超聲在污泥減量化中的應(yīng)用進(jìn)展

吳來榮，劉永德

(河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 引言

近年來，隨著我國污水處理廠數(shù)量迅速增加，伴隨產(chǎn)生的污泥量也與日俱增。傳統(tǒng)的填埋、焚燒和土地利用等污泥處理技術(shù)因其需占用大量的土地、產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)而越來越受限制。因此，非常有必要尋求一種更加綠色高效的污泥處理方法。目前，國內(nèi)外對污泥減量化的研究非?；馃?。超聲波作為一種“綠色、高效”的污泥減量化技術(shù)，引起了廣泛學(xué)者的關(guān)注[1]。本研究綜述了近幾年超聲波在污泥減量化中的應(yīng)用進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上展望了其應(yīng)用前景。

2 超聲波應(yīng)用于污泥減量化的原理

超聲波作用于污泥的原理，就是利用超聲波在液體中產(chǎn)生的空穴形成某種極端的物理化學(xué)條件[2]，污泥中微生物的細(xì)胞壁在該條件下無法保持原來的狀態(tài)而被破碎，同時(shí)釋放出一種特異性酶，這種酶可以讓失去完整細(xì)胞壁的微生物徹底喪失對發(fā)酵環(huán)境的適應(yīng)能力。因此，成為厭氧微生物的營養(yǎng)物而被消耗[3]，從而加快了發(fā)酵速率，減少了厭氧消化時(shí)間，增大了甲烷產(chǎn)量[4]。

3 超聲在污泥減量化中的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 超聲/H2O2協(xié)同處理剩余污泥

魏金枝等[5]采用超聲/H2O2協(xié)同處理剩余污泥,討論了pH值、超聲時(shí)間、過氧化氫投加量等因素對剩余污泥處理效果的影響。結(jié)果表明,當(dāng)過氧化氫投加量為污泥體積的1.5%、pH值為11、反應(yīng)時(shí)間為20 min時(shí),處理后污泥上清液的SCOD、TN、TP濃度分別增加到2138.7、168.35和12.71 mg/L,TSS減少近20%。超聲和H2O2共同作用于剩余污泥，其處理效果顯著高于單獨(dú)用超聲或者H2O2處理剩余污泥的效果。

3.2 超聲波聯(lián)合厭氧消化處理污泥

馬嵐茜婭等[6]以制藥廢水處理廠產(chǎn)生的污泥作為對象,利用超聲波技術(shù)聯(lián)合厭氧笑話處理污泥，探索了超聲破解污泥過程中污泥的沉降性能、溶解性能以及粒徑分布等物理特性的變化趨勢,同時(shí)研究了超聲預(yù)處理對污泥后續(xù)厭氧消化產(chǎn)生的影響情況。結(jié)果表明,超聲波能強(qiáng)化污泥的溶解性,在超聲比能耗0～250000 kJ/kg TS范圍內(nèi),污泥上清液的總氮、總磷、總有機(jī)碳和化學(xué)需氧量的值均明顯增大；污泥經(jīng)超聲波處理后,其表面溫度從40℃上升至52℃,pH值保持在中性,變化不明顯。但是,超聲處理后的污泥沉降比從35%增大至95%,使脫水性能變差。經(jīng)ES 250000kJ/kg TS的超聲預(yù)處理,污泥厭氧消化的甲烷產(chǎn)量提高了36.81%,固體懸浮物去除率由33.89%增大至53.11%,總有機(jī)碳去除率從超聲前的16.65%增大至超聲后的89.23%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲處理對污泥厭氧消化的產(chǎn)氣和減量化具有顯著的促進(jìn)作用。

3.3 超聲-Fenton氧化聯(lián)合破解污泥

陳仁義[7]以啤酒廠的污泥作為處理對象,研究了單獨(dú)的超聲、單獨(dú)的Fenton氧化和超聲-Fenton氧化結(jié)合3種方法破解污泥，并且探究了在該過程中超聲功率、超聲時(shí)間、初始pH值、芬頓試劑的投加量、破解溫度、破解時(shí)間等影響因素對污泥破解效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲-Fenton氧化聯(lián)合技術(shù)破解后的污泥,其SCOD與TCOD的比值為30.01%,遠(yuǎn)大于單獨(dú)使用超聲或者單獨(dú)使用Fenton氧化技術(shù)，甚至大于兩者疊加之和。作用機(jī)理主要表現(xiàn)在：①超聲的空化效應(yīng)可提高溶液體系中羥基自由基的產(chǎn)率;②機(jī)械效應(yīng)可提高體系的傳質(zhì)作用,促進(jìn)芬頓反應(yīng)的高效進(jìn)行；③芬頓氧化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量氧氣使得溶液處于氧飽和狀態(tài),從而增強(qiáng)超聲的空化作用; (4)體系中的Fe2+離子也能起到一定的催化作用,促進(jìn)超聲波分解水產(chǎn)生羥基自由基,增加體系的氧化能力。

3.4 超聲—磁場耦合處理污泥

武海霞[8]采用超聲—磁場耦合預(yù)處理的方法研究了對污泥好氧消化的影響。研究結(jié)果如下。

(1)超聲波 - 磁力聯(lián)合預(yù)處理比污泥超聲預(yù)處理更有效。綜合處理污泥的SCOD溶出率隨著磁場強(qiáng)度的增加而增加。當(dāng)超聲能量密度，處理時(shí)間和磁場強(qiáng)度分別為5 min，0.5 W/mL時(shí)，聯(lián)合處理污泥的SCOD值比超聲波處理污泥的SCOD值高出1240 mg/L 620 Gs。磁場沒有增加污泥預(yù)處理的能耗。

(2)處理時(shí)間為5 min時(shí)，聯(lián)合處理污泥的SCOD溶出率為41.6%，超聲能量密度為1.4 W/mL，磁場強(qiáng)度為840 Gs。這高于在相同的處理時(shí)間和超聲能量密度2.5 W/mL下經(jīng)超聲波處理的污泥的SCOD溶出率(40.6%)。磁場與超聲波的結(jié)合可以有效地降低能量污泥處理的消耗。

(3)磁場對磁場的促進(jìn)作用處理時(shí)間短于5 min時(shí)污泥超聲處理效果明顯。與超聲波處理相比，處理時(shí)間2 min，超聲能量密度0.5 W/mL，磁場強(qiáng)度840 Gs時(shí)，聯(lián)合處理污泥SCOD值提高了33.0%。好氧消化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聯(lián)合預(yù)處理(0.5 W/mL，5 min，840 Gs)污泥的MLSS和MLVSS分別下降42.7%和51.1%。超聲波和磁場的組合預(yù)處理更有利于好氧污泥的消化。

4 超聲在污泥減量化中的前景展望

超聲波作為一種“綠色、高效”的污泥減量化技術(shù)，在處理剩余污泥中的效果顯著，不僅加速了發(fā)酵過程，縮短了厭氧消化時(shí)間，還提高了產(chǎn)氣量。尤其是當(dāng)超聲波與其他的物理化學(xué)方法聯(lián)合使用時(shí)，對污泥的破解效果更加明顯，能夠在更大程度上對剩余污泥進(jìn)行減量化。因此，超聲在污泥減量化具有良好的應(yīng)用前景。