目前我国大中型污水厂消化池或者不建或者多数已建处于停用或者半停工状态,随着污泥排放标准和处置要求的日益严格,如何提高污泥厌氧消化效率已经成为亟待解决的环境问题。水解作为污泥厌氧消化的限速步骤,需要通过预处理加快水解速率。超声以其不需要投加药剂和污染少等特点成为预处理技术的研究热点,但是一方面单独超声的破解效果仍然有限,另一方面超声设备的能耗较高。针对上述两个瓶颈,本研究以城市污水厂污泥(剩余污泥、混合污泥、脱水污泥)为研究对象,考查了超声预处理、超声+碱联合预处理以及冻融预处理对于污泥的破解效果,同时考查了预处理-厌氧消化组合工艺的性能,对预处理条件和反应器运行条件进行了优化。由于现有研究主要集中在有机物厌氧生物降解机理方面,缺乏从化学反应和分子结构变化的角度阐述污泥中有机物的变化规律,本研究通过有机物分级,研究了预处理过程中污泥液相有机物和胞外生物有机质(EBOM)的变化规律。不同预处理条件对污泥特性的影响研究表明,声能密度越大、超声时间越长,pH值越高、碱解时间越长,超声污泥、碱解污泥和超声+碱污泥的有机物溶出率越大,固体溶解效果越好。随着声能密度增加,超声机械剪切力和羟基自由基效应逐渐增强(92%以上)。随着超声时间的增加,有助于削弱溶出的胞内有机物的絮凝作用。冷冻时间越长、冷冻温度越高,剩余污泥、混合污泥和脱水污泥的溶解效果越好。初沉污泥的掺入会阻碍颗粒的解体。冻融处理可以提高污泥的沉降性能和脱水性能。有机物溶解和粒径分布主要依靠固化阶段,污泥沉降性和脱水性的提高大部分都发生在冷冻阶段。冻融预处理适宜参数为冻/融(72h/3h)。相同污泥破解程度下,超声预处理能耗只有冻融预处理能耗的1/3,为优选的污泥预处理技术。对于气温较低的寒冷地带,污泥冷冻可以自发进行,比能耗大大降低,此类地区应优先选择冻融预处理技术。预处理-厌氧消化组合工艺的性能研究表明,5%~10%消化投配率下,超声反应器TCOD去除率较对照组提高了4.9%~13.5%,VSS去除率提高了5.4%~20.8%,产气量提高了20.26%~57.9%。不同投配率下,消化污泥TCOD去除率、SCOD去除率、固体物质去除率、产气量和产气率的高低顺序为:超声+碱>碱解>对照组。5%~7%是超声污泥和超声+碱污泥适宜的投配率范围,满足厌氧消化有机物降解率>40%的控制标准。预处理主要去除SS,厌氧消化主要去除TS和VS。消化稳定后,冻融初沉污泥及冻融剩余污泥累计产气量分别较原泥提高了56.2%和27.5%。冻融脱水污泥的产气高峰晚于对照组,且对于产气量的提高作用有限。不同超声条件下,HPI(transphilic neutral)、TPI-A(transphilic acid)组分都有较好的溶出效果; HPO-A ( hydrophobic acid )、HPO-N(hydrophobic neutral)组分倾向于较高的声能密度;超声处理对TPI-N(transphilic neutral)组分的溶出能力有限。超声+碱处理对于HPO-A、TPI-A、HPI、TPI组分的溶解效果较好,对于HPO-N组分的水解速率提高最小。冻融处理后,污泥EBOM中HPI所占比例增加,HPO-A所占比例减少,改善了生物降解性。预处理前后,剩余污泥EBOM和液相的主要荧光物质均为芳香性蛋白质和溶解性细胞副产物(SMP),但是荧光强度发生了变化:预处理污泥液相DOM(dissolved organic matter)及其5种组分荧光强度更大,表明预处理可以充分溶解污泥中芳香性蛋白质和SMP物质。碱的加入有助于TPI-N组分相关的脂肪族化合物的溶解。酚类物质在不同预处理条件下均有溶出。不同预处理技术都可以有效地溶解含羧基、羰基等不饱和基团的有机物。剩余污泥液相中含有分子量较大的DOM。超声处理后,有机物的溶解使得原泥液相小分子有机物向着分子量增加的方向移动。超声溶解的TPI-A和HPO-N组分以大分子量有机物为主。超声后HPI和TPI-N组分的有机物分子量适中。本研究从提高超声破解效果以及降低预处理能耗角度,对污泥预处理技术以及预处理-厌氧消化组合工艺效能进行了探讨,同时从化学特性和分子结构角度揭示了预处理过程中有机物的变化规律,为经济、合理、有效地选择预处理技术以及优化操作条件提供了理论基础。