污泥厌氧消化预处理工艺

污泥厌氧消化制氢与消化产甲烷在工艺条件上有所不同，从而导致有机物降解停留在不同阶段。通常情况下，有机质厌氧消化反应一般包括水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷等阶段。要想使反应停留在产氢产乙酸阶段时，可以通过有机质消化来产生氢气。此时pH值一般在4.5～5.5之间，消耗氢气的产甲烷细菌活动受到完全抑制，系统主要产生氢气和二氧化碳。存在于污泥中的大部分有机物是微生物的细胞物质，这些物质由微生物的细胞壁所包裹，从而难以被微生物所利用。研究表明，污泥的水解过程是污泥厌氧发酵产氢的限速步骤。为了提高污泥厌氧发酵的效率，加速污泥进行厌氧发酵，通常采用一些预处理方法来破坏污泥细胞的细胞壁，将污泥细胞内的物质释放出来以被微生物所利用。目前常用的预处理方法主要有热水解、化学处理、超声破碎、机械破碎、酶水解等。

01热水解预处理工艺

在热处理过程中，污泥中存在的固体有机物经历了溶解和水解两个过程。首先是微生物絮体的离散和解体，细胞内的有机物质不断地被释放出来并进行溶解；然后溶解性有机物不断发生水解，碳水化合物经过水解成为小分子的多糖或单糖，脂肪经过水解成为甘油和脂肪酸，蛋白质经过水解成为多肽、二肽和氨基酸，氨基酸进一步水解生成低分子有机酸、氨及二氧化碳。由于热水解预处理工艺加速了污泥的水解过程，污泥中含有的难以生化降解的固体有机物转化成易生化降解的小分子有机物，因此，通过热水解，污泥的厌氧消化性能得到了改善。同时，热水解处理后，污泥的碱度增大，可以提高后续厌氧消化体系的缓冲性能。

污泥在经过热水解预处理后，系统内的挥发性有机酸（VFA）和溶解性化学需氧量（SCOD）的浓度显著增大、pH值降低、碱度增大。并且，在总化学需氧量（TCOD）中，热水解污泥溶解性化学需氧量的比率随着热水解温度和热水解时间的延长不断增大。通过热水解预处理工艺，可促使污泥固体的溶解和水解，进而提高污泥的厌氧消化性能。在170℃的热水解进行30min时，污泥中TCOD去除率从预处理前的38.11%提高至56.78%，污泥中TCOD的生物气产率从热水解前的160mL/g提高至250mL/g。而当温度过高时，则会有中间产物生成，在一定程度上会抑制厌氧消化。污泥经过30min、170℃的热水解预处理后，上清液容易进行厌氧消化，TCOD去除率达到89.50%，同时提高了悬浮固体的厌氧消化性能，TCOD去除率为44.47%。

02酸性预处理工艺

国内研究人员对市政污泥进行了不同pH值的酸性预处理，以酸性预处理的污泥作为基质，进行了厌氧发酵产氢的批量试验。研究发现，通过酸性预处理可以对耗氢菌起到抑制作用，最佳的酸性预处理条件为调整原污泥pH值至3，放置24h；经过pH值为2的酸性预处理，污泥对产氢菌和耗氢菌均有强烈的抑制作用，而当pH值高于4时，酸性预处理工艺对耗氢菌的抑制不再明显。酸性预处理具有一定的融胞作用，可以使污泥中溶解性的糖和蛋白质含量增加，不同的酸性预处理工艺对糖和蛋白质的溶解效果均随着pH值的升高而降低。在pH值为2的酸性预处理污泥过程中，可溶蛋白质和可溶糖的浓度分别达到了原污泥的9.9倍和3.1倍。在厌氧发酵产氢的过程中，酸性预处理污泥主要降解的有机物质为蛋白质，其中蛋白质降解率达55.91%，糖降解率达29.09%。经过pH值为3的酸性预处理后，在调节初始pH值为11时进行厌氧发酵产氢，其最大累积产氢量高达14.66mL/g。

03碱性预处理工艺

水解步骤一般是废弃的活性污泥在厌氧反应的控制步骤。活性污泥通过碱性预处理后可以增加厌氧消化反应的速率，同时有机物的去除率和生物可生化降解程度均有所提高。污泥通过碱性预处理，不仅可以灭活耗氢菌，富集产氢菌，而且还具有一定的融胞作用，即将存在于污泥中的有机物（主要成分为蛋白质）释放出来，从而提高污泥的厌氧消化效率。采用碱性预处理工艺处理污泥，可以提高污泥厌氧消化过程中氢气的产量，但是加碱量并不是没有限制，如果碱性预处理过程中pH值过高，则会伴随着褐变反应的发生，反而降低了污泥的生物可降解度，从而降低了预处理的效果。

04微波预处理工艺

微波是指频率为0.3～300GHz的电磁波，微波具有穿透、反射、吸收3个特性。生物体内的一些分子在微波电磁场的作用下会产生振动和变形，从而影响细胞膜功能，使细胞膜内外的液体的状况发生变化，导致生物作用的改变。微波作用主要是通过电磁场的热效应和生物效应的共同作用进行，可以在短时间内产生热量，破坏细胞的结构，达到灭活细菌的目的，而部分产氢细菌由于具有芽孢结构而免遭破坏，从而提高了颗粒污泥的产氢性能。

054种预处理工艺的比较

在预处理时，可以从污泥中筛选出产氢微生物，因而，在污泥厌氧发酵过程中无需接种。污泥通过预处理可以明显提高生物产氢效率，但是不同的预处理工艺中污泥的氢气产率不同，在以上4种预处理（热水解预处理、酸水解预处理、碱水解预处理和微波预处理）工艺中，氢气产率最大的是碱水解预处理污泥，其次为热水解预处理污泥。由于在预处理过程中可以破坏污泥的絮体结构，有的甚至可以破坏污泥中微生物的细胞结构，通过预处理，一些微生物的细胞物质将被释放至液相，从不溶性变化为溶解性，这4种预处理工艺均可以增加污泥的溶解性化学需氧量、降低污泥的总固体物质和挥发性固体物质的含量，而预处理污泥的氢气产率与污泥的溶解性化学需氧量存在一定的相关性。另外，产甲烷菌的活性可通过污泥的碱水解预处理和热水解预处理得到完全抑制，而另外两种预处理工艺则不能实现。在厌氧消化产氢的过程中，重要的副产物挥发性有机酸（VFA）的产生量以污泥经过碱水解预处理后获得的最多，其次是经过热水解预处理的污泥。而酸水解预处理污泥和碱水解预处理污泥的氢气产率还与其初始pH值有关。