引言城市污水处理厂采用活性污泥法处理污泥时，生物脱氮除磷需要足够的碳源[1]。外加碳源的方法包括有机碳源和内碳源[2-3]，用以解决碳源不足问题。但有机碳源费用昂贵，内碳源成为学者研究的方向。内碳源指活性污泥死亡释放出来的可利用基质。对剩余污泥预处理，使得污泥细胞破碎，释放胞内碳源，进而为生物脱氮除磷工艺提供碳源[4]。破解污泥细胞的方法包括热水解、超声、微波、热碱、臭氧氧化等[5-7]。热碱处理与其他方法相比，经济高效且易操作[8]。代勤[9]等研究表明，与常规处理污泥方法相比，热处理、热碱处理污泥均能够大量释放溶解性有机物，溶解性化学需氧量可分别增加21.90倍和47.80倍。两种预处理方法均对污泥溶解性有机物中蛋白质组分具有水解作用，且热碱处理效果更为显著。Demir[10]采用Box-Behnken试验，对热碱法破解剩余污泥的参数进行部分优化，在90 ℃，0.2 mol/L NaOH和加热时间25 min破解条件下，污泥最佳破解率为77.83%。污泥破解后，上清液中有机物浓度明显增加。张棵[11]等在联合酶处理条件下，污泥浓度为30 g/L、碱解时间1.5 h、碱解温度80 ℃时，蛋白质溶出效果最佳，上清液中蛋白质浓度2 160 mg/L。目前，热碱法破解剩余污泥反应温度集中在高温（150~200 °C）条件下投加碱试剂，但高温条件对试验设备要求高，能耗较大[12]。试验采用低热-Na2CO3联合处理，探究低热温度、Na2CO3药剂的投加量与联合处理反应时间相对最佳的匹配参数。1试验部分1.1试验仪器低速离心机，SC-3610，安徽中科中佳科学仪器有限公司；水浴恒温磁力搅拌器，SHJ-6D，常州高德仪器制造有限公司；生物扫描电镜，SU8010，日本日立公司。1.2试验材料1.2.1试验污泥试验所用生物污泥购自合肥市经济技术开发区。生物污泥利用过滤机过滤2 min，使剩余污泥含固率达到(6.0±0.2)%，作为初始污泥，于4 ℃冷柜中保存。初始污泥pH值为6.44±0.15，初始污泥的上清液中溶解性化学需氧量、蛋白质和多糖浓度分别为(132.45±35) mg/L、(13.24±0.45) mg/L、(11.67±0.24) mg/L。1.2.2试验试剂碳酸钠，分析纯，西陇科学股份有限公司；重铬酸钾和邻苯二甲酸氢钾，分析纯，天津博迪化工股份有限公司；考马斯亮蓝G-250、蒽酮、葡萄糖，分析纯，天津市北辰方正试剂厂；牛血清蛋白（沪试），生化试剂。1.3试验方法最佳投加量试验：取200 mL初始污泥置于500 mL锥形瓶，Na2CO3量投加梯度分别为0 g/L、2.0 g/L、4.0 g/L、6.0 g/L和8.0 g/L，静置24 h。取30 mL破解污泥，放在3 000 r/min下离心20 min，取上清液，经0.45 μm微孔滤膜过滤，测定各项指标，得到最佳投加量。最佳温度试验：取200 mL初始污泥置于500 mL锥形瓶，投加Na2CO3最佳量6.0 g/L，设置试验温度梯度分别为18 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃，静置24 h。取30 mL破解污泥，放在3 000 r/min下离心20 min，取上清液，经0.45 μm微孔滤膜过滤，测定各项指标，得到最佳试验温度。最佳反应时间试验：取200 mL初始污泥置于500 mL锥形瓶，试验温度为70 ℃、投加Na2CO3量为6.0 g/L条件下，设置取样时间梯度分别为3 h、6 h、12 h、18 h、24 h和36 h。取30 mL破解污泥，放在3 000 r/min下离心20 min，取上清液，经0.45 μm微孔滤膜过滤，测定各项指标，得到最佳反应时间。2结果与分析2.1影响污泥破解的因素2.1.1不同Na2CO3投加量对上清液有机物浓度影响污泥进行低热-Na2CO3联合处理，试验温度为18 °C、反应时间为12 h，考察不同Na2CO3投加量破解剩余污泥，释放SCOD、蛋白质和多糖浓度影响，结果如图1所示。由图1可知，随着Na2CO3投加量增加，上清液中有机浓度物均增加。SCOD浓度值远高于蛋白质和多糖浓度值。Na2CO3投加量为2.0 g/L时，上清液SCOD浓度为931.78 mg/L；当投加量增加到6.0 g/L时，上清液SCOD浓度达6 341.40 mg/L；投加量增加到8.0 g/L时，上清液SCOD浓度基本不再增加。原因可能为Na2CO3投加6.0 g/L时，污泥pH值达到12.24±0.7，增加药剂投加量继续提高pH值，上清液SCOD浓度的增加量无变化，与鄢琳[13]等研究结果一致。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.021.F001图1不同Na2CO3投加量对上清有机物浓度影响上述试验条件下，投加Na2CO3量为6.0 g/L时，上清液中蛋白质和多糖浓度分别为934.53 mg/L、124.80 mg/L。当投加量增加到8.0 g/L，蛋白质、多糖浓度趋于平缓。可能是投加NaOH使得初始污泥pH值从6.73±0.20增至11.95±0.25。试验表明，碱会破坏污泥细胞，使得污泥细胞内有机分子释放，上清液中有机物浓度大量增加[14]。因此，后续试验选择Na2CO3投加量为6.0 g/L。2.1.2试验温度对上清液有机物浓度影响试验Na2CO3投加量6.0 g/L、反应时间12 h条件下，不同温度对污泥进行低热-Na2CO3联合处理，结果如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.021.F002图2试验温度对上清液有机物浓度影响由图2可知，当试验温度为18 ℃时，单独Na2CO3处理，上清液中SCOD浓度为6 341.40 mg/L，初始污泥上清液SCOD浓度为132.45 mg/L，污泥释放碳源量明显增加。随着试验温度的升高，上清液中SCOD浓度逐渐增加。当试验温度增加至90 ℃时，上清液中SCOD浓度、蛋白质和多糖浓度分别为11 781.78 mg/L、1 289.67 mg/L和537.81 mg/L。结果表明：在Na2CO3处理的基础上，联合热处理能够有效增加碳源释放量，且温度越高对增加污泥碳源释放越有效。考虑到高温对设备要求高、能耗大，低温对设备要求低、减少能耗和设备损耗，试验选择温度为90 ℃。代勤[9]等采用热碱处理剩余污泥，在温度为135 °C、pH值为12.00、反应时间为60 min时，SCOD浓度的增加值接近13 000 mg/L。试验结果与代勤研究结果存在差异，说明较低试验温度下，低热-Na2CO3联合处理仍可以释放碳源，该方法的节能效果优于其他方法。2.1.3反应时间对上清液有机物浓度影响当Na2CO3投加量6.0 g/L、试验温度90 °C时，随着反应时间的延长，上清液SCOD浓度变化如图3所示。由图3可知，上清液SCOD随着污泥加热时间的延长其浓度增加，增加到一定时间趋于平缓。当加热时间低于24 h时，上清液中SCOD浓度一直在增加；当加热时间大于24 h时，上清液中SCOD浓度增长速率逐渐趋于稳定。说明适当延长加热时间有利于增加碳源释放，因此选择最佳加热时间为24 h。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.021.F003图3反应时间对上清液有机物浓度的影响2.2破解前后扫描电镜观察结果初始污泥和破解24 h后剩余污泥的SEM照片如图4所示。由图4可知，初始污泥细胞形成的菌胶团表面完好，经过24 h破解反应后，可以观察到菌胶团表面粗糙，出现破坏现象。可见低热-Na2CO3联合处理对剩余污泥具有一定的破解效果。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.021.F004图4破解前后污泥SEM照片3结语（1）低热-Na2CO3联合处理，在90 ℃的最佳破解条件为：Na2CO3投加量为6.0 g/L、反应时间为24 h，上清液中SCOD、蛋白质和多糖浓度分别为1 1781.78 mg/L、1 289.67 mg/L和537.81 mg/L，相比初始污泥，分别增加88.95倍、112.14倍和39.60倍。说明联合处理对污泥有机物的释放和溶解具有一定的效果。（2）通过破解前后SEM照片可知，破解前初始污泥颗粒轮廓清晰，颗粒分明；破解后污泥颗粒表面明显被破坏，出现团聚现象。说明采用低热-Na2CO3联合处理能够有效破解污泥，释放碳源。