黃垚志

（武漢輕工大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430000）

0 引言

當今工業(yè)化世界面臨的主要問題之一是解決環(huán)境污染和確定有效的處理方法。在過去的幾十年里，利用活性污泥包括特定的微生物來處理各種廢水得到了廣泛的應用，活性污泥已經(jīng)成為工業(yè)廢水處理中應用最廣泛的生物材料。而廢水生物處理的主要副產(chǎn)品是剩余污泥,剩余污泥具有含水率高、易腐爛、有惡臭、含有大量寄生蟲卵和病原微生物等特點，如不加以妥善處理，任其排放，將會造成二次污染。歐共體的剩余污泥的處理費用已經(jīng)占整個污水處理費用的25%～65%.并呈現(xiàn)逐年上升趨勢。如何控制剩余污泥的產(chǎn)生及發(fā)展污泥減量化技術已成為當務之急。

目前處理的難度在于剩余污泥含水率極高導致其難以清除。而厭氧污泥消化既可以有效清除剩余污泥,還可用于污泥穩(wěn)定，使污泥揮發(fā)性固體物質(zhì)減少，產(chǎn)生沼氣。故近年來厭氧污泥消化成為一種新的剩余污泥處理技術，厭氧消化過程一般分為水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個階段。

由于水解步驟對于厭氧消化產(chǎn)生限制性，為了減輕該步驟的影響，將采取預處理的方法加速水解，提高反應效率。預處理的方法多種多樣比如熱解；堿化；超聲和機械消解等。這些處理方式可以加速活性污泥的水解，減小顆粒大小，從而促進厭氧消化的進行。

熱處理對提高厭氧消化率和脫水性能產(chǎn)生極大地影響。堿化預處理也被用于溶解各種底物，如木質(zhì)纖維素材料或活性污泥。林等研究表明，氫氧化鈉預處理提高了活性污泥的化學需氧量和揮發(fā)性固體的還原、產(chǎn)氣和脫水能力。超聲裂解是一種高效的提取細胞內(nèi)物質(zhì)的方法，而機械預處理對活性污泥的效果也與上述其他預處理方法相同。張等對活性污泥的機械預處理進行了研究，確定在30 bar處噴射到碰撞板上并與之碰撞，使污泥溶解。

綜上所述，很多研究都是針對活性污泥的厭氧消化預處理進行研究，與未預處理相比，多采用單一的預處理方法。然而，關于厭氧消化的各種預處理方法的報道很少。預處理(機械預處理、化學預處理、超聲波預處理和熱化學預處理)對增溶、粒徑減小和甲烷產(chǎn)量提高的影響。此外，為提高甲烷治理效率和提高甲烷產(chǎn)量，還在探索一條切實可行的途徑。

1 厭氧消化污泥預處理方法及效果

活性污泥的脫水是非常困難的，為了了解污泥中水的性質(zhì)，人們做了大量的科研工作，水相通常被定義為自由水和結合水。結合水需要更高的能量才能被移除，有些能量根本無法移除。這種結合水含量是影響除水效率的主要限制因素之一。只有通過改變污泥結構的預處理工藝才能達到較高的固體干重:改變污泥絮凝體結構，打開細菌細胞，釋放細胞含量。水解釋放的細胞水富含溶解的有機化合物。溶解的成分既可以用來提高后續(xù)生物降解過程的效率，也可以用來回收氮和磷等有用的成分。其它應用包括污泥脫水的改善、病原體的減少或抑制。熱處理時，溫度范圍在40-180℃。污泥中的碳水化合物和脂質(zhì)易于降解，而蛋白質(zhì)受細胞壁的保護，不受酶解作用。在60-180℃的低溫范圍內(nèi)，熱預處理破壞細胞壁，使蛋白質(zhì)易于生物降解。熱能的輸入主要通過換熱器或蒸汽對污泥的作用來實現(xiàn)。

多年來，人們已經(jīng)知道，熱預處理可以改善污泥的脫水性能。美國學者布魯克斯觀察溶解樣品的有機質(zhì)和初級污泥的混合物,并在40-60%和20-35%的含量分別加熱170℃時實驗與市政污水污泥，結果表明最高水解速率可以在165-180℃之間發(fā)生，加熱時間10-30 分鐘時對結果沒有影響。溶解的成分在消化過程中很容易降解。此外，脫水能力顯著增加[1]。

張毅華等報道了高溫處理污水污泥的效果。結果表明，在150℃以上的高溫條件下，污泥的脫水性能有較大的提高，而在180℃以上的高溫條件下，脫水效果更為明顯。但是，在這些較高的溫度下，他們還報道了難降解化學需氧量化合物的形成，化學需氧量是化學破壞廢水有機化合物所需的氧氣量。作為研究的一部分，他們觀察了一些選定的水相，并得出結論，約三分之一的水相化學需氧量是無法治療的。張等研究了低溫熱處理，以獲得提高消化率的脫水性的一些好處，同時避免了高溫熱處理中出現(xiàn)的問題[6]。

張萌等研究表明，未消化和已消化污泥的脫水性是有可能得到改善的，175℃大約是消化被抑制前的消化率極限(可能是由于抑制和/或難降解化合物的形成)。結果表明，活性污泥對消化率的影響最大，但在175℃時，所有污泥的脫水效果都較好。高溫導致天然氣產(chǎn)量下降。熱解作為預處理對消解器的性能有很好的影響[5]。

嚴媛媛等人進行了一項實驗，對酶預處理混合污泥和食物垃圾的厭氧生物甲烷生產(chǎn)潛力進行了評估，發(fā)現(xiàn)真菌預處理混合污泥的生物甲烷產(chǎn)量是未預處理活性污泥的2.5 倍。然而，利用超聲波作為預處理手段，已經(jīng)成功地提高了產(chǎn)甲烷量和沼氣池性能。采用超聲波預處理麥秸和牛糞混合料，分別在186 mL/g TS(總固體)、6.04 kJ/gTS 和2.88kJ/g TS 條件下進行了產(chǎn)甲烷總量、凈能量和能量效益的測定。超聲用于產(chǎn)甲烷顆粒評價反應器的性能時，脫氫酶活性和三磷酸腺苷含量分別提高了257%和374%。謝等人在厭氧污泥中應用0.2 W/cm2的低強度超聲處理10 分鐘，發(fā)現(xiàn)厭氧污泥活性增強，同時有機去除效率提高30%。然而，上述研究研究的是一種超聲波清洗浴，其中厭氧污泥采取100 毫升血清瓶。鍍液的固定頻率為35khz，功率從0 到80w 不等。在上流式厭氧污泥包層反應器(1s/min,0.05W/mlUS密度)中，在COD/m3為2 kg 的有機負荷條件下，在常溫和中溫條件下，反應器對啤酒廢水CH4 的產(chǎn)率分別提高了38%和19%。此外,在上述研究應用超聲波降解法(每30年代2 s,0.0015 W /毫升的密度)干燥,系統(tǒng)相同的2 公斤有機負荷報道,甲烷產(chǎn)量增加了40%通過減少固體含量從12%到10%,表明高固體含量減少了我們的效果。在上述研究中，我們觀察到不同的污泥產(chǎn)率，即86.1%和94.3%的COD 去除被轉化為CH4，而其余13.9%和5.7%的COD 去除在對照組中可能被轉化為生物質(zhì)，并被超聲處理反應器。李等研究了5 種不同的中溫體系，評價了超聲波處理對食物垃圾厭氧生物降解性的影響，發(fā)現(xiàn)反應器內(nèi)超聲處理效果優(yōu)于預處理。上述研究報告了67%的VSS 去除效率和3.2 LCH4/L 反應器產(chǎn)甲烷率，有機負荷為11.7 kg COD/m3。上述研究表明，在輸入能量為500 kJ/kgTS 的情況下，甲烷產(chǎn)量增加了28%，而對于TS 含量較高的豬糞和原生污泥，超聲是一種更有效的預處理工藝[3]。

牟艷艷等采用高溫二氧化鈣協(xié)同熱水解預處理技術，提高了活性污泥發(fā)酵短鏈脂肪酸的產(chǎn)量。優(yōu)化了各種預處理條件，包括加熱溫度、過氧化氫濃度和時間。仿真和實驗結果表明,最佳預處理條件的溫度67.4 攝氏度,二氧化鈣0.12 g / g VSS和時間19 h,在最大SCFAs 產(chǎn)量達到336.5 毫克的鱈魚/ g VSS 5 天的發(fā)酵后,與醋酸的比例占70.1%。機理研究表明，二氧化鈣和熱處理對污泥的增溶和短鏈脂肪酸的產(chǎn)生具有正向協(xié)同作用。與單純的控制、熱處理和添加二氧化鈣相比，熱處理的二氧化鈣不僅促進了有機物的釋放，而且增加了可生物降解有機物的比例，從而為后續(xù)短鏈脂肪酸的生產(chǎn)提供了更多的有機物。結果表明，熱氧化鈣預處理提高了產(chǎn)酸酶和水解酶的活性，同時抑制了產(chǎn)甲烷菌的輔酶活性。此外，熱氧化鈣預處理和后續(xù)發(fā)酵在去除難降解有機污染物和活性污泥中所含病原體方面效果良好。進一步分析表明，在活性污泥處理過程中，熱二氧化鈣預處理是一種既可回收有價值的碳源，又可去除難降解污染物的有效方法[4]。

多種預處理方式的不斷更新，不僅能夠加速厭氧消化反應，在很大程度上能夠保證污泥的快速處理，提升負荷量，在環(huán)境保護意識日益增強的今天，預處理方法能夠極大地緩解污泥難處理的問題，能夠使污泥的含水率降低，更加快速的反應，同時，通過不同預處理方法的混合使用，減少了處理的成本，此外污泥原有的處理方式從填埋和焚燒逐步升級為厭氧消化，這是對環(huán)境保護和土壤保護的貢獻，加速厭氧消化進程也就是在不斷提升環(huán)境保護的能力。

2 厭氧消化污泥預處理對環(huán)境保護的影響

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，有效利用能源、減少環(huán)境污染、降低安全生產(chǎn)事故頻次，防止突發(fā)環(huán)境事件，確保生命安全的重要性日益凸顯。制定并執(zhí)行環(huán)保政策和措施，致在保護環(huán)境的同時改善人民的生活質(zhì)量，已經(jīng)成為我國民生工程的關注點。保護環(huán)境不僅關乎人們的生存環(huán)境，也影響著經(jīng)濟發(fā)展。環(huán)境保護就是研究和防止由于人類生活、生產(chǎn)建設活動使自然環(huán)境惡化，進而尋求控制、治理和消除各類因素對環(huán)境的污染和破壞，并努力改善環(huán)境、美化環(huán)境、保護環(huán)境，使它更好的適應人類生活和工作需要。換句話說，環(huán)境保護就是運用環(huán)境科學的理論和方法，在更好地利用自然資源的同時，深入認識污染和破壞環(huán)境的根源及危害，有計劃地保護環(huán)境，預防環(huán)境質(zhì)量惡化，控制環(huán)境污染，促進人類與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，提高人類生活質(zhì)量，保護人類健康，造福子孫后代。其中厭氧消化污泥預處理切實有效的方式。多種預處理方法可以有效地減輕污泥含水率，現(xiàn)在已經(jīng)有比較成熟的技術可以進行工業(yè)化處理，在很大程度上能夠節(jié)約處理時間，縮減處理成本，在水處理廠，污泥消化處理一直是比較麻煩的問題，含水率極大地限制了反應的速率。隨著國家排水標準的不斷提升，要求水處理和污泥處理的工藝不斷升級，預處理的方法能夠極大地改善這一問題，能夠幫助污水廠更好的達到國家排放標準，此外厭氧消化能夠產(chǎn)生一定量的甲烷氣體，這一新的清潔能源可以為污水處理廠提供能源，在一定程度上能夠節(jié)儉開支，達到節(jié)能減排的目標。

3 結語

水解速率低是制約污泥化學能量回收利用的重要因素。為加快污泥水解速度，提高厭氧消化效率，探索了多種崩解方法。預處理可降解三維聚合物骨架(即EPS)，并破壞剛性細胞壁，導致細胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，同時提高或改變后續(xù)消解器的性能。在通常報告的方法中，經(jīng)常同時研究機械、熱力和化學過程，并在商業(yè)上實施若干專利技術;建立標準化的必要性應該成為未來重要的研究課題，以幫助行業(yè)確定最經(jīng)濟有效的共處理路線，確保污泥的最佳轉化和能源回收。能夠?qū)Νh(huán)境保護作出積極的貢獻，尤其是節(jié)能減排。與處理的方式極大程度上減輕了對能源的依賴，減少了能源消耗量。