王晓阳
天津凯英科技发展股份有限公司 天津南开 300381
摘要：剩余活性污泥由于自身特殊性质，较难被生物降解，制约了其厌氧消化效果。通过对污泥进行生物预处理，热水解法，超声波法，臭氧法和碱水解等预处理，可以有效强化其厌氧[ ]消化过程，提高产气量。本文介绍了上述预处理技术的基本原理和特点。
关键词：剩余活性污泥 厌氧消化 预处理
1引言
在剩余污泥的固定化方法中，厌氧消化是目前最为热门的技术手段，有着成本低，能耗低，操作条件温和，固定化效果更好等诸多优点。而污泥的预处理则是通过改变污泥的物理或化学性质，来提高厌氧消化效果的技术手段。
目前，活性污泥主要的预处理方法有生物预处理，热水解法，超声波处理，碱水解法等。这些方法均可以有效地裂解剩余活性污泥的细胞壁，使污泥絮体中有机物由固相溶出至液相，加速剩余污泥水解。
2 几种预处理技术介绍
2.1 生物预处理
生物预处理是剩余活性污泥在进行厌氧消化前的一个附加步骤，其目的在于加强剩余活性污泥的水解过程。最常见的生物预处理形式是温度相厌氧消化（TPAD），即在嗜热温度（~55℃）或高嗜热温度（60℃~70℃）条件下，对剩余活性污泥进行厌氧或好氧处理。
嗜热处理过程特别是嗜热菌的水解活性已经被人们进行了广泛的研究，主要集中在55℃嗜热处理[2]。在该条件下，水解活性的提高可使污泥中的有机质加速降解。Ge et al. [3] 对嗜热预处理和中温预处理进行了对比实验，结果表明：在水力停留时间（HRT）为2天时，经过嗜热处理的污泥，在后续的中温厌氧消化过程中（HRT为13-14天），其产甲烷量和污泥减量，相对于中温预处理均提高了25%。
由于活性污泥中存在只能在好氧条件下分解的有机物，好氧生物预处理技术就成为了要给合适的选择。Shiota et al. [4] 对剩余活性市政污泥进行好氧高嗜热预处理（65℃，HRT为2.8天），使污泥中的有机质降解了75%。Hasegawa et al. [5] 等人对活性污泥采用好氧高嗜热预处理（60-70℃，HRT为1天），使得其在后续的厌氧消化中沼气产量提高了50%。
2.2 热水解法
热水解预处理通常指的是高于100℃的污泥预处理方式。热水解最早被用来提高污泥的脱水性能，它可以破坏污泥的絮状结构并释放间隙水。除此之外，热水解预处理对其厌氧消化也有显著的促进作用，成为了近年来的研究热点[8,9,10]。许多研究表明，热水解最佳的处理温度为160-180℃，处理时间为30-60min，相应的处理压力为600-2500kPa。例如：Haug et al. [8] 将活性污泥在175℃下处理30min，使其产甲烷量（单位COD）提高了62%。
热水解预处理另外的优点是：促进污泥的无害化（高温杀灭病原菌），使污泥减量和节约能源。因为热水解所需的能量完全可以通过甲烷产量的提高而平衡掉。其缺点则主要是会溶出和形成一些难生物降解的物质。
2. 3 超声波法
超声波预处理可以活性污泥絮体和细胞的结构。
其最主要的两个作用机制是：空穴作用，在低频率时起主导作用；形成自由基OH·和H·等，在高频率时起主要作用。在活性污泥的预处理中，低频率（20-40kHz）超声波处理是最有效的。超声波与处理中，活性污泥絮状体破坏，细胞结构也会瓦解，其程度主要取决于处理时间和输入能量的大小。
因此，在超声处理中存在能量密度门槛。根据研究表明，这个能量密度门槛在1000到16000kJ/kg TS之间，主要取决于污泥的TS。如果污泥密度过高，会增加粘性，从而削弱空穴作用的效果。
超声波预处理有很多优势，如易于自动化操作，设计紧凑改装成本低，不产生二次污染，提高脱水性能，增加产气率等。
2. 4 臭氧法
臭氧是一种强氧化剂，能破坏细胞壁，使细胞裂解释放细胞质，并继续将大分子有机物降解为小分子，提高后续系统的生物降解性能。臭氧氧化预处理是一种化学处理方法，活性污泥溶解程度会随着臭氧添加量的增加而提高，但臭氧浓度过高时反而会降低污泥溶解性，因为一些可溶性物质也可能被臭氧氧化。臭氧氧化预处理能很好地分解污泥中的细胞体，但臭氧氧化费用较高，处理成本较大，目前国内尚不具备广泛应用的条件。
2.5碱水解法
虽然在强化污泥厌氧消化的化学预处理方法中，臭氧预处理更多的吸引了研究者的兴趣， 但是由于成本问题短期内很难普及。而碱解处理作为传统而又简易的处理方法仍然有其很大的潜力。
碱对污泥的裂解效果与碱的投加量以及碱的种类有关。碱水解预处理的缺点在于会增加盐离子浓度，对后续的厌氧消化过程有抑制作用，并容易腐蚀仪器设备。
结语
采用生物预处理、热水解、超声处理、臭氧氧化和碱水解等方法对污泥进行预处理，都能有效提高污泥溶解和有机物分子降解的程度，使被微生更容易对其降解利用，缩短厌氧消化时间。
在实际应用中，力求做到能耗最低，环境污染最小，经济效益最高。
参考文献：
[1] Carrere H, Dumas C, Battimelli A, et al. Pretreatment methods to improve sludge anaerobic degradability: a review[J]. Journal of hazardous materials, 2010, 183(1): 1-15.
[2] Elliott A, Mahmood T. Pretreatment technologies for advancing anaerobic digestion of pulp and paper biotreatment residues[J]. Water research, 2007, 41(19): 4273-4286.
[3] Ge H, Jensen P D, Batstone D J. Pre-treatment mechanisms during thermophilic–mesophilic temperature phased anaerobic digestion of primary sludge[J]. Water research, 2010, 44(1): 123-130.
[4] Shiota N, Akashi A, Hasegawa S. A strategy in wastewater treatment process for significant reduction of excess sludge production[J]. Water Science & Technology, 2002, 45(12): 127-134.
[5] Hasegawa S, Shiota N, Katsura K, et al. Solubilization of organic sludge by thermophilic aerobic bacteria as a pretreatment for anaerobic digestion[J]. Water science and technology, 2000, 41(3): 163-169.
作者简介 王晓阳（1987-），男，中级工程师，天津凯英科技发展股份有限公司工艺工程师，研究方向为污泥处理处置。