黄垚志

（武汉轻工大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430000）

0 引言

当今工业化世界面临的主要问题之一是解决环境污染和确定有效的处理方法。在过去的几十年里，利用活性污泥包括特定的微生物来处理各种废水得到了广泛的应用，活性污泥已经成为工业废水处理中应用最广泛的生物材料。而废水生物处理的主要副产品是剩余污泥,剩余污泥具有含水率高、易腐烂、有恶臭、含有大量寄生虫卵和病原微生物等特点，如不加以妥善处理，任其排放，将会造成二次污染。欧共体的剩余污泥的处理费用已经占整个污水处理费用的25%～65%.并呈现逐年上升趋势。如何控制剩余污泥的产生及发展污泥减量化技术已成为当务之急。

目前处理的难度在于剩余污泥含水率极高导致其难以清除。而厌氧污泥消化既可以有效清除剩余污泥,还可用于污泥稳定，使污泥挥发性固体物质减少，产生沼气。故近年来厌氧污泥消化成为一种新的剩余污泥处理技术，厌氧消化过程一般分为水解、产酸、产乙酸和产甲烷四个阶段。

由于水解步骤对于厌氧消化产生限制性，为了减轻该步骤的影响，将采取预处理的方法加速水解，提高反应效率。预处理的方法多种多样比如热解；碱化；超声和机械消解等。这些处理方式可以加速活性污泥的水解，减小颗粒大小，从而促进厌氧消化的进行。

热处理对提高厌氧消化率和脱水性能产生极大地影响。碱化预处理也被用于溶解各种底物，如木质纤维素材料或活性污泥。林等研究表明，氢氧化钠预处理提高了活性污泥的化学需氧量和挥发性固体的还原、产气和脱水能力。超声裂解是一种高效的提取细胞内物质的方法，而机械预处理对活性污泥的效果也与上述其他预处理方法相同。张等对活性污泥的机械预处理进行了研究，确定在30 bar处喷射到碰撞板上并与之碰撞，使污泥溶解。

综上所述，很多研究都是针对活性污泥的厌氧消化预处理进行研究，与未预处理相比，多采用单一的预处理方法。然而，关于厌氧消化的各种预处理方法的报道很少。预处理(机械预处理、化学预处理、超声波预处理和热化学预处理)对增溶、粒径减小和甲烷产量提高的影响。此外，为提高甲烷治理效率和提高甲烷产量，还在探索一条切实可行的途径。

1 厌氧消化污泥预处理方法及效果

活性污泥的脱水是非常困难的，为了了解污泥中水的性质，人们做了大量的科研工作，水相通常被定义为自由水和结合水。结合水需要更高的能量才能被移除，有些能量根本无法移除。这种结合水含量是影响除水效率的主要限制因素之一。只有通过改变污泥结构的预处理工艺才能达到较高的固体干重:改变污泥絮凝体结构，打开细菌细胞，释放细胞含量。水解释放的细胞水富含溶解的有机化合物。溶解的成分既可以用来提高后续生物降解过程的效率，也可以用来回收氮和磷等有用的成分。其它应用包括污泥脱水的改善、病原体的减少或抑制。热处理时，温度范围在40-180℃。污泥中的碳水化合物和脂质易于降解，而蛋白质受细胞壁的保护，不受酶解作用。在60-180℃的低温范围内，热预处理破坏细胞壁，使蛋白质易于生物降解。热能的输入主要通过换热器或蒸汽对污泥的作用来实现。

多年来，人们已经知道，热预处理可以改善污泥的脱水性能。美国学者布鲁克斯观察溶解样品的有机质和初级污泥的混合物,并在40-60%和20-35%的含量分别加热170℃时实验与市政污水污泥，结果表明最高水解速率可以在165-180℃之间发生，加热时间10-30 分钟时对结果没有影响。溶解的成分在消化过程中很容易降解。此外，脱水能力显著增加[1]。

张毅华等报道了高温处理污水污泥的效果。结果表明，在150℃以上的高温条件下，污泥的脱水性能有较大的提高，而在180℃以上的高温条件下，脱水效果更为明显。但是，在这些较高的温度下，他们还报道了难降解化学需氧量化合物的形成，化学需氧量是化学破坏废水有机化合物所需的氧气量。作为研究的一部分，他们观察了一些选定的水相，并得出结论，约三分之一的水相化学需氧量是无法治疗的。张等研究了低温热处理，以获得提高消化率的脱水性的一些好处，同时避免了高温热处理中出现的问题[6]。

张萌等研究表明，未消化和已消化污泥的脱水性是有可能得到改善的，175℃大约是消化被抑制前的消化率极限(可能是由于抑制和/或难降解化合物的形成)。结果表明，活性污泥对消化率的影响最大，但在175℃时，所有污泥的脱水效果都较好。高温导致天然气产量下降。热解作为预处理对消解器的性能有很好的影响[5]。

严媛媛等人进行了一项实验，对酶预处理混合污泥和食物垃圾的厌氧生物甲烷生产潜力进行了评估，发现真菌预处理混合污泥的生物甲烷产量是未预处理活性污泥的2.5 倍。然而，利用超声波作为预处理手段，已经成功地提高了产甲烷量和沼气池性能。采用超声波预处理麦秸和牛粪混合料，分别在186 mL/g TS(总固体)、6.04 kJ/gTS 和2.88kJ/g TS 条件下进行了产甲烷总量、净能量和能量效益的测定。超声用于产甲烷颗粒评价反应器的性能时，脱氢酶活性和三磷酸腺苷含量分别提高了257%和374%。谢等人在厌氧污泥中应用0.2 W/cm2的低强度超声处理10 分钟，发现厌氧污泥活性增强，同时有机去除效率提高30%。然而，上述研究研究的是一种超声波清洗浴，其中厌氧污泥采取100 毫升血清瓶。镀液的固定频率为35khz，功率从0 到80w 不等。在上流式厌氧污泥包层反应器(1s/min,0.05W/mlUS密度)中，在COD/m3为2 kg 的有机负荷条件下，在常温和中温条件下，反应器对啤酒废水CH4 的产率分别提高了38%和19%。此外,在上述研究应用超声波降解法(每30年代2 s,0.0015 W /毫升的密度)干燥,系统相同的2 公斤有机负荷报道,甲烷产量增加了40%通过减少固体含量从12%到10%,表明高固体含量减少了我们的效果。在上述研究中，我们观察到不同的污泥产率，即86.1%和94.3%的COD 去除被转化为CH4，而其余13.9%和5.7%的COD 去除在对照组中可能被转化为生物质，并被超声处理反应器。李等研究了5 种不同的中温体系，评价了超声波处理对食物垃圾厌氧生物降解性的影响，发现反应器内超声处理效果优于预处理。上述研究报告了67%的VSS 去除效率和3.2 LCH4/L 反应器产甲烷率，有机负荷为11.7 kg COD/m3。上述研究表明，在输入能量为500 kJ/kgTS 的情况下，甲烷产量增加了28%，而对于TS 含量较高的猪粪和原生污泥，超声是一种更有效的预处理工艺[3]。

牟艳艳等采用高温二氧化钙协同热水解预处理技术，提高了活性污泥发酵短链脂肪酸的产量。优化了各种预处理条件，包括加热温度、过氧化氢浓度和时间。仿真和实验结果表明,最佳预处理条件的温度67.4 摄氏度,二氧化钙0.12 g / g VSS和时间19 h,在最大SCFAs 产量达到336.5 毫克的鳕鱼/ g VSS 5 天的发酵后,与醋酸的比例占70.1%。机理研究表明，二氧化钙和热处理对污泥的增溶和短链脂肪酸的产生具有正向协同作用。与单纯的控制、热处理和添加二氧化钙相比，热处理的二氧化钙不仅促进了有机物的释放，而且增加了可生物降解有机物的比例，从而为后续短链脂肪酸的生产提供了更多的有机物。结果表明，热氧化钙预处理提高了产酸酶和水解酶的活性，同时抑制了产甲烷菌的辅酶活性。此外，热氧化钙预处理和后续发酵在去除难降解有机污染物和活性污泥中所含病原体方面效果良好。进一步分析表明，在活性污泥处理过程中，热二氧化钙预处理是一种既可回收有价值的碳源，又可去除难降解污染物的有效方法[4]。

多种预处理方式的不断更新，不仅能够加速厌氧消化反应，在很大程度上能够保证污泥的快速处理，提升负荷量，在环境保护意识日益增强的今天，预处理方法能够极大地缓解污泥难处理的问题，能够使污泥的含水率降低，更加快速的反应，同时，通过不同预处理方法的混合使用，减少了处理的成本，此外污泥原有的处理方式从填埋和焚烧逐步升级为厌氧消化，这是对环境保护和土壤保护的贡献，加速厌氧消化进程也就是在不断提升环境保护的能力。

2 厌氧消化污泥预处理对环境保护的影响

随着我国经济的发展，有效利用能源、减少环境污染、降低安全生产事故频次，防止突发环境事件，确保生命安全的重要性日益凸显。制定并执行环保政策和措施，致在保护环境的同时改善人民的生活质量，已经成为我国民生工程的关注点。保护环境不仅关乎人们的生存环境，也影响着经济发展。环境保护就是研究和防止由于人类生活、生产建设活动使自然环境恶化，进而寻求控制、治理和消除各类因素对环境的污染和破坏，并努力改善环境、美化环境、保护环境，使它更好的适应人类生活和工作需要。换句话说，环境保护就是运用环境科学的理论和方法，在更好地利用自然资源的同时，深入认识污染和破坏环境的根源及危害，有计划地保护环境，预防环境质量恶化，控制环境污染，促进人类与环境协调发展，提高人类生活质量，保护人类健康，造福子孙后代。其中厌氧消化污泥预处理切实有效的方式。多种预处理方法可以有效地减轻污泥含水率，现在已经有比较成熟的技术可以进行工业化处理，在很大程度上能够节约处理时间，缩减处理成本，在水处理厂，污泥消化处理一直是比较麻烦的问题，含水率极大地限制了反应的速率。随着国家排水标准的不断提升，要求水处理和污泥处理的工艺不断升级，预处理的方法能够极大地改善这一问题，能够帮助污水厂更好的达到国家排放标准，此外厌氧消化能够产生一定量的甲烷气体，这一新的清洁能源可以为污水处理厂提供能源，在一定程度上能够节俭开支，达到节能减排的目标。

3 结语

水解速率低是制约污泥化学能量回收利用的重要因素。为加快污泥水解速度，提高厌氧消化效率，探索了多种崩解方法。预处理可降解三维聚合物骨架(即EPS)，并破坏刚性细胞壁，导致细胞内物质的释放，同时提高或改变后续消解器的性能。在通常报告的方法中，经常同时研究机械、热力和化学过程，并在商业上实施若干专利技术;建立标准化的必要性应该成为未来重要的研究课题，以帮助行业确定最经济有效的共处理路线，确保污泥的最佳转化和能源回收。能够对环境保护作出积极的贡献，尤其是节能减排。与处理的方式极大程度上减轻了对能源的依赖，减少了能源消耗量。