超聲波技術(shù)在污泥厭氧消化處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張宇紅 孫杰 陳紅丹 錢家琪 許家琪

摘 要：污泥既是一種污染物又是一種可利用資源。本文主要介紹了污泥的超聲波預(yù)處理方法和污泥厭氧消化技術(shù)以及超聲波技術(shù)在污泥厭氧消化處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展，污泥的預(yù)處理可提高污泥的處理處置、資源化效率，具有較好前景。

關(guān)鍵詞：超聲波；污泥；厭氧消化；資源化

1.引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水處理量不斷增加，污水處理廠數(shù)量及規(guī)模隨之增加和擴(kuò)大，污泥的產(chǎn)量也迅速增長(zhǎng)。據(jù)估算，目前我國(guó)每年干污泥排放量約為3000萬(wàn)噸，占城市生活垃圾總量的17.4%[1]。污水處理廠產(chǎn)生的污泥中含有病原體、重金屬和持久性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì)，未經(jīng)有效處理處置，極易對(duì)地下水、土壤等造成二次污染。

2.污泥的預(yù)處理

污水處理廠排出的污泥，體積龐大，成分復(fù)雜，給污泥的后續(xù)處理帶來一定的困難。剩余污泥的預(yù)處理是通過污泥的穩(wěn)定、消化、熱處理和脫水工藝達(dá)到降低固體有機(jī)物含量、殺菌及污泥脫水的目的。此外，經(jīng)過預(yù)處理的污泥的成分、性質(zhì)發(fā)生改變，有利于后續(xù)能源和資源的再利用。污泥的預(yù)處理方法主要有：超聲波處理法、熱處理法、微波處理法、酸堿處理法、生物預(yù)處理法等。在這里主要介紹幾種常見方法。

2.1 超聲波預(yù)處理法

超聲波是指頻率從20kHz到10MHz波段范圍內(nèi)的聲波。不同波段的超聲波對(duì)污泥產(chǎn)生不同的作用。低頻超聲波 （20kHz-100kHz）尤其適合處理污泥（以下超聲波均指低頻超聲波）。

污泥在超聲波作用下不斷被壓縮和膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生氣穴泡，且不斷成長(zhǎng)并最終共振“內(nèi)爆”，內(nèi)爆產(chǎn)生超高溫（5000℃）、高壓（500 bar），同時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)力水噴射流形成巨大的水力剪切力和羥基自由基，破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)和污泥中微生物細(xì)胞壁，使細(xì)胞質(zhì)和酶從細(xì)胞中溶出。這樣為好氧或厭氧反應(yīng)提供了有利的條件，促進(jìn)反應(yīng)速度和反應(yīng)效率的提高。污泥固體成分中的可降解有機(jī)物含量一般在40%，難降解有機(jī)物含量一般在20%，礦物質(zhì)含量在40%。超聲波發(fā)揮作用的目標(biāo)主要是前兩部分成分。

2.2 熱處理法

其原理為通過加熱控制剩余污泥處理工藝中的溫度，使剩余污泥中的生物細(xì)胞壁受熱膨脹而破裂，從而使蛋白質(zhì)和膠質(zhì)、礦物質(zhì)以及細(xì)胞膜碎片流出，進(jìn)而在高溫的作用下水解、溶化。

2.3 生物酶技術(shù)

生物酶技術(shù)是指向污泥中投加酶制劑或能夠分泌胞外酶的微生物， 通過酶的水解催化作用，達(dá)到溶胞的目的，同時(shí)這些微生物或酶還可以將高分子有機(jī)物分解為小分子物質(zhì)或無機(jī)物，利于厭氧菌對(duì)底物的利用，從而提高剩余污泥的生化降解性[2]，促進(jìn)厭氧消化的進(jìn)行。

3.污泥的處理處置方法

污泥處置是根據(jù)污泥的最終去向，將污泥進(jìn)行利用或無害化處理，傳統(tǒng)上大多采用填埋、投海和棄置堆放、焚燒方式，雖然簡(jiǎn)單易行，但會(huì)帶來一系列不良影響，給生態(tài)環(huán)境埋下安全隱患。為避免污泥對(duì)環(huán)境的二次污染，人們已認(rèn)識(shí)到污泥處理的優(yōu)先順序是減容、利用、廢棄。污泥的有效利用可分為土地利用和熱能利用，具體方法主要包括污泥填埋、污泥農(nóng)用、污泥的建材化技術(shù)、污泥的厭氧消化（制沼氣）技術(shù)等。

3.1 污泥厭氧消化技術(shù)

厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中有機(jī)物質(zhì)的一種污泥處理工藝。目前對(duì)厭氧消化的機(jī)理以Bryant提出的三階段理論為主。三階段理論認(rèn)為，整個(gè)厭氧消化過程分為水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷三個(gè)階段。有機(jī)物首先通過水解發(fā)酵細(xì)菌的作用生成揮發(fā)性脂肪酸、醇類和乳酸等，接著由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的降解作用而被轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳，然后再被產(chǎn)甲烷菌利用，最終為轉(zhuǎn)化甲烷和二氧化碳。

3.2 污泥填埋

在建有廢物填埋場(chǎng)的城市，可將脫水的泥餅及污泥焚燒處理后的灰渣送去填埋場(chǎng)進(jìn)行處置。這種廢物填埋場(chǎng)底部鋪有襯層，可防止浸出液滲透漏入土壤污染地下水。這種方法具有成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但處理不當(dāng)可能會(huì)產(chǎn)生二次污染，浸出液滲漏會(huì)污染土壤及地下水，且處理周期長(zhǎng)。

3.3 污泥的建材化技術(shù)

污泥中含有硅、鐵、鋁、鈣等元素。過去生產(chǎn)建材都以污泥焚燒灰作為原料，近年來為了節(jié)約投資，充分利用污泥自身的熱值，就直接利用污泥做原料來生產(chǎn)建材，目前相關(guān)方面的技術(shù)已開發(fā)成功，如：污泥制生態(tài)水泥、污泥制微晶玻璃等。

4.超聲波在污泥厭氧消化技術(shù)中的應(yīng)用

沈勁鋒等采用超聲波技術(shù)分解石化污水廠剩余活性污泥，在2000W/m2 超聲聲強(qiáng)下處理60 min 的污泥，厭氧消化25d累積產(chǎn)生的氣體比未處理污泥產(chǎn)生的氣體提高了60%以上。厭氧消化10d，有機(jī)物去除率達(dá)到40%，比未處理污泥提前約10d完成厭氧消化。

曹冬梅等對(duì)污泥厭氧發(fā)酵消化產(chǎn)沼氣研究，污泥發(fā)酵時(shí)間與超聲波處理時(shí)間對(duì)沼氣產(chǎn)率也有很大影響，值得注意的是有機(jī)物釋放通常滯后于菌膠團(tuán)的破壞，因此超聲波促進(jìn)污泥脫水所需時(shí)間很短，而促進(jìn)污泥發(fā)酵通常需要較高的聲波強(qiáng)度（>0.3W/cm3）和較長(zhǎng)的處理時(shí)間（>10min）。

揚(yáng)潔在兩種聲能密度下，污泥超聲破解后進(jìn)行厭氧消化，研究超聲聲能密度、作用時(shí)間，對(duì)污泥厭氧消化過程中產(chǎn)氣量、有機(jī)物去除率和消化速率的影響研究得出，氣產(chǎn)量隨破解時(shí)間和投配率的增加而增加。與對(duì)照組相比，污泥超聲破解可以提高有機(jī)物的去除率，并且隨投配率的增加有機(jī)物去除率不降低反而會(huì)有所提高。

5.結(jié)語(yǔ)

在不同聲能密度、不同作用時(shí)間下，超聲波對(duì)其作用后的污泥分解程度、污泥絮體尺寸變化、對(duì)污泥中異養(yǎng)菌和大腸桿菌的破壞程度，以及伴隨污泥分解，溶解性COD釋放情況和相應(yīng)的溫度上升現(xiàn)象等實(shí)驗(yàn)研究，為掌握超聲波分解污泥的機(jī)理提供了研究基礎(chǔ)。尤其是經(jīng)超聲作用后的污泥，顆粒態(tài)COD轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)COD，可充分利用這一特點(diǎn)并將其結(jié)合到污泥處理工藝中，提高污泥厭氧消化的能力。目前，超聲波應(yīng)用于污泥處理及減量存在的主要問題是超聲處理運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、超聲效率有待提高以及超聲反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)等。而且在進(jìn)一步研究中應(yīng)注意與污水處理工藝的合理組合，這樣才能發(fā)揮超聲波的特點(diǎn)，并為其在實(shí)際工程的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]石秀娟，梁文俊，李依麗等.超聲波技術(shù)在城市污泥處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].四川環(huán)境，2017，36（1）：157-162.

[2]Zhang L， Zhang Y， Zhang Q， et al. Sludge gas production capabilities under various operational conditions of the sludge thermal hydrolysis pretreatment process [J]. Journal of the Energy Institute， 2014， 87（2）：121- 126.

[3]沈勁鋒，殷絢，谷和平，等.超聲波促進(jìn)石化污水廠剩余活性污泥厭氧消化[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 28（6）：66- 69.

[4]曹冬梅，劉坤.城市污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣資源化研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保， 2006， 32（11） ：41-431.

[5]楊潔，季民，韓育宏等.污泥堿解和超聲破解預(yù)處理的效果研究[J].環(huán)境科學(xué)，2008，29（4）：1002-1006.

（作者單位：沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110141）