污泥脫水預(yù)處理技術(shù)綜述

田楊

北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)院有限公司 北京 102627

1 超聲預(yù)處理

超聲波根據(jù)頻率可分為功率超聲（20-100kHz）、高頻超聲（100kHz-1MHz）、診斷超聲（1-500MHz）。超聲技術(shù)最初應(yīng)用于聲吶，因意外發(fā)現(xiàn)聲波會(huì)殺死魚(yú)類(lèi)，由此誕生了用超聲波破壞或滅活生物細(xì)胞的方法。20世紀(jì)60年代低頻超聲波被首次用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的細(xì)胞裂解研究，70年代首次應(yīng)用于污泥絮體分散研究。

超聲處理污泥時(shí)會(huì)在介質(zhì)中產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸作用，壓縮階段將分子推到一起而對(duì)介質(zhì)施加正壓，拉伸階段對(duì)介質(zhì)施加負(fù)壓，使分子間距離變大，負(fù)壓達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)在稀薄區(qū)域形成微氣泡（空化氣泡）。這些微泡在連續(xù)的循環(huán)中生長(zhǎng)并達(dá)到不穩(wěn)定的直徑，其突然且猛烈的破裂會(huì)產(chǎn)生極端的高溫和高壓（約5000K的溫度和持續(xù)幾微秒的500個(gè)大氣壓的壓力）。劇烈的破裂會(huì)在氣泡周?chē)囊后w中產(chǎn)生強(qiáng)烈水力剪切，破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)和微生物細(xì)胞。此外，超聲分解污泥的機(jī)理還包括：①在超聲輻射下產(chǎn)生的·OH、·H、·N、·O等自由基的氧化作用；②污泥中揮發(fā)性疏水性物質(zhì)的熱分解；③超聲波作用于活性污泥時(shí)分解過(guò)程溫度升高[1]。其中強(qiáng)大的水力剪切力是污泥解體的主要原因。堿處理污泥的原理是基于高pH導(dǎo)致蛋白質(zhì)形態(tài)解散、脂質(zhì)皂化和RNA水解。在堿性條件下，有機(jī)物的羥基和羧基解離產(chǎn)生靜電斥力，使污泥中的胞外聚合物（EPS）大范圍溶脹和溶解。EPS被破壞后，暴露于高pH環(huán)境中的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜不能承受相應(yīng)的膨脹壓力，細(xì)胞發(fā)生破裂，并將細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)聚合物從固相轉(zhuǎn)移到水相中，因此可將脂肪、碳?xì)浠衔锖偷鞍踪|(zhì)分解成脂肪酸、多糖和氨基酸類(lèi)的小分子可溶性物質(zhì)，同時(shí)誘導(dǎo)顆粒狀有機(jī)物溶脹，增加生物可利用表面，使物質(zhì)更易于發(fā)生酶促反應(yīng)，提高微生物的可利用性。

污泥的堿性發(fā)酵對(duì)短鏈脂肪酸（SCFAs）生產(chǎn)和污泥減量有益]，因此其對(duì)厭氧發(fā)酵也有很好的促進(jìn)效果。

2 熱水解技術(shù)

污泥屬于非牛頓流體，具有剪切變稀及觸變特性，在高剪切速率下其流動(dòng)行為與觸變膠體相近，而在低剪切速率下，表現(xiàn)出固體的特性和黏彈特性。熱水解預(yù)處理能夠使污泥的網(wǎng)狀絮體結(jié)構(gòu)解體，固相中的有機(jī)物溶解，導(dǎo)致污泥的流變特性發(fā)生顯著變化。

目前熱水解預(yù)處理對(duì)污泥流變特性的影響研究較多，主要包括熱水解對(duì)污泥黏度、屈服應(yīng)力及黏彈特性的影響。大部分研究指出，熱水解預(yù)處理能夠顯著降低污泥黏度，削弱污泥的固相特性，導(dǎo)致熱水解污泥的非牛頓流體行為減弱。FENG等]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)熱水解溫度升至120℃時(shí)，污泥黏度從未經(jīng)熱處理時(shí)的264mPa·s降至21.6mPa·s；當(dāng)熱水解溫度升至170℃時(shí)，污泥黏度降至3.16mPa·s；隨后再升高溫度污泥黏度基本不變。同時(shí)，隨著熱水解溫度的升高，污泥的流動(dòng)行為更接近于牛頓流體；當(dāng)熱水解溫度升至170℃時(shí)，表征流動(dòng)特性的流動(dòng)指數(shù)從0.3顯著升高至1.0，稠度系數(shù)（極限黏度）從5.90Pa·s降至0.002Pa·s。在相同的熱水解溫度下，隨著熱水解時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥黏度和稠度系數(shù)逐漸降低；當(dāng)熱水解時(shí)間超過(guò)40min時(shí)，下降趨勢(shì)變緩。同時(shí)隨著熱水解溫度的升高，表征污泥固相特性的彈性模量顯著下降[2]，對(duì)于固含量（w，下同）為7%的污泥，當(dāng)熱水解溫度升至140℃時(shí)，彈性模量由700Pa降至100Pa。

熱水解可提高污泥流動(dòng)性的原因主要?dú)w結(jié)于以下兩個(gè)方面：①熱水解后污泥中的自由水以不可逆的方式顯著增加，降低了污泥懸浮液系統(tǒng)的黏度；②隨著熱水解溫度的升高和熱水解時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥中微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜遭到破壞，胞內(nèi)有機(jī)物如蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類(lèi)等被釋放，導(dǎo)致污泥固相特性降低。

另外，熱水解污泥冷卻至室溫后，其屈服應(yīng)力和黏度均比未熱處理污泥小很多，表現(xiàn)出不可逆的特性，此現(xiàn)象被稱(chēng)為“熱歷史”。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)闊崴膺^(guò)程中污泥組分的溶解和蛋白質(zhì)不可逆的熱變性。熱水解污泥流動(dòng)性的改善有利于提高后續(xù)厭氧消化的負(fù)荷，降低污泥的輸送成本。

3 氧化法

氧化法指通過(guò)向污泥中投加一定比例的氧劑，如臭氧、Fenton試劑和過(guò)硫酸鹽等，破壞污泥絮體的結(jié)構(gòu)和污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁，降解大分子的有機(jī)物，釋放污泥中的間隙水和胞內(nèi)水，從而改善污泥的脫水性能。此外，污泥絮體中的胞外聚合物和難降解有機(jī)物可以被氧化生成溶解性的有機(jī)物，甚至可以直接氧化生成二氧化碳和水，達(dá)到污泥減量化的目的。氧化法一般包括臭氧氧化、Fenton試劑氧化、Fe2+活化過(guò)硫酸鹽氧化和高錳酸鹽氧化等。氧化法所涉及的機(jī)理主要包括：污泥絮體的氧化，疏松結(jié)合胞外聚合物（LB-EPS）的分解，結(jié)合水的釋放和轉(zhuǎn)化、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞、污泥顆粒的絮凝等。臭氧氧化是一種應(yīng)用最廣泛的氧化過(guò)程[3]。臭氧可以破壞細(xì)胞膜和菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，加速胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，并將其氧化生成小分子物質(zhì)，提高污泥的脫水性能。經(jīng)臭氧氧化后，污泥中蛋白質(zhì)和多糖的平均分子量降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)，表明部分胞外聚合物被臭氧氧化降解，從而使大分子量物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為小分子量的物質(zhì)。Dytczak等]通過(guò)對(duì)比兩組序批式反應(yīng)器中臭氧的投加量，以污泥體積指數(shù)（SVI）和CST為參考，研究部分臭氧化對(duì)回流污泥脫水性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：臭氧預(yù)處理可以破壞污泥絮體中TB-EPS的結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化生成溶解性的S-EPS。