引言厌氧消化技术利用兼性菌与厌氧菌进行生化反应，可分解剩余污泥内的有机物质以达到污泥减量；同时通过产氢产乙酸菌与产甲烷菌的协同作用产生沼气，回收利用。厌氧消化技术因其具有减量化、无害化及资源化的处理特点，而被广泛运用于污水厂运行中的污泥处理环节。然而传统厌氧消化技术也具有水力停留时间过长的缺点，污泥絮体及污泥细胞壁对水解酸化产生的遮蔽作用正是厌氧消化的主要限速原因[1]。因此，采取预处理以提高污泥可生化性得到了广泛的研究。剩余污泥的预处理技术主要分为物理、化学、生物三类，其中物理破解方法因具有能耗相对较低的优点，可有效降低厌氧消化技术的运行费用，因此在实际运用、生产或模拟实验中均取得了一定进展。Liu[2]等采用超声波对剩余污泥进行预处理，在声能密度达到2 W/mL时作用15 min，可完全分解胞外聚合物（EPS）；同时通过影响EPS的降解程度显著改变水解酸化过程中的细菌群落。Haeners[3]等采用热水解法升温处理剩余污泥，发现45 ℃～65 ℃时可以破坏细胞膜，而65 ℃～90 ℃时可以破坏细胞壁，且污泥水解液中含有大量C2-C5不饱和脂肪酸，具有作为反硝化碳源的价值。韩进[4]等采用高速转盘法破解污泥，当转盘转速为5 000 r/min时，处理45 min可将污泥可溶解率提升至50%。文中采用搅拌球磨法进行预处理，将剩余污泥与不同粒径的玻璃珠按比例混合，在搅拌器的驱动下产生摩擦碰撞，从而破坏污泥絮体结构与污泥细胞。就不同玻璃珠粒径与反应时间下的污泥破解情况做出讨论，并分析了污泥破解液中的蛋白质浓度与核酸浓度，以及污泥破解前后的粒度分布与扫描电镜结果。1实验材料与方法1.1实验用污泥本实验采用的剩余污泥来自合肥市经开区某水厂泥水分配井，污泥浓度为8 452.5 mg/L，pH值为6.04，原污泥上清液蛋白质浓度为12 mg/L，核酸浓度11.36 mg/L。1.2实验方案本实验采用六联混凝搅拌器（二叶平桨）进行破解实验，将4种粒径的玻璃珠与剩余污泥混合达1 L后加入1.5 L配套实验杯中，玻璃珠与污泥体积比例为1∶2。控制搅拌器转速为400 r/min破解一定时间，破解后污泥在4 000 r/min下离心10 min，取上清液，经过0.1 μm微孔滤膜过滤后测定各项指标。1.3分析方法与实验器材蛋白质的测定采用福林酚法，核酸的测定采用紫外分光光度法（260 nm），MLSS采用重量法，pH值采用玻璃电极法。实验用器材包括MY300-6G型六联搅拌机、TGL-15B型台式离心机、T6型紫外分光光度计、MS2000激光粒度仪及SU8010型生物扫描电镜。2结果与分析2.1蛋白质浓度随破解时间的变化趋势蛋白质是维持生命的基本物质，破解液中蛋白质含量的高低可以衡量玻璃珠对污泥的破解效果，破解后污泥上清液中的蛋白质浓度变化如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.014.F001图1破解时间对蛋白质含量的影响由图1可知，随破解时间的增加，各组实验中的蛋白质含量均有较为明显的上升，而玻璃珠粒径显然对破解效果具有一定影响。其中粒径为0.4 mm～0.6 mm与4 mm～4.5 mm的玻璃珠破解效果较差。在3 h时的蛋白质浓度分别达到208 mg/L与205 mg/L，而破解能力最强的1 mm～1.5 mm玻璃珠在3 h时达到503 mg/L。球磨法对污泥的破解效果来自玻璃珠之间的挤压碰撞与流体剪切力，而本实验所采用的搅拌器转速较低，速度梯度未能达到引起污泥破散的中间值G=800-1[5]。因此，玻璃珠之间的摩擦与碰撞起主导作用。当粒径较大时，相同体积的玻璃珠比表面积较小，从而导致珠与珠之间的接触面积会相对减少，使破解能力下降。而玻璃珠的粒径也并非越小越好，0.4 mm～0.6 mm的单个玻璃珠质量太小，仅在400 r/min的低速搅拌条件下，碰撞与摩擦的力度不足以充分破解污泥。从图1可以看出，粒径为1 mm～1.5 mm与2mm～2.5 mm的玻璃珠在破解时间达到60 min后，蛋白质浓度的上升幅度有了明显的增加。而破解效果较差的两组，可观测到破解时间与蛋白质浓度之间呈现较强的线性关系。通常来说，污泥的机械破解分为破坏絮体、释放胞外聚合物（EPS）与破解污泥细胞共3个阶段[6]，而胞外聚合物与胞内物质的组分相同，均由蛋白质、多糖等大分子物质组成[7]。由此可推测，0.4 mm～0.6 mm与4 mm～4.5 mm的玻璃珠对污泥的破解有可能仅停留于破坏絮体、释放EPS的水平，破解细胞能力较差或未能破解污泥细胞。2.2核酸浓度随破解时间的变化趋势污泥上清液中核酸浓度的变化如图2所示。与蛋白质相同，核酸也同时存在于EPS与细胞质内；但核酸在EPS中的含量远远低于蛋白质，市政污泥ESP中核酸含量仅为蛋白质的1/4[8]。由图2可知，1 mm～1.5 mm的玻璃珠在破解时间达到180 min时，核酸浓度增长幅度显著增高，较120 min增加了55.7%。而其他3种粒径的核酸浓度基本与破解时间保持线性关系，采用线性拟合后R2分别为0.959、0.985、0.934。核酸的检测结果进一步验证了前文中的分析结果，可能仅有粒径为1 mm～1.5 mm的玻璃珠达到破碎污泥细胞的破解水平。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.014.F002图2破解时间对核酸含量的影响2.3粒度分布随破解时间的变化趋势剩余污泥采用不同粒径玻璃珠破解300 min前后的粒度分布如图3所示。由图3可知，破解前污泥粒径主要分布于1 μm～800 μm范围内，主要由污泥絮体（600 μm～940 μm[9]）、胞外聚合物（10 μm～300 μm[9]）及原生动物（长度50 μm～700 μm[10]）等组成。而在经过300 min的破解后，可以观测到0.4 mm～0.6 mm、2 mm～2.5 mm、4 mm～4.5 mm组的污泥频度分布的峰值明显后移，而中值粒径也由29.511 μm分别降至18.363 μm、15.076 μm、18.487 μm，可见低速球磨破坏了污泥中的絮体结构的与胞外聚合物。而这3组却无法观测到1 μm以下的微粒，且边界粒径变化幅度不大。仅有1 mm～1.5 mm组在经过破解后发生了明显的分峰现象，出现大量直径0.1 μm左右的微粒，边界粒径 [D10，D90]由[11.127 μm，73.904 μm]下降至[0.104 μm，62.75 μm]，说明只有1 mm～1.5 mm的玻璃珠在破解过程中粉碎了微米级别的污泥细胞。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.014.F003图3剩余污泥破解前后粒度分布情况但在1 mm～1.5 mm玻璃珠破解300 min后的污泥中，仍可观测到1 μm～100 μm范围内有着不低的频度分布，推测原因破解后的污泥细胞再次团聚，因为蛋白质、核酸等细胞溶出物可以与细菌、多糖的负电点位结合导致重新絮凝[11]。2.4破解前后污泥电镜照片对比为进一步验证球磨法对污泥细胞的破解作用，采用生物扫描电镜观察污泥破解前后的微观形貌。原污泥放大10 000倍的电镜照片如图4（a）所示，使用1 mm～1.5 mm玻璃珠破解300 min后的污泥放大10 000倍的电镜照片如图4（b）所示。可明显观测（a）中较为明显的菌胶团结构被分散，且污泥细胞被破碎。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.014.F004图4剩余污泥破解前后电镜照片3结语（1）磨珠粒径对球磨法破解效果具有一定影响，采用球磨法破解污泥浓度为8 452.5 mg/L的剩余污泥，当搅拌器转速为400 r/min时，粒径为1 mm～1.5 mm的玻璃珠破解效果最佳。（2）破解后污泥上清液内蛋白质浓度与核酸浓度随破解时间上升，且破解后污泥的中值粒径与边界粒径产生了明显下降。（3）球磨法对剩余污泥具有较强的破解效果，当采用粒径为1 mm～1.5 mm的玻璃珠时，能够分散污泥絮体、并破坏污泥细胞。