超声波技术在污泥处理中的应用

【关键词】超声波；污泥减量；预处理 

　　0 引言 

　　超声波是指频率为20～106kHz的声波。自从1880年Curie发现压电效应，及1917年Langevin发现反压电效应（即电致伸缩效应），半个多世纪以来，超声技术及其应用获得了极为广泛而令人瞩目的成就。超声波用于工业较早。低强度的超声波通常用于测量流量，而超声波技术在环境工程中的研究和应用还处于早期发展阶段，在国外，早在1993年超声波技术就作为一种新的技术引入到水处理中[1]，到目前为止已有大量实验室的基础研究成果，并有部分进入实际应用。而国内，这方面开展的工作还非常有限。 

　　将超声波用于污泥减量是一个全新的领域。当一定强度的超声波作用于某一液体时，一般是在很高的声强下，特别是在低频和中频范围内，产生交替的压缩和扩张作用从而进一步产生空穴作用，在溶液中这个作用以微气泡的形成、生长和破裂来体现，以此压碎细胞壁，释放出细胞内所含的成分和细胞质，以便进一步降解。超声波细胞处理器能加快细胞溶解，用于污泥回流系统时，可强化细胞的可降解性，减少了污泥的产量；用于污泥脱水设备时，有利于污泥脱水和污泥减量。 

　　随着我国城镇污水处理行业近年来的快速发展，到2013年我国城镇污水厂已经有3000多座，按80%含水率计算，预计我国每年污泥的产生量会达到3000多万吨，污泥处理是污水处理的一项重要部分，通常泥量约为水量的1%-2%，但污泥处理在整个污水处理厂投资中约占40%-50%。不仅投资大，传统厌氧消化工艺还存在负荷低、安全性要求高、运行管理难度大、运行经验缺乏等问题，这就使得部分运行管理水平较低的污水处理厂索性将消化池闲置，造成很大浪费。 

　　所以污泥的处理任重道远，改善污泥处理技术，减少污泥产量迫在眉睫。作为一项新的污泥处理技术，超声波具有无污染、高效率、操作简便等特点。常见的超声波设备有两种：探头式反应器与槽式反应器（图1、图2）。探头式反应器声强高，反应容器可以做成各种形状，但作用体积较小，适宜于实验研究或小规模操作。槽式反应器则更适于大规模生产。 

　　1 超声波在污泥处理中的应用现状 

　　国外对超声波污泥处理技术研究较多，如德国巴姆堡市污水厂，由于管网扩充和改造等原因，每天的污泥量相应增加，考虑到节约资金和提高效率等方面的问题，引进3台超声波污泥反应器对污泥进行预处理。一期两台运行3个月后，沼气产量增加30%，污泥停留时间从25天降到18天，从而满足了在不建造新的污泥罐的情况下保证消化深度的要求。其流程见图3。 

　　超声波预处理破坏菌胶团强度结构后，大量被挟裹在菌胶团内的有机物被释放到水中，从而易于为微生物所用。使用112W/mL的低频处理可以将可溶性COD占总COD的比值（SCOD/TCOD）从36%提高到89%，可溶性N的比值从34%提高到42%[2]。由于厌氧发酵的关键步骤是水解，将不溶性的有机颗粒变为溶解性的有机物，水解十分缓慢，造成厌氧处理周期长。超声波预处理可以相当程度地取代水解过程，而时间大大缩短。 

　　除了对污泥结构的破坏外，超声波还能改变微生物活性。一定强度的超声波可以促进酶活，加快微生物生长，提高其对有机物的分解吸收能力。线性超声波处理45min可以使啤酒酵母细胞生长对数期提前6h，而且细胞数提高近一倍，细胞干重也有较大提高，其可能原因是超声波产生的微冲击流改进了细胞内外的传质作用，从而加快有机质进入细胞和代谢产物排出细胞的进程。超声波加快膜传递的现象也被其他研究所证实。可溶性有机物的增加和细胞活性的增加共同作用，极大地加快了厌氧发酵速率，而且促进效应在超声波停止后数小时内依然存在。30―120min的超声波处理使厌氧发酵时间从22d降到8d，而且挥发性有机物的去除率从45.8%提高到50.3%，同时沼气的产率提高了2.2倍[3]。也就是说短时间的超声波预处理可以大大缩短发酵时间，提高沼气产率，从而极大地降低投资和运行费用，并提高处理效率。 

　　然而过高强度的超声波可以破坏微生物细胞壁，使细胞内的有机物释放出来，例如0.144W/mL下处理120min后污泥中64%的大肠杆菌被杀死[4]，由于超声波效应在声波停止后数小时内依然存在，微生物的灭活给后续的生物处理造成很大困难。 

　　目前，国内将超声波应用于污泥处理中的实例并不是很多，取得进展的主要有以下几个方面。 

　　河北科技大学祁梦兰，郑自保等利用H2O2声化学氧化法处理靛蓝染料废水，并与Fenton氧化法进行比较，发现两种方法可以达到大致相同的处理效果，但H2O2声化学氧化法处理时间较短，仅10-20min，而Fenton氧化法反应时间则需120-140min；H2O2声化学氧化法的H2O2投加量为5.5mg/L，而Fenton氧化法的H2O2投加量为13.8mg/L，为声化学氧化法的2.5倍。这说明超声波化学反应具有独特的作用，相应的降低了运行费用。他们还对靛蓝染料废水进行了H2O2声化学氧化-间歇式活性污泥法处理，处理后出水水质符合GB8978-88《污水综合排放标准》中一级标准[5]。 

　　南京工业大学殷绚等采用超声波处理扬子石化污水处理厂提供的剩余污泥，观察超声处理时间以及声强对污泥结合水的综合影响，发现超声处理污泥在较低声强和较短时间范围内能够降低污泥的结合水含量，有利于提高污泥最终的脱水[6]。 

　　天津大学环境科学与工程学院王芬等采用超声波技术破解污泥絮体及污泥微生物细胞壁结构，使固体性有机物与胞内物质变为溶解性有机物（SCOD）。考察SCOD溶出率随超声作用时间、声强及声能密度的变化情况发现，SCOD溶出率随超声作用时间、声强及声能密度的增加而增加，在一定声能密度下，SCOD溶出率随时间延长呈线性增长趋势，即污泥破解反应遵从一级反应动力学规律。VSS的变化规律同SCOD溶出率的变化规律相似。利用多元统计学中t分布检验方法分析诸因素对破解效果所产生的影响，得出各因素影响程度从大至小顺序为：超声作用时间>声能密度>声强[7]。 　　他们还对影响超声波作用的各个因素进行研究，结果发现：声能密度为0.096W/mL时，超声破解污泥的主要作用力是水力剪切力，羟基氧化几乎不起作用；声能密度为0.384W/mL时，水力剪切力与自由基氧化在超声破解污泥反应中所占的比例分别为80.85%与19.15%；声能密度为0.72W/mL时，水力剪切力与自由基氧化在超声破解污泥反应中所占的比例分别为74.14%与25.86%。并得出结论，在各影响因素中，pH值对超声破解污泥的效果影响最大[8]。 

　　通过以上实例，可以发现，超声波在污泥处理中的应用技术在国内的研究已经开始10余年了，而且在这一方面我们还需要做大量的研究工作从而摸索出较为科学的方法使其能够更好的为污泥处理服务。 

　　2 结语 

　　我国城市生活污水厂污泥问题，只有通过综合方案解决，最终落脚点仍是通过新技术来降低总运行成本，同时保证出水水质。超声波污泥预处理技术为污泥的减量化稳定化和资源化提供了技术基础，并使他们成为一体。欧美的实践经验表明，该技术在节省建造成本上具有不可比拟的优势，具有广泛的应用前景。 

　　结合我国国情，一方面，能源消耗大成为国民经济发展的制约因素，另一方面，作为可再生能源载体的污泥却被当作包袱令污水厂运营方大伤脑筋。新型超声波污泥处理技术在降低能耗方面的突破为解决这一矛盾提供了一个好的方向，可以预期，该技术的推广应用将促进实现污泥罐小型化、污泥减量化、稳定化、无害化和资源化的统一。 

　　【参考文献】 

　　[1]V. Urban，J.C.Block，J.Manem，Bioflocculation in activated sludge：an analytic approach [J].Water，Res.，1993，27：829-838. 

　　[2]Y.Chiu，C.Chang，J.Lin，S.Huang.Alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before anaerobic digestion[J].Wat.Sci.Tech.，199，36 （11） ：155-162. 

　　[3]A.Teihm，K.Nickwl，M.Zellhorn，U.Neis.Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization[J].Wat.Res.，2001，35（8）：2003-2009. 

　　[4]C. Chu，B. Chang ， G. Liao ， D. Jean ， D. Lee. Observations on changes in ultrasonically treated waste-activated sludge[J]. Wat. Res.，2001，35（4）：1038-1046. 

　　[5]祁梦兰，郑自保，等.声化学氧化-间歇式活性污泥法处理污染废水的研究[J]. 化工环保，1996，16：23-26. 

　　[6]殷绚，等.超声波声强及处理时间对污泥结合水的影响[J].化工进展，2005，24（3）：307-311. 

　　[7]王芬，等.剩余污泥的超声破解与影响因素程度分析[J].环境保护科学，2004，30（12）：16-19. 

　　[8]王芬，等.污泥超声破解预处理的影响因素分析[J].天津大学学报，2005，38（7）：649-654.