超声预处理强化污泥厌氧消化研究进展

郭广亮，陆 佳，王 欣，刘 伟，苏小红，范 超

(1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090)



超声预处理强化污泥厌氧消化研究进展

郭广亮1，2，陆 佳1，2，王 欣1，2，刘 伟1，2，苏小红1，范 超1

(1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090)

活性污泥法处理污水产生大量的污泥，寻求合理的污泥处理处置方式已经迫在眉睫。厌氧消化是集无害化、稳定化、资源化和减量化为一体的污泥处理处置过程。超声预处理可以提高细胞破解率，加速有机质释放，加快污泥的水解速率，增加后续产气量与产气质量，提高固体去除效率，提升整个厌氧消化效率。综述了当前研究和应用较多的超声波预处理技术的研究进展，从超声预处理的原理出发，分析了超声预处理强化厌氧消化的影响因素，同时，对超声联合其他预处理方式的处理效果进行深入分析，并对超声预处理相关技术存在的不足和应用前景进行讨论与展望。

超声预处理；污泥；强化；厌氧消化；联合预处理

据污泥行业市场调查报告的数据显示，截至2015年年底，全国城镇累计建成污水处理厂3 850余座，日污水处理能力已达到1.62亿m3，其中超过90%的污水处理厂采用活性污泥法作为其核心处理工艺，此工艺伴生的年污泥产量(含水率80%计)已突破3 000万t[1]。污泥处理成本约占整个污水处理工艺的30%～40%[2]，已成为制约该技术应用的瓶颈，合理的处理处置方式备受业界关注。

厌氧消化过程因其所需能量较低，在回收污泥生物质能同时可杀灭病原微生物，在一定程度上可以改善污泥脱水性能，是集无害化、稳定化、资源化和减量化为一体的污泥处理处置过程，具有显著的经济、社会和环境效益，已成为国际上应用最广泛的污泥处理处置方法，其中预处理技术作为改善污泥水解这一限速过程的措施，更是人们研究的热点[3]。

超声波技术被应用于污泥的预处理阶段，促进污泥的厌氧消化过程，发挥着一定优势作用。首先，超声后污泥的絮体粒径可削减50%，破解效果明显，增溶作用显著，解决了厌氧消化的水解限速影响[4]；其次，大大提高了厌氧消化效率和污泥的生物降解性，对后续厌氧消化的沼气产量和质量提升明显，挥发性固体(VS)去除效果增强，缩短了固体停留时间，缩小了构筑物体积，在一定程度上节约了建筑成本；同时，超声预处理还具有成本经济、高效节能、自动化程度高、无二次污染、工程应用灵活和可适用性强等优势。因此，得到国内外专家学者的高度认可，实验室阶段和工程化规模应用研究广泛[5-9]。

1 超声预处理污泥原理

超声波是指频率从20～100 MHz的声波。超声波在污泥液体中作用时，会形成大量的微气泡，随着作用强度的增大和时间的延长，微气泡逐渐长大直至最终瞬时破裂形成水力剪切力，伴有局部的高温高压(5 000 ℃，500 bar)，进而破解污泥细胞结构，使得胞内溶解性有机质大量溶出，为后续污泥厌氧消化提供充足的底物供应，从而提高剩余污泥的生物可利用性，解决水解限速厌氧消化过程这一瓶颈，这种作用被称为空化效应[10，11]。与此同时，超声过程中还会产生一定热效应和自由基效应，但是经过大量研究考证，这两种作用对污泥破解的贡献较小，主要还是空化效应的结果[12，13]。

超声预处理过程各参数的合理匹配和条件优化对厌氧消化效果影响较大，主要影响因素包括：超声时间、声能密度、超声强度、超声频率、比能耗输入、超声波发生器类型、有机负荷、污泥停留时间和预处理部分所占比例等。

超声时间、声能密度和超声强度是超声预处理的三个关键参数，直接影响污泥的破解程度和消化效率。溶解性有机物的溶出为厌氧消化供应必需底物。王芬等[14]以超声处理剩余污泥前后的SCOD溶出率为主要指标评价了超声时间、声能密度和超声强度三因素对污泥破解的作用效果，结果表明，SCOD溶出率随着三者的增强而增大，且影响程度为超声作用时间>声能密度>超声强度；当声能密度与超声强度固定时，SCOD溶出率在一定时间范围内，随时间延续线性升高；在声能密度为0.384 W/mL及1.44 W/mL条件下超声辐射30 min，SCOD溶出率分别为30%和68.36%。丁文川等[15]研究发现，低强度超声(20～40 kHz)作用下，总氮(TN)和总磷(TP)随超声时间与声能密度(0.03～0.10 W/mL)的增大而增大。

超声频率的选择直接影响破解效果和能耗，Tiehm等[16]研究了频率范围41～3 217 kHz的超声波对污泥破解的影响。结果表明，在41 kHz时，污泥的破解度较高，整体效果也是低频破解比高频破解更好；薛玉伟等[17]在破解频率为28 kHz条件下获得最强声强效果；Gonze E[18]和Wang F等[13]在实验室超声频率为20 kHz辐照下得到微生物细胞破壁最优效果。

Bougrier等[19]研究了比能耗输入对污泥的破解和后续厌氧消化影响，通过实验发现，在比能耗输入分别为1 355、2 707、6 951和14 547 kJ/kg TS时，固体含量为2%的污泥，以超声频率20 kHz，超声功率225 W辐照处理后，经过16 d厌氧消化，沼气产量分别增大1.48、1.75、1.88和1.84倍。Donoso-Bravo 等[20]研究也表明，以比能耗输入低于2 754 kJ/kg TS辐照作用，污泥的破解没有明显增大，后续的厌氧消化产气量也提升不明显，但在12 400 kJ/kg TS条件下，沼气产量增加了40%。Salsabil 等[21]研究发现，在比能耗输入为200 000 kJ/kg TS时，总悬浮固体(TSS)与未经超声处理污泥相比提升20%。Bougrier等[22]和Dewil等[23]在实验室和中试阶段的研究表明，低频(20～40 kHz)和限定的比能耗输入(1 000～3 000 kJ/kg TS相当于大约 20～60 kJ/L)对沼气产量的提升有一定促进。

杨洁等[24]研究了超声波发生器的类型对污泥破解的效果影响，结果发现，在相同比能耗输入下，多频槽式超声波发生器破解效果是单频探头式的3.5倍。蒋建国等[25]研究也证实了这一发现，双频超声波处理后污泥的SCOD溶出量大，比单频超声波高出23.5%。但是，在最终的沼气产量核算上，剩余污泥经单频超声处理后的却高出多频槽式超声波的40.93%，原因可能是过强的超声强度抑制了微生物活性。

许多学者研究了污泥负荷(F/M)和有机负荷率(OLR)对超声破解污泥后续厌氧消化沼气产量和固体除去率的影响，Braguglia等[26]研究表明，提高底物与接种物的比率到0.5，沼气产量提升了25%，研究也分析了OLR和污泥破解度对后续厌氧消化的影响，发现在中低的OLR((0.7～1.4 gVS/L d)和污泥破解度为4%条件下，经过比能耗输入为5 000 kJ/kg TS超声预处理后，固体除去率提升20%，SCOD去除率达到90%，沼气产量增加了30%。Koksoy等[27]将超声处理后的污泥以较高的F/M(10)在序批式厌氧消化器中发酵后，与对照相比，甲烷含量有32%的提升，同时固体去除率提高了44%，这可能是超声处理后的污泥有大量可溶性有机质溶出所致。

Neis等[28]研究了超声预处理后，固体停留时间(SRT)对污泥固体去除率(VS)和沼气产量的影响。实验发现经过超声预处理的污泥SRT缩短4 d，同时，VS去除率却提升了30%。Apul等[29]报道0.51 W/mL超声处理污泥15 min，有机负荷(OLR)0.5 kg VS/m3d，SRT为15 d，沼气产量提升49%，VS去除率提升24.6%。

Perez-Elvira等[30]研究了预处理部分投配率对厌氧消化产气量和COD去除率的影响，结果发现，全部超声预处理污泥产气量比部分超声预处理后提升41%。然而，Kim等[31]的研究却得到不同的结果，在投配率为16%和30%时得到最大的沼气产量，分析原因可能是因为过量的超声辐照使挥发性固体转化为惰性或抑制性物质，阻碍了产甲烷菌的活性，进而影响沼气产量。

总地来说，在序批式、连续式和半连续式的系统中，沼气产量的提升从 24%～84%，VS去除率从21%～57%，比甲烷产率从32%～104%。而且高的F/M(10)和高的投配率(全部超声辐照)对污泥的生物降解、固体去除效率和沼气产量有积极促进作用[19-23，26-31]。

2 超声联合其他方式的混合处理

混合处理是指热预处理、机械预处理和化学预处理三种方式的任意组合，组合后的工艺协同作用突出，效率提升明显，单位能耗降低，资源环境友好，应用前景广泛，越来越被行业所接受。

2.1 超声联合碱预处理

碱处理具有速度快，效率高等优势，但是药剂投加量大，运行费用高，易腐蚀仪器构筑物，增加了后续的处理负担[32-34]。超声联合碱预处理工艺过程中，碱的化学作用弱化了污泥絮体结构和微生物的细胞壁强度，使得污泥对超声波作用更加敏感，增强了超声的效果，碱处理后再应用超声既降低了超声系统的能耗需求又得到很好的污泥破解度，增溶效果明显，后续厌氧消化效率显著提高[33-35]。

Chiu等[36]研究了超声与碱混合预处理对污泥的溶解性和后续有机质(TCOD)通过厌氧生物转化成为挥发性有机酸(VFAs)的效率。研究表明，在碱解条件(40 meq NaOH/L，24 h)联合超声条件(20 kHz，120 W，24 s/mL)破解下，COD最高的溶解度达到89%；同时约84% 的TCOD转化为VFA，是未经处理的对照组、单独应用碱处理或超声处理的8.5、3和5倍左右。杨洁等[24]对超声与碱联合预处理剩余污泥VSS去除率进行了研究，结果表明，VSS去除率达到54.45%，而单独应用超声或碱解的效果仅为15.98%和22.12%。Liu等[37]也同样发现，碱联合超声(28 kHz，60 min，pH 12)显著提升了一些重要参数的溶解性，其中TS、VS和天然蛋白分别提升38.5%、61.6%和67.5%，而且从VS到VFA的转化率也由0.137 g/g增加到0.224 g/g，提升了64%。

2.2 超声联合臭氧预处理

臭氧是一种强氧化剂，能与污泥中的细菌反应，破坏细胞壁，释放出细胞内的细胞质并继续将大分子有机物降解为小分子，提高后续系统的生物降解性，但处理成本高、费用大，极大制约其工程应用。臭氧与超声的联合预处理在许多方面显现出优势。超声通过增加容积传质效率提高了臭氧在液体中的转移和溶解，利于分解臭氧生成多个OH·与底物反应[38]，与此同时，臭氧微气泡作为空化核心产生更多的声空化效应，又提高了超声预处理的效率[39]。Xu等[40]也研究了联合方式对污泥溶解性和后续厌氧消化的效果影响，结果表明，随着超声声能密度和臭氧投加计量的增加，污泥的增溶效果明显，在臭氧剂量为0.6 g/h的条件下对TS=1.9%的剩余污泥以声能密度为1.5 W/L超声辐照1 h，得到最大的COD溶出为20.8%；在臭氧剂量为1 g/h的条件下对TS=1.9%的剩余污泥以声能密度为0.26 W/L超声辐照1 h，得到最大的COD溶出为22.5%；并在臭氧剂量为0.6 g/h的条件下对TS=1%的剩余污泥以声能密度为0.26 W/L超声辐照1 h，得到最大的COD溶出为32.26%。

2.3 超声联合热水解预处理

热水解处理是近年来在实验室阶段研究成果显著，又被迅速发展应用于工程实践的一种高效的剩余污泥预处理技术。热水解处理破坏污泥胶体结构，释放出大量有机物，加速污泥絮体内部和细胞内部的间隙水的释放，促进污泥减量并提高后续污泥的厌氧消化效率[41，42]。Dhar等[43]做了超声与热解联合预处理对污泥溶解性和后续厌氧发酵效果的影响研究，研究发现，在经过90 ℃热解 30 min后，以比能耗输入为10 000 kJ/kg TSS条件超声辐照剩余污泥，得到最高的VSS溶解度(38%)和最大的甲烷增量(30%)，与单独应用热解或超声处理效果相比提升明显。

混合预处理方法与单独的预处理方法相比，减少了能源消耗、化学品的使用和反应时间，由于协同效应，混合工艺的应用可以为污泥的处理提供更高效和经济的解决方案。此外，混合预处理方法的实证研究为政策制定者和环保机构提供污泥处理处置的最合理、坚实和可持续的理论基础。

3 讨论与展望

超声预处理破解污泥效果明显，促进有机物溶解、加速水解效率、提高微生物活性和生物利用率，从而进一步缩短消化进程时间，节约构筑物的成本，在提高产气量与产气质量的同时，固体去除率提升明显，降低后续污泥处置成本。

国内至今暂无实际工程应用报道，实验室阶段研究也是刚刚起步，真正针对我国污泥含沙量大、有机质含量偏低等实际泥质特点而进行的研究开发不够系统和全面，设备运行参数还有待优化，经济效益评估有待完善。价格低廉、空间节省、运行维护简便、性能稳定和节能高效的设备研发也是国内外该领域今后的研究重心。

另外，超声联合其他预处理方式较单独使用超声预处理优势显著。将不同的预处理方法进行优化组合，扬长避短，确定最佳组合工艺条件，以达到最佳的厌氧消化效率。联合预处理方式虽然在前期投入阶段增加了污泥处理的成本，但这完全可以被污泥减量和高的沼气产量所补偿，再考虑到后续脱水、干化、焚烧运输和土地填埋的费用的减少，消化速率的提高，固体停留时间的缩短、消化罐的体积的减小及基建成本的降低，联合预处理技术一定是未来发展的趋势所向。

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Study of ultrasonic sludge pretreatment and its enhancement for anaerobic sludge digestion

GUO Guang-liang1,2, LU Jia1,2, WANG Xin1,2, LIU Wei1,2, SU Xiao-hong1, FAN Chao1

(1. Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150090, China; 2. Science and Technology Incubator Center, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

The treatment and disposal of excess sludge is becoming arising challenge for municipal wastewater treatment plants due to huge amounts of sludge production resulted from wide application of activated sludge treatment. Anaerobic digestion process incorporates a harmless, stabilization, recycling and reduction of sludge treatment and disposal. Ultrasonic pretreatment can increase the rate of cell crack, accelerate the release of organic matter and the rate of hydrolysis of sludge, thereby increasing gas production and subsequent gas production quality, increasing the solids removal efficiency and enhancing the overall efficiency of anaerobic digestion. This paper reviews the research progress of ultrasonic pretreatment technology which is widely researched and applied. In this study, the state of ultrasonic sludge pretreatment was thoroughly reviewed, including the principle and factors of ultrasonic pretreatment processes of sludge. Meanwhile, ultrasound coupled with other pretreatment processes effect was detailed analyzed, the prospects and shortages of ultrasonic sludge pretreatment and its enhancement on anaerobic sludge digestion were also discussed and forecasted.

Ultrasonic pretreatment; Sludge; Enhancement; Anaerobic digestion; Coupling pretreatment

2017-01-30

项目来源：省应用技术研究与开发计划项目

郭广亮(1985-)，男，助理研究员，硕士。

X703

A

1674-8646(2017)08-0014-04