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我国社会在快速的城市化与工业化进程中,污水厂及污水处理设施在城市及乡镇得到普及,污水处理量急剧上升,并伴随着产生大量剩余污泥。国家在十八大、十九大会议中提出,要在发展经济的同时建设生态文明,因此污泥处理处置的问题逐步得到重视。作为污泥厌氧消化的限速步骤,如何加速污泥水解是本文研究的核心内容。国内外有多项关于污泥预处理的研究,采用物理处理法:如热水解、超声波等;化学处理法:如投加酸碱、高铁酸钾等;生物处理法:如投加表面活性剂、采用生物捕食等,均取得了不错的成果。而投加生物酶的预处理方式不仅可以促进水解,提高污泥厌氧消化性能,改善脱水性,并且产生的溶解性有机物可生物降解性强,从而污泥厌氧发酵效果更好,产生的短链脂肪酸(SCFA)可作为污泥厂脱氮除磷工艺的碳源。污泥减量化处理的同时,实现了资源化利用,其产物对环境也不会造成二次污染。通过考察蛋白酶、纤维素酶和脂肪酶三种生物酶(投加量分别为0、30、60、90、120、150mg/gTS)预处理对污泥水解的影响。结果表明蛋白酶性质更接近污泥成分中占主导位置的蛋白质,其水解效果优于纤维素酶和脂肪酶。本实验中最佳投加量为90mg/gTS,在此条件下,溶液中SCOD浓度可达到1711.6mg/L,VSS去除率9.2%,蛋白质浓度可以达到752.6mg/L,糖浓度93.1mg/L,氨氮浓度达到120.8mg/L,磷酸盐浓度52.9mg/L。比未投加生物酶分别增加了617.9%、513.3%、700.6%、859.8%、284.6%和487.7%。在蛋白酶不断催化作用下,污泥中的水解酶开始溶出,与外加酶共同溶解污泥固体,大分子有机物被水解成小分子的蛋白质、多糖等,而蛋白质可被进一步水解成氨基酸、多肽等。确定蛋白酶最佳投加量后,比较不同温度下对于污泥预处理效果的影响。结果表明,从常温升至蛋白酶最适宜的温度后,可以极大促进水解速度。生物酶和热处理的联合处理方式,不仅能使酶的活性达到最大值,并且可以改变污泥细胞结构,有效降低胞外聚合物(EPS)和细胞壁的保护作用,污泥自身降解速率加快,从而污泥内的固相有机物更容易进入到液相中,使溶液中各项指标均得到上升。实验中最佳反应温度为50℃,在此条件下,溶液中SCOD浓度可达到2366.4mg/L,VSS去除率13.98%,蛋白质浓度924.5mg/L,糖浓度144.3mg/L,氨氮浓度达到251.1mg/L,磷酸盐浓度50.7mg/L。比未经预处理分别增加了892.6%、832.0%、926.7%、1387%、602.4%和496.5%。污泥在水解前4h内,SCOD、蛋白质、糖以及氨氮的浓度和VSS去除率增长很快,与时间符合一级动力反应关系。本文还研究了分别采用物理法(超声波法)、化学法(碱法、EDTA-2Na法、高铁酸钾法)、生物法(蛋白酶法)、物理+化学法(碱/超声法)及生物化学法(蛋白酶/EDTA-2Na法)共7种不同预处理下,比较污泥厌氧发酵和直接厌氧发酵的效果。结果表明,物理法和化学法对污泥细胞的溶解作用可能比生物法要好,但是生物法水解产生的溶解性有机物(SCOD)可生物降解性更好,因此其厌氧发酵产酸的可利用度也更高。蛋白酶/EDTA-2Na预处理的利用率为0.58mgVFAs/mgSCOD,蛋白酶预处理污泥的SCOD利用率最高可达到0.70mgVFAs/mgSCOD。蛋白酶/EDTA-2Na预处理污泥产生的SCOD最高浓度为4133.5mg/L,小于碱/超声产生的SCOD浓度4239.6mg/L,但其厌氧发酵可产酸2371.4mg/L,远远高于碱/超声组厌氧发酵产酸量1665.3mg/L,说明预处理污泥释放SCOD的质量和数量对于厌氧发酵产酸的效率都很重要。蛋白酶水解和EDTA-2Na水解对污泥絮状物的粒径大小影响很小。而蛋白酶/EDTA-2Na水解对污泥絮状物的破碎效率很高,从污泥的细胞上剥除EPS并解聚微生物胶团的能力强于蛋白酶水解和EDTA-2Na水解,被蛋白酶/EDTA-2Na水解后,污泥粒径小于13μm的占10%,分布在13~148μm之间的占80%,污泥变得松散,孔隙率升高,生化降解性得到提升。加入相同的蛋白酶和EDTA-2Na,蛋白酶/EDTA-2Na水解污泥过程中的SCOD释放量远远大于蛋白酶水解和EDTA-2Na水解的总和,并且厌氧发酵产酸量也大于两者之和,这表明蛋白酶/EDTA-2Na水解的过程中蛋白酶和EDTA--2Na存在协同效应。在蛋白酶水解过程中,剩余污泥中的高分子物质可以被蛋白酶分解。然而,蛋白酶可能被EPS滞留和包裹,导致SCOD释放的效率低,EDTA-2Na的参与可以防止蛋白酶被困在污泥絮状物的表面,更有效发挥酶的活性,从而增强SCOD溶出。