。由于微波法具有加熱速度快、處理效果好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了常規(guī)的熱解方法，也易于與其他方法結(jié)合。倪等研究比較了幾種敏化劑聯(lián)合微波和微波-過氧化氫處理污泥的效果，發(fā)現(xiàn)二氧化鈦?zhàn)鳛槊艋瘎┑奈⒉ㄐ?yīng)增強(qiáng)，污泥中C、N、P的釋放量顯著增加。王晶等人使用微波結(jié)合MEC處理城市污泥。首先用600W微波輻射180s，在0V~1.2V電壓下，體系的甲烷產(chǎn)量、SCOD和VSS均有顯著提高，分別比對(duì)照組提高了89.4%、56.9%和39.9%。單獨(dú)使用微波可獲得較好的處理效果，但高能耗的方向是尋找合適的敏化劑或與其他方法聯(lián)用。

在剩余污泥中，超聲波(>:20kHz聲波)，導(dǎo)致水以超高速通過污泥固體表面，產(chǎn)生超高速射流。這種射流產(chǎn)生的沖擊波可以帶來很強(qiáng)的機(jī)械剪切力，并伴有一定的熱、機(jī)械和化學(xué)作用，因此細(xì)胞壁開裂。超聲波處理污泥的效果取決于聲能密度和處理時(shí)間，是一種高效節(jié)能的處理方法，已在國外得到應(yīng)用。但也面臨能耗大的問題，需要尋找合適的參數(shù)和方法來降低能耗。王忠禹比較了單頻和雙頻處理方法對(duì)污泥的處理效果。結(jié)果表明，在相同能耗下，雙頻(20kHz+25kHz)超聲波的處理效果明顯優(yōu)于單頻(20kHz或25kHz)超聲波，當(dāng)雙頻超聲波能量為12000 kJ/GTS時(shí)，SCOD的溶出率為26.8%，對(duì)于提高剩余污泥的裂解效果和厭氧消化性能非常理想。

聚焦法(FP)是高壓脈沖電場對(duì)微生物細(xì)胞膜的直接作用，破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生“電穿孔”。這些都可以促進(jìn)污泥細(xì)胞的分裂，溶出細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物。同時(shí)，電弧還會(huì)破壞污泥本身的絮體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生自由基。Rittmann等人用聚焦脈沖處理剩余污泥，使SCOD提高1.6倍，DOC提高1.2倍。

2.3化學(xué)預(yù)處理

污泥的化學(xué)預(yù)處理方法包括堿處理、臭氧氧化、電化學(xué)氧化、亞硫酸鹽法、過氧化氫、芬頓試劑等。堿會(huì)使污泥中的有機(jī)顆粒膨脹，纖維成分溶解，導(dǎo)致微生物細(xì)胞破裂。堿處理法可以達(dá)到較好的預(yù)處理效果，但由于處理是在pH >: 10下進(jìn)行的。因此，后續(xù)的污泥處理往往需要重新調(diào)整pH值，消耗大量的化學(xué)藥劑，同時(shí)還會(huì)對(duì)腐蝕設(shè)備產(chǎn)生不利影響。目前研究主要是結(jié)合其他方法。

臭氧還可以作為氧化劑，破壞污泥預(yù)處理中的微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提高剩余污泥厭氧發(fā)酵的效率。但添加劑的用量很難控制，不具備破壞細(xì)胞壁膜結(jié)構(gòu)的針對(duì)性。氧化破壞的同時(shí)，也作用于污泥本身所含的有機(jī)物。適當(dāng)利用臭氧破壞氧化性強(qiáng)的細(xì)胞膜，還可以分解污泥中的一些大分子有機(jī)物，有利于后期的厭氧消化。研究表明，0.088 go3 g-1 ~ 0.1 go3 g-1 ss的投加量可以獲得更大的污泥裂解效率。但它面臨的問題是，O3的消耗量大，消耗量小時(shí)，破壞細(xì)胞膜(壁)的效果不明顯。O3會(huì)優(yōu)先與污泥外的還原性有機(jī)物反應(yīng)，而不是破壞細(xì)菌細(xì)胞膜，反應(yīng)過度會(huì)影響厭氧消化產(chǎn)甲烷的效果。趙陽等。以次氯酸鈉為電解質(zhì)，與污泥混合均勻，施加電壓20V，持續(xù)時(shí)間40min，厭氧消化45 d，與最終電化學(xué)法相比，產(chǎn)氣和甲烷的比例優(yōu)于堿處理、熱解和熱堿處理。曾力等選用Ti/PbO2電極對(duì)污泥進(jìn)行電化學(xué)氧化。通過原子力顯微鏡可以觀察到污泥細(xì)菌膠團(tuán)的絮狀結(jié)構(gòu)被破壞，變得不規(guī)則，細(xì)胞破碎。毛細(xì)時(shí)間減少了90%以上，說明這一過程有效地氧化了胞外聚合物，破壞了細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，釋放出大量的有機(jī)物。

一些學(xué)者認(rèn)為大量使用氧化劑藥物是不經(jīng)濟(jì)的，并尋找一些工業(yè)廢料。贊飛翔等人利用亞硫酸鹽破壞微生物細(xì)胞壁，用工業(yè)上常見的亞硫酸鹽廢液對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理。結(jié)果表明，污泥水解率提高了1.7倍，產(chǎn)甲烷潛力提高了1.2倍。

2.4生物預(yù)處理

生物預(yù)處理是指利用微生物技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理。常見的方法主要是生物酶法。眾所周知，酶是一種高效催化劑。由于其專一性和高效性，不像氧化劑、酸、堿等物質(zhì)需要大量添加，少量即可達(dá)到良好效果，對(duì)后續(xù)處理的不良影響較小，發(fā)展空間大。通常加入蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等來水解污泥中的相關(guān)成分。陳偉等研究表明，當(dāng)溶菌酶濃度小于20mg/g時(shí)，只有污泥的胞外物質(zhì)被水解，增加酶量可顯著引起污泥裂解。溶菌酶對(duì)原污泥有很好的水解效果，SCOD/TCOD高達(dá)28.14%，再加入蛋白酶和纖維素酶，獲得很好的溶解效果。

3.結(jié)論

目前對(duì)強(qiáng)化厭氧消化過程中如何有效破壞細(xì)胞壁或裂解污泥的研究是定向的，處理方法主要集中在以上幾個(gè)方面。從整體效果來看，存在不足，大部分技術(shù)距離工程應(yīng)用還有一定距離。

1)機(jī)械污泥處理主要依靠設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的剪切力或壓差，運(yùn)行成本過高，設(shè)備維護(hù)量大，整體上不如物理預(yù)處理方法。目前的研究方向是如何優(yōu)化設(shè)備參數(shù)或改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)以提高裂解效率，或結(jié)合其他方法提高現(xiàn)有加工設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。

2)在物理預(yù)處理方法中，熱解已經(jīng)有很多研究和工程案例，目前的研究重點(diǎn)是與其他方法的結(jié)合。微波法潛力很大，但也存在能耗高的問題。今后應(yīng)著重降低能耗，例如尋找合適的可循環(huán)使用的敏化劑提高微波效率，尋找更好的工作條件，強(qiáng)化厭氧消化效果。

3)化學(xué)處理法需要大量的化學(xué)藥品，對(duì)設(shè)備有腐蝕作用，不適合直接進(jìn)入?yún)捬跸^程，甚至可能產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，需要對(duì)污泥進(jìn)行再次調(diào)整。例如，酸堿法完成后，需要再次調(diào)整污泥的pH值。在尋找合適的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，我們可以嘗試使用一些對(duì)細(xì)胞有破壞作用的工業(yè)廢料進(jìn)行研究。

4)利用生物酶進(jìn)行生物預(yù)處理具有許多其他方法不具備的優(yōu)點(diǎn)，如不需要大型專用設(shè)備、不需要高溫、不需要酸堿條件、不產(chǎn)生二次污染等。今后的研究方向應(yīng)該是不同類型酶的組合、更好的用量和相應(yīng)的反應(yīng)條件。另外，關(guān)鍵是如何大量獲得廉價(jià)的生物酶制劑，這取決于生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5)由于單一的預(yù)處理方法具有很大的局限性和明顯的缺點(diǎn)，因此將各種預(yù)處理方法結(jié)合起來發(fā)揮各自的長處也是今后研究的一個(gè)方向，研究重點(diǎn)應(yīng)放在不同方法的主次搭配以及相關(guān)參數(shù)的選擇和確定上，以降低能耗。

6)對(duì)于工程應(yīng)用，需要更加關(guān)注能耗、實(shí)際運(yùn)行等條件。目前的研究仍集中在預(yù)處理效果的優(yōu)劣評(píng)價(jià)上，對(duì)能耗的比較還較少。以后可以把預(yù)處理環(huán)節(jié)和厭氧消化環(huán)節(jié)作為一個(gè)整體來研究(能耗和生產(chǎn)率)。(來源:陜西金煥科苑環(huán)境資源科技有限公司)

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