厭氧消化的剩余污泥細胞破壁預處理技術研究

張赟　張斯俊

摘要：剩余污泥在處理時，對于設備要求較為苛刻。而厭氧消化是一種污泥資源化處理新技術，目前已被廣泛應用于剩余污泥細胞壁預處理。污泥細胞中因含有大量有機質難以釋放，且無法直接利用，從而導致剩余污泥厭氧消化速率與厭氧消化效率降低。而目前剩余污泥破壁技術主要包括：化學法、生物法、物理法及聯合法。為此，為提高剩余污泥中包內有機質能有效釋放，本文將探討以上不同預處理方法影響污泥細胞破壁效果，并論述剩余污泥厭氧消化效果。

關鍵詞：厭氧消化；剩余污泥；細胞破壁；預處理技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.199

0前言

隨著我國經濟發展與城鎮化水平的不斷提高，據統計，目前我國城鎮污水處理廠已建成將近3910座，且剩余污泥產量逐步增加，而我國污水處理能力為1.67億m³/天。而具有資源化污泥處理原則及滿足減量化的剩余污泥厭氧消化技術是近幾年人們處理剩余污泥預處理技術的首選。為此，為提升厭氧消化效果，必須通過一定的預處理方式來強化破壁效果，從而有效釋放胞內有機物質，即提高剩余污泥色可生化性及COD溶出率。而有效的預處理方法是實現剩余污泥厭氧消化效率的最終目的。

1化學法

化學法就是在剩余污泥中投放化學藥劑，使其產生化學反應后達到破壞剩余污泥中生物細胞結構，并提高胞內溶出物質。

（1）化學法中的酸堿處理法。通過投加酸或堿的方式，調節剩余污泥的pH值，酸和堿會對其生物細胞結構進行破壞，從而提高胞內溶出物質，并進一步去除懸浮物質。據相關研究表明，在剩余污泥中投放堿可使蛋白質變性，并在脂類中發生皂化反應，使細胞壁及細胞膜出現損壞。在經過調整pH值后，其SCOD出現提升，且在經過170℃的處理后，污泥厭氧消化能力提高了45%。在經過調整NaOH的投加量及污泥pH=11，并通過反應6小時后，污泥上的清液SCOD就會有所增長，且沼氣轉化效率可提高到402.5%。為此，且在堿性條件下，其微生物細胞壁出現膨脹現象可使其失去平衡并發生破裂，進而將細胞中的遺傳物質、蛋白質等釋放出來，且降低甲烷活性。而酸性條件下僅能破壞其污泥的絮凝性，并沒有破壞生物細胞結構。為此，SCOD及揮發性脂肪酸中的累積量在堿性條件下高于酸性條件。

（2）臭氧氧化法與高鐵酸鉀法。臭氧氧化法則是通過直接氧化與間接氧化而破壞有機物，最終破壞其生物架構。在剩余污泥中投放臭氧到一定數值，便可提升污泥溶細胞率。經過臭氧預處理后的剩余污泥，微生物細胞將被破壞，且縮小污泥中SS與VSS，提升沼氣產量。而高鐵酸鉀法為一種綠色強氧化劑，對有機物具有更強的氧化性能，不僅具有殺死致病菌的作用，還可增強脫水效率。因其與剩余污泥中的微生物及有機物進行接觸后生物細胞會破壞，從而生物胞內的溶出率得到提升。

2生物法

在剩余污泥中投放酶制劑或投放可生產胞外酶的微生物，使其經過水解催化作用，從而將剩余污泥中的有機物進行溶解。在其破壞有機結構的同時，轉化有機物為無機物或小分子物質，最終實現剩余污泥生化降解性。相關研究結果表明，在剩余污泥中投放蛋白酶、復合酶及單一淀粉，且蛋白酶與復合酶配比為1：3時，水解酸化效果得到到最佳，還提升了VSS去除率，在降低污泥高分子有機的情況下，極大破壞微生物細胞結構。

3物理法

物理法能破壞剩余污泥中微生物細胞結構，并有效釋放細胞內有機物。

（1）熱處理法。熱處理在通過有效控制剩余污泥處理工藝溫度，破壞剩余污泥中的生物細胞，最終提高胞內物溶出率，是一種較為傳統的處理技術。據相關研究指出，在170℃下對剩余污泥進行處理，可提高SCOD溶出率，提升厭氧消化產氣效率；在130℃下對剩余污泥進行處理，可提升酵產氣量；在180℃～210℃在進行處理，不僅污泥上清液COD溶出率提升至30%，其VS去除率也可提升至58%，甲烷產量有所提升。

（2）微波處理法。微博處理法在通過對有機質氫鍵進行破壞后，使剩余污泥細胞皮進一步破壞，最終使胞內物質溶出水解。剩余污泥在微波水解170℃下，且經過10min反應后，污泥微生物細胞壁遭到破壞；當微波時間延長時，污泥中的VS去除率隨之增加，VS去除率可達32.9%；在1250W的微波下進行剩余污泥處理，并經過21天的溫厭氧化消化后可提升沼氣產量。

（3）超聲波處理法。超聲波的聲波頻率高于20kHz，當液體體系在超聲波中達到具備的強度時，液體體系就會發生變化。而在剩余污泥中存在較多微生泡，實施超聲波處理法可使其產生大小不一的小氣泡，并使小氣泡發生爆炸，在這高溫及高強度的壓力下，微生物細胞壁便可破解，且內部微觀結構出現變化，最終將大量胞內有機物進入液相。而頻率較低的超聲波具有增強剪切力與產生空化氣泡的作用，對細胞結構的破壞具有更強的作用效果。

4聯合法

為獲取更好的細胞破壁效果，聯合法通過細胞破壁的不同原理及剩余污泥處理的方式進行有效處理。主要包括：熱與堿聯合處理、微波與堿聯合處理、超聲波與堿聯合處理。熱與堿聯合處理是通過50℃或70℃的條件下加快有機物的水解速率，進而提高胞內物釋放率及破壁效率。微波與堿聯合處理與熱與堿聯合處理原理相近，當堿投放量為15mgNaOH/gTS時、微波功率為490W時，便可提高污泥上清液SCOD溶出率。超聲波與堿聯合處理可溶解60.2%的污泥VS，當超聲密度達0.188W/mL，且pH=10時，可提升污泥上液清的SCOD濃度。

5結語

剩余污泥在進行處理對設備要求較為苛刻。化學法對設備及材料上要求較高，適用性較差；而生物法在對剩余污泥進行預處理時，要求生物制劑為廉價高效才可實施；剩余污泥在經過高溫熱預處理時，反應時間較長；在超聲波預處理時，具備一定的經濟效益；在微波預處理時，運行費用及能耗上花費較大。而聯合法將以上幾種預處理法的破壁效率有效提高，在進行剩余污泥預處理時，局域經濟效益高、耗能較低的特點。為此，聯合預處理技術是未來剩余污泥細胞破壁預處理技術的主要突破點。