為了克服傳統(tǒng)污泥厭氧消化工藝存在的消化速率慢、停留時(shí)間長(zhǎng)、處理效率低的缺點(diǎn)，相繼出現(xiàn)了機(jī)械破碎、超聲破解、堿處理、熱水解、臭氧氧化等預(yù)處理方法^〖1～5〗,其中低頻超聲破解能夠加快污泥的厭氧消化過程，國(guó)內(nèi)外有關(guān)這方面的研究很多。Tiehm A等人^{〖6、7〗}利用超聲波技術(shù)處理污泥（初沉污泥占53％、剩余污泥占47％）后在進(jìn)行中溫厭氧消化，發(fā)現(xiàn)超聲破解可以使厭氧消化的停留時(shí)間從22d減少至8d,而且對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的去除率從45.8％提高到50.3％,同時(shí)CH₄的產(chǎn)率提高了2.2倍。破解后污泥的溫度對(duì)厭氧消化為造成不良影響。Bougrier等^〖8〗用20kHz的超聲波對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理后在進(jìn)行厭氧消化，當(dāng)超聲波輸入能量為660～4547kJ/KgTS時(shí)，生物氣產(chǎn)量較對(duì)照至少提高了25％。楊潔等人的研究結(jié)果表明，超聲破解可以提高厭氧消化對(duì)揮發(fā)性懸浮固體（VSS）的去除率，且去除率隨投配率的增加而有所上升。

  目前，國(guó)內(nèi)外的研究主要是考察超聲預(yù)處理對(duì)中溫厭氧消化的影響，而對(duì)高溫厭氧消化的研究還很少。為此，筆者采用超聲波對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理，研究了其對(duì)后續(xù)高溫厭氧消化的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)污泥

  污泥取自天津市紀(jì)莊子污水處理廠二沉池的回流污泥，經(jīng)重力濃縮后濃度為25～35g/L（含固率為2.5％～3.5％）,置于4℃冰箱中保存待用。

  消化試驗(yàn)的接種厭氧污泥取自天津市東郊污水處理廠，污泥總固體（TS）含量約為30g/L,揮發(fā)性固體（VS）含量約為15g/L,TCOD約為26g/L。

1.2 試驗(yàn)裝置

  超聲波預(yù)處理裝置采用多頻多功率槽式超聲反應(yīng)器，頻率為40（50W×2）、28（75W×2）、20kHz（75W×2），總功率為400W。反應(yīng)器為矩形不銹鋼槽，總?cè)莘e為4.8L，長(zhǎng)×寬×高為200mm×120mm×200mm，出泥溢流口以下的有效容積為3L，即聲能密度為0.133W/mL。將污泥直接投放在不銹鋼反應(yīng)器中進(jìn)行超聲破解，至所需的超聲作用時(shí)間（90min）為止。

  厭氧消化試驗(yàn)裝置，由有機(jī)玻璃加工而成，有效容積為2L。通過恒溫水浴保持反應(yīng)器內(nèi)的溫度。采用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌，生物氣產(chǎn)量通過自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置計(jì)量，中間集氣瓶中的水用鹽酸調(diào)節(jié)至pH＜1,以避免二氧化碳的溶解。試驗(yàn)共運(yùn)行2套厭氧消化反應(yīng)器。

  采用中溫消化污泥作為種泥，以逐步升溫的方式對(duì)高溫厭氧污泥進(jìn)行培養(yǎng)。再升高溫度之前，各反應(yīng)器都在中溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行了一段時(shí)間。按5％的投配率每天向反應(yīng)器中投加100mL新鮮污泥，升高溫度的方式為37℃→39℃→42℃→45℃→48℃→51℃→55℃，在產(chǎn)氣量達(dá)到穩(wěn)定后即可繼續(xù)升高溫度。

  兩個(gè)反應(yīng)器在高溫狀態(tài)下運(yùn)行一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，遂進(jìn)行消化反應(yīng)對(duì)比試驗(yàn)。反應(yīng)器2投入的剩余污泥未經(jīng)任何處理，作為控制組；反應(yīng)器1投入經(jīng)超聲破解90min的剩余污泥。通過改變污泥投配率（即污泥停留時(shí)間）來考察超聲破解預(yù)處理對(duì)高溫厭氧消化性能的影響，污泥停留時(shí)間依次為20、10、8和4d。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

  COD：重鉻酸鉀發(fā)；VS、VSS：重量法；揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）：氣相色譜法^〖9〗；堿度：溴甲酚綠—甲基紅指示劑滴定法^〖10〗；pH：HI19321型微電腦式酸堿度計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)有機(jī)物的去除

  用來表征污泥有機(jī)物含量的主要參數(shù)為TCOD、VS,其中TCOD是指污泥混合液的COD。圖2、3分別表示在不同的停留時(shí)間下，2套反應(yīng)器對(duì)TOCD、VS的去除情況。

  與控制組相比，超聲破解預(yù)處理能夠明顯提高對(duì)有機(jī)物的去除率。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，各反應(yīng)器出泥的TOCD值在很大程度上取決于進(jìn)泥TOCD、VS的大小，這與天津大學(xué)楊潔的研究結(jié)果一致。

  當(dāng)污泥停留時(shí)間為8d和10d時(shí)，高溫厭氧消化對(duì)原污泥中的VS的去除率分別為30.42％和31.36％,對(duì)破解污泥中VS的去除率分別為33.69％35.61％，較控制組有所提高。另外，各厭氧消化反應(yīng)中對(duì)VS的去除率均隨著污泥停留時(shí)間的增加而增加。

  與去除VS不同，隨著污泥停留時(shí)間的增加，對(duì)TCOD去除率的變化并不規(guī)則，呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)。當(dāng)停留時(shí)間為8d時(shí)，對(duì)破解污泥中TCOD的去除率達(dá)到很高，為39.60％；當(dāng)停留時(shí)間為20d時(shí)，控制組對(duì)TCOD的去除率達(dá)到很高，為37.29％，但仍然低于破解污泥在停留時(shí)間為8d時(shí)的去除率。這說明超聲破解不但可以提高厭氧消化對(duì)有機(jī)物的去除率，而且可以縮短反應(yīng)時(shí)間，提高厭氧消化速率。

  在20d的停留時(shí)間下，反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除率略低于控制組，但出泥的TCOD、VS值也低于控制組，因?yàn)樗懦勰嗟捏w積要小，體現(xiàn)了消化過程中污泥的減量化。

2.2 產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣率

  由表1可知，產(chǎn)氣量隨著污泥停留時(shí)間的減小（即污泥負(fù)荷的增加）而增大。與控制組相比，在20、10、8、4d的停留時(shí)間下，污泥經(jīng)超聲預(yù)處理之后其生物氣產(chǎn)量分別為原污泥的1.6、1.2、1.1和1.1倍。在各停留時(shí)間下，超聲預(yù)處理均顯著提高了高溫厭氧的產(chǎn)氣率。

  產(chǎn)氣率隨著污泥停留時(shí)間的增加先上升后下降，當(dāng)停留時(shí)間為10d時(shí)，控制組和破解污泥的產(chǎn)氣率均達(dá)到很高，分別為0.733、0.828L/gVS。當(dāng)停留時(shí)間為20d時(shí)，原污泥的產(chǎn)氣率很小，這是因?yàn)槲勰嘀锌晒┪⑸锢玫挠袡C(jī)物很少，產(chǎn)生的氣體量有限，所以太長(zhǎng)的停留時(shí)間對(duì)高溫厭氧消化是沒有意義的。隨著停留時(shí)間的減少，可供產(chǎn)甲烷菌利用的基質(zhì)相對(duì)較多，產(chǎn)氣率變大。

  當(dāng)停留時(shí)間為4d時(shí)，各反應(yīng)器的產(chǎn)氣率都較低。對(duì)消化污泥中的揮發(fā)性脂肪酸進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，其含量明顯增多，控制組、反應(yīng)器1的VFAs濃度分別由原來的（103～143）、（124～171）mg/L增大到209、321mg/L,且丙酸的濃度超過了乙酸。這說明反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)務(wù)充沛，產(chǎn)甲烷菌來不及利用產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物或者受到抑制，影響了厭氧消化的產(chǎn)氣率。

2.3 污泥量

  污泥量以VSS表示。不同的停留時(shí)間下，2套反應(yīng)器對(duì)VSS的去除效果見圖4。

  由圖4可知，控制組對(duì)VSS的去除率隨停留時(shí)間的變化不明顯，在35.96％～37.92％之間。與控制組相比，污泥經(jīng)超聲預(yù)處理后對(duì)VSS的去除率有很大程度的提高，且隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。當(dāng)污泥停留時(shí)間為10、4d時(shí)，進(jìn)超聲破解90min后厭氧消化對(duì)VSS的去除率分別可達(dá)41.48％、48.03％，這表明超聲破解可促進(jìn)污泥減量。

2.4 堿度

  污泥經(jīng)超聲破解之后會(huì)引起pH的降低和有機(jī)酸濃度的增加，這有可能對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。定期檢查pH和堿度，在整個(gè)試驗(yàn)過程中各反應(yīng)器的pH值均維持在7.17～7.65。當(dāng)污泥停留時(shí)間為4d時(shí)，各反應(yīng)器出泥泥pH略又降低，這與VFAs含量增高的現(xiàn)象相一致。原污泥經(jīng)厭氧消化后出泥的堿度為2077～2812mg/L（以caCO₃計(jì)，不同），而經(jīng)超聲破解的污泥則為2191～2871mg/L。為了保證厭氧消化的穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的緩沖能力和pH的穩(wěn)定性，要求消化液的堿度保持在2000mg/L以上。可見，各反應(yīng)器的堿度都在厭氧反應(yīng)很好的監(jiān)督范圍內(nèi)。這是因?yàn)閰捬跸w系內(nèi)存在著復(fù)雜的微生物過程和化學(xué)過程，其混合液含有多種物質(zhì)，特別是一些弱酸弱堿鹽類物質(zhì)，使反應(yīng)器成為一個(gè)酸堿緩沖器。消化過程中連續(xù)產(chǎn)酸，因此有使pH降低的趨勢(shì)。然而，蛋白質(zhì)能夠水解為氨氮，甲烷化過程也產(chǎn)生堿度，這可使系統(tǒng)保持良好的緩沖性能和較高的堿度。

3 結(jié)論

   1 超聲破解預(yù)處理能夠提高污泥的高溫厭氧消化速率，改變厭氧消化性能。與原污泥相比，污泥經(jīng)超聲破解后，其厭氧消化的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率都有顯著增加。

   2 超聲破解預(yù)處理能夠顯著提高高溫厭氧消化對(duì)污泥中有機(jī)物的去除率，并縮短反應(yīng)時(shí)間。

   3 超聲破解不會(huì)影響污泥厭氧消化反應(yīng)的正常進(jìn)行，且實(shí)現(xiàn)了污泥減量化。