2.5提高污泥水解速率的主要方法在污泥厌氧发酵的三阶段中，污泥中颗粒有机物质水解为溶解性物质的速率较慢，是整个厌氧发酵过程的速率控制步骤。如果能够提高污泥的水解速率，就可以缩短系统的水力停留时间，提高厌氧发酵的效率。由此研究者们提出了提高污泥水解速率的方法，这些方法的基本原理是促使污泥中颗粒态的有机物分解为小分子溶解态的有机物，从而可以提高这些有机物的生物降解性能。文献中报道的提高污泥水解速率的方法有热处理、化学法、机械法、氧化法以及生物法等。2.5.1热处理热处理最初用于提高污泥的脱水性能。经过热处理后的污泥，其胶体结构被破坏并释放出污泥絮体内部和细胞内部的间隙水，与此同时，细胞内的有机物也随之被释放出来。近年来，对污泥进行热处理以获得大量溶解性的有机物，从而补充原水中不足的碳源成为了人们的研究热点。热处理一般是指将污泥温度加热到150~200℃，与之相对应的压力通常为600~25O0kPa。Barlindhaug和degaard[62]采用70%的化学污泥和30%的生物污泥进行热处理，加热温度为160~200℃。混合污泥的TCOD为35~55g/L，热处理后水解液中的SCOD浓度达到10~15g/L，SS约为0.5~2g/L，TN和TP的浓度分别为600~1300mg/L和20~100mg/L。文献报道温度升高有利于污泥释放出SCOD。150℃下污泥溶解出的SCOD仅占其TCOD的15~20%，而当污泥温度升高到200℃时，SCOD/TCOD的比值为30%左右。增加污泥在反应器中的停留时间仅对低温条件(160℃)下SCOD的溶出有利，比如，当停留时间从15min增加到50min时，SCOD/TCOD的比值由23.8%增加到26%。而在200℃条件下，污泥在反应器中的停留时间对SCOD的溶出没有任何影响。据AEsoy和Odegaard[63]报道，热处理的污泥水解产物中含有5~30%的碳水化合物，40~50%的蛋白质以及3%左右的脂肪。而VFA仅占SCOD的15~20%，这一比例远低于生物法水解污泥所产生的VFA(VFA/SCOD≈2/3)。将热处理的污泥水解产物用作生物反硝化的碳源时，其反硝化速率是用乙酸作为碳源时的60%。然而，在一连续运行的小试装置中，用污泥热水解产物作为反硝化碳源时的速率却高于用甲醇或乙酸作为碳源时的反硝化速率。Li和Noike研究了热处理对污泥在厌氧消化过程中的生物降解性能的影响，他们考察的温度范围为62~175℃，热处理的时间为15~120min。试验结果表明，{zj0}的处理条件是温度为170℃，处理时间为60min。经上述条件处理后的污泥的生物降解性能得到大幅度提高，污泥达到xx消化的时间比原来减少了5天，而且甲烷产量也提高了一倍。污泥的热处理不应仅仅被看作是促进污泥溶解的一种方法。在微生物细胞溶解的同时，污泥的脱水性能也得到了提高，此外还达到了污泥xx的目的。污泥在脱水后，其热水解过程所产生的易于生物降解的有机物都溶解在水解液中，因此热处理也可以被认为是污泥稳定的一种方法。2.5.2化学和热化学处理化学和热化学处理是向污泥中加入酸或碱来促进污泥的水解。与热处理方法需要采用的高温条件相比，化学或热化学处理只要求在常温或中温条件下进行。Chang等采用NaoH来处理剩余污泥，从而提高剩余污泥的水解程度。结果表明，当温度为25℃，TSS为10000mg/L左右时，NaOH的{zj0}投加量为40meq/L，处理10h后有450%的TCOD溶解为SCOD。Inagaki[64]采用热化学法处理初沉污泥，当污泥被加热到37~87℃时，其水解程度并没有提高，然而在加入NaOH后，污泥的水解程度大大提高。当污泥温度为37℃、pH值为9时，SCOD/TCOD的比值增大到35%。Rocher等[65]向剩余污泥中投加NaoH使污泥的pH值为10.0，并将污泥的温度保持在60℃，处理20min后污泥进入后续的生化反应器，在运行48h和350h后，污泥中可生化降解的溶解性成份分别占原剩余污泥量的75%和90%，而且污泥量最多减少到37%。Tanaka等考察了化学和热化学预处理对剩余污泥厌氧消化的影响。对于化学处理法，当Na0H的用量为0.6g/gVSS、处理时间为lh时，剩余污泥溶解出的SCOD占TCOD的15%，继续增加Na0H的用量并不能使污泥溶解出更多的SCOD。用1.0g/gVSS的Na0H处理后，剩余污泥的甲烷产量增加到原来的1.5倍。而在热化学法处理中，投加0.3g/gVSSNaOH的剩余污泥在130℃下加热5min，就可以使剩余污泥中45%的TCOD转化为SCOD。对水解液中的成分进行分析得知，污泥中的碳水化合物、蛋白质和脂肪的溶解率分别为90%、64%和61%。经热化学处理后的污泥甲烷产量增加到原来的2.2倍。Smith和Goransson比较了H2SO4和Hcl对污泥热化学处理的效果，结果表明这两种酸都能够促进污泥的水解，SCOD与TCOD的比值在30~50%之间。污泥在HCl作用下的水解效果更佳，然而，用H2SO4处理的污泥产生的水解液更适合作为反硝化的碳源。2.5.3机械处理机械法处理污泥的原理是利用剪切力破碎微生物的细胞壁。研究表明，将污泥在87℃下剪切预处理6~10min后，其厌氧消化性能大大提高，有机物组分中的88~90%转化为生物易降解物质。Harrison[66]采用高速混合球磨机破碎污泥，通过装置上叶轮的转动将产生的动能传递给研磨玻璃珠，从而可以产生剪切力来破碎微生物的细胞壁。据报道这种可以有效的破碎污泥中的高分子有机物，但能耗较高，破碎单位重量的干污泥需要60MJ的能量。高压均质器是一种应用较广的机械处理方法。在高压均质器内，污泥首先在60MPa的压力下被压缩，然后以较高的速率通过阀门，细胞被压紧环粉碎。在此过程中，微生物细胞受到了紊流作用、气穴作用和剪切作用，从而导致了细胞的解体。在能耗为30~50MJ/m3的情况下，就可以使85%的污泥破碎。超声波是基于气穴现象的一种机械处理方法。在液体中超声波所产生的气穴会使局部产生l00O℃以上的高温和500bar的高压。Rivard和Nagle将污泥在55℃下超声处理4~8min后，污泥的可生物降解程度升高到80~83%。Shimizu等[67]用超声波分解污泥中的颗粒固体有机物，使用功率200W的超声波对污泥处理lh后，颗粒有机物的60%都溶解到液相中。文献中还报道了超声波预处理对污泥厌氧消化的影响。将污泥用频率31kHz功率3.6kw的超声波处理64秒后，溶解性COD浓度从原来的270mg/L增加到3500mg/L；相应的，污泥的可生物降解性从原来的45%增加到50%。污泥在消化池中的停留时间从22天减少到8天，对消化池的运行效果没有任何负面影响。超声波无疑是污泥解体的xxx的方法，它可以将污泥中的全部微生物细胞破碎。然而由于能耗较高，使其应用受到了限制。Lin等采用了化学/机械的方法来促进污泥解体。首先使CO2在25~35MPa的压力和55℃下穿透细胞壁，渗透到细胞内部，当压力下降时，CO2气泡会膨胀并充斥着整个细胞，随着气泡的破碎，微生物细胞也会破裂。这种方法可以使污泥中80%的微生物细胞解体。尽管各种机械处理方法对污泥中颗粒有机物的破碎很有效，但这些方法都需要较高的能耗，因此它们的应用受到了限制。3.5.4氧化处理传统的氧化法是利用氧气来破碎微生物细胞，为了提高效率和反应速率，传统的氧化法常常在高温(260℃)和高压(10MPa)的条件下进行，污泥中的一部分有机物会被彻底氧化为CO2和H2O。氧化作用会导致污泥中的颗粒性有机物溶解到液相中，因此被氧化的污泥的上清液中有机物负荷会升高。但是，腐蚀设备、高能耗和散发臭气等问题限制了传统氧化法的实际应用。文献报道Bayer-RLoprox处理过程是在酸性条件下，利用Fe2+离子和醌构成物催化氧化剩余污泥。剩余污泥在反应器内的停留时间为1~3h。由于具有催化剂，氧化过程的温度可以降低到200℃以下，压力在500~2000kPa之间。在这样的处理条件下，剩余污泥中90%的固体机物溶解到液相中，溶解态有机物的70%被xx氧化。剩余的有机物也具有较好的生物降解性能。此外，有研究者采用超临界水氧化污泥，将污泥在374℃、22.1MPa下均质氧化，结果污泥中的有机物儿乎全部被降解。这种方法的缺点在于高温高压会造成设备的腐蚀。日本发明了一种催化湿式氧化的方法来处理剩余污泥[68]。将污泥在27℃、86Pa条件下用空气(用量为污泥量的1.1倍)处理24min。催化剂是各种不同痕量金属的混合溶液，用这种方法处理后剩余污泥的上清液中溶解性COD占污泥TCOD的26%。氧化法对污泥中有机物的去除十分有效，但是氧化法往往需要复杂的操作和极端的反应条件，如高温高压，因此对这一方法的广泛应用和反应条件的优化仍需要进一步的研究。2.5.5生物处理在传统的污泥厌氧消化过程中，污泥中的颗粒态有机物首先要溶解在液相中并被水解为小分子有机物后，才能被进一步转化为甲烷气体。这一颗粒态有机物转化为溶解态小分子有机物的过程就是生物水解的作用。一般说来，生物水解过程操作简单，是向污水中原位补充生物易降解碳源的最简单、最经济的方法。然而，由于生物水解污泥颗粒有机物的速率较慢，要获得满意的水解效果，常常需要较长的固体停留时间，这样造成反应池内的污泥负荷偏低。一些学者通过加入纯菌种或相应的酶制剂来提高传统生物法水解污泥的速率。文献中报道有研究者分离出7株厌氧的高效产酸菌(Clostridium bifermentans DYF)，并考察了它们对厌氧消化池内污泥水解和发酵的影响[113]。结果表明，这些菌株可以将污泥中50%以上的挥发性固体溶解到液相中，并将溶解态的有机物转化为有机酸(其中大部分为乙酸)。批试试验的结果显示，接种这些菌株的厌氧消化池在连续运行30天内，初始阶段的厌氧消化速率提高了20%以上，甲烷产量增加了10%。KnaPP和Howell[69]向污泥中投加酶制剂以提高污泥中颗粒态有机物的水解速率，他们发现由于污泥的成分复杂和酶的专一性(即一种酶只能作用于一种物质或一类物质)，若要获得较高的水解效率，需要投加多种不同的酶，这样造成了操作费用的大幅度提高。上述几种用于提高污泥中颗粒态有机物水解速率的处理方法，与传统的生物法相比具有水解效率高、水解速率快、提高污泥厌氧消化的甲烷产量等优点，然而，由于能耗高、操作费用高、操作复杂、腐蚀设备和极端的操作条件(如高温高压)等问题，而没有得到广泛的应用。