超声处理剩余污泥的影响因素分析

胡满杰

安徽省地质矿产勘查局三一二地质队，安徽蚌埠，233040



超声处理剩余污泥的影响因素分析

胡满杰

安徽省地质矿产勘查局三一二地质队，安徽蚌埠，233040

为探讨超声时间、振幅、功率密度、能量密度等超声条件以及污泥浓度对污泥絮体破碎及物质溶出的影响规律，采用超声破碎仪处理生活污水处理厂二沉池的剩余污泥，然后用岛津V-CPN型分析仪测定总有机碳(TOC)，用改良苯酚-硫酸法测定多糖，用改良福林-酚法测定蛋白质和腐植酸，用二苯胺法测定DNA，最后采用Varian Cary Eclipse荧光光度计进行三维荧光光谱分析。结果表明：较高的功率密度和超声时间均会显著增加功的耗散而降低能效；在相同的功率密度下低振幅则具有更高的能效；对不同的超声目的，可以通过控制能量密度来实现，如使污泥EPS中的物质溶出的最佳能量密度约为26 kJ/L。

剩余污泥；超声处理；功率密度；能量密度；胞外聚合物

1 研究背景

城市污水处理厂每年产生大量的剩余污泥，若处理处置不当，会给环境带来显著的危害。剩余污泥的脱水是污泥处理和处置前的重要步骤，脱水的效果直接影响到后续处理的成本和效果[1]。此外，厌氧消化是剩余污泥减量化和资源化的重要途径，为了降低污泥中颗粒态有机物的溶解和水解对厌氧发酵速率的限制，常需要对剩余污泥进行预处理[2]。超声法因其操作简单、处理时间短且无须投加化学药剂等特点，已被广泛地应用于污泥脱水前的调理以及促进污泥中物质的溶出等领域[3-4]。

超声法处理剩余污泥主要通过空化作用所产生的机械剪切力、羟基自由基以及瞬间高温等实现的[5]。影响超声处理剩余污泥效果的因素有很多，如污泥的浓度和粘度、温度、超声时间、声强(振幅)以及声密度等[6]，而目前常用的表征超声条件的指标主要包括以面积为单位的超声强度(W·cm-2)、以体积或干污泥(dry sludge,DS)质量为单位的功率密度(power density,PD,W·L-1、W·g-1)和能量密度(energy density,ED,J·L-1、J·g-1)等[7]。针对不同的目的，超声处理剩余污泥的条件也存在显著差异。研究表明，较弱的超声条件有利于剩余污泥脱水性能的提高，并可以在相同的脱水效果下减少20%～50%的混凝剂用量[8]；进一步提高超声的强度则会使污泥胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)中的物质大量溶出，因此超声法也常被用于提取污泥中的EPS[9]。当超声的强度达到一定水平后，污泥絮体及微生物细胞开始破裂，胞内的物质也随之释放到溶液中，污泥的脱水性能大幅降低，而污泥厌氧发酵的效率则显著提高[3]。尽管将超声应用于污泥处理的研究成果较为丰富，但不同的研究所采用的超声参数体系并不统一，这为实际应用过程中超声参数的对比和选择带来了不便。

本研究以生活污水处理厂的剩余污泥为对象，以污泥中物质的溶出情况为指标，研究了超声时间、振幅、功率密度、能量密度等超声条件以及剩余污泥的浓度对超声效果的影响规律，并以所得到的结果为基础明确了提取污泥中EPS的最佳超声条件，为超声应用于剩余污泥处理过程中参数的选择提供了参考。

2 材料与方法

2.1 污泥来源

剩余污泥来源于某采用A/A/O工艺的生活污水处理厂二沉池。取回的污泥经18目筛滤除大颗粒杂质后，在4℃条件下静置沉淀24 h进行浓缩。试验中所用到的特定浓度的污泥为浓缩污泥经清液稀释后得到。

2.2 试验方法

采用S-450D(BRANSON)型超声破碎仪对剩余污泥进行处理。该仪器为接触式超声破碎仪，超声频率为20 kHz，配备有两种型号的变幅杆，其中高振幅变幅杆Φ为2mm，低振幅变幅杆Φ为8mm。在超声过程中，将污泥进行冰水浴以避免温度升高对超声结果的影响。超声后的样品在进行指标测定前首先经10 000rpm离心15min，再经过0.45μm的PTFE滤膜过滤后得到清液，并在4℃下保存直至测定。

以浓度为20g·L-1的污泥为对象，选用Φ8型变幅杆，采用相同的功率密度(0.3kW·L-1，亦即15W·g-1DS)分别对200、150、100和50mL的污泥超声处理20min，测定清液的总有机碳(totalorganiccarbon,TOC)以及蛋白质、多糖、腐植酸和DNA的含量，明确污泥体积对超声效果的影响。

分别以浓度为6g·L-1和3g·L-1污泥为对象，选用Φ8型变幅杆，采用50W的功率对100mL污泥进行超声处理，在超声第1、2.5、5、10min时，取样并测定清液的TOC，明确污泥浓度对超声效果的影响。

以浓度为3g·L-1污泥为对象，选用Φ8型变幅杆，分别采用0.15、0.25和0.5kW·L-1功率密度对100mL污泥进行超声处理，在超声第1、2.5、5、10min时，取样并测定清液的TOC，明确超声强度对处理效果的影响。

以浓度为3g·L-1污泥为对象，分别选用Φ8和Φ2两种型号的变幅杆并在0.15和0.25kW·L-1功率密度下对100mL污泥进行超声处理，在超声第1、2.5、5、10min时，取样后测定清液的TOC，明确超声振幅对处理效果的影响。

以试验得出的结果为依据，选用Φ8型变幅杆，分别采用6、12、18、30、45、72、90kJ·L-1能量密度对浓度为17.5g·L-1污泥进行处理，对超声后清液的TOC和DNA含量进行测定，同时对经6、30和90kJ·L-1能量密度超声处理后的污泥以及未处理的污泥清液进行三维荧光光谱分析，明确采用超声法提取污泥EPS的最佳条件

2.3 测试方法

污泥的TSS采用烘干称重法测定[10]，清液中总有机碳(totalorganiccarbon,TOC)采用岛津V-CPN型TOC分析仪进行测定，多糖采用改良苯酚-硫酸法测定并以D-葡萄糖为标准物质[11]，蛋白质和腐植酸的测定采用改良福林-酚法并以牛血清蛋白作为标准物质[12]，DNA采用二苯胺法并用小牛胸腺DNA作为标准物质[13]。

采用VarianCaryEclipse荧光光度计进行三维荧光光谱分析。测定过程中，光电倍增管设定为800mV，激发波长(EX)为200～450nm，步长为5nm，发射波长(EM)为250～500nm，步长为2nm，扫描速度为1 200nm/m，狭缝宽度为5nm。该荧光光度计的最高发射光响应值为1 000AU(ArbitraryUnits)，因此在测定前采用超纯水将清液稀释到合适的浓度范围并记录稀释倍数。采用SigmaPlot11.0绘制测定结果的三维荧光图。

曼来村是沧源佤族自治县勐来乡下属行政村之一，位于勐来乡西南海拔1500米的山区，辖6个自然村7个村民小组，共有298户1121人，以佤族为主，全村共有贫困人口135户482人，是全县50个深度贫困村之一。这里实施脱贫计划任务之重、难度之大显而易见。但这些困难反而激励着沧源县公安局曼来村驻村扶贫工作队的队员们出实招、下苦功，千方百计去打赢脱贫攻坚这场硬仗。

3 结果与讨论

3.1 污泥体积和浓度对超声效果的影响

在相同功率密度条件下，对不同体积的污泥进行超声处理，得到清液中各类物质的含量以及TOC，如图1所示。从图1中可见，作用在单位体积/质量污泥的功率相同的条件下，各体积污泥清液中的TOC浓度均在850mg·L-1左右，说明从污泥中释放到清液中的物质的总量相近。而对清夜中物质组成的分析可见，4种超声体积所得到的物质组成类型和浓度没有明显差异，且清液中DNA的含量相近，说明各组试验污泥的破碎情况基本相同。

上述结果表明，在相同的功率密度下，超声的体积对超声效果无明显影响，因此采用以体积为单位的功率密度能较好地反映实际的超声效果。

图1 超声体积对污泥中物质溶出的影响

两种不同浓度的污泥超声处理后，清液中的TOC随超声时间的变化情况如图2所示。在功率密度均为0.5kW·L-1条件下，浓度为6g·L-1的污泥清液中TOC浓度在不同的超声时间下均显著高于3g·L-1污泥。将清液TOC浓度除以污泥浓度得到单位浓度污泥的TOC释放量(mgTOC·g-1DS)。从图2中可见，尽管两种浓度污泥TOC释放的绝对量有所差异，但单位浓度污泥TOC释放量却基本相同。这一结果表明超声的过程存在着能量的耗散，提高污泥的浓度可以使更多的能量作用于污泥上，从而提高能量的有效利用比例。

此外，若以干污泥质量为单位的功率密度来衡量，则浓度为3g·L-1污泥所承受的功率密度为6g·L-1污泥的2倍，这显然与图2所得到的结果不符。其主要原因是超声过程中作用在单位体积上的功只有部分施加在污泥上，而另一部分则是施加在清液中而被耗散，采用以干污泥质量为单位的功率密度并没有包含这部分被耗散的能量，因此无法较好地反映出实际的污泥处理效果。这进一步说明采用以体积为单位的功率密度能较好地反映实际的超声效果。后文中如无特殊说明，则功率密度均指单位体积内所施加的功率。

图2 不同浓度的污泥超声后清液的TOC随超声时间的变化

3.2 超声的功率密度、振幅和时间对超声效果的影响

超声过程中功率密度对清液中TOC浓度的影响如图3所示。可见，在污泥浓度等其他条件相同的情况下，在各个超声时间段内从污泥中释放到清液中的物质均随着功率密度的提高而显著增加。而从图3中单位功率密度所得到的TOC的结果可以发现，尽管提高功率密度可以加快污泥重物质的释放，但能量的有效利用效率却显著降低，即更多的超声能量被耗散掉而没有被有效地作用于污泥的处理中。因此，在应用过程中功率密度的选择需要根据实际情况和要求确定在一个合适的范围内。

图3 不同功率密度超声后污泥清液的TOC随超声时间的变化

在功率密度分别为0.15和0.25kW·L-1时，采用不同的振幅对污泥进行超声处理后清液的TOC如图4所示。从图4可知，在相同的功率密度下，采用较底的振幅(Φ8变幅杆)相比于高振幅(Φ2变幅杆)在各超声时间内均可使污泥中的物质更多的溶出。其主要原因是尽管较高的振幅可以提高污泥絮体的破碎程度，但在输入功率相同的情况下，提高振幅则降低了单位时间超声的变幅杆所处理的污泥量，因此，从总量上来说，在保证污泥破碎基本要求的条件下，采用较低的超声振幅要优于高振幅的效果。

图4 功率密度为0.15和0.25 kW·L-1时不同振幅超声后污泥清液的TOC随超声时间的变化

图5 单位时间内由污泥释放到清液中的TOC随超声时间的变化

3.3 能量密度与超声效果的相关性分析

根据3.2可以发现，在对剩余污泥进行超声处理的过程中，污泥浓度、功率密度、超声时间等因素均对超声效果产生显著的影响。将以上各组低振幅试验条件下的功率密度与超声时间相乘，得到超声处理过程中所消耗的总的能量密度，并将该能量密度下单位污泥的TOC释放量作图，得到的结果如图6所示。从图6可以发现，单位污泥的TOC释放量随着能量密度的提高而显著升高，且两者呈现出了良好的线性关系，其回归后的R2为0.966。这一结果说明，通过改变能量密度这一指标，可以很好地实现对污泥超声效果的控制。

图6 能量密度与单位浓度的污泥释放到清液中的TOC之间的关系

综合上述试验结果，在利用超声处理剩余污泥的实际应用过程中，可根据污泥的处理目标确定相应的能量密度，而超声时间、振幅和功率密度等参数则可根据污泥性质(如浓度、粘度、破碎的难易程度等)及能效因素以能量密度为基础进行调整。

3.4 超声法提取污泥EPS的工况优化

剩余污泥的EPS是污泥絮体的重要组成部分，它对污泥絮体的稳定性、沉降性能以及脱水性能都具有显著的影响，目前在对剩余污泥的相关研究中常涉及到对EPS的提取和分析。超声是一种常用的提取EPS的方法，但在不同的研究中超声参数的设定存在很大的差异。以下以前述的研究结果为依据对超声提取污泥中EPS的工况进行考察。

对污泥的EPS进行提取的理想情况是在不破坏微生物细胞结构的前提下尽可能地得到更多的胞外物质。根据前述研究，通过改变能量密度可以很好地实现对污泥超声效果的控制，而TOC和DNA的浓度则可以反映污泥中物质的释放量以及细胞的破碎程度。不同能量密度超声后，污泥清液中TOC和DNA浓度的测定结果如图7所示。从图7中可以看出，随着能量密度的提高，污泥中物质的溶出(亦即清液中TOC的浓度)呈现出线性升高的趋势，这与之前的研究结果相一致。而清液中DNA的浓度则随着能量密度的提高而具有明显的拐点。在达到拐点之前，清液中DNA的含量随能量密度的变化较为缓慢，说明此时细胞破碎的比例较低，清液中的TOC主要来源于污泥的胞外物质即EPS；而拐点之后的DNA浓度随能量密度的提高而显著升高，此时TOC的升高则主要来源于细胞破碎后胞内物质的释放。因此，根据提取EPS的理想情况分析，DNA出现拐点时的能量密度(约为26 kJ·L-1)即为超声法提取EPS的最佳工况。

图7 不同能量密度超声后污泥清液中的TOC以及DNA的浓度

对未经超声处理的污泥清液、经超声处理且声能密度在DNA浓度出现拐点前(6 kJ·L-1)、拐点附近(30 kJ·L-1)以及超过拐点后(90 kJ·L-1)的污泥清液进行三维荧光光谱(EEM)分析，其谱图如图8所示。

图8 超声处理后的污泥清液(能量密度分别为6、30和90 kJ·L-1)以及未处理的污泥清液的三维荧光光谱

从图8可知，不同的超声条件得到的清液中有机物的组成存在着一定的差异。其中未处理的污泥清液在三个位置出现了显著的荧光峰，其Ex/Em分别为225/360 nm(Peak A)、275/360 nm(Peak B)和320/430 nm(Peak C)。根据文献报道，在相同发射波长下出现的Peak A和Peak B均是蛋白类物质的荧光峰，其中Peak A主要是含芳香环类的蛋白，Peak B主要是色氨酸类蛋白，Peak C则是以腐植酸类物质为主[14-15]。腐植酸主要存在于污泥的EPS中，而随着超声能量密度的提高，腐植酸在清液中所占的比例逐渐降低，说明清液中来源于污泥EPS的物质所占的比例逐渐降低。此外，随着能量密度的提高，从图8中可见Peak A和Peak B发生了一定的红移，荧光峰的红移表明了荧光物质中羰基、羟基、烷氧基、氨基和羧基等基团的增多，是污泥中胞内的复杂有机物释放到清液中的结果[14]，这进一步说明了在较高的能量密度下清液中胞内物质的比例会逐渐升高。因此，为了实现污泥EPS的有效提取和分离，需要将能量密度控制在一定的范围内，如本研究中针对该污泥的性质所选择的最佳超声提取EPS的条件约为26 kJ·L-1。

4 结 论

污泥浓度、功率密度、超声时间、振幅等因素均会显著影响剩余污泥的超声效果，而在功率密度一定的条件下，污泥的体积对超声效果的影响较小，且采用以体积为单位的功率密度能更好地反映实际的超声效果。污泥超声过程存在着能量耗散，较高的功率密度和超声时间均会显著增加功的耗散而降低能效，在相同的功率密度下低振幅具有更高的能效。以能量密度作为指标可以很好地控制超声的强度，以实现不同的超声目的，如提取污泥EPS中物质的最佳能量密度约为26 kJ·L-1。本文试验结果和结论为污泥处理过程中超声参数的选择提供了指导和借鉴。

[1]Liu Y，Fang H H P.Influences of extracellular polymeric substances (EPS) on flocculation, settling, and dewatering of activated sludge[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2003,33(3):237-273

[2]Elefsiniotis P,Wareham DG，Oldham W K.Particulate organic carbon solubilization in an acid-phase upflow anaerobic sludge blanket system[J].Environmental Science & Technology,1996,30(5):1508-1514

[3]Tiehm A,Nickel K,Neis U.The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge[J].Water Science and Technology,1997,36(11):121-128

[4]Feng X,Deng J C,Lei H Y,et al.Dewaterability of waste activated sludge with ultrasound conditioning[J].Bioresource Technology,2009,100(3):1074-1081

[5]Tiehm A,Nickel K,Zellhorn M,et al.Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization[J].Water Research,2001,35(8):2003-2009

[6]Khanal S K,Grewell D,Sung S,et al.Ultrasound applications in wastewater sludge pretreatment:A review[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2007,37(4):277-313

[7]Pilli S,Bhunia P,Yan S,et al.Ultrasonic pretreatment of sludge:A review[J] Ultrasonics Sonochemistry,2011,18(1):1-18

[8]Yin X,Lu X P,Han P F,et al.Ultrasonic treatment on activated sewage sludge from petro-plant for reduction[J].Ultrasonics,2006,44:397-399

[9]Yu G H,He P J,Shao L M,et al.Enzyme activities in activated sludge flocs[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2007,77(3):605-612

[10]APHA.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[J].20th ed.Washington,DC,USA:American Public Health Association,2008

[11]Gerchakov S M，Hatcher P G.Improved technique for analysis of carbohydrates in sediments[J].Limnology and Oceanography,1972,17(6):938-943

[12]Frolund B,Griebe T,Nielsen P H.Enzymatic activity in the activated-sludge floc matrix[J].Applied Microbiology and Biotechnology,1995,43(4):755-761

[13]Burton K.A study of the conditions and mechanism of the diphenylamine reaction for the colorimetric estimation of deoxyribonucleic acid[J].Biochemical Journal,1956,62(2):315

[14]Sheng G P，Yu H Q.Characterization of extracellular polymeric substances of aerobic and anaerobic sludge using three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence spectroscopy[J].Water Research,2006,40(6):1233-1239

[15]Yamashita Y，Tanoue E.Chemical characterization of protein-like fluorophores in DOM in relation to aromatic amino acids[J].Marine Chemistry,2006,102(3-4):316-316

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.06.027

2015-02-28

胡满杰(1963-)，安徽怀宁人，高级工程师，主要研究方向：环境工程。

X703.1

A

1673-2006(2015)06-0100-05