超聲波技術(shù)在污泥處理中的應(yīng)用

張大志

【摘 要】本文對(duì)超聲波污泥處理機(jī)理進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述，對(duì)國(guó)內(nèi)外超聲波污泥處理技術(shù)的實(shí)例進(jìn)行了客觀的分析和評(píng)價(jià)，并對(duì)超聲波在污泥中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】超聲波；污泥減量；預(yù)處理

0 引言

超聲波是指頻率為20～106kHz的聲波。自從1880年Curie發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)，及1917年Langevin發(fā)現(xiàn)反壓電效應(yīng)（即電致伸縮效應(yīng)），半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，超聲技術(shù)及其應(yīng)用獲得了極為廣泛而令人矚目的成就。超聲波用于工業(yè)較早。低強(qiáng)度的超聲波通常用于測(cè)量流量，而超聲波技術(shù)在環(huán)境工程中的研究和應(yīng)用還處于早期發(fā)展階段，在國(guó)外，早在1993年超聲波技術(shù)就作為一種新的技術(shù)引入到水處理中[1]，到目前為止已有大量實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究成果，并有部分進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)，這方面開展的工作還非常有限。

將超聲波用于污泥減量是一個(gè)全新的領(lǐng)域。當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波作用于某一液體時(shí)，一般是在很高的聲強(qiáng)下，特別是在低頻和中頻范圍內(nèi)，產(chǎn)生交替的壓縮和擴(kuò)張作用從而進(jìn)一步產(chǎn)生空穴作用，在溶液中這個(gè)作用以微氣泡的形成、生長(zhǎng)和破裂來(lái)體現(xiàn)，以此壓碎細(xì)胞壁，釋放出細(xì)胞內(nèi)所含的成分和細(xì)胞質(zhì)，以便進(jìn)一步降解。超聲波細(xì)胞處理器能加快細(xì)胞溶解，用于污泥回流系統(tǒng)時(shí)，可強(qiáng)化細(xì)胞的可降解性，減少了污泥的產(chǎn)量；用于污泥脫水設(shè)備時(shí)，有利于污泥脫水和污泥減量。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)近年來(lái)的快速發(fā)展，到2013年我國(guó)城鎮(zhèn)污水廠已經(jīng)有3000多座，按80%含水率計(jì)算，預(yù)計(jì)我國(guó)每年污泥的產(chǎn)生量會(huì)達(dá)到3000多萬(wàn)噸，污泥處理是污水處理的一項(xiàng)重要部分，通常泥量約為水量的1%-2%，但污泥處理在整個(gè)污水處理廠投資中約占40%-50%。不僅投資大，傳統(tǒng)厭氧消化工藝還存在負(fù)荷低、安全性要求高、運(yùn)行管理難度大、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏等問(wèn)題，這就使得部分運(yùn)行管理水平較低的污水處理廠索性將消化池閑置，造成很大浪費(fèi)。

所以污泥的處理任重道遠(yuǎn)，改善污泥處理技術(shù)，減少污泥產(chǎn)量迫在眉睫。作為一項(xiàng)新的污泥處理技術(shù)，超聲波具有無(wú)污染、高效率、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。常見的超聲波設(shè)備有兩種：探頭式反應(yīng)器與槽式反應(yīng)器（圖1、圖2）。探頭式反應(yīng)器聲強(qiáng)高，反應(yīng)容器可以做成各種形狀，但作用體積較小，適宜于實(shí)驗(yàn)研究或小規(guī)模操作。槽式反應(yīng)器則更適于大規(guī)模生產(chǎn)。

1 超聲波在污泥處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)超聲波污泥處理技術(shù)研究較多，如德國(guó)巴姆堡市污水廠，由于管網(wǎng)擴(kuò)充和改造等原因，每天的污泥量相應(yīng)增加，考慮到節(jié)約資金和提高效率等方面的問(wèn)題，引進(jìn)3臺(tái)超聲波污泥反應(yīng)器對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理。一期兩臺(tái)運(yùn)行3個(gè)月后，沼氣產(chǎn)量增加30%，污泥停留時(shí)間從25天降到18天，從而滿足了在不建造新的污泥罐的情況下保證消化深度的要求。其流程見圖3。

超聲波預(yù)處理破壞菌膠團(tuán)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)后，大量被挾裹在菌膠團(tuán)內(nèi)的有機(jī)物被釋放到水中，從而易于為微生物所用。使用112W/mL的低頻處理可以將可溶性COD占總COD的比值（SCOD/TCOD）從36%提高到89%，可溶性N的比值從34%提高到42%[2]。由于厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵步驟是水解，將不溶性的有機(jī)顆粒變?yōu)槿芙庑缘挠袡C(jī)物，水解十分緩慢，造成厭氧處理周期長(zhǎng)。超聲波預(yù)處理可以相當(dāng)程度地取代水解過(guò)程，而時(shí)間大大縮短。

除了對(duì)污泥結(jié)構(gòu)的破壞外，超聲波還能改變微生物活性。一定強(qiáng)度的超聲波可以促進(jìn)酶活，加快微生物生長(zhǎng)，提高其對(duì)有機(jī)物的分解吸收能力。線性超聲波處理45min可以使啤酒酵母細(xì)胞生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期提前6h，而且細(xì)胞數(shù)提高近一倍，細(xì)胞干重也有較大提高，其可能原因是超聲波產(chǎn)生的微沖擊流改進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)外的傳質(zhì)作用，從而加快有機(jī)質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞和代謝產(chǎn)物排出細(xì)胞的進(jìn)程。超聲波加快膜傳遞的現(xiàn)象也被其他研究所證實(shí)。可溶性有機(jī)物的增加和細(xì)胞活性的增加共同作用，極大地加快了厭氧發(fā)酵速率，而且促進(jìn)效應(yīng)在超聲波停止后數(shù)小時(shí)內(nèi)依然存在。30—120min的超聲波處理使厭氧發(fā)酵時(shí)間從22d降到8d，而且揮發(fā)性有機(jī)物的去除率從45.8%提高到50.3%，同時(shí)沼氣的產(chǎn)率提高了2.2倍[3]。也就是說(shuō)短時(shí)間的超聲波預(yù)處理可以大大縮短發(fā)酵時(shí)間，提高沼氣產(chǎn)率，從而極大地降低投資和運(yùn)行費(fèi)用，并提高處理效率。

然而過(guò)高強(qiáng)度的超聲波可以破壞微生物細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物釋放出來(lái)，例如0.144W/mL下處理120min后污泥中64%的大腸桿菌被殺死[4]，由于超聲波效應(yīng)在聲波停止后數(shù)小時(shí)內(nèi)依然存在，微生物的滅活給后續(xù)的生物處理造成很大困難。

目前，國(guó)內(nèi)將超聲波應(yīng)用于污泥處理中的實(shí)例并不是很多，取得進(jìn)展的主要有以下幾個(gè)方面。

河北科技大學(xué)祁夢(mèng)蘭，鄭自保等利用H2O2聲化學(xué)氧化法處理靛藍(lán)染料廢水，并與Fenton氧化法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法可以達(dá)到大致相同的處理效果，但H2O2聲化學(xué)氧化法處理時(shí)間較短，僅10-20min，而Fenton氧化法反應(yīng)時(shí)間則需120-140min；H2O2聲化學(xué)氧化法的H2O2投加量為5.5mg/L，而Fenton氧化法的H2O2投加量為13.8mg/L，為聲化學(xué)氧化法的2.5倍。這說(shuō)明超聲波化學(xué)反應(yīng)具有獨(dú)特的作用，相應(yīng)的降低了運(yùn)行費(fèi)用。他們還對(duì)靛藍(lán)染料廢水進(jìn)行了H2O2聲化學(xué)氧化-間歇式活性污泥法處理，處理后出水水質(zhì)符合GB8978-88《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

南京工業(yè)大學(xué)殷絢等采用超聲波處理?yè)P(yáng)子石化污水處理廠提供的剩余污泥，觀察超聲處理時(shí)間以及聲強(qiáng)對(duì)污泥結(jié)合水的綜合影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理污泥在較低聲強(qiáng)和較短時(shí)間范圍內(nèi)能夠降低污泥的結(jié)合水含量，有利于提高污泥最終的脫水[6]。

天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院王芬等采用超聲波技術(shù)破解污泥絮體及污泥微生物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使固體性有機(jī)物與胞內(nèi)物質(zhì)變?yōu)槿芙庑杂袡C(jī)物（SCOD）?？疾霺COD溶出率隨超聲作用時(shí)間、聲強(qiáng)及聲能密度的變化情況發(fā)現(xiàn)，SCOD溶出率隨超聲作用時(shí)間、聲強(qiáng)及聲能密度的增加而增加，在一定聲能密度下，SCOD溶出率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，即污泥破解反應(yīng)遵從一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。VSS的變化規(guī)律同SCOD溶出率的變化規(guī)律相似。利用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)中t分布檢驗(yàn)方法分析諸因素對(duì)破解效果所產(chǎn)生的影響，得出各因素影響程度從大至小順序?yàn)椋撼曌饔脮r(shí)間>聲能密度>聲強(qiáng)[7]。

他們還對(duì)影響超聲波作用的各個(gè)因素進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：聲能密度為0.096W/mL時(shí)，超聲破解污泥的主要作用力是水力剪切力，羥基氧化幾乎不起作用；聲能密度為0.384W/mL時(shí)，水力剪切力與自由基氧化在超聲破解污泥反應(yīng)中所占的比例分別為80.85%與19.15%；聲能密度為0.72W/mL時(shí)，水力剪切力與自由基氧化在超聲破解污泥反應(yīng)中所占的比例分別為74.14%與25.86%。并得出結(jié)論，在各影響因素中，pH值對(duì)超聲破解污泥的效果影響最大[8]。

通過(guò)以上實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)，超聲波在污泥處理中的應(yīng)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究已經(jīng)開始10余年了，而且在這一方面我們還需要做大量的研究工作從而摸索出較為科學(xué)的方法使其能夠更好的為污泥處理服務(wù)。

2 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)城市生活污水廠污泥問(wèn)題，只有通過(guò)綜合方案解決，最終落腳點(diǎn)仍是通過(guò)新技術(shù)來(lái)降低總運(yùn)行成本，同時(shí)保證出水水質(zhì)。超聲波污泥預(yù)處理技術(shù)為污泥的減量化穩(wěn)定化和資源化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并使他們成為一體。歐美的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該技術(shù)在節(jié)省建造成本上具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

結(jié)合我國(guó)國(guó)情，一方面，能源消耗大成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素，另一方面，作為可再生能源載體的污泥卻被當(dāng)作包袱令污水廠運(yùn)營(yíng)方大傷腦筋。新型超聲波污泥處理技術(shù)在降低能耗方面的突破為解決這一矛盾提供了一個(gè)好的方向，可以預(yù)期，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將促進(jìn)實(shí)現(xiàn)污泥罐小型化、污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的統(tǒng)一。

【參考文獻(xiàn)】

[1]V. Urban，J.C.Block，J.Manem，Bioflocculation in activated sludge：an analytic approach [J].Water，Res.，1993，27：829-838.

[2]Y.Chiu，C.Chang，J.Lin，S.Huang.Alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before anaerobic digestion[J].Wat.Sci.Tech.，199，36 （11） ：155-162.

[3]A.Teihm，K.Nickwl，M.Zellhorn，U.Neis.Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization[J].Wat.Res.，2001，35（8）：2003-2009.

[4]C. Chu，B. Chang ， G. Liao ， D. Jean ， D. Lee. Observations on changes in ultrasonically treated waste-activated sludge[J]. Wat. Res.，2001，35（4）：1038-1046.

[5]祁夢(mèng)蘭，鄭自保，等.聲化學(xué)氧化-間歇式活性污泥法處理污染廢水的研究[J]. 化工環(huán)保，1996，16：23-26.

[6]殷絢，等.超聲波聲強(qiáng)及處理時(shí)間對(duì)污泥結(jié)合水的影響[J].化工進(jìn)展，2005，24（3）：307-311.

[7]王芬，等.剩余污泥的超聲破解與影響因素程度分析[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2004，30（12）：16-19.

[8]王芬，等.污泥超聲破解預(yù)處理的影響因素分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，38（7）：649-654.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]

他們還對(duì)影響超聲波作用的各個(gè)因素進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：聲能密度為0.096W/mL時(shí)，超聲破解污泥的主要作用力是水力剪切力，羥基氧化幾乎不起作用；聲能密度為0.384W/mL時(shí)，水力剪切力與自由基氧化在超聲破解污泥反應(yīng)中所占的比例分別為80.85%與19.15%；聲能密度為0.72W/mL時(shí)，水力剪切力與自由基氧化在超聲破解污泥反應(yīng)中所占的比例分別為74.14%與25.86%。并得出結(jié)論，在各影響因素中，pH值對(duì)超聲破解污泥的效果影響最大[8]。

通過(guò)以上實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)，超聲波在污泥處理中的應(yīng)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究已經(jīng)開始10余年了，而且在這一方面我們還需要做大量的研究工作從而摸索出較為科學(xué)的方法使其能夠更好的為污泥處理服務(wù)。

2 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)城市生活污水廠污泥問(wèn)題，只有通過(guò)綜合方案解決，最終落腳點(diǎn)仍是通過(guò)新技術(shù)來(lái)降低總運(yùn)行成本，同時(shí)保證出水水質(zhì)。超聲波污泥預(yù)處理技術(shù)為污泥的減量化穩(wěn)定化和資源化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并使他們成為一體。歐美的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該技術(shù)在節(jié)省建造成本上具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

結(jié)合我國(guó)國(guó)情，一方面，能源消耗大成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素，另一方面，作為可再生能源載體的污泥卻被當(dāng)作包袱令污水廠運(yùn)營(yíng)方大傷腦筋。新型超聲波污泥處理技術(shù)在降低能耗方面的突破為解決這一矛盾提供了一個(gè)好的方向，可以預(yù)期，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將促進(jìn)實(shí)現(xiàn)污泥罐小型化、污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的統(tǒng)一。

【參考文獻(xiàn)】

[1]V. Urban，J.C.Block，J.Manem，Bioflocculation in activated sludge：an analytic approach [J].Water，Res.，1993，27：829-838.

[2]Y.Chiu，C.Chang，J.Lin，S.Huang.Alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before anaerobic digestion[J].Wat.Sci.Tech.，199，36 （11） ：155-162.

[3]A.Teihm，K.Nickwl，M.Zellhorn，U.Neis.Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization[J].Wat.Res.，2001，35（8）：2003-2009.

[4]C. Chu，B. Chang ， G. Liao ， D. Jean ， D. Lee. Observations on changes in ultrasonically treated waste-activated sludge[J]. Wat. Res.，2001，35（4）：1038-1046.

[5]祁夢(mèng)蘭，鄭自保，等.聲化學(xué)氧化-間歇式活性污泥法處理污染廢水的研究[J]. 化工環(huán)保，1996，16：23-26.

[6]殷絢，等.超聲波聲強(qiáng)及處理時(shí)間對(duì)污泥結(jié)合水的影響[J].化工進(jìn)展，2005，24（3）：307-311.

[7]王芬，等.剩余污泥的超聲破解與影響因素程度分析[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2004，30（12）：16-19.

[8]王芬，等.污泥超聲破解預(yù)處理的影響因素分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，38（7）：649-654.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]

他們還對(duì)影響超聲波作用的各個(gè)因素進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：聲能密度為0.096W/mL時(shí)，超聲破解污泥的主要作用力是水力剪切力，羥基氧化幾乎不起作用；聲能密度為0.384W/mL時(shí)，水力剪切力與自由基氧化在超聲破解污泥反應(yīng)中所占的比例分別為80.85%與19.15%；聲能密度為0.72W/mL時(shí)，水力剪切力與自由基氧化在超聲破解污泥反應(yīng)中所占的比例分別為74.14%與25.86%。并得出結(jié)論，在各影響因素中，pH值對(duì)超聲破解污泥的效果影響最大[8]。

通過(guò)以上實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)，超聲波在污泥處理中的應(yīng)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究已經(jīng)開始10余年了，而且在這一方面我們還需要做大量的研究工作從而摸索出較為科學(xué)的方法使其能夠更好的為污泥處理服務(wù)。

2 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)城市生活污水廠污泥問(wèn)題，只有通過(guò)綜合方案解決，最終落腳點(diǎn)仍是通過(guò)新技術(shù)來(lái)降低總運(yùn)行成本，同時(shí)保證出水水質(zhì)。超聲波污泥預(yù)處理技術(shù)為污泥的減量化穩(wěn)定化和資源化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并使他們成為一體。歐美的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該技術(shù)在節(jié)省建造成本上具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

結(jié)合我國(guó)國(guó)情，一方面，能源消耗大成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素，另一方面，作為可再生能源載體的污泥卻被當(dāng)作包袱令污水廠運(yùn)營(yíng)方大傷腦筋。新型超聲波污泥處理技術(shù)在降低能耗方面的突破為解決這一矛盾提供了一個(gè)好的方向，可以預(yù)期，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將促進(jìn)實(shí)現(xiàn)污泥罐小型化、污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的統(tǒng)一。

【參考文獻(xiàn)】

[1]V. Urban，J.C.Block，J.Manem，Bioflocculation in activated sludge：an analytic approach [J].Water，Res.，1993，27：829-838.

[2]Y.Chiu，C.Chang，J.Lin，S.Huang.Alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before anaerobic digestion[J].Wat.Sci.Tech.，199，36 （11） ：155-162.

[3]A.Teihm，K.Nickwl，M.Zellhorn，U.Neis.Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization[J].Wat.Res.，2001，35（8）：2003-2009.

[4]C. Chu，B. Chang ， G. Liao ， D. Jean ， D. Lee. Observations on changes in ultrasonically treated waste-activated sludge[J]. Wat. Res.，2001，35（4）：1038-1046.

[5]祁夢(mèng)蘭，鄭自保，等.聲化學(xué)氧化-間歇式活性污泥法處理污染廢水的研究[J]. 化工環(huán)保，1996，16：23-26.

[6]殷絢，等.超聲波聲強(qiáng)及處理時(shí)間對(duì)污泥結(jié)合水的影響[J].化工進(jìn)展，2005，24（3）：307-311.

[7]王芬，等.剩余污泥的超聲破解與影響因素程度分析[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2004，30（12）：16-19.

[8]王芬，等.污泥超聲破解預(yù)處理的影響因素分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，38（7）：649-654.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]