伴隨城鎮(zhèn)化和工業(yè)化步伐的加快，我國污水處理產業(yè)得到了快速發(fā)展，污水處理能力和技術都在不斷進步。但是，污泥處理帶來的問題逐漸顯現出來，具體表現若污水處理廠未經妥善處理的污泥隨意堆放，將會使污染物以污泥的形式向環(huán)境中轉化，會造成地下水、地表水等水體的二次污染，同時，污泥中所蘊含的能源也會造成浪費，因此，對于其蘊含能源的回收，厭氧消化技術是一條非常重要的路徑。
雖然污泥對環(huán)境具有危害性，但由于其含有大量的有機物和營養(yǎng)元素，因此成為污泥資源化利用的重要保證。現有常規(guī)的厭氧消化技術很難有較高的沼氣轉化效率(一般在30%~45%)，主要是因為厭氧細菌在水解酸化階段難以破壞污泥細菌的細胞壁以及木質纖維素結構。于是，各種污泥預處理方法應運而生，主要目的就是破壞污泥中細菌的細胞壁及木質纖維素結構以釋放出細胞中存在的有機物、糖類、蛋白質等，所以，提高污泥溶胞效率是強化污泥厭氧消化的關鍵。
1、剩余污泥的性質
剩余污泥的含水率極高，未經處理的污泥含水率可達97%~99%，其成分組成還存在脂肪類、蛋白質、纖維素、腐殖質等。此外，還含有大量的微生物、有毒有機物、重金屬、無機物等。其中，脂肪類、蛋白質、多糖等屬于易于厭氧消化降解的物質，可順利地在產甲烷菌的生化作用下轉化成為甲烷;但其中的木質纖維素、腐殖質類及污泥自身的生物細胞則難以被厭氧消化所分解。因此，目前剩余污泥預處理的研究主要集中在兩方面，一方面是探索大幅度降低剩余污泥含水率的可能方法;另一方面則是找尋適宜的方法對剩余污泥進行預處理，以改變難降解物質的結構及使細胞破碎，釋放出細胞內可代謝的物質，進而提高厭氧消化環(huán)節(jié)沼氣的產量、甲烷的轉化效率，并減少消化池的體積和停留時間，以及污泥最終處置的量。
在污泥處理階段，污泥脫水效率的高低將極大地影響污泥的處理量，是后續(xù)進行污泥輸送、消化和綜合利用的重要保證。一般包括重力濃縮、機械脫水、干化、凍融脫水等處理方法，也有一些新方法在不斷被人們研究，例如，表面活性劑和生物瀝濾的聯(lián)用、改性玉米芯粉的使用等。實際上這些方法之中有些方法對于強化厭氧消化環(huán)節(jié)同樣具有很大的幫助。而專門針對強化厭氧消化環(huán)節(jié)的預處理則包含有物理預處理、化學預處理、生物預處理等，其中有些方法還與其他方法聯(lián)用作為聯(lián)合預處理。
2、剩余污泥預處理研究
2.1 機械預處理
使用機械設備預處理污泥一般具有結構簡單，使用方便，不產生難降解有機物等優(yōu)點。研究較多的有高壓均質法、旋轉球磨法、溶胞離心法等。高壓均質法是污泥在極高壓力下，通常在幾十兆帕，低速進入均質機，在其中突然降低壓力，導致污泥在壓差下產生極強的沖擊力，在劇烈的紊動和空化作用下，污泥局部溫度升高，使得污泥細胞破碎。旋轉球磨法是利用球磨機高速轉動，鋼制小球攪拌、碰撞污泥，產生剪切力來使得污泥結構發(fā)生改變。高壓均質法、旋轉球磨、溶胞離心等需要使用大型設備，且設備維修等較不方便，雖已有應用，但破解效率與其他方法比較偏低。由于剩余污泥含水率極高，機械法所產生的能量被不必要的消耗，導致其破壞污泥絮體和微生物細胞通常不充分。因此，機械方法的缺點可以通過與其他預處理方法相結合而彌補。SunYuxiao等利用水力旋流器和堿(pH=11)聯(lián)合預處理獲得了良好的效果，VFA增加了23.75%，甲烷產量增加了32.28%。
2.2 物理預處理
剩余污泥物理預處理方法中研究較多的有熱解法、微波法、超聲波法、聚焦脈沖法等。熱解法是最常規(guī)的一種污泥處理手段，在過去被視為污泥消化前的首選方法。通過對污泥加熱導致微生物的細胞壁因膨脹而破裂，從而使其中的有機物大量釋出，同時也可以降低污泥黏度并增強脫水率。在熱解法中，最常使用的溫度在80℃~180℃，時間為20min~40min，壓力為600kPa~2500kPa。通過諸多的研究發(fā)現，溫度越高，熱解效果越好，但是，過高的溫度(超過200℃)不但會增加能耗同時也會產生難降解物質，甚至毒性物質(美拉德反應)。因此，考慮到能耗、容積等因素，采用100℃以下的熱解方式較多。整體而言，熱解法發(fā)展較為成熟，在國內外許多工程上得到應用，但仍然面臨著能耗高、加熱不均勻、停留時間久等問題。
微波法是以電磁波轉化為熱能對污泥加熱，因其加熱速度快、處理效果好、操作容易等優(yōu)點開始逐漸替代常規(guī)的熱解法，還易與其他方法進行聯(lián)合運用。倪曉堂等研究比較了幾種敏化劑聯(lián)合微波和微波-過氧化氫的污泥處理效果發(fā)現，以二氧化鈦作為敏化劑的微波作用被增強，污泥中C、N、P的釋放均有顯著增加。王晶等將微波與MEC聯(lián)合運用處理市政污泥，首先利用600W微波輻射180s，在0V~1.2V電壓下，系統(tǒng)甲烷產量、SCOD、VSS均有顯著提高，與對照組相比分別提高了89.4%、56.9%和39.9%。單使用微波法可以獲得較好的處理效果，但在高能耗多以尋找適宜的敏化劑或與其他方法聯(lián)用為方向。
在剩余污泥中，超聲波(>20kHz的聲波)作用下形成的空化氣泡崩潰破裂導致水體超高的流速通過污泥固體表面，產生了超高速的射流。這種射流產生的沖擊波能夠帶來較強的機械剪切力，同時還伴有一定的熱作用、機械作用和化學作用，細胞壁因此得到破解。超聲波法處理污泥的效果由聲能量密度和處理時間來決定，是能效較高的處理方法，在國外已有應用。但也面臨著耗能較大的問題，需要尋找適宜的參數和方法來降低能耗。汪中宇比較了單頻和雙頻的處理方法對污泥的處理效果，結果表明，相同能耗下雙頻(20kHz+25kHz)超聲波明顯優(yōu)于單頻(20kHz或25kHz)超聲波的處理效果，且雙頻超聲能量在12000kJ/gTS時，SCOD的溶出率為26.8%，對剰余污泥破解效果及厭氧消化性能的提升最理想。
聚焦脈沖法(FP)是高壓脈沖電場與微生物細胞膜直接作用，破壞了細胞膜的結構，產生“電穿孔”，這些都可以促使污泥細胞破碎，溶出胞內有機物，同時，電弧的作用也會破壞污泥本身的絮體結構，產生自由基。Rittmann等研究采用聚焦脈沖處理剩余污泥，使得SCOD達到了1.6倍，DOC達到了1.2倍。
2.3 化學預處理
污泥化學預處理法中大致有堿處理法、臭氧氧化、電化學氧化、亞硫酸鹽法、過氧化氫、芬頓試劑等方法。堿能使污泥中有機顆粒溶脹、纖維成分溶解，導致微生物細胞破裂。堿處理法雖然能夠達到較好的預處理效果，但是由于處理時都是在pH>10的條件下進行，因此后續(xù)的污泥處理很多時候都要重新調整pH值，大量的消耗藥劑，同時也會產生腐蝕設備的不良影響，目前研究主要與其他方法聯(lián)合使用。
臭氧也可以作為污泥預處理當中破壞微生物細胞結構的氧化劑，能夠提高剩余污泥厭氧發(fā)酵的效率，但投加劑的量難以控制，且不具有專門破壞細胞壁膜結構的針對性，在氧化破壞的同時，也會作用于污泥中本身含有的有機物。適量的運用臭氧強氧化性破壞細胞膜，同時也可以分解污泥當中的一些大分子有機物，都可利于后期的厭氧消化作用。有研究表明，0.088gO3·g-1~0.1gO3·g-1SS的投加量可以取得最大的污泥破解效率。但其面臨的問題是O3消耗量較大，當使用量較小時發(fā)揮的破壞細胞膜(壁)的作用不明顯，O3會優(yōu)先與污泥中胞外的還原性有機物反應，而非破壞細菌細胞膜，而過量反應又會影響厭氧消化產甲烷的效果。趙陽等以次氯酸鈉為電解液與污泥混合均勻，加電壓20V，持續(xù)時間40min，厭氧消化45d，最終電化學法的產氣量、甲烷的占比都要優(yōu)于堿處理、熱解法、熱堿處理。曾麗等選擇Ti/PbO2電極對污泥進行電化學氧化，通過原子力顯微鏡可觀察到電解后污泥菌膠團絮狀結構被破壞，變?yōu)椴灰?guī)則狀，細胞破裂。毛細吸水時間降低了90%以上，表明這一過程有效地氧化了胞外聚合物，破壞了了細胞膜的結構，并釋放出大量的有機物。
也有學者考慮到氧化劑藥品的大量使用不經濟，尋找一些工業(yè)上的廢料，ZanFeixiang等利用亞硫酸鹽對微生物細胞壁的破壞作用，用工業(yè)中多見的亞硫酸鹽廢液對剩余污泥進行預處理，結果表明，污泥的水解率提高了1.7倍和甲烷生成勢提高了1.2倍。
2.4 生物預處理
生物預處理是指利用微生物相關技術對污泥進行預處理。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，由于生物酶具有特異性、高效性，因此不像氧化劑、酸、堿等物質需要大量加入，少量加入即可取得良好效果，對后續(xù)處理的不良影響較小，具有很大的發(fā)展空間。通常加入蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等來水解污泥中的相關成分。陳偉等研究表明，加入溶菌酶濃度小于20mg/g時僅水解污泥胞外物質，加大酶量能顯著引起污泥破解。溶菌酶用于原污泥水解效果較好，SCOD/TCOD最高可達28.14%，后又加入蛋白酶與纖維素酶獲得了較好的溶胞效果。
3、結語
對于強化厭氧消化環(huán)節(jié)的污泥預處理，目前研究都以如何能夠高效的破壞細胞壁或溶胞為方向，處理方法主要集中在上述的幾個方面，從整體效果來看，都有不足之處，大多技術與工程應用還有一定距離。
1)機械法處理污泥主要依靠的就是設備運行形成的剪切力或壓差，運行費用過高，且設備維護量大，整體上不如物理預處理法。目前研究方向為如何優(yōu)化設備參數或改變設備構造來提高破解效率，或是結合其他方法作為現有處理設備的提標改造。
2)物理預處理法中，熱解法已有較多的研究及工程案例，目前研究集中在與其他方法聯(lián)合運用的情況。微波法潛力較大，但也存在能耗較高的問題。今后應以降低能耗為重點，例如，尋找適合的可循環(huán)使用的敏化劑來提高微波的效率，找尋最佳工況，強化厭氧消化效果。
3)化學處理法需要大量藥劑，對設備存在腐蝕，也不宜直接進入厭氧消化環(huán)節(jié)，甚至可能會產生有毒有害物質，需要再對污泥進行調整，例如，酸堿法在處理完成后需要重新調整污泥pH值。在尋找適宜的化學藥劑上，可嘗試使用某些對細胞有破壞作用的工業(yè)廢料去研究。
4)生物預處理使用生物酶具有其他方法沒有的優(yōu)點，如，不需要大型專用設備，不需要高溫，不需要過酸或過堿的條件，不產生二次污染。今后研究方向應在不同類型酶的搭配組合，以及最佳的投加量和相應的反應條件，另外，關鍵是要解決如何大量獲得廉價的生物酶制劑，有賴于生物工業(yè)的發(fā)展。
5)由于單獨的一種預處理方法局限性較大，具有明顯的缺點，因此聯(lián)合多種預處理方法發(fā)揮各自的長處也是未來研究的一個方向，應以不同方法的主次搭配和相關參數的選取確定來降低能耗為研究重點。
6)對于工程應用需要更加注重能耗及實際操作等條件，目前研究還集中于預處理效果的優(yōu)劣評價，在能耗的比較上仍然較少。今后可將預處理環(huán)節(jié)與厭氧消化環(huán)節(jié)統(tǒng)籌研究(耗能和產能)，作為一個整體去考慮。( >
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