文献综述

一、 论文背景及意义

据国家环保部公布的全国环境统计公报，2014年我国污泥年产量为4943万 t（以80%含水率计），较2013年增加了8.38%^[1]。作为废水处理的二次产物，剩余污泥的主要成分为微生物和水，其性质不稳定、有机质含量低、有害成分多、运输不方便，成为污水彻底处理的最后一道难题。逐年增加的污泥产量以及污泥处理的难度已经成为环境领域的突出问题，这对相关政策法规和处理处置技术提出了更高要求。

污泥厌氧消化是指污泥在无氧条件下，由兼性厌氧细菌和厌氧细菌将污泥中的可生物降解的有机物分解成二氧化碳、甲烷和水等，使污泥得到稳定的过程^[2]。污泥厌氧消化具有减容效果明显、污泥稳定性好、能产生甲烷等优点^[3]，是污泥减量化、稳定化的常用手段之一。众多研究表明，水解是污泥厌氧消化过程的限速步骤^[4]。因此，研究能有效破碎解碎污泥生物细胞、提高污泥水解速率的物理化学等预处理技术，对改善污泥的厌氧消化性能具有一定的现实意义。 超声波作为预处理污泥的重要方法之一，近年来逐步受到重视。

2.传统污泥处置方法与污泥预处理技术

2.1 污泥处置处理技术

(1)卫生填埋：这种处置方法简单、易行、成本低，污泥又不需要高度脱水，适应性强。但是污泥填埋也存在一些问题，尤指填埋渗滤液和气体的形成。渗滤液是一种被严重污染的液体，如果填埋场选址或运行不当会污染地下水环境。填埋场产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措施会引起爆炸和燃烧。卫生填埋具有投资费用较小，操作相对简单，处理费用较低，且适应性强的优点。但是此方法是目前非常落后的方法，卫生填满不仅占用大量的土地面积，而且填埋时会有气味排除、污染液浸出以及填埋场饱和等各种问题。有污染地下水的潜在危害，需要采取及时有效的防渗措施。因此，目前很多国家都反对采用填满的方式处置污泥。

(2)土地利用农业利用：污泥土地直接利用因投资少、能耗低、运行费用低、有机部分可转化成土壤改良剂成分等优点,被认为是最有发展潜力的一种处置方式,这种处置方式是把污泥应用于农田、菜地、果园、草地、市政绿化、育苗基质及严重扰动的土地修复与重建等。科学合理的土地利用,可减少污泥带来的负面效应。林地和市政绿化的利用因不易造成食物链的污染而成为污泥土地利用的有效方式。污泥用于严重扰动的土地(如矿场土地、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地)的修复与重建,减少了污泥对人类生活的潜在威胁,既处置了污泥又恢复了生态环境。污泥农用正在成为世界各国主要的污泥处置方式,污泥农用的比例很大程度上取决于各国政府有关的法律、法规和污染控制情况,同时也与国家的领土的大小和农业发展情况有关。如英、美、法等许多国家城市污泥的农用率可达70%,有的高达80%以上。污泥农用是目前比较有发展潜力的污泥处理方法。其优点是投资少，能耗低，运行费用低，污泥中含有的N、P、K等元素是农作物生长所必需的养分，可以作为土壤肥料，因此该处理方法较为经济实用，是我国污泥利用的重要途径之一。但是其也存在一定的缺点：污泥中含有的重金属、寄生虫和病原体等会对农作物的生长产生一定的影响，因此在使用之前需要采取堆肥、厌氧消化等技术消除这些隐患，使其达到有关的卫生标准和农用要求。

(3)污泥堆肥：污泥堆肥是污泥废弃物再利用以及变废为宝的有效途径。它能有效消除污泥中的寄生虫、病原菌等有毒有害物质，熟泥中的腐殖质是优良的土壤改良剂，其堆肥产品也是高效的有机肥料。目前污泥堆肥技术已经引起了各国环保界的重视。

(4)污泥低温热解处理干化和热处理：污泥热化学处理因其无害化和减量化彻底,地位已逐渐增强。但传统的热化学处理(焚烧法)通常需加入辅助燃料,费用较高。城市污泥低温热解是一种发展中的能量回收型污泥热化学处理技术。它通过在催化剂作用下无氧加热干燥污泥至一定温度(lt;500℃),由干馏和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体和炭4种可燃产物,最大转化率取决于污泥组成和催化剂的种类,正常产率为200～300L(油)/吨(干泥),其性质与柴油相似。低温热解是能量净输出过程,成本低于直接焚烧。污泥干化和热处理是污泥无害化与减量化的好方法，能利用热产生的温度将病原菌和寄生虫卵杀死，达到无害化的程度；其使污泥干化的效果也很好，能使污泥容积在很大程度上减少，也避免了污泥长期堆放产生臭味的缺点。

(5)污泥焚烧：湿污泥干化后再直接焚烧应用得较为普遍,没有经过干化的污泥直接进行焚烧不仅十分困难,而且在能耗上也是极不经济的。以焚烧为核心的污泥处理方法是最彻底的污泥处理方法,它能使有机物全部碳化,杀死病原体,可最大限度地减少污泥体积;但是其缺点在于处理设施投资大,处理费用高。焚烧可以使污泥体积大幅度减少，并且可以使有机物炭化，灭菌，污泥灰量大约是含水率75%污泥的1/10。焚烧后的灰可以填埋或利用，但是焚烧后会产生二噁英等剧毒物质，尾气必须进行处理。同时污泥焚烧所需的设备投资和运行费用都较大，在用作处理手段时需要慎重研究和考虑。

(6)投放海洋：投放海洋是操作最简单所需费用较低的处理方法，但是，产生的后果可能极为严重。污泥中的有毒有害物质进入海洋，会对海洋的生物造成危害，会对海洋的水质造成破坏。除了以上的方法，国内外对污泥的处理处置还有污泥碱性稳定化、污泥消化产沼气、污泥堆肥制饲料、污泥焚烧灰用作建筑材料或制砖等。我国主要的污泥处理方法主要是污泥农用、陆地填埋，其它的处置很少，未经处置的污泥也占有一部分。我国的污泥处理还是处于很落后的阶段。

2.2 污泥预处理技术

污泥的预处理方法多种多样，其主要目的是一样的，主要是为了在厌氧消化时缩短污泥水解时间，提高产气效率。如物理法（热处理、超声波处理、高压均质处理、微波处理），化学法（酸处理、碱处理、臭氧处理），生物法（酶处理）等。

(1)物理法

物理法的原理是利用高温高压以及产生的剪切力来破坏细胞壁或细胞膜，使胞内的蛋白质、可溶性有机物等营养物质溶出，从而加快厌氧消化速率。目前国内外常用的方法主要有加热法、超声波处理法、高压均质处理、高温喷射法、珠磨法、微波处理法等。物理方法相对来说是效果较好的一类方法，但是加热法易造成反应器的腐蚀，机械方法破解能耗较大，高温高压所需条件较高，只有超声波技术设备最为简单，比较易于推广，是很有发展潜力的污泥处理技术。

(2)化学法

化学预处理方法即通过加入一些化学药剂或通过发生一些化学反应来破坏生物细胞结构，致使污泥中可溶性物质增加，可生化性增强来达到促进厌氧消化的目的。例如碱解法就是投加一定量的碱，让脂类物质溶解而使污泥的细胞壁破裂。臭氧氧化法，氯氧化法，湿式氧化法机理都是源于强的氧化性破坏生物细胞膜，组织结构的蛋白质、核糖核酸等。但是化学方法需要投加大量药剂，且投加量较难于控制，而且会发生一些不好控制的化学反应，造成污泥更大的破坏，污染环境。

(3)生物法

生物方法就是加入酶或者是能够分泌胞外酶的细菌来作为催化剂，加快污泥中有机成分的降解速率。它主要是通过酶来改善细胞中生物粘土和凝胶体的降解，提高蛋白质、碳水化合物和脂类物质在水相中的释放，也有一部分的原因在于加入的酶或是微生物可以将大分子有机物降解为小分子有机物便于厌氧消化反应的进行。它需要外加酶或菌剂，且酶对污泥的作用是一个长时间的过程，周期较长，运用不方便。，在生物处理过程中，磷可能会缺乏，需要适当补充^[4]。

3.超声波联合碱预处理技术

3.1基本原理

超声波预处理污泥是利用超声波在液相中产生的空化作用以及空化作用伴随的机械效应、热效应、声化学效应等破解污泥絮凝体、菌胶团和细胞体，促进胞内溶解性有机物释放，表现为污泥的SCOD、EPS、氮与磷浓度等增加，从而改善剩余污泥的微生物可利用性^[5,6]。超声波技术具有能量密度高、分解速度快、能有效破坏分解污泥中的丝状菌和杀灭病原微生物等优点，不会造成二次污染^[5]。碱的加入能够降低污泥细胞壁对高温的抵抗力，使细胞受热时更容易破裂，加剧剩余污泥细胞内有机物的释放和水解，且污泥溶胞效果随着pH值升高而提高^[6,7]。这种方法比单独的碱处理或热处理方法效果更好。当采用超声波辐照污泥时 ,超声空化气泡瞬间破灭后会产生高温、高压和超高速射流, 其剪切力和冲击波能够破坏污泥絮体结构及微生物的细胞壁, 使酶和其他有机质从细胞中溶出 , 改善污泥的水解环境^[8]。 本实验研究采用低频超声波联合碱对污泥进行预处理，通过研究不同处理功率、超声波作用时间以及碱的投加量对污泥破解效果的影响，以探讨两者联合处理在污泥预处理过程中所起到的作用，力图找到一种有效的污泥预处理方法，减少污泥消化时间，促进污泥减量化、稳定化和无害化。

在超声波预处理污泥的过程中，它的影响参数也是非常多的，有报道说明污泥停留时间的不同和超声污泥投配比的不同将会影响污泥厌氧消化的能量效率^[9]。在超声波击破污泥絮体的过程中，污泥的破解效率是其非常重要的参数，污泥的击破率只要大于1%就可以满足污泥减量的目的^[10]，这样就可满足污泥厌氧生化的工艺要求。在超声波空化作用过程中，超声波的频率对污泥的处理也有一定的影响，较高的频率会有利于污泥厌氧产气，但是如果频率过高的话又会限制污泥溶液中空化过程的启动。为了得到更好的处理效率，在选用超声波时会选用一些中低频的超声波^[11]。

3.2 超声波联合碱处理的优缺点

污泥厌氧生化预处理的技术多种多样，每一种都有它的长处和短处，超声波降解法也不例外。超声波降解法设备简单，占地面积小，而且在污泥预处理时效果比较明显。在处理污泥时能够防止污泥对环境的二次污染，同时很容易实施控制等特点。超声波和碱协同预处理的污泥SCOD溶出效果比较好，在处理污泥过程中，超声波技术具有能量密度高，分解速度快，可以有效的破坏和分解污泥中丝状菌和杀灭病原微生物（大肠杆菌、结核菌等）。同样超声波预处理也有很多问题需要通过实验研究去加以改善和克服。在超声波处理污泥时需要的能耗是比较高的。

4. 污泥厌氧生化原理

污泥的厌氧消化生化分为三个阶段，第一阶段是在水解与发酵细菌的作用下，使得碳水化合物、蛋白质、脂肪水解发酵转化成为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、及二氧化碳、氢等。有机物的水解是一个限速步骤，由于微生物的细胞壁是一种稳定的半刚性结构，较难生物降解，需要较长的时间来分解细胞壁物质，因此，会使水解速度受到遏制，导致厌氧消化过程需要的时间较长，从而也使水解阶段成为厌氧发酵的时间控制因素。水解是污泥厌氧消化过程的限速步骤^[12] 。由于污泥的絮体结构和细胞壁的屏蔽作用, 致使胞内有机物很难在胞外水解酶的作用下释放到胞外并水解成小分子 ,从而延长了污泥消化的周期。采用超声波法、碱处理法或者机械法等对污泥进行预处理 ,可以加快污泥胞内有机物的释放和水解, 改善污泥厌氧消化性能, 提高污泥消化效率。当采用超声波辐照污泥时 ,超声空化气泡瞬间破灭后会产生高温、高压和超高速射流, 其剪切力和冲击波能够破坏污泥絮体结构及微生物的细胞壁, 使酶和其他有机质从细胞中溶出 , 改善污泥的水解环境。

5.研究意义

本研究课题就是通过实验来研究超声波联合碱预处理技术促进污泥厌氧生化的影响。通过超声波联合碱降解法预处理来提高污泥的生物甲烷化。超声波联合碱降解法预处理技术效果佳发展前景广阔，希望通过本实验为其更好的工程应用提供依据。

参考文献

[1] 中华人民共和国环境保护部.全国环境统计公报[R]. 2015

[2] 赵汉南, 赵军, 杨钢,等. 厌氧生物处理技术及在城市污水处理中的应用分析[J]. 大科技，2016,1(3):23-25

[3] 曹知平，吴静，左剑恶，等. 强化两相污泥高固厌氧消化系统的微生物群落[J]. 环境科学，2017，38(5)：2059-2064

[4]EASTMAN J A,FERGUSON J F. Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion[J].Journal of Water Pollution Control Federation, 1981, 53(3): 352 - 366

[5] 薛玉伟，季民．污泥超声破解的最佳超声频率选择[J]．天津大学学报2007,40(6)：747-751

[6] 沈劲锋，殷绚,包和平，等.超声波分解石化水厂剩余污泥及其能耗［J］．化学工程,2006,34(11):64-67

[7] 马岚茜娅,于晓华,姚宏,等.超声波联合厌氧消化处理制药污泥[J].环境工程学报，9(11)：5597-5603

[8] 何玉凤，杨凤林，胡绍伟，等．碱处理促进剩余污泥高温水解的试验研究[J]．环境科学，2008，29(8):2260-2265

[9] Tyagi V K，Lo S L．Application of physico-chemical pretreatment methods to enhance the sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: an up to date review[J]．Reviews in Environmental Science and Bio/Technology，2011,28(6):3639-3642

[10]刘春红, 苏春江,杨顺生,李旭东.超声波处理的污泥厌氧消化能量效率[J].武汉大学学报 ( 理学版),2008(4),54(2):188-192

[11]Nickel K.Intensivierung der Anaeroben Klauml;rschlamm stabilisierung DurchVorgeschalteten Zellaufschluss Mittels Ultrasch all [D] . Hamburg:TU Hamburg Harburg,2005.654-659

[12]张自杰.给排水工程（下册）.北京：中国建筑工业出版社，1999.353-354

[13]赵庆良,苗礼娟,胡 凯.超声/碱预处理剩余污泥的中温厌氧消化效果[J].中国给水排水.2009.36(9):56-59

[14]王怡 ,刘 潘,彭党聪.超声及碱处理促进剩余污泥水解的试验研究[J].中国给水排水.2010.28（6）；1246-1249

[15]Tian X, Wang C, Trzcinski A P, et al. Insights on the solubilization products after combined alkaline and ultrasonic pre-treatment of sewage sludge [J]. Journal of Environmental Sciences, 2015,29(0):97-105

[16]刘昌，曾萍，宋永会等.超声与碱预处理对剩余污泥磷及有机物释放的影响[D].环境科学学报.2014.985-989