伴隨城鎮(zhèn)化和工業(yè)化步伐的加快，我國污水處理產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，污水處理能力和技術(shù)都在不斷進(jìn)步。但是，污泥處理帶來的問題逐漸顯現(xiàn)出來，具體表現(xiàn)若污水處理廠未經(jīng)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(zhuǎn)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(shù)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(jī)物和營養(yǎng)元素，因此成為污泥資源化利用的重要保證?，F(xiàn)有常規(guī)的厭氧消化技術(shù)很難有較高的沼氣轉(zhuǎn)化效率(一般在30%~45%)，主要是因為厭氧細(xì)菌在水解酸化階段難以破壞污泥細(xì)菌的細(xì)胞壁以及木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)。于是，各種污泥預(yù)處理方法應(yīng)運而生，主要目的就是破壞污泥中細(xì)菌的細(xì)胞壁及木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)以釋放出細(xì)胞中存在的有機(jī)物、糖類、蛋白質(zhì)等，所以，提高污泥溶胞效率是強(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%，其成分組成還存在脂肪類、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，脂肪類、蛋白質(zhì)、多糖等屬于易于厭氧消化降解的物質(zhì)，可順利地在產(chǎn)甲烷菌的生化作用下轉(zhuǎn)化成為甲烷;但其中的木質(zhì)纖維素、腐殖質(zhì)類及污泥自身的生物細(xì)胞則難以被厭氧消化所分解。因此，目前剩余污泥預(yù)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(jìn)行預(yù)處理，以改變難降解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及使細(xì)胞破碎，釋放出細(xì)胞內(nèi)可代謝的物質(zhì)，進(jìn)而提高厭氧消化環(huán)節(jié)沼氣的產(chǎn)量、甲烷的轉(zhuǎn)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(jìn)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(jī)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(qiáng)化厭氧消化環(huán)節(jié)同樣具有很大的幫助。而專門針對強(qiáng)化厭氧消化環(huán)節(jié)的預(yù)處理則包含有物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理等，其中有些方法還與其他方法聯(lián)用作為聯(lián)合預(yù)處理。
2、剩余污泥預(yù)處理研究
2.1 機(jī)械預(yù)處理
使用機(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，不產(chǎn)生難降解有機(jī)物等優(yōu)點。研究較多的有高壓均質(zhì)法、旋轉(zhuǎn)球磨法、溶胞離心法等。高壓均質(zhì)法是污泥在極高壓力下，通常在幾十兆帕，低速進(jìn)入均質(zhì)機(jī)，在其中突然降低壓力，導(dǎo)致污泥在壓差下產(chǎn)生極強(qiáng)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(xì)胞破碎。旋轉(zhuǎn)球磨法是利用球磨機(jī)高速轉(zhuǎn)動，鋼制小球攪拌、碰撞污泥，產(chǎn)生剪切力來使得污泥結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。高壓均質(zhì)法、旋轉(zhuǎn)球磨、溶胞離心等需要使用大型設(shè)備，且設(shè)備維修等較不方便，雖已有應(yīng)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(jī)械法所產(chǎn)生的能量被不必要的消耗，導(dǎo)致其破壞污泥絮體和微生物細(xì)胞通常不充分。因此，機(jī)械方法的缺點可以通過與其他預(yù)處理方法相結(jié)合而彌補(bǔ)。SunYuxiao等利用水力旋流器和堿(pH=11)聯(lián)合預(yù)處理獲得了良好的效果，VFA增加了23.75%，甲烷產(chǎn)量增加了32.28%。
2.2 物理預(yù)處理
剩余污泥物理預(yù)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(dǎo)致微生物的細(xì)胞壁因膨脹而破裂，從而使其中的有機(jī)物大量釋出，同時也可以降低污泥黏度并增強(qiáng)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(xiàn)，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(chǎn)生難降解物質(zhì)，甚至毒性物質(zhì)(美拉德反應(yīng))。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(nèi)外許多工程上得到應(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)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(xiàn)，以二氧化鈦作為敏化劑的微波作用被增強(qiáng)，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(chǎn)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(dǎo)致水體超高的流速通過污泥固體表面，產(chǎn)生了超高速的射流。這種射流產(chǎn)生的沖擊波能夠帶來較強(qiáng)的機(jī)械剪切力，同時還伴有一定的熱作用、機(jī)械作用和化學(xué)作用，細(xì)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(yīng)用。但也面臨著耗能較大的問題，需要尋找適宜的參數(shù)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(jié)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(xì)胞膜直接作用，破壞了細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生“電穿孔”，這些都可以促使污泥細(xì)胞破碎，溶出胞內(nèi)有機(jī)物，同時，電弧的作用也會破壞污泥本身的絮體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生自由基。Rittmann等研究采用聚焦脈沖處理剩余污泥，使得SCOD達(dá)到了1.6倍，DOC達(dá)到了1.2倍。
2.3 化學(xué)預(yù)處理
污泥化學(xué)預(yù)處理法中大致有堿處理法、臭氧氧化、電化學(xué)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(jī)顆粒溶脹、纖維成分溶解，導(dǎo)致微生物細(xì)胞破裂。堿處理法雖然能夠達(dá)到較好的預(yù)處理效果，但是由于處理時都是在pH>10的條件下進(jìn)行，因此后續(xù)的污泥處理很多時候都要重新調(diào)整pH值，大量的消耗藥劑，同時也會產(chǎn)生腐蝕設(shè)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(yù)處理當(dāng)中破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(xì)胞壁膜結(jié)構(gòu)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(jī)物。適量的運用臭氧強(qiáng)氧化性破壞細(xì)胞膜，同時也可以分解污泥當(dāng)中的一些大分子有機(jī)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(dāng)使用量較小時發(fā)揮的破壞細(xì)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(jī)物反應(yīng)，而非破壞細(xì)菌細(xì)胞膜，而過量反應(yīng)又會影響厭氧消化產(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(xué)法的產(chǎn)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(jìn)行電化學(xué)氧化，通過原子力顯微鏡可觀察到電解后污泥菌膠團(tuán)絮狀結(jié)構(gòu)被破壞，變?yōu)椴灰?guī)則狀，細(xì)胞破裂。毛細(xì)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(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，并釋放出大量的有機(jī)物。
也有學(xué)者考慮到氧化劑藥品的大量使用不經(jīng)濟(jì)，尋找一些工業(yè)上的廢料，ZanFeixiang等利用亞硫酸鹽對微生物細(xì)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(jìn)行預(yù)處理，結(jié)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(yù)處理
生物預(yù)處理是指利用微生物相關(guān)技術(shù)對污泥進(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，由于生物酶具有特異性、高效性，因此不像氧化劑、酸、堿等物質(zhì)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(guān)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(zhì)，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(dá)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(jié)語
對于強(qiáng)化厭氧消化環(huán)節(jié)的污泥預(yù)處理，目前研究都以如何能夠高效的破壞細(xì)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(shù)與工程應(yīng)用還有一定距離。
1)機(jī)械法處理污泥主要依靠的就是設(shè)備運行形成的剪切力或壓差，運行費用過高，且設(shè)備維護(hù)量大，整體上不如物理預(yù)處理法。目前研究方向為如何優(yōu)化設(shè)備參數(shù)或改變設(shè)備構(gòu)造來提高破解效率，或是結(jié)合其他方法作為現(xiàn)有處理設(shè)備的提標(biāo)改造。
2)物理預(yù)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(yīng)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(qiáng)化厭氧消化效果。
3)化學(xué)處理法需要大量藥劑，對設(shè)備存在腐蝕，也不宜直接進(jìn)入?yún)捬跸h(huán)節(jié)，甚至可能會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，需要再對污泥進(jìn)行調(diào)整，例如，酸堿法在處理完成后需要重新調(diào)整污泥pH值。在尋找適宜的化學(xué)藥劑上，可嘗試使用某些對細(xì)胞有破壞作用的工業(yè)廢料去研究。
4)生物預(yù)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(shè)備，不需要高溫，不需要過酸或過堿的條件，不產(chǎn)生二次污染。今后研究方向應(yīng)在不同類型酶的搭配組合，以及最佳的投加量和相應(yīng)的反應(yīng)條件，另外，關(guān)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(yù)處理方法局限性較大，具有明顯的缺點，因此聯(lián)合多種預(yù)處理方法發(fā)揮各自的長處也是未來研究的一個方向，應(yīng)以不同方法的主次搭配和相關(guān)參數(shù)的選取確定來降低能耗為研究重點。
6)對于工程應(yīng)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(yù)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(yù)處理環(huán)節(jié)與厭氧消化環(huán)節(jié)統(tǒng)籌研究(耗能和產(chǎn)能)，作為一個整體去考慮。( >
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