污泥预处理技术方法.pdf

污泥预处理技术方法污水处理厂在处理污水过程中会产生大量的剩余污泥，污泥体积通常占污水处理总体积的0.3%～1.0%［1］。目前我国每年排放的干污泥大约为130万t，并以大约10%的速率增加［2］。剩余污泥中含有大量的污染物，如重金属、内分泌干扰剂、多氯联苯、多环芳烃以及二噁英等［4］，这些污染物如果得不到妥善处理，会对环境造成严重的二次污染。剩余污泥的处理费用巨大，一般占城市污水处理厂总费用的40%～60%［3］。目前对污泥处理多采用污泥厌氧消化的方法［5］。厌氧消化过程主要有水解、酸化、产乙酸和产甲烷4个阶段，其中，水解过程由于厌氧微生物所需要的营养物质大部分存在于污泥絮体以及微生物的细胞膜(壁)内部原生质中，胞外分泌酶无法与营养基质充分有效地接触，严重限制了厌氧消化的速率［6］。因此，要对污泥进行预处理，即破碎污泥絮体和污泥细胞膜(壁)，使营养基质得以释放，加快整个厌氧消化过程［7-8］。为提高污泥厌氧消化效率，许多污泥破壁或溶胞预处理技术正在研发之中。笔者综述国内外已有报道且具有良好应用前景的几种污泥预处理技术，将这些技术归纳为电磁场、辐射以及生物处理等污泥预处理技术，并分析它们的原理、特点、处理效果以及发展方向。1污泥电磁场预处理技术电磁场预处理技术主要包括电场、磁场以及电磁波等处理技术。电场和电磁波方面主要包括聚焦脉冲技术和微波技术;而在磁场方面，国内外的主要研究方向是加强活性污泥法污水处理效果［9］和污泥脱水性能的改善［10］。李帅等［11］在研究磁场对污泥的脱水性能时，发现在磁场作用下，污泥滤液中的COD和NH4+质量浓度都在短时间内升高，COD质量浓度的最大变化率为60%，说明在磁场作用下，污泥细胞有一定程度的破壁，因此磁场污泥预处理技术有望成为一种有效的污泥预处理技术。本文推荐使用强脉冲磁场进行污泥预处理，因为随着磁场强度或脉冲数的增加，磁场杀菌效果越好［12］，污泥破壁效果也可能更好。1．1聚焦脉冲预处理技术聚焦脉冲(FP)技术尽管在医学破壁和食物杀菌方面为人所熟知［13-14］，但对其提高厌氧消化效率方面的研究仍较少。聚焦脉冲在水中电弧放电，可以产生冲击波、紫外线辐射以及各种自由基［15］，同时在高压条件下，细胞膜会产生电穿孔［16］，这些都可以促使污泥细胞破碎，溶出胞内有机物。研究［17-20］表明:①当采用较弱的电场时，可使细胞膜形成可逆电击穿，即电场所诱导的细胞膜电穿孔在一定条件下可以重新封闭;②随着电场强度的增大，细胞膜孔数增多，孔径增大，当达到一定程度后膜孔就不能再封闭，从而造成不可逆击穿，使细胞死亡、破裂。在污泥预处理中，主要是运用电场对细胞膜不可逆击穿原理。20世纪60年代后期，Sale等［21-22］首次采用多个高压电脉冲对微生物细胞进行处理，发现细胞在电场作用下溶解或死亡。聚焦脉冲电穿孔机理见图1［23］。图1中，正负电极分别与聚焦脉冲电源和地面连接，绝缘的细胞膜在快速变化的电场中发生极化。这是由于磷脂分子是极性分子，随着电荷的积累，膜间电压升高。如果膜间电压超过了某一阈值，细胞膜间由于引力引起的压力就会破坏磷脂双分子层而形成小孔。细胞电穿孔机理主要研究电脉冲的幅度、宽度、波形以及个数等参数对细胞膜通透性变化的影响。脉冲宽度与幅度之间存在互补关系，即降低脉冲幅度，就需要加宽脉冲时程来弥补。细胞穿孔的效率往往与脉冲幅度与宽度的乘积成正比［24］。在细胞穿孔的大多数试验中，使用DC方波脉冲［25］和RC指数衰减形脉冲［26］的研究表明，如果脉冲在峰电压击穿细胞之后，能以较低的电压维持膜孔洞开放一段时间，则有利于提高细胞电穿孔的效率，因此，RC指数衰减形脉冲往往比相同的DC方波脉冲更有效［27］。增加脉冲个数能增大细胞穿孔的效果，后续脉冲的积累成活率比第一脉冲下降得更快［28］。聚焦脉冲预处理污泥能够有效提高污泥溶解性有机物浓度和污泥厌氧消化产甲烷效率，并且具有较高的能效。聚焦脉冲对污泥处理强度的计算公式为式中:TI为聚焦脉冲对污泥的处理强度，(kW˙h)/m3;V为脉冲电压，(kg˙m2)/(C˙s2);D为脉冲宽度，s;f为脉冲频率，1/s;e为样品的电导率，S/m;L为电极间的距离，m;HRT为污泥样品在脉冲电场中停留的时间，s;K为单位转换常数，用来评估污泥处理强度对COD生成CH4的影响，取2.8×10-7(kW˙h)/J。Hanna等［30］利用聚焦脉冲处理剩余污泥后，发现SCOD/TCOD以及污泥中胞外多聚物ECP成分的含量分别增加了4.5倍和6.6倍。厌氧消化后，甲烷产量提高了2.5倍。美国OpenCELTM产品已经在梅萨市西北污水处理厂中得到应用［31］，经处理后的剩余污泥中，溶解性化学需氧量SCOD以及溶解性有机碳DOC分别增加了160%和120%。当剩余污泥处理率为60%