DQZHAN技術訊：超聲波技術在污泥處理中的應用
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，及1917年Langevin發(fā)現(xiàn)反壓電效應(即電致伸縮效應)，半個多世紀以來，超聲技術及其應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。低強度的超聲波通常用于測量流量，而超聲波技術在環(huán)境工程中的研究和應用還處于早期發(fā)展階段，在國外，早在1993年超聲波技術就作為一種新的技術引入到水處理中，到目前為止已有大量實驗室的基礎研究成果，并有部分進入實際應用。而國內，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全新的領域。當一定強度的超聲波作用于某一液體時，一般是在很高的聲強下，特別是在低頻和中頻范圍內，產(chǎn)生交替的壓縮和擴張作用從而進一步產(chǎn)生空穴作用，在溶液中這個作用以微氣泡的形成、生長和破裂來體現(xiàn)，以此壓碎細胞壁，釋放出細胞內所含的成分和細胞質，以便進一步降解。超聲波細胞處理器能加快細胞溶解，用于污泥回流系統(tǒng)時，可強化細胞的可降解性，減少了污泥的產(chǎn)量;用于污泥脫水設備時，有利于污泥脫水和污泥減量。
隨著我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)近年來的快速發(fā)展，到2013年我國城鎮(zhèn)污水廠已經(jīng)有3000多座，按80%含水率計算，預計我國每年污泥的產(chǎn)生量會達到3000多萬噸，污泥處理是污水處理的一項重要部分，通常泥量約為水量的1%-2%，但污泥處理在整個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荷低、**性要求高、運行管理難度大、運行經(jīng)驗缺乏等問題，這就使得部分運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。
所以污泥的處理任重道遠，改善污泥處理技術，減少污泥產(chǎn)量迫在眉睫。作為一項新的污泥處理技術，超聲波具有無污染、高效率、操作簡便等特點。常見的超聲波設備有兩種：探頭式反應器與槽式反應器。探頭式反應器聲強高，反應容器可以做成各種形狀，但作用體積較小，適宜于實驗研究或小規(guī)模操作。槽式反應器則更適于大規(guī)模生產(chǎn)。
1 超聲波在污泥處理中的應用現(xiàn)狀
國外對超聲波污泥處理技術研究較多，如德國巴姆堡市污水廠，由于管網(wǎng)擴充和改造等原因，每天的污泥量相應增加，考慮到節(jié)約資金和提高效率等方面的問題，引進3臺超聲波污泥反應器對污泥進行預處理。一期兩臺運行3個月后，沼氣產(chǎn)量增加30%，污泥停留時間從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。
超聲波預處理破壞菌膠團強度結構后，大量被挾裹在菌膠團內的有機物被釋放到水中，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%。由于厭氧發(fā)酵的關鍵步驟是水解，將不溶性的有機顆粒變?yōu)槿芙庑缘挠袡C物，水解十分緩慢，造成厭氧處理周期長。超聲波預處理可以相當程度地取代水解過程，而時間大大縮短。
除了對污泥結構的破壞外，超聲波還能改變微生物活性。一定強度的超聲波可以促進酶活，加快微生物生長，提高其對有機物的分解吸收能力。線性超聲波處理45min可以使啤酒酵母細胞生長對數(shù)期提前6h，而且細胞數(shù)提高近一倍，細胞干重也有較大提高，其可能原因是超聲波產(chǎn)生的微沖擊流改進了細胞內外的傳質作用，從而加快有機質進入細胞和代謝產(chǎn)物排出細胞的進程。超聲波加快膜傳遞的現(xiàn)象也被其他研究所證實。可溶性有機物的增加和細胞活性的增加共同作用，極大地加快了厭氧發(fā)酵速率，而且促進效應在超聲波停止后數(shù)小時內依然存在。30―120min的超聲波處理使厭氧發(fā)酵時間從22d降到8d，而且揮發(fā)性有機物的去除率從45.8%提高到50.3%，同時沼氣的產(chǎn)率提高了2.2倍。也就是說短時間的超聲波預處理可以大大縮短發(fā)酵時間，提高沼氣產(chǎn)率，從而極大地降低投資和運行費用，并提高處理效率。
然而過高強度的超聲波可以破壞微生物細胞壁，使細胞內的有機物釋放出來，例如0.144W/mL下處理120min后污泥中64%的大腸桿菌被殺死，由于超聲波效應在聲波停止后數(shù)小時內依然存在，微生物的滅活給后續(xù)的生物處理造成很大困難。
目前，國內將超聲波應用于污泥處理中的實例并不是很多，取得進展的主要有以下幾個方面。
河北科技大學祁夢蘭，鄭自保等利用H2O2聲化學氧化法處理靛藍染料廢水，并與Fenton氧化法進行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法可以達到大致相同的處理效果，但H2O2聲化學氧化法處理時間較短，僅10-20min，而Fenton氧化法反應時間則需120-140min;H2O2聲化學氧化法的H2O2投加量為5.5mg/L，而Fenton氧化法的H2O2投加量為13.8mg/L，為聲化學氧化法的2.5倍。這說明超聲波化學反應具有獨特的作用，相應的降低了運行費用。他們還對靛藍染料廢水進行了H2O2聲化學氧化-間歇式活性污泥法處理，處理后出水水質符合GB8978-88《污水綜合排放標準》中**標準。
南京工業(yè)大學殷絢等采用超聲波處理揚子石化污水處理廠提供的剩余污泥，觀察超聲處理時間以及聲強對污泥結合水的綜合影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理污泥在較低聲強和較短時間范圍內能夠降低污泥的結合水含量，有利于提高污泥*終的脫水。
天津大學環(huán)境科學與工程學院王芬等采用超聲波技術破解污泥絮體及污泥微生物細胞壁結構，使固體性有機物與胞內物質變?yōu)槿芙庑杂袡C物(SCOD)。考察SCOD溶出率隨超聲作用時間、聲強及聲能密度的變化情況發(fā)現(xiàn)，SCOD溶出率隨超聲作用時間、聲強及聲能密度的增加而增加，在一定聲能密度下，SCOD溶出率隨時間延長呈線性增長趨勢，即污泥破解反應遵從**反應動力學規(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)計學中t分布檢驗方法分析諸因素對破解效果所產(chǎn)生的影響，得出各因素影響程度從大至小順序為：超聲作用時間>聲能密度>聲強。
他們還對影響超聲波作用的各個因素進行研究，結果發(fā)現(xiàn)：聲能密度為0.096W/mL時，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，水力剪切力與自由基氧化在超聲破解污泥反應中所占的比例分別為80.85%與19.15%;聲能密度為0.72W/mL時，水力剪切力與自由基氧化在超聲破解污泥反應中所占的比例分別為74.14%與25.86%。并得出結論，在各影響因素中，pH值對超聲破解污泥的效果影響*大。
通過以上實例，可以發(fā)現(xiàn)，超聲波在污泥處理中的應用技術在國內的研究已經(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的方法使其能夠更好的為污泥處理服務。
2 結語
我國城市生活污水廠污泥問題，只有通過綜合方案解決，*終落腳點仍是通過新技術來降低總運行成本，同時保證出水水質。超聲波污泥預處理技術為污泥的減量化穩(wěn)定化和資源化提供了技術基礎，并使他們成為一體。歐美的實踐經(jīng)驗表明，該技術在節(jié)省建造成本上具有不可比擬的優(yōu)勢，具有廣泛的應用前景。
結合我國國情，一方面，能源消耗大成為國民經(jīng)濟發(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作包袱令污水廠運營方大傷腦筋。新型超聲波污泥處理技術在降低能耗方面的突破為解決這一矛盾提供了一個好的方向，可以預期，該技術的推廣應用將促進實現(xiàn)污泥罐小型化、污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化的統(tǒng)一。
