超聲波破解污泥的試驗(yàn)研究

張靈芝，王志娟，張曉強(qiáng)，羅 毅，劉森池

（1.石家莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北石家莊 050022；2.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲 056038；3.石家莊市橋西污水處理廠，河北石家莊 050091；4.石家莊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)供水排水公司，河北石家莊 050801）

目前，人們除了用超聲波清洗一些物品外，還可用于污泥減量、提高回流污泥的活性等。該方法在國(guó)外已得到廣泛關(guān)注［1－3］和應(yīng)用，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家［4］。近年來，中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理能力得到大幅度提升，城鎮(zhèn)水環(huán)境治理取得顯著成效，有效緩解了水污染壓力［5］。但城鎮(zhèn)污水處理過程中產(chǎn)生的大量污泥還未普遍得到有效處理和處置，這些污泥富含有機(jī)質(zhì)以及寄生蟲卵、病原體、病毒、重金屬等危害因子，會(huì)通過雨水沖刷、地表入滲、空氣擴(kuò)散等多種途徑進(jìn)入地表水、地下水、大氣、食物鏈直至人體，極易造成二次污染，已成為環(huán)境安全和公眾健康的重要威脅因素。因此，污泥處理處置逐漸受到了從中央到地方各級(jí)政府的高度重視，國(guó)家也先后出臺(tái)了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策（試行）》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》等相關(guān)政策和技術(shù)規(guī)范。但目前全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的污泥只有小部分進(jìn)行了衛(wèi)生填埋、土地利用、焚燒和建材利用，大部分因處理技術(shù)成本較高而未進(jìn)行規(guī)范化的處理處置，任意堆棄或排放。

本文通過用超聲波及超聲波與堿協(xié)同作用污泥，檢測(cè)污泥中SCOD 的變化情況，目的是為了污泥后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)酸提取有機(jī)酸，并將其作為碳源回用于污水處理生物脫氮除鱗工藝奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用泥分別取自某制藥廠污水處理站和某市政污水處理廠。

由港威科凈超聲波公司提供的超聲波設(shè)備1套，有效容積為7L，輸入電壓為220V，輸入電流的可調(diào)范圍為0～8A；取樣桶1個(gè)；COD 測(cè)定裝置1套（消解設(shè)備、酸式滴定管等）；奧林巴斯CX22顯微鏡1臺(tái)。

1.2 試驗(yàn)方法

采用靜態(tài)試驗(yàn)，改變聲能密度及作用時(shí)間對(duì)污泥進(jìn)行處理，并測(cè)定污泥處理前后的SCOD。經(jīng)過處理后的污泥通過鏡檢觀察絮體破碎情況，同時(shí)與原污泥進(jìn)行對(duì)比。

SCOD測(cè)定：在離心機(jī)上4 000r／min離心15min，然后用中速濾紙過濾后測(cè)定COD 值。將取回的污泥（含水率是97%～98%）倒入超聲波設(shè)備中，開啟超聲波設(shè)備在不同時(shí)間取樣。將上述樣品鏡檢，同時(shí)測(cè)SCOD。SCOD 的測(cè)定方法為重鉻酸鉀法。

2 試驗(yàn)結(jié)果

擊破率為量化超聲波擊破污泥細(xì)胞效率的重要參數(shù)。擊破率用式（1）計(jì)算［6］：

式中：DDCOD為擊破率；CODUS為超聲波處理后泥樣中SCOD 的數(shù)值；COD0為未經(jīng)處理的泥樣中SCOD 的數(shù)值；CODNaOH為污泥樣本經(jīng)過燒堿處理后SCOD 的數(shù)值（向200mL污泥樣本加入0.5mol燒堿，在20 ℃的環(huán)境里靜置22h，然后確定SCOD值，此值當(dāng)作細(xì)胞被完全擊破時(shí)的SCOD 值）。

2.1 工業(yè)廢水的污泥超聲處理

試驗(yàn)污泥取自某制藥廠污水處理站污泥濃縮池，含水率為97%。試驗(yàn)結(jié)果見圖1－圖7。

圖1 擊破率隨能量輸入的變化情況Fig.1 Changes of disintegration efficiency with energy input

圖2 SCOD 隨超聲波作用時(shí)間的變化情況Fig.2 Changes of SCOD with ultrasonic retention time

圖1中，擊破率隨著輸入能量的增大而上升，由圖1和圖2中可以看出，經(jīng)過超聲波作用后的污泥中SCOD 和擊破率的變化趨勢(shì)基本一致，說明超聲波作用于污泥后可以增加SCOD。國(guó)內(nèi)外許多研究表明，細(xì)胞破壁是細(xì)胞物質(zhì)溶解于水中并被重新利用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵步驟，超聲波可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)有力的剪切力［7－8］，從而破壞污泥絮體，提高溶胞效率。

圖3 污泥原樣鏡檢結(jié)果Fig.3 Microscopy of sludge without treatment

圖4 超聲波作用2min的鏡檢結(jié)果Fig.4 Microscopy after ultrasonic retention for 2min

圖5 超聲波作用4min的鏡檢結(jié)果Fig.5 Microscopy after ultrasonic retention for 4min

圖6 超聲波作用6min的鏡檢結(jié)果Fig.6 Microscopy after ultrasonic retention for 6min

通過鏡檢（圖3－圖7，放大倍數(shù)10×40）發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所有工業(yè)廢水處理廠污泥中指示性的原生動(dòng)物極少，說明污泥還不夠成熟，再者其特定的水質(zhì)決定了其微生物種群的結(jié)構(gòu)形式。從圖4中可以看出，原污泥中有大量的表殼蟲，表殼蟲是指示污水中可生化性的情況，當(dāng)表殼蟲大量出現(xiàn)時(shí)，說明該廢水的ρ（BOD）／ρ（COD）的值偏低［9］。圖3－圖7中顯示，經(jīng)過超聲波處理后的污泥，絮體發(fā)散，并且表殼蟲的殼也出現(xiàn)碎裂，說明超聲波對(duì)表殼蟲有著強(qiáng)烈的作用，同時(shí)污泥絮體也被超聲波破壞。

圖7 超聲波作用8min的鏡檢結(jié)果Fig.7 Microscopy after ultrasonic retention for 8min

2.2 城鎮(zhèn)污水的污泥超聲處理

試驗(yàn)污泥原樣取自某市政污水處理廠，含水率為98%。試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 污泥原樣擊破率隨能量輸入的變化情況Fig.8 Changes of disintegration efficiency with energy input for original sludge

圖9 污泥原樣SCOD 隨超聲波作用時(shí)間變化情況Fig.9 Changes of SCOD with ultrasonic retention time for original sludge

從圖8和圖9中發(fā)現(xiàn)，擊破率仍隨著輸入能量的增大而上升，在超聲波作用5 min 左右的時(shí)候，SCOD 上升的比較快，5～20 min期間，SCOD 的增加幅度比較小，在20～25 min的過程中，SCOD 上升的也很快。據(jù)報(bào)道，SCOD 濃度的增幅分為2個(gè)階段，在某一時(shí)間段內(nèi)，SCOD 濃度的增長(zhǎng)主要來自于污泥絮體胞外聚合物的破解，當(dāng)超過這一時(shí)間后，污泥絮體中細(xì)菌游離出來，隨著能量的增加，細(xì)胞壁會(huì)被破解，此時(shí)需要的能量會(huì)大一些，細(xì)胞壁破了之后，胞內(nèi)的液體流出，SCOD 濃度迅速上升［10］。

2.3 工業(yè)廢水的污泥超聲波／堿協(xié)同處理

試驗(yàn)污泥取自某制藥廠污水處理站的污泥濃縮池，其含水率為98.3%，進(jìn)行超聲波／堿協(xié)同處理試驗(yàn)。加堿試驗(yàn)中，氫氧化鈉的投加量為［11］w（NaOH）∶w（TS）＝0.04。分別在超聲波作用時(shí)間為5，10，15，20，25min時(shí)取樣，經(jīng)離心、過濾后測(cè)定SCOD，同時(shí)進(jìn)行鏡檢。試驗(yàn)結(jié)果見圖10－圖12。

通過鏡檢發(fā)現(xiàn)，污泥加堿后再經(jīng)過超聲波處理，污泥絮體解散情況非常明顯。

圖10 污泥原樣Fig.10 Microscopy of sludge without treatment

圖12 超聲波作用10min鏡檢結(jié)果Fig.12 Microscopy after ultrasonic retention for 10min

圖13 擊破率隨能量輸入的變化情況Fig.13 Changes of disintegration efficiency with energy input

圖14 SCOD 隨超聲波作用時(shí)間變化情況Fig.14 Changes of SCOD with ultrasonic retention time

污 泥 原 樣SCOD 質(zhì) 量 濃 度 在6 000 mg／L 左右，經(jīng)過超聲波作用后如圖13顯示，擊破率隨著能量的增加而增加。結(jié)合圖14中可以看出，SCOD 也是隨著超聲波作用時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但是增加的幅度不同。未加堿的污泥經(jīng)過超聲波處理后，在前10min，SCOD 增加的比較快，從5 958.33mg／L 增加到6 875mg／L，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲波作用污泥的時(shí)間，從15min處理到25min，SCOD 增加的速率明顯變緩。加堿后的污泥經(jīng)過超聲波處理后，在5～10min 處理過程中，SCOD 增加的速率很快，從7 366.67mg／L增加到13 333.33mg／L。再延長(zhǎng)處理時(shí)間，與未加堿的相比而言，其變化趨勢(shì)基本一致。

未加堿的污泥在超聲波處理25min后，SCOD質(zhì)量濃度增長(zhǎng)了1 125mg／L，而加堿的污泥經(jīng)過超聲波處理25min后，SCOD 質(zhì)量濃度增長(zhǎng)了9 600 mg／L，由此可見，超聲波與堿協(xié)同作用的效果要比超聲波單獨(dú)作用的效果好。

3 結(jié) 論

從鏡檢中可以看到，污泥絮體隨超聲波作用時(shí)間的延長(zhǎng)越來越散。

SCOD 隨超聲波作用時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在作用15min左右的過程中，SCOD 的增加幅度比較大。在超聲波作用20min后，SCOD 的增加幅度變緩，這是因?yàn)榫w細(xì)胞被超聲波破碎后，胞內(nèi)的物質(zhì)流出來，其SCOD 數(shù)值也就穩(wěn)定下來。

超聲波與堿協(xié)同作用對(duì)污泥的破壁效果比超聲波單獨(dú)作用好。這說明污泥經(jīng)過堿處理后，更容易破壁，SCOD 增加的更快。

／References：

［1］ 喬永志，張 云，張志昆，等.超聲波法制備納米硫酸鋇影響因素分析［J］.河北工業(yè)科技，2012，29（1）：16－19.QIAO Yongzhi，ZHANG Yun，ZHANG Zhikun，et al.The factors of production barium sulfate［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2012，29（1）：16－19.

［2］ SAVEYN H，CURVERS D，SCHOUTTETEN M，et al.Improved dewatering by hydrothermal conversion of sludge［J］.Journal of Residuals Science and Technology，2009，6（1）：51－56.

［3］ GANJIDOUST H.Effect of synthetic and natural coagulamt on lignin removal from pulp and paper wastewater［J］.Water Science and Technology，1997，35（2／3）：291－296.

［4］ 戴前進(jìn)，李 藝，方先金.城市污水處理廠剩余污泥厭氧消化試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)給水排水，2006，22（23）：95－98.DAI Qianjin，LI Yi，F(xiàn)ANG Xianjin.Municipal wastewater treatment plant sludge anaerobic digestion experimental research［J］.China Water ＆ Wastewater，2006，22（23）：95－98.

［5］ 崔俊華，崔更新，邵森林，等.活性炭污泥回流處理季節(jié)性微污染東江水［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，30（2）：59－61.CUI Junhua，CUI Gengxin，SHAO Senlin，et al.Enhanced treatment of Dongjiang water of seasonal light pollution with activated carbon sludge vecirculation［J］.Journal of Hebei University of Engineering（Natural Science Edition），2013，30（2）：59－61.

［6］ 袁秀麗，葉恒朋，于建恒，等.大坦沙污水處理廠超聲波減量生產(chǎn)性試驗(yàn)研究［A］.全國(guó)城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)及污水處理廠技術(shù)改造運(yùn)營(yíng)高級(jí)研討會(huì)論文集［C］.北京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)排水委員會(huì)，2007.495－499.YUAN Xiuli，YE Hengpeng，YU Jianheng，et al.Experimental study on the ultrasonic reduction sludge of Datansha wastwater treatment plant［A］.National Urban Drainage Network and Sewage Treatment Plants Operational Transformation Senior Symposium［C］.Beijing：Water Industry Branch of China Civil Engineering Institute Drainage Board，2007.495－499.

［7］ 薛玉偉，季 民，李文彬.超聲破解污泥影響因素分析［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007，1（6）：118－112.XUE Yuwei，JI Min，LI Wenbin.Effect of characteristics of waste activated sludge and experimental conditions on ultrasonic disintegration［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2007，1（6）：118－112.

［8］ 曹秀芹，陳 珺，唐 臣，等.超聲處理后剩余污泥性質(zhì)變化及分析［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2005，23（5）：84－87.CAO Xiuqin，CHEN Jun，TANG Chen，et al.Analysis and the changes of characteristics of excess sludge by ultrasound［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2005，23（5）：84－87.

［9］ 馬 放，楊基先，魏 利，等.環(huán)境工程微生物圖譜［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010.MA Fang，YANG Jixian，WEI Li，et al.Environmental Engineering Microbes Map［M］.Beijing：China Environmental Science Press，2010.

［10］ 陳 金.超聲波促進(jìn)城市污泥水解效果研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.CHEN Jin.Study on the Effect of Ultrasound on the Hydrolysis of Sludge ［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2011.

［11］ 楊 潔，季 民，韓育宏，等.污泥堿解和超聲波破解預(yù)處理效果研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（4）：1002－1006.YANG Jie，JI Min，HANG Yuhong，et al.Study on effect of alkaline and ultrasonic pretreatment sludge［J］.Environmental Science，2008，29（4）：1002－1006.