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预处理技术

1.1 物理法

1.1.1 微波预处理

对剩余污泥进行微波预处理能有效杀灭产甲烷菌，部分产氢和产酸细菌则因能够生出芽孢而免遭杀灭，从而利用剩余污泥产氢。

在用90 W的微波预处理污泥时发现，当预处理时间为6 min时，比产氢速率可达8.03 mmol/(g·d).沈良等的研究表明，微波处理颗粒污泥的时间是5 min,此条件下产气量为59mL/g,其中氢气的体积分数为39.8%,是未处理时的2.5倍和3.6倍。微生物总量的下降会导致气体产生量减少，COD的降解量也随之降低。产氢过程中COD只能去除20%～40%,剩余的COD主要以挥发性有机酸的形式存在。

将接种的污泥在96 ℃下采用微波进行预处理，发现氢气产气量比传统的加热预处理提高了(16±4)%,说明微波预处理对于产气有积极作用。研究表明，在用微波炉以720 W功率持续辐射1 L污泥5 min后，得到的大产氢率为15.9 mL/g,占到产气量的72.3%,这是因为此种预处理方式有效抑制了厌氧消化过程中耗氢菌的活性，使底物的厌氧消化过程停留在产氢产乙酸阶段，产甲烷菌在恢复至正常条件26.0 h后仍未恢复活性。

微波预处理剩余污泥不仅可以实现污泥资源化、减量化和无害化，还可以提高产气量和产气速率，同时对其后续的厌氧消化有一定的促进作用。因此，微波预处理剩余污泥被认为是发展前景的污泥处理技术。微波预处理技术不仅加热快、热效高，同时可提高污泥的效果和污泥厌氧消化性能。

1.1.2 超声波预处理

超声波预处理可以使污泥中微生物的细胞壁破裂，促进胞内溶解性有机物释放;同时气穴现象产生的气泡破裂可以改变污泥的结构，有利于剩余污泥的有机物释放，从而改善剩余污泥的活性。

利用SonifierS-450D模拟式超声波细胞破碎仪，在频率为20 kHz,能量密度为2 W/mL条件下连续辐射污泥5min,可产气11.2 mL,氢气体积分数为41.00%,平均产气量为6.03 mL/g.处理后污泥SCOD为1 190 mg/L,氢气产量为4.6 mL,产氢量的变化与SCOD的变化相似。

超声波预处理具有无污染、能量密度高、破速度快、穿透性好、方向性好等特点，所以超声波处理污泥作为一个研究热点日益受到人们的关注。污泥经过超声波处理后其脱水性大大提高，大幅度减少了污泥量，提高了其对有机物的降解能力，同时加速了污泥的厌氧消化过程。

1.1.3 热预处理

对污泥进行热预处理，不仅会破坏污泥絮体的结构，还可以破坏污泥细胞的细胞壁，使其细胞内的有机物释放出来;此外还可以抑制或杀死耗氢菌和其他非产氢菌，而产氢菌(如：革兰氏阳性菌、芽孢杆菌等)则能形成芽孢从而活性不受影响，有利于后续的污泥厌氧消化产氢。

污泥累积产氢量和大比产氢率都是随温度的提高先增大后减小，时间对其几乎没有影响。在温度为75 ℃，处理时间为10 min的条件下，污泥累计产氢大，为20.3 mL,比原污泥提高了19倍;大比产氢率为212.6mL/(kg·h),是原污泥的9倍。

热处理后，污泥厌氧发酵产氢的过程主要降解蛋白质，降解率为20%～41%,糖降解较少，降解率仅为8%～27%.谢波等采用污泥厌氧发酵制氢，在温度为121 ℃，加热时间为30 min的条件下，对Pseudomonas sp. GL1菌株进行灭菌预处理，发现经灭菌处理的污泥产氢体积为29.20 mL,氢气体积分数高达81.45%,产氢率为30.07 mL/g;同微波和超声波预处理相比较，其产氢效果佳。通过研究指出，经过灭菌处理的污泥产氢能力显着提高，氢气产率从未处理污泥的0.35 mL/g提高到16.26 mL/g.

1.2 化学法

1.2.1 酸性预处理

产氢产酸发酵细菌对pH的变化十分敏感，过高或过低的pH都会影响微生物的正常生长繁殖速率及代谢过程。陈文花等的研究表明，污泥经过pH=3.0的酸性处理后，在初始pH=11.0的条件下进行厌氧发酵产氢，累积产氢大为14.66 mL,产氢速率为1.4 mL/h,这与M. L. Cai等的研究结果相吻合。污泥中蛋白质的降解率为55.95%,污泥中糖的降解率为20.09%.刘旭东等的研究表明，在pH=3.0下处理过的污泥产氢能力高，1 mol葡萄糖产氢气1.29 mol,气体产氢速率大达到1.14 L/d,其中氢气所占百分比高。李建政等的研究表明，将剩余污泥的种泥样品经过酸处理后，其表现出良好的产氢性能，葡萄糖的氢气转化率为1.51 mol/mol,污泥的比产氢率为27.29 mmol/g.

1.2.2 碱性预处理

碱性预处理能够抑制污泥中耗氢菌的活性，破坏污泥细胞的细胞壁，将污泥细胞内的有机物质释放出来，使难溶颗粒物向溶解性物质转变，为发酵产氢提供底物。

污泥经过pH=12.0的碱性处理后，在初始pH=5.0的条件下进行厌氧发酵产氢，累积产氢体积可达22.97 mL,产氢速率为0.25 mL/h,污泥中蛋白质降解率为64.97%,污泥中糖的降解率为28.63%.Benyi Xiao等的研究表明，在pH=12.0的条件下对污泥进行24 h的碱处理后，在控制初始pH为11.5的条件下进行发酵可获得大产氢率，为11.68 mL/g,这与M. L. Cai等研究的剩余污泥经过碱性预处理后其产氢率可达14.4 mL/g的结果相*。李建政等的研究表明，将剩余污泥的种泥样品经过碱处理后，其同样表现出良好的产氢性能，葡萄糖的氢气转化率为1.34 mol/mol,污泥的比产氢率为21.69 mmol/g.

1.3 生物预处理

酶预处理是向污泥中直接投加酶制剂或投加能够分泌胞外酶的细菌。酶能够催化有机物的分解，使长链蛋白质、碳水化合物和脂类的黏性降低，透水能力提高;同时还可以使难降解的大分子有机物分解成小分子物质，提高生物污泥的可生化性。

外加*预处理污泥4 h后，SCOD/TCOD可从原污泥的6.36%增加到30.93%,蛋白质和可溶性糖增加幅度更大，分别达到原污泥的8.65倍和51.65倍，可见水解效果良好。

*预处理污泥接种产氢菌后，产氢效果较好，大产氢率可达13.92 mL/g,为*处理污泥未接种产氢菌的1.88倍，60 ℃热处理污泥接种产氢菌的2.83倍，60 ℃热处理污泥未接种产氢菌的3.09倍。朱小峰等利用嗜热酶污泥溶解(S-TE)技术对剩余污泥进行预处理时发现，经过S-TE预处理的污泥在未接种外在产氢菌时，产氢效果良好，其大产氢率为16.3 mL/g,且发酵气体中只含有H2和CO2,此大产氢值能维持10 h左右。