0 引 言

污泥厌氧消化因其具有除臭、杀菌、稳定污泥性质和产生生物质能等优点而受到广泛关注[1-2]。厌氧消化包括水解、酸化、产酸和产甲烷等一系列阶段，但水解是污泥厌氧消化的关键步骤。 为了加快污泥水解速率、提高污泥消化性能，研究人员提出了一些有效的污泥破解技术，如酸碱处理、热处理及其组合处理方法等[3-4]。

Wu 等[5]研究发现，酸预处理（pH=3）条件下污泥释放的总磷浓度可以达到120 mg/L，比碱预处理（pH=10）条件下高 71.4%；同时，酸预处理（pH=3）和碱预处理（pH=10）分别使污泥中短链脂肪酸产量提高了15.3 倍和12.5 倍。陈汉龙等[6]研究表明：预处理 pH 为 9、10、11、12 和 13 时，污泥中化学需氧量（COD）的溶出率分别为6.5%、18.0%、36.7%、65.5%和83.5%，表明强碱预处理有利于污泥中COD 的溶出。Devlin 等[7]研究表明：经过pH=2的酸预处理后，污泥厌氧消化产甲烷效果最好，其甲烷产量比空白实验增加了14.3%。对于污泥热预处理，高温预处理（120～200 ℃）虽然可以提高有机质的溶出率，但其能耗大、成本高，且高温极易导致酚类和杂环类抑制物（如香兰素、香兰素醇、糠醛等）的释放，不利于后期厌氧发酵过程[5,8]。低热预处理（50～100 ℃）通过适当延长处理时间，也能达到较好的破解效果。彭永臻等[9]研究表明：在90 ℃、处理80 min 条件下，污泥中溶解性化学需氧量（SCOD）增加了 15.5 倍；在 90 ℃、反应时间 70 min条件下，溶解性多糖（SC）增加了19.2 倍；在70 ℃、反应时间40 min 条件下，溶解性蛋白质（SP）增加了 5.2 倍。 Ferrer 等[10]在 70 ℃热预处理条件下，研究污泥发酵过程中挥发性脂肪酸（VFA）和沼气产量的增加效果，结果表明：热预处理72 h 后，VFA 的浓度从0 变为5 g/L，沼气产量增加了30%。 多种方法相结合的联合预处理技术日益受到关注[11-12]，碱-热预处理被认为是有效并且可行的促进污泥溶解同时降低运行费用的方法[13]。彭晶等[14]将碱与低温热处理技术相结合进行反应条件优化实验，结果表明：在pH=12、温度为 88.8 ℃、处理 73.79 min 条件下，污泥的理论最大溶胞率达到48.1%；预处理污泥发酵3 d后，VFA 达到最大值3269.20 mg/L，是对照组的3.22倍。 Kavitha 等[15]在 pH=11、温度为 80 ℃的条件下处理污泥 30 min，污泥中SCOD 的溶出率可达到13.3%。 Feki 等[16]研究表明：在 pH=10、温度为 105 ℃条件下预处理污泥2 h，SCOD 溶出率达到26%。

综上所述，目前关于污泥的酸碱、热及碱热联合预处理虽有较多研究，但是基于酸碱的梯度变化、温度变化和碱热联合变化对污泥水解性能及N、P 等营养物质的影响研究却鲜少报道。本研究以赣南某污水处理厂剩余污泥为研究对象，探究酸碱、热及碱热联合预处理条件下污泥的破解效果及其影响规律，为后续的污泥厌氧发酵实验提供预处理优化方案。

1 材料与方法

1.1 污泥来源及性质

实验所用污泥为赣州市某污水处理厂二沉池的浓缩污泥，污泥性质见表1。 由表1 可知，该污泥呈中性，污泥中总悬浮固体（TSS）、溶解性化学需氧量（SCOD）、溶解性蛋白质（SP）和溶解性多糖（SC）均相对较低，但是、TN 和 TP 的含量相对较高。

表1 剩余污泥性质pH 值 TSS /（g·L－1） SCOD /（mg·L－1） SP /（mg·L－1） SC /（mg·L－1） NH4+-N /（mg·L－1） TN /（mg·L－1） TP /（mg·L－1）7. 13.44 112.32 48.80 34.30 44.25 55.20 24.03

1.2 实验方法

实验分别采用酸碱、低热及碱热联合预处理3 种方法考察污泥水解性能。 酸碱预处理过程：取适量剩余污泥，等量分成14 份（每份200 mL），分别置于250 mL 锥形瓶中，用浓度均为2 mol/L 的NaOH和HCl 分别调节污泥的pH 为 1~13；然后，将盛有污泥的锥形瓶置于25 ℃的恒温水浴摇床中反应24 h。 热预处理过程：取适量剩余污泥，等量分成 7 份 （每份 200 mL），分别置于 250 mL 锥形瓶中，然后将锥形瓶置于恒温水浴锅中加热60 min，加热温度分别为 50、60、70、80、90、100 ℃。 碱热联合预处理过程是在做热处理前先将污泥进行碱处理（根据酸碱实验结果，将污泥的pH 调节至13），接下来的步骤与热预处理相同。

1.3 分析测定方法

预处理结束后，取适量污泥经离心 （转速4000 r/min）过滤后测定污泥上清液性质，检测指标及方法见表2。

表2 检测指标及分析方法项目 分析方法pH 玻璃电极法SCOD 快速密闭消解法NH4+-N 纳氏试剂比色法TN multi N/C 2100 测定仪TP 钼酸铵分光光度法SP 考马斯亮蓝G-250 法SC 苯酚硫酸法TSS 重量法