隨著城市化和工業(yè)化進程的加快，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)適當處理就隨意堆放，污染物會以污泥的形式轉(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，污泥中所含的能量也會被浪費掉。因此，厭氧消化技術(shù)是回收污泥中所含能量的一個非常重要的途徑。

污泥雖然對環(huán)境有害，但由于含有大量的有機物和營養(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)難以達到較高的沼氣轉(zhuǎn)化效率(一般為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和木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)。因此，各種污泥預處理方法應運而生，其主要目的是破壞污泥中細菌的細胞壁和木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，以釋放細胞中的有機物、糖類、蛋白質(zhì)等。因此，提高污泥溶解效率是強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、有毒有機物、重金屬、無機物等。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)和生物細胞很難被厭氧消化分解。因此，目前對剩余污泥預處理的研究主要集中在兩個方面。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剩余污泥進行預處理，改變難降解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，破碎細胞，釋放細胞內(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)污泥運輸、消化和綜合利用的重要保障。包括重力濃縮、機械脫水、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。其實這些方法有的對強化厭氧消化也有很大的幫助。然而，專門用于強化厭氧消化的預處理包括物理預處理、化學預處理、生物預處理等，其中一些與其他方法相結(jié)合作為聯(lián)合預處理。

2.剩余污泥預處理的研究

2.1機械預處理

用機械設(shè)備預處理污泥一般具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不含難降解有機物等優(yōu)點。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，以較低的速度進入均質(zhì)器，其中壓力突然降低，使污泥在壓差下產(chǎn)生強烈的沖擊。在劇烈的湍流和空化作用下，污泥的局部溫度上升，導致污泥細胞破碎。旋轉(zhuǎn)球磨法是利用球磨機的高速旋轉(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)備維護不方便。雖然已經(jīng)應用，但裂解效率低于其他方法。由于剩余污泥含水量極高，機械方法產(chǎn)生的能量被不必要地消耗，導致污泥絮體和微生物細胞破壞不充分。因此，結(jié)合其他預處理方法可以彌補機械方法的不足。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物理預處理

在剩余污泥的物理預處理方法中，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，被認為是污泥消化前的首選方法。通過對污泥加熱，微生物的細胞壁因膨脹而破裂，使污泥中的大量有機物釋放出來，同時可以降低污泥粘度，提高脫水速率。熱解時，溫度為80℃~180℃，時間為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)不僅會增加能耗，還會產(chǎn)生難降解物質(zhì)，甚至有毒物質(zhì)(美拉德反應)。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)外很多項目中得到了應用，但仍面臨能耗高、加熱不均勻、停留時間長等問題。

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，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)二氧化鈦作為敏化劑的微波效應增強，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，分別比對照組提高了89.4%、56.9%和39.9%。單獨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的機械剪切力，并伴有一定的熱、機械和化學作用，因此細胞壁開裂。超聲波處理污泥的效果取決于聲能密度和處理時間，是一種高效節(jié)能的處理方法，已在國外得到應用。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，當雙頻超聲波能量為12000 kJ/GTS時，SCOD的溶出率為26.8%，對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)是高壓脈沖電場對微生物細胞膜的直接作用，破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生“電穿孔”。這些都可以促進污泥細胞的分裂，溶出細胞內(nèi)的有機物。同時，電弧還會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化學預處理

污泥的化學預處理方法包括堿處理、臭氧氧化、電化學氧化、亞硫酸鹽法、過氧化氫、芬頓試劑等。堿會使污泥中的有機顆粒膨脹，纖維成分溶解，導致微生物細胞破裂。堿處理法可以達到較好的預處理效果，但由于處理是在pH >: 10下進行的。因此，后續(xù)的污泥處理往往需要重新調(diào)整pH值，消耗大量的化學藥劑，同時還會對腐蝕設(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，破壞污泥預處理中的微生物細胞結(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，不具備破壞細胞壁膜結(jié)構(gòu)的針對性。氧化破壞的同時，也作用于污泥本身所含的有機物。適當利用臭氧破壞氧化性強的細胞膜，還可以分解污泥中的一些大分子有機物，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，破壞細胞膜(壁)的效果不明顯。O3會優(yōu)先與污泥外的還原性有機物反應，而不是破壞細菌細胞膜，反應過度會影響厭氧消化產(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)時間40min，厭氧消化45 d，與最終電化學法相比，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電極對污泥進行電化學氧化。通過原子力顯微鏡可以觀察到污泥細菌膠團的絮狀結(jié)構(gòu)被破壞，變得不規(guī)則，細胞破碎。毛細時間減少了90%以上，說明這一過程有效地氧化了胞外聚合物，破壞了細胞膜的結(jié)構(gòu)，釋放出大量的有機物。

一些學者認為大量使用氧化劑藥物是不經(jīng)濟的，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胞壁，用工業(yè)上常見的亞硫酸鹽廢液對剩余污泥進行預處理。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生物預處理

生物預處理是指利用微生物技術(shù)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，少量即可達到良好效果，對后續(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，當溶菌酶濃度小于20mg/g時，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。溶菌酶對原污泥有很好的水解效果，SCOD/TCOD高達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

目前對強化厭氧消化過程中如何有效破壞細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方面。從整體效果來看，存在不足，大部分技術(shù)距離工程應用還有一定距離。

1)機械污泥處理主要依靠設(shè)備運行產(chǎn)生的剪切力或壓差，運行成本過高，設(shè)備維護量大，整體上不如物理預處理方法。目前的研究方向是如何優(yōu)化設(shè)備參數(shù)或改變設(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)備的標準。

2)在物理預處理方法中，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，強化厭氧消化效果。

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

4)利用生物酶進行生物預處理具有許多其他方法不具備的優(yōu)點，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。今后的研究方向應該是不同類型酶的組合、更好的用量和相應的反應條件。另外，關(guān)鍵是如何大量獲得廉價的生物酶制劑，這取決于生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5)由于單一的預處理方法具有很大的局限性和明顯的缺點，因此將各種預處理方法結(jié)合起來發(fā)揮各自的長處也是今后研究的一個方向，研究重點應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)對于工程應用，需要更加關(guān)注能耗、實際運行等條件。目前的研究仍集中在預處理效果的優(yōu)劣評價上，對能耗的比較還較少。以后可以把預處理環(huán)節(jié)和厭氧消化環(huán)節(jié)作為一個整體來研究(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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