蘇洪敏，李梅 ，孔祥瑞，張克峰，顧婧

(山東建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

活性污泥法因去除COD 效果明顯，運(yùn)行費(fèi)用低廉，適用范圍較廣，受到許多城市污水處理廠的重視。但此法會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，剩余污泥的處理與處置費(fèi)用通常高達(dá)整個(gè)污水處理廠建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用的50%～60%［1－2］。傳統(tǒng)的污泥處理處置方法(焚燒、填海、土地填埋等)容易產(chǎn)生二次污染，很難達(dá)到越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)境要求［3－6］。早在1996 年，德國(guó)就首先提出廢物減量化、資源化和無(wú)害化的優(yōu)先順序［7］。開(kāi)發(fā)研究新的污泥減量方法已經(jīng)成為當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)。

目前剩余污泥的減量技術(shù)研究主要是基于隱性生長(zhǎng)的減量技術(shù)和基于解偶聯(lián)生長(zhǎng)的減量技術(shù)。隱性生長(zhǎng)(cryptic growth or death regeneration)是指微生物利用自身細(xì)胞或其溶解產(chǎn)物進(jìn)行新陳代謝的生長(zhǎng)方式。解偶聯(lián)(uncoupling)是指從能量上對(duì)微生物細(xì)胞的合成進(jìn)行抑制，使微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生的能量不用于合成細(xì)胞本身［8－10］。在現(xiàn)有的各種污泥減量技術(shù)中，超聲波污泥減量化技術(shù)是基于微生物隱性生長(zhǎng)的一種新型污泥減量技術(shù)，它有無(wú)污染、無(wú)需添加化學(xué)藥劑、占地面積小、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)［11－12］，在工業(yè)應(yīng)用上具有廣闊的前景。

1 超聲波破解污泥的作用機(jī)理

超聲波是物理介質(zhì)中的一種彈性機(jī)械波，與電、光、磁等同樣是一種物理能量形式。超聲波的頻率一般為20×103～10×106Hz。研究表明，當(dāng)一定強(qiáng)度超聲波作用于某個(gè)液體體系時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，并明顯改變液體體系中溶解態(tài)和顆粒態(tài)物質(zhì)的特征，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)是由于大量的空化泡在瞬間爆炸而引起的。當(dāng)一定頻率的超聲波持續(xù)作用于某個(gè)液體體系時(shí)，原先存在于液體中的許多微氣泡(空化核)會(huì)隨之振動(dòng)，并隨機(jī)形成許多大小不等的小氣泡。當(dāng)超聲波強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，一部分氣泡在負(fù)壓期迅速長(zhǎng)大，在正壓期又迅速閉合，這就是“超聲空化”現(xiàn)象［13］。當(dāng)這些氣泡破滅時(shí)，將產(chǎn)生極為短暫的高強(qiáng)度壓力脈沖，并在氣泡周圍的微小空間產(chǎn)生熱點(diǎn)。瞬間熱點(diǎn)產(chǎn)生高溫(5000 K)、高壓(5×104kPa)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生很高的剪切力，將微生物的細(xì)胞壁擊破。在不添加化學(xué)藥劑、酶以及其他物質(zhì)的情況下，連續(xù)的高頻率超聲波可以溶解微生物細(xì)胞，破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使其中的水溶解出來(lái)，不僅提高了污泥的脫水性能，而且達(dá)到污泥減量的目的［14－15］。

2 超聲波對(duì)污泥性狀的影響

2.1 對(duì)污泥粒徑的影響

許多研究表明，經(jīng)過(guò)一定聲能密度的超聲波處理后，剩余污泥的粒徑變小。Yu 等研究發(fā)現(xiàn)，在超聲脈沖比為2:1、超聲時(shí)間為10 min 的固定條件下，0.2 W/mL 是聲能密度對(duì)污泥粒徑作用的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)聲能密度小于0.2 W/mL 時(shí)，污泥粒徑大小基本不變;當(dāng)聲能密度大于0.2 W/mL 時(shí)，污泥粒徑明顯減?。?6］。Chu 等也有類似的研究［17］。聲能密度對(duì)污泥粒徑的影響如表1 所示。

表1 聲能密度對(duì)污泥粒徑的影響

2.2 對(duì)污泥脫水性能的影響

適當(dāng)功率的超聲波可以使污泥更容易脫水，但如果功率過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致污泥結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，空化效應(yīng)會(huì)過(guò)分破壞污泥顆粒，導(dǎo)致污泥脫水性能惡化;相反，如果功率過(guò)小，對(duì)污泥作用不夠充分，也不利用污泥脫水。楊金美等［18］研究了超聲波對(duì)活性污泥沉降與脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波能有效減少污泥含水量，從而減少污泥體積。超聲作用10 min時(shí)，SS、VSS 分別減少了15.5%、19.3%，VSS/SS 從75.4%降到了72%;超聲作用25 min 時(shí)，SS、VSS 分別減少了24.3%、28.6%，VSS/SS 降低至71.1%。孫玉琦等［19］研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)某晻r(shí)間可以脫去污泥中的水分，改善污泥的脫水性能，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都不利于污泥脫水，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而會(huì)導(dǎo)致污泥脫水性能變差。

2.3 對(duì)污泥厭氧消化效果的影響

由于超聲波能破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使微生物細(xì)胞裂解，從而挾裹在菌膠團(tuán)內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)被釋放到水中，被微生物所利用，這一過(guò)程基本上取代了污泥水解酸化過(guò)程，大大縮短了污泥厭氧發(fā)酵時(shí)間并且提高了污泥的可生化性。蔣建國(guó)等利用槽式雙頻超聲波發(fā)射器進(jìn)行了該方面的研究［20］。在經(jīng)過(guò)聲能密度為75 W/L，頻率為80 kHz 的超聲波處理后，污泥產(chǎn)氣量增加30%～50%，而19 kHz 的超聲波則使產(chǎn)氣量增加20%～40%。但并非頻率越高越有利，頻率過(guò)高會(huì)影響污泥空化效應(yīng)，反而不利用污泥的厭氧消化，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中需考慮使用中低頻率的超聲波。

3 超聲波與其他技術(shù)聯(lián)合效應(yīng)

3.1 與堿處理技術(shù)聯(lián)合

已有研究表明，將堿處理與超聲波處理相結(jié)合對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理已經(jīng)達(dá)到了較好的效果。同時(shí)采用超聲波和堿處理，最初的水解速率明顯要大于單獨(dú)采用其中一種方式進(jìn)行處理，污泥預(yù)處理時(shí)間明顯縮短。馬華繼等對(duì)處理量為400 m3/d 的中試系統(tǒng)進(jìn)行了超聲波－堿協(xié)同作用的研究。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)的表觀產(chǎn)率系數(shù)為0.33 kgVSS/kgCOD，污泥減量效果可達(dá)46.78%，出水水質(zhì)較好［21］。

3.2 與臭氧技術(shù)聯(lián)合

黃慧等對(duì)超聲破解與臭氧氧化相結(jié)合進(jìn)行污泥處理做了初步研究［22］。研究表明，超聲波和臭氧相結(jié)合雖然增加了超聲波部分的費(fèi)用，但是明顯提高了臭氧的利用率，要比單獨(dú)使用臭氧效果好，總體的處理成本要低于單獨(dú)使用臭氧進(jìn)行處理。

3.3 與AB 法聯(lián)合

周建等針對(duì)AB 法A 段工藝剩余污泥產(chǎn)量大的問(wèn)題，采用超聲波技術(shù)對(duì)A 段污泥減量效果進(jìn)行了研究［23］。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。裝置分為兩部分，一部分為A 段曝氣－沉淀一體化反應(yīng)器，另一部分為超聲波接觸反應(yīng)池，污水在超聲波接觸反應(yīng)池中反應(yīng)。經(jīng)額定功率900 W，頻率28 kHz 的超聲波作用0.5 h 后，大部分SS 都已破碎，SS 降低了71.7%，污泥減量效果明顯。

圖1 超聲波試驗(yàn)裝置圖

4 影響超聲效果的因素

影響超聲效果的因素成為近幾年研究的熱點(diǎn)。污泥本身的性質(zhì)(pH 值、含水率等)、超聲波的頻率、聲能密度、聲強(qiáng)、超聲作用時(shí)間等均會(huì)對(duì)超聲效果產(chǎn)生影響。Castro 等研究了污泥的外部壓力、污泥內(nèi)的水汽壓力以及超聲波空化作用的不同類型對(duì)污泥減量作用的影響，并分析了各因素之間的相關(guān)聯(lián)系［24］。王芬等進(jìn)行了超聲與堿協(xié)同作用的試驗(yàn)，研究得出各因素對(duì)超聲破解污泥效果影響的順序?yàn)?污泥pH 值＞污泥濃度＞聲強(qiáng)＞聲能密度，并分析污泥pH 值影響最大的原因可能是超聲與堿的耦合作用［25］。這些研究為實(shí)際工程中超聲波的參數(shù)控制提供了依據(jù)。

5 應(yīng)用實(shí)例

德國(guó)Sonix 公司研發(fā)生產(chǎn)的大型超聲波污泥處理裝置已在德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)和澳大利亞的多個(gè)污水處理廠運(yùn)行。英國(guó)Wesses 污水廠安裝了該系統(tǒng)用來(lái)處理市政與工業(yè)廢水混合污泥，處理效果良好。未經(jīng)超聲預(yù)處理的污泥TS 與VS 減少量分別為40%和50%，經(jīng)過(guò)超聲波作用后，減少量可達(dá)60%和70%。

德國(guó)巴姆堡市污水廠原設(shè)計(jì)能力為3 萬(wàn)m3/d，現(xiàn)由于管道擴(kuò)充和改造等原因，處理水量已達(dá)4 萬(wàn)m3/d，直接導(dǎo)致污泥量迅速增加，原先的3 個(gè)污泥罐無(wú)法滿足要求。經(jīng)研究決定，采用超聲波處理技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，工藝流程如圖2 所示。運(yùn)行三個(gè)月后，沼氣產(chǎn)量增加30%，污泥停留時(shí)間由25 d 降至18 d，處理效果良好。

圖2 德國(guó)巴姆堡市污水廠污泥超聲波處理流程圖

6 結(jié)語(yǔ)

超聲波污泥減量化技術(shù)可以降低污泥處理與處置費(fèi)用，有效防止剩余污泥對(duì)環(huán)境的二次污染，是一種經(jīng)濟(jì)、有效、環(huán)保的新型污泥減量技術(shù)，是將來(lái)污泥減量化研究的重要發(fā)展方向。超聲波與其他處理工藝結(jié)合處理污泥，對(duì)污泥減量能發(fā)揮出更大的作用。隨著對(duì)剩余污泥處理要求的不斷提高，超聲波污泥減量化技術(shù)具有更廣的發(fā)展空間，將會(huì)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。

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