劉 偉，郭廣亮，陸 佳，王 欣，蘇小紅，范 超

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

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超聲技術(shù)在污泥合理化處理處置中的應(yīng)用

劉 偉1，2，郭廣亮1，2，陸 佳1，2，王 欣1，2，蘇小紅1，范 超1

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

超聲波在污泥中傳播時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生機(jī)械作用、熱作用和空化作用，使污泥發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化。目前該技術(shù)作為一種清潔、高效、環(huán)保的處理方式，被廣泛應(yīng)用于污泥處理處置過程。綜述了超聲技術(shù)破解污泥的原理、影響因素及目前國內(nèi)外超聲技術(shù)在污泥處理過程中的應(yīng)用情況，以期為我國實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化的合理化處理處置提供思路。

超聲；污泥；合理化處理處置

污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，主要由初沉污泥、剩余污泥及混合污泥組成。據(jù)國家住房城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2016年3月底，全國城市、縣累計(jì)建成污水處理廠3 910座，日污水處理能力達(dá)1.67億m3。按照噸水產(chǎn)泥量(污泥的含水率80%)0.05%～0.08%估算，我國年產(chǎn)污泥量達(dá)到3 000萬～4 800萬t[1]。隨著我國對(duì)污水處理廠出水水質(zhì)要求的不斷提升，污水處理效率的提高和脫氮除磷等三級(jí)處理勢(shì)在必行，這就意味著污泥回收率將不斷提升，污泥年產(chǎn)量也將繼續(xù)增長(zhǎng)，污泥的合理化處理處置將是今后面臨的重要問題。

城市污泥的合理化處理處置必須遵循穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化的要求和原則[2]，目前常用的污泥處理處置方法主要包括厭氧消化產(chǎn)沼氣，污泥中酶、生物柴油、化合物和重金屬提取的資源化利用，有毒有害污染物的降解和病原菌等去除的穩(wěn)定化、無害化處理等，這些方法在現(xiàn)階段的污泥處理中起到了重要作用，但均存在處理效率有限、環(huán)境污染等弊端，如何改進(jìn)方法，提高處理處置效率，是研究人員一直努力的方向。

超聲是一種超出人耳聽力上限，頻率大于20 kHz的循環(huán)壓力聲波。當(dāng)超聲波在污泥中傳播時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生機(jī)械作用、熱作用和空化作用，使污泥發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化[3]。目前超聲處理被廣泛應(yīng)用于污泥的不同處理方式(如污泥厭氧消化、好氧發(fā)酵、脫水干燥、資源提取等)中，不僅可以減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，還能提高污泥處理效率。

1 超聲技術(shù)破解污泥的原理

超聲波是通過一系列壓縮(正壓)和稀疏(負(fù)壓)循環(huán)來傳播，進(jìn)而影響液體中分子活動(dòng)的一種機(jī)械振動(dòng)波。當(dāng)稀疏循環(huán)的負(fù)壓超過分子間引力時(shí)，空隙產(chǎn)生[4]。結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的空隙和空洞在液體中吸收少量的水蒸氣，在壓力循環(huán)過程中沒有全部瓦解，而是在逐次循環(huán)中繼續(xù)長(zhǎng)大，形成所謂的空化氣泡。由氣泡的內(nèi)爆可以產(chǎn)生足夠的“能量”，形成局部的瞬時(shí)高溫高壓(5 000 ℃、500 atm)，氣泡局部的高壓發(fā)射沖擊波形成“機(jī)械剪切力”，破解污泥的絮狀結(jié)構(gòu)，使大量單體細(xì)胞溶出，在空化氣泡內(nèi)爆過程產(chǎn)生強(qiáng)大水力剪切力作用下，周圍的污泥細(xì)胞破解，這個(gè)過程被稱為超聲波“空化效應(yīng)”，是超聲污泥破解的主要過程。在污泥破解的同時(shí)，高活性的反應(yīng)自由集團(tuán)(H·、OH·)推進(jìn)化學(xué)氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行，形成“聲化學(xué)效應(yīng)”，對(duì)污泥的超聲破解起到輔助作用。超聲作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)導(dǎo)致脂類分解加速，細(xì)胞質(zhì)膜的通透性變大，更多的胞內(nèi)物質(zhì)溶出，然而由于高溫下污泥的溶解性很差，短時(shí)間的超聲處理產(chǎn)生的熱效應(yīng)對(duì)破解貢獻(xiàn)并不大[5]。

2 超聲技術(shù)破解污泥的影響因素

超聲破解污泥的主要影響因素包括超聲頻率、比能量輸入、功率輸入、超聲時(shí)間等[6]。超聲頻率控制著空化氣泡的臨界尺寸，是后續(xù)處理效率的主要影響因素，低頻超聲有利于機(jī)械作用和物理降解，高頻超聲提高了聲化學(xué)效應(yīng)，在污泥處理領(lǐng)域中，低頻(20～40 kHz)超聲更易形成微射流和機(jī)械剪切力，較高頻超聲則有著更好的破解效果。比能量輸入是污泥破解中一個(gè)重要參數(shù)，是超聲的功率、時(shí)間、樣品體積和樣品固含量共同作用的結(jié)果，在應(yīng)用中高能輸入效率比低能輸入更高，尤其在1 000～16 000 KJ/KgTS的破解效果更加突出。功率輸入主要由超聲聲密度(W/mL)和超聲強(qiáng)度(W/cm2)決定，在空化氣泡的形成和行為方面起著至關(guān)重要的作用，適當(dāng)提高功率輸入會(huì)產(chǎn)生高效的聲壓效應(yīng)，產(chǎn)生更多的瞬時(shí)空化氣泡，有利于污泥的破解。從超聲時(shí)間來看，短時(shí)間的超聲只能促進(jìn)污泥絮體的松團(tuán)作用，而對(duì)污泥細(xì)胞的破解幾乎沒有影響，而長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理對(duì)污泥細(xì)胞膜的破解、胞內(nèi)物質(zhì)的溶出和污泥固體的降解有積極的作用[5，6]。

3 超聲技術(shù)在污泥處理中的應(yīng)用

3.1 超聲技術(shù)應(yīng)用于污泥生物發(fā)酵

好氧發(fā)酵因其工藝相對(duì)簡(jiǎn)單和相對(duì)較低的設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，被廣泛用于小型的污水處理廠。有關(guān)超聲對(duì)于好氧發(fā)酵的影響報(bào)道有限，多集中于對(duì)固體停留時(shí)間(SRT)的縮短和污泥減量化兩方面。Khanal研究表明，在超聲頻率20 kHz和功率1.5 kW條件下，對(duì)固含量3%的污泥處理10 min后，SRT縮短為8 d，揮發(fā)性固體(VS)去除率提高了54%[7]。在短的SRT下，好氧發(fā)酵效果更顯著。Erden等應(yīng)用9 690 kJ/kg TS的比能耗輸入，將VS去除率由對(duì)照組的22.8%提升到36%[8]。另外，超聲預(yù)處理過的好氧發(fā)酵污泥的微生物活性增強(qiáng)，Chang等報(bào)道了超聲應(yīng)用于高溫好氧發(fā)酵過程中，可揮發(fā)性懸浮固體(VSS)去除率提高55%，并把SRT由15 d縮短為3 d[9]。

在厭氧消化中，污泥超聲預(yù)處理技術(shù)解決了厭氧消化的水解限速這一難題，提高了后續(xù)的產(chǎn)氣量和有機(jī)質(zhì)去除率，縮短了固體停留時(shí)間，縮小了構(gòu)筑物體積，在一定程度上節(jié)約了建筑費(fèi)用。超聲對(duì)厭氧消化影響的因素主要包括有機(jī)負(fù)荷、底物類型、比能耗輸入、超聲時(shí)間，污泥停留時(shí)間和預(yù)處理部分所占的比例。超聲預(yù)處理可顯著提高污泥的厭氧消化效率。Bougrier 和Dewil等在實(shí)驗(yàn)室和中試階段的研究表明，低頻(20 kHz)和限定的比能耗輸入(1 000～3 000 kJ/kg TS 相當(dāng)于大約 20～60 kJ/L)對(duì)沼氣產(chǎn)量的提升有顯著促進(jìn)作用[10，11]?？偟貋碚f，在序批式、連續(xù)式和半連續(xù)式的厭氧消化系統(tǒng)中，沼氣產(chǎn)量提升了24%～84%，VS去除率提升了21%～57%，甲烷產(chǎn)率提升32%～104%。

3.2 超聲技術(shù)應(yīng)用于污泥脫水處理

剩余污泥的含水率高達(dá)99%，為了減少污泥體積以降低后續(xù)運(yùn)輸和處置的費(fèi)用，脫水環(huán)節(jié)十分必要，一般會(huì)占整個(gè)污水處理廠運(yùn)營費(fèi)用的25%～40%。超聲輔助脫水是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的：第一，使水分由現(xiàn)有的自然通道或由超聲波通道遷移。第二，通過輔助擴(kuò)散作用使空化氣泡變大，取代原來微孔中的液體。第三，空化作用使膠體或化學(xué)附著水離開固體表面。第四，降解或溶解部分為水分提供結(jié)合位點(diǎn)的胞外聚合物。

研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)間的低能耗輸入對(duì)污泥脫水和增強(qiáng)污泥可濾性有積極的作用。Na等的研究顯示，在能量輸入為800 kJ/L時(shí)，處理后的污泥脫水率增加了5倍，這個(gè)過程明顯降低了毛細(xì)吸水時(shí)間，表明脫水性能的增強(qiáng)[12]。相反，高聲能密度和長(zhǎng)時(shí)間的超聲對(duì)污泥脫水有抑制作用。Quarmby 等研究表明，超聲聲密度為0.33 W/mL處理60 min，CST毛細(xì)吸水時(shí)間由197.4 s變?yōu)?88.9 s，結(jié)合水含量增長(zhǎng)4倍[13]。

3.3 提高微生物和酶的活性

超聲的另一個(gè)應(yīng)用是提高厭氧和好氧處理中酶的活性，以進(jìn)一步提高整個(gè)過程的效率。Yu等發(fā)現(xiàn)在超聲預(yù)處理污泥的過程中，胞外蛋白質(zhì)、多糖和酶向污泥絮體的外層轉(zhuǎn)移，這種解絮凝作用方便更多水解產(chǎn)物和輔酶穿透進(jìn)入胞外聚合物(EPS)基質(zhì)，使之與酶接觸概率增大，使原本未暴露的有機(jī)質(zhì)開始水解，因此固體的降解率提高，消化時(shí)間縮短[14]。Xie等通過對(duì)脫氫酶活性(DHA)和產(chǎn)甲烷潛力活性生物工具——輔酶 F420含量進(jìn)行檢測(cè)，研究了超聲強(qiáng)度和超聲頻率對(duì)厭氧污泥活性的影響，得出在超聲強(qiáng)度為0.2 W/cm2時(shí)DHA和F420達(dá)到最大；當(dāng)超聲強(qiáng)度大于0.4 W/cm2時(shí)，DHA和F420的值均低于未經(jīng)超聲處理的對(duì)照組，表明低強(qiáng)度超聲可以顯著提高厭氧污泥的微生物活性，這可能是因?yàn)榈蛷?qiáng)度超聲可以更有效地破解細(xì)胞膜，提高污泥的滲透性和選擇性，進(jìn)一步加速營養(yǎng)物質(zhì)傳遞轉(zhuǎn)移[15]。

3.4 污泥的膨脹和氣味控制

Wunsch等研究發(fā)現(xiàn)，超聲在解決污泥膨脹、污泥發(fā)泡問題上也有積極作用[16]。Sandino報(bào)道利用低能耗輸入的超聲輻照污泥是解決厭氧消化體系中污泥發(fā)泡問題行之有效的方法[17]。Tiehm的研究表明低強(qiáng)度短時(shí)間的超聲可以緩解污泥的膨脹[18]，然而對(duì)纖維微生物種群(主要是放線菌)的削減效果并不明顯。Muller等認(rèn)為提高厭氧消化效率可以提升對(duì)氣味的去除效果，在經(jīng)過超聲處理后的污泥厭氧消化過程中，靜態(tài)頂部空間有機(jī)硫化物的去除率比對(duì)照組提升了24%[19]。

3.5 病原體的去除

長(zhǎng)時(shí)間、高聲能密度的超聲輸入可顯著殺滅污泥中的病原微生物。Jean等對(duì)污泥在0.33 W/mL聲能密度下超聲處理40 min 后觀察到非自養(yǎng)型微生物減少了82%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在超聲處理10 min 后大腸桿菌減少了93%，40 min后大腸桿菌總量小于1%[20]；Graczyk 等研究表明超聲處理是污泥無害化處理最有效的方法[21]。Mason等研究表明在應(yīng)用超聲殺滅病原菌從而穩(wěn)定化處理污泥的過程中，機(jī)械力起著主要的作用，而熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)起著輔助作用[22]。

3.6 危險(xiǎn)化合物降解和化學(xué)凈化

PAE(難降解有機(jī)化合物)常常作為添加劑或增塑劑，被列為優(yōu)先控制污染物[23]。利用微生物代謝分解PAE是環(huán)境降解的主要途徑[24]。在頻率20 kHz、聲能密度0.1 W/mL條件下，超聲20 min可觀察到明顯的PAE降解過程，原因是超聲可以提高化學(xué)反應(yīng)速率，加速羥基自由基和氫原子與有機(jī)化合物反應(yīng)或與其他自由基重組速率[26]，與此同時(shí)，超聲也提高了微生物活性，提高了PAE降解效率[27]。

Xu等研究了超聲輻照對(duì)污泥脫油的影響[28]。在溫度為40 ℃，壓強(qiáng)0.085 Mpa，超聲頻率28 kHz時(shí)，污泥處理后可以達(dá)到最低含油量(0.055 g/g)，與未經(jīng)超聲處理的相比降低了55.6%，原因可能是超聲使含油污泥的結(jié)構(gòu)持續(xù)變化，加速了原油從污泥固體顆粒表面剝離，而且隨強(qiáng)度增加，石油-固體分離效果越明顯。

Laurent 等研究報(bào)道，超聲使污泥絮體表面的活性位點(diǎn)增加，提高了對(duì)污泥中鎘和銅等重金屬的吸附能力。同時(shí)，該研究也揭示了重金屬被吸附的三種機(jī)制：質(zhì)子交換、二價(jià)陽離子交換和溶解有機(jī)物共沉淀。通過鎘和銅的吸附等溫線的研究，發(fā)現(xiàn)具體的能量輸入和重金屬的種類也是吸附效果的重要影響因素[29]。

3.7 資源回收

生物柴油主要由簡(jiǎn)單的烷基脂肪酸脂組成，可作為一種石油柴油燃料的替代品。好氧微生物將污泥中含碳化合物轉(zhuǎn)化為脂肪，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為生物柴油。Angerbauer等發(fā)現(xiàn)超聲預(yù)處理可使脂肪更易被L. Starkeyi(一種酵母菌)所利用，在體內(nèi)積累至大約為干固體含量的70%，且超聲聯(lián)合酸堿或熱水解作用效果更好[30]。

從廢棄污泥中回收的氫氣不僅具有無污染的特點(diǎn)，而且是一種可以替代化石燃料的綠色能源。超聲能夠鈍化產(chǎn)甲烷菌的活性，但不會(huì)對(duì)產(chǎn)氫的芽孢桿菌產(chǎn)生不利影響[31]。Elbeshbishy等采用超聲能量79 kJ/g TS，溫度30 ℃以下的處理?xiàng)l件，使氫氣產(chǎn)量增加到120%，但如果不控制溫度，氫氣產(chǎn)量會(huì)減少30%，而且在比能耗輸入為79 kJ/g TS (20 min，200 mL)條件下，對(duì)產(chǎn)甲烷菌的鈍化效果最佳。

Wang等應(yīng)用超聲與堿聯(lián)合預(yù)處理剩余污泥，并通過沉淀和干化析出回收胞內(nèi)蛋白，在超聲預(yù)處理?xiàng)l件為1.65 ×1 010 kJ/kg VSS、堿處理?xiàng)l件為pH=12、時(shí)間2 h時(shí)，測(cè)得上清液中蛋白質(zhì)含量為3 177.5 mg/L，調(diào)節(jié)pH為3.3，利用沉淀方式得到蛋白質(zhì)的回收率為80.5%，而且回收蛋白的營養(yǎng)成分與市面銷售的蛋白飼料相當(dāng)[32]。Nabarlatzet等利用超聲輔助提取的方式從活性污泥中回收水解酶(蛋白酶和脂肪酶)，通過調(diào)整超聲強(qiáng)度和超聲時(shí)間分析酶回收的效果，得出最優(yōu)配置為聲強(qiáng)3.9 W/cm2、超聲時(shí)間為10～20 min[33]。

通過對(duì)印刷電路板的廢污泥進(jìn)行研究，Xie等發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值為3、超聲功率為160 W，處理時(shí)間為60 min時(shí)，銅和鐵的浸出效率分別為97.83%和1.23%，其中銅的浸出效率隨著超聲功率的升高和超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而提高[34]。超聲波引起的液體空化，可使固體表面爆裂，形成細(xì)小顆粒，并增加散碎固體的表面積，從而增強(qiáng)離子從銅表面到液相的運(yùn)動(dòng)效果。這一技術(shù)已成功應(yīng)用在中國惠州市一個(gè)重金屬回收廠，通過對(duì)印刷電路板制造廠中的5 800 t污泥進(jìn)行超聲處理，獲得了1 000 t硫酸銅(含量98%)和3 500 t三價(jià)鐵(含量20%)。這個(gè)過程分離效果好，回收效率高，成本低，最終產(chǎn)品質(zhì)量高，實(shí)現(xiàn)了零廢物處理排放。Li等研究了超聲強(qiáng)化酸浸的影響，從電鍍污泥中提取和回收多種重金屬(銅、鎳、鋅等)，獲得了在pH值為4，超聲功率為100 W，處理時(shí)間為100 min的條件下不同金屬的浸出率，并成功進(jìn)行中試應(yīng)用[35]。

4 展望

超聲處理可以提高污泥溶解度、促進(jìn)后續(xù)生物消化、降解污泥中的PAH等有害成分、回收利用能源資源、提高生物酶活性、提高消化效率和提取重要化合物，為污泥的處理處置提供多種合理方向和可行的出路。因此，超聲處理無論是單獨(dú)作為一個(gè)處理環(huán)節(jié)，還是僅作為一種輔助處理措施，都具有極其廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際價(jià)值。隨著應(yīng)用研究的深入，超聲技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的方式越來越受到關(guān)注。在對(duì)污泥進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)氣的處理中，超聲技術(shù)與一些化學(xué)或物理方法結(jié)合使用可以有效提高污泥溶解度、固體有機(jī)物去除率和產(chǎn)氣量。綜合來看，超聲技術(shù)與其他方法的協(xié)同使用比單獨(dú)超聲處理更加經(jīng)濟(jì)高效，這種應(yīng)用方式將在今后的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

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Application of ultrasonic technology in the rational treatment and disposal of waste sludge

LIU Wei1,2, GUO Guang-liang1,2, LU Jia1,2, WANG Xin1,2, 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)

Ultrasonic wave can produce mechanical, thermal and cavitation effects when spreading in the sludge, and cause a series of physical and chemical changes in waste sludge. At present, this technology is widely used in sludge treatment and disposal process as a clean, efficient and environmentally friendly way. Such as biological digestion of sludge, sludge dewatering treatment, improving activity of microbe and enzyme, sludge expansion and odor control, pathogen removal, dangerous compounds degradation, chemical purification and recycling. In this paper, the principle, influencing factors and application of ultrasonic technology in sludge treatment are reviewed. It will provide us ideas for achieving the rational treatment and disposal of waste sludge, which is consists of stabilization, reduction, harmless and resource reuse.

Ultrasonic; Waste sludge; Rational treatment and disposal

2017-01-30

項(xiàng)目來源：黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目

劉偉(1979-)，男，副研究員，碩士。

X703

A

1674-8646(2017)10-0002-04