超声波污泥减量技术在污水处理中应用效果研究

2020-04-10朱广峰谢雯决洋洋葛枚楼成淦

声学与电子工程 2020年1期

朱广峰谢雯决洋洋葛枚楼成淦

（1.杭州瑞利超声科技有限公司，杭州，310023；2.浙江富春紫光环保股份有限公司，杭州，311400)

污泥的性质和成分相对于生活污水更复杂，受到污水以及处理方式等多因素的影响，剩余污泥处理处置不仅难度大，而且费用较高（占污水总处理费用的30%～60%）[1]，导致国内长期存在“重污水处理，轻污泥处理处置”的倾向，进而使得污泥处理处置技术发展滞后，严重落后于污水的处理技术[2]。截至2019年2月底，全国设市城市累计建成污水处理厂5 500多座，污水处理能力达2.04×109m3/d，年产生含水量80%的污泥5000多万吨（不含工业污泥4000多万吨）。大量剩余污泥的产生成为世界污水处理厂所必须面对的棘手问题，而我国这一问题更为严重[3]。

目前，由于处理处置费用高昂以及存在潜在的二次环境污染风险，传统的污泥处理与处置的可持续性差，人们开始由污泥的末端治理转向源头控制。近年来，作为源头控制的污泥原位减量技术成了研究热点[4]。超声波污泥减量的原理即是基于细胞粉碎后释放出胞内物质，作为营养物质供微生物生长，从源头控制污泥减量的技术。本研究以城镇污水处理厂产生的剩余污泥为研究对象，对超声波污泥减量技术进行工程应用研究，以考察污泥减量效果及其对污水厂生化系统的影响。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

本研究所采用的超声波污泥减量装置如图1所示，该装置是由中国船舶第七一五研究所开发研制，主要由集装箱、螺杆泵、切割机、超声波处理设备、控制系统及供电系统组成。超声波污泥减量装置装机功率15 kW，处理污泥量1～5 m3/h，污泥破壁率大于2%。

图1 超声波污泥处理装置

1.2 试验方法

以浙江金华某污水处理厂A区和B区两条平行运行的污水处理系统为比较对象。A区作为超声组，部分剩余污泥经超声波作用后返回生化池A区缺氧段，工艺流程图见图2，B区作为对照组。通过比较A区与B区好氧池出水水质，评价超声波污泥减量对原生化系统的影响。通过比较试验前后污水厂污泥排放量，检验超声波污泥减量效果。

图2 超声波污泥减量工艺流程图

1.3 分析方法

污泥上清液 COD、TN、TP：泥样经自然沉降12 h，取上清液送样至污水处理厂化验室，稀释合适倍数，COD采用快速消解分光光度法检测，TN、TP按照国标方法检测。

污泥含水率：由水分分析检测仪检测。

污泥产生量：取自污水处理厂日报表。

2 结果与讨论

2.1 超声污泥处理后上清液水质指标的变化

分别取二沉池、浓缩池污泥进行超声波污泥处理预实验，超声功率1 kW，处理量0.25 m3/h，经超声波处理后污泥上清液的主要水质指标变化见表1。其中处理后2是一次重复试验。由表1可知，污泥经过超声波处理后，污泥上清液 COD、TN、TP均有增加。说明超声波处理污泥过程产生空化现象，能够破解污泥中微生物的胞外聚合物、细胞壁结构以及有机物残体等。大部分超声破解污泥的研究都发现污泥的超声破解过程中有机物、氮、磷从污泥固相向液相转变[5]。分析认为超声波对污泥的作用有三个方面：其一是将菌胶团打散，使其中的可利用物质暴露出来；其二是击破微生物细胞，使其内部物质释放出来，后者可作为碳源和催化剂；其三是将一些难降解物质转化成易降解物质。

表1 超声污泥处理后主要水质的变化

COD、TN、TP的释放不但和能量输入有关，也和污泥特性有关。由于浓缩池污泥浓度是二沉池的 2～5倍，污泥有部分厌氧作用，变化更为明显。经过超声波作用后，污泥上清液 COD增加幅度差异最大，二沉池污泥增加约20 mg/L，浓缩池污泥增加200 mg/L。很明显，超声处理浓缩池剩余污泥非常适用于污水处理厂进行超声波污泥减量工程。

2.2 超声污泥减量对出水COD的影响

如图3所示，超声组与对照组生化池出水COD变化趋势相同，经计算，超声组平均值为 43.67 mg/L，对照组平均值为43.59 mg/L。超声污泥减量对系统出水COD影响较小的原因：一是污泥经超声处理后，被束缚在微生物细胞内的有机物被释放出来，这些有机物属于易降解的物质，可以直接被微生物利用而降解；二是超声波可以使大分子有机物分解成小分子，由不易被生物利用的有机物变为易被生物利用的有机物，有利于污水处理中去除难降解有机物[6]；三是超声处理过程中未被破碎的细胞也会参与对有机物COD的去除。基于以上原因，超声波污泥减量不会影响系统出水COD的变化。

图3 超声污泥减量对出水COD浓度的影响

2.3 超声污泥减量对出水TN的影响

如图4所示，超声组与对照组生化池出水TN变化趋势相同，超声组平均值为9.66 mg/L，对照组平均值为10.62 mg/L。超声组出水总氮降低的原因可能是此时的进水总氮浓度降低，而进水 COD浓度基本没有变化，使得超声组进入缺氧池的碳氮比增加。由于在缺氧段，异养型兼性反硝化菌成为优势菌群，反硝化菌利用污水中可降解的有机物作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体，将回流混合液中的硝态氮还原成气态氮而释放，从而达到脱氮的目的[7,8]。污水中的碳氮比高，则其中可降解有机物浓度就高，就可以为反硝化过程提供充足的碳源，促进反硝化过程的进行，脱氮效果就好。在超声试验组工艺线的缺氧池投加破解污泥，作为碳源以供反硝化菌利用，虽然能提高去除率，但系统仍需要补充乙酸钠作为碳源，才能满足反硝化的要求。

图4 超声污泥减量对出水TN浓度的影响

2.4 超声污泥减量对出水TP的影响

如图 5所示，超声组与对照组生化池出水 TP变化趋势一致，超声组平均值为0.28 mg/L，对照组平均值为0.25 mg/L。分析认为，磷的去除主要是利用污泥当中的聚磷菌微生物，能够过量地从外部环境体系摄取磷，并将磷以聚磷酸盐的形态贮藏在菌体内，形成含磷较高污泥，排出系统外，从而达到除磷的目的。本研究出水 TP影响不大的原因可能是由于超声污泥回流过程中补充了聚磷菌与反硝化菌生长所必须的碳源和其他营养物质，使聚磷菌成为优势菌，提高系统的除磷能力。但超声污泥回流也会给系统增加更多的磷，使得污泥中增加的聚磷菌把投加超声污泥中的磷吸收[9]。超声污泥减量过程把含磷污泥破碎又回到系统，如果回流比过高，使高磷污泥不能及时排出反应器，从而增加了出水磷浓度。本研究超声处理剩余污泥的比例为 50%，出水均未超出城镇污水处理厂一类A级标准。

图5 超声污泥减量对出水TP浓度的影响

2.5 超声污泥减量对污泥产量的影响

本研究试验污泥减量评价取上一年同期（即2018年9～11月）与试验期间（即2019年9～11月）进行对比（表2）。有机负荷是生化产泥的最主要影响因素，通过有机负荷比例的修正会得到相对比较准确的结果。污泥减量率 RSP（%）采用如下公式计算：

式中，M1为当年某期间污泥产量；M2是前一年同期间污泥产量；s为修正系数，是前一年同期有机负荷与当年某期有机负荷比值。

表2 污泥减量修正计算

本研究中，污水处理厂A区作为超声污泥减量试验组，B区作为对照，共用污泥脱水系统，A区超声组污泥减量率按系统修正减量率的2倍核算。根据表2的统计，2019年9～11月，污水处理厂有机负荷为255 t，污泥绝干量为114.5 t；2018年同期，有机负荷184 t，污泥绝干量为96.18 t。经计算修正减量为14.1%，即超声污泥减量组污泥减量28.2%。