超声波污泥减量化技术研究进展

苏洪敏，李梅 ，孔祥瑞，张克峰，顾婧

(山东建筑大学 市政与环境工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

活性污泥法因去除COD 效果明显，运行费用低廉，适用范围较广，受到许多城市污水处理厂的重视。但此法会产生大量的剩余污泥，剩余污泥的处理与处置费用通常高达整个污水处理厂建设和运行费用的50%～60%［1－2］。传统的污泥处理处置方法(焚烧、填海、土地填埋等)容易产生二次污染，很难达到越来越严格的环境要求［3－6］。早在1996 年，德国就首先提出废物减量化、资源化和无害化的优先顺序［7］。开发研究新的污泥减量方法已经成为当今世界面临的重大挑战。

目前剩余污泥的减量技术研究主要是基于隐性生长的减量技术和基于解偶联生长的减量技术。隐性生长(cryptic growth or death regeneration)是指微生物利用自身细胞或其溶解产物进行新陈代谢的生长方式。解偶联(uncoupling)是指从能量上对微生物细胞的合成进行抑制，使微生物分解有机物产生的能量不用于合成细胞本身［8－10］。在现有的各种污泥减量技术中，超声波污泥减量化技术是基于微生物隐性生长的一种新型污泥减量技术，它有无污染、无需添加化学药剂、占地面积小、处理效果好等优点［11－12］，在工业应用上具有广阔的前景。

1 超声波破解污泥的作用机理

超声波是物理介质中的一种弹性机械波，与电、光、磁等同样是一种物理能量形式。超声波的频率一般为20×103～10×106Hz。研究表明，当一定强度超声波作用于某个液体体系时，会发生一系列物理和化学反应，并明显改变液体体系中溶解态和颗粒态物质的特征，这一过程的实现是由于大量的空化泡在瞬间爆炸而引起的。当一定频率的超声波持续作用于某个液体体系时，原先存在于液体中的许多微气泡(空化核)会随之振动，并随机形成许多大小不等的小气泡。当超声波强度达到一定值时，一部分气泡在负压期迅速长大，在正压期又迅速闭合，这就是“超声空化”现象［13］。当这些气泡破灭时，将产生极为短暂的高强度压力脉冲，并在气泡周围的微小空间产生热点。瞬间热点产生高温(5000 K)、高压(5×104kPa)，同时还会产生很高的剪切力，将微生物的细胞壁击破。在不添加化学药剂、酶以及其他物质的情况下，连续的高频率超声波可以溶解微生物细胞，破坏菌胶团结构，使其中的水溶解出来，不仅提高了污泥的脱水性能，而且达到污泥减量的目的［14－15］。

2 超声波对污泥性状的影响

2.1 对污泥粒径的影响

许多研究表明，经过一定声能密度的超声波处理后，剩余污泥的粒径变小。Yu 等研究发现，在超声脉冲比为2:1、超声时间为10 min 的固定条件下，0.2 W/mL 是声能密度对污泥粒径作用的一个转折点。当声能密度小于0.2 W/mL 时，污泥粒径大小基本不变;当声能密度大于0.2 W/mL 时，污泥粒径明显减小［16］。Chu 等也有类似的研究［17］。声能密度对污泥粒径的影响如表1 所示。

表1 声能密度对污泥粒径的影响

2.2 对污泥脱水性能的影响

适当功率的超声波可以使污泥更容易脱水，但如果功率过大，会导致污泥结构发生变化，空化效应会过分破坏污泥颗粒，导致污泥脱水性能恶化;相反，如果功率过小，对污泥作用不够充分，也不利用污泥脱水。杨金美等［18］研究了超声波对活性污泥沉降与脱水性能的影响，发现超声波能有效减少污泥含水量，从而减少污泥体积。超声作用10 min时，SS、VSS 分别减少了15.5%、19.3%，VSS/SS 从75.4%降到了72%;超声作用25 min 时，SS、VSS 分别减少了24.3%、28.6%，VSS/SS 降低至71.1%。孙玉琦等［19］研究发现，适当的超声时间可以脱去污泥中的水分，改善污泥的脱水性能，但时间过长或过短都不利于污泥脱水，时间过长反而会导致污泥脱水性能变差。

2.3 对污泥厌氧消化效果的影响

由于超声波能破坏菌胶团结构，使微生物细胞裂解，从而挟裹在菌胶团内的有机物质被释放到水中，被微生物所利用，这一过程基本上取代了污泥水解酸化过程，大大缩短了污泥厌氧发酵时间并且提高了污泥的可生化性。蒋建国等利用槽式双频超声波发射器进行了该方面的研究［20］。在经过声能密度为75 W/L，频率为80 kHz 的超声波处理后，污泥产气量增加30%～50%，而19 kHz 的超声波则使产气量增加20%～40%。但并非频率越高越有利，频率过高会影响污泥空化效应，反而不利用污泥的厌氧消化，因此，在实际工程应用中需考虑使用中低频率的超声波。

3 超声波与其他技术联合效应

3.1 与碱处理技术联合

已有研究表明，将碱处理与超声波处理相结合对污泥进行预处理已经达到了较好的效果。同时采用超声波和碱处理，最初的水解速率明显要大于单独采用其中一种方式进行处理，污泥预处理时间明显缩短。马华继等对处理量为400 m3/d 的中试系统进行了超声波－碱协同作用的研究。研究结果表明，该系统的表观产率系数为0.33 kgVSS/kgCOD，污泥减量效果可达46.78%，出水水质较好［21］。

3.2 与臭氧技术联合

黄慧等对超声破解与臭氧氧化相结合进行污泥处理做了初步研究［22］。研究表明，超声波和臭氧相结合虽然增加了超声波部分的费用，但是明显提高了臭氧的利用率，要比单独使用臭氧效果好，总体的处理成本要低于单独使用臭氧进行处理。

3.3 与AB 法联合

周建等针对AB 法A 段工艺剩余污泥产量大的问题，采用超声波技术对A 段污泥减量效果进行了研究［23］。试验装置见图1。装置分为两部分，一部分为A 段曝气－沉淀一体化反应器，另一部分为超声波接触反应池，污水在超声波接触反应池中反应。经额定功率900 W，频率28 kHz 的超声波作用0.5 h 后，大部分SS 都已破碎，SS 降低了71.7%，污泥减量效果明显。

图1 超声波试验装置图

4 影响超声效果的因素

影响超声效果的因素成为近几年研究的热点。污泥本身的性质(pH 值、含水率等)、超声波的频率、声能密度、声强、超声作用时间等均会对超声效果产生影响。Castro 等研究了污泥的外部压力、污泥内的水汽压力以及超声波空化作用的不同类型对污泥减量作用的影响，并分析了各因素之间的相关联系［24］。王芬等进行了超声与碱协同作用的试验，研究得出各因素对超声破解污泥效果影响的顺序为:污泥pH 值＞污泥浓度＞声强＞声能密度，并分析污泥pH 值影响最大的原因可能是超声与碱的耦合作用［25］。这些研究为实际工程中超声波的参数控制提供了依据。

5 应用实例

德国Sonix 公司研发生产的大型超声波污泥处理装置已在德国、英国、美国和澳大利亚的多个污水处理厂运行。英国Wesses 污水厂安装了该系统用来处理市政与工业废水混合污泥，处理效果良好。未经超声预处理的污泥TS 与VS 减少量分别为40%和50%，经过超声波作用后，减少量可达60%和70%。

德国巴姆堡市污水厂原设计能力为3 万m3/d，现由于管道扩充和改造等原因，处理水量已达4 万m3/d，直接导致污泥量迅速增加，原先的3 个污泥罐无法满足要求。经研究决定，采用超声波处理技术对污泥进行预处理，工艺流程如图2 所示。运行三个月后，沼气产量增加30%，污泥停留时间由25 d 降至18 d，处理效果良好。

图2 德国巴姆堡市污水厂污泥超声波处理流程图

6 结语

超声波污泥减量化技术可以降低污泥处理与处置费用，有效防止剩余污泥对环境的二次污染，是一种经济、有效、环保的新型污泥减量技术，是将来污泥减量化研究的重要发展方向。超声波与其他处理工艺结合处理污泥，对污泥减量能发挥出更大的作用。随着对剩余污泥处理要求的不断提高，超声波污泥减量化技术具有更广的发展空间，将会带来可观的经济效益与环境效益。

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