超声波整治污泥技艺的探讨

醉清风

1污泥减量化
目前污泥常用的最终处置方法有：土地利用、卫生填埋和焚烧等。但是这三类污泥处置方法都各有其缺陷。由于剩余污泥中含有重金属离子、呋喃等有害物质，长期将剩余污泥施于土地，有害物质在土壤和植物体内长期积累而影响人体的健康，在美国，污泥投放远洋已被禁止，污泥的土地利用受到越来越严格的限制；卫生填埋需要占用大量土地，花费大量运输费用，而且填埋场周围的环境也会恶化，遭受渗滤液、臭气的困扰等；焚烧能耗大，所需的费用很高，而且还存在烟气污染问题，一直难以推广应用。此外，美国国家环保局一直在准备按1990年制定的清洁大气修改法（CAAA）来更加严格地控制生物固体焚烧炉烟气的排放，给剩余污泥的焚烧提出更高的要求。环境标准的日益严格使得常规处置方法变得非常困难，而且随着城市化进程的加快，无论是填埋还是焚烧，选址也成为一大难题，所以对污泥处理采用减量化技术就至关重要。
2超声波处理污泥技术
超声波技术具有能量密度高，分解速度快，去除效率高，破坏分解污泥中的丝状菌，杀灭病原微生物（大肠杆菌、结核菌等），防止污泥对环境造成二次污染，设施简单，占地面积小等特点，而且有很好的污泥减量效果。
自1993年超声波技术被引入污泥研究中以来，十多年里已有美国、英国、德国、瑞士、日本、西班牙、我国台湾国立大学、天津大学、清华大学、南京大学等的科学家积极利用该技术进行污泥处理。目前我国基本还处于实验阶段，德国已经全面使用超声波技术处理废水污泥，英国、瑞典、美国、澳大利亚、新加坡等国家也在测试这项技术。
超声波处理污泥的原理主要有以下三点：一是利用超声波击破污泥物质结构中相当数量的微生物细胞壁，使细胞质和酶得以释放，胞内物质作为自产底物供微生物生长，即利用隐性生长的原理，从而提高生物系统的降解效率，减少系统的污泥产量；二是将被释放出来的细胞质作为补充碳源从厌氧段进入生物系统，不但提高脱氮除磷效果，而且为后段的好氧过程提供更多的碳源，使硝化和反硝化同时进行，提高整个生物系统去除COD的能力；三是将常规工艺中难降解的物质转化为易降解物质，提高生物降解率，减少剩余污泥量。
3超声波技术对污泥处理的效应
3.1超声波改善污泥的活性
经超声作用不同时间后，污泥先是被粉碎，尺寸变小，比表面积加大，活性增加，继而污泥中的细胞被杀死，污泥活性显著降低，污泥稳定化程度随之提高超声波对污泥的作用红等人研究活性污泥在超声波强度0￣1.2W／cm2、辐照时间在0￣40min后的污泥活性的变化，结果发现采用超声强度0.3W／cm2，辐照10min，对提高污泥活性的效果最为显著，并且研究了强度0.3W／cm2，辐照时间10min，超声波辐射处理后0￣48h中污泥活性的变化规律，发现超声辐照8h后污泥活性达到最大值。杨金美等人［10］研究了超声波对污泥活性的影响，研究表明超声波频率为25kHz，输出声密度为0.2W／mL，作用60s后，污泥活性比原污泥提高30.49％；相同条件超声3s后，污泥活性比原污泥提高20％。曹秀芹等人研究了超声处理后污泥活性发生变化，污泥好氧速率OUR随着超声时间的增加短时间内达到峰值，然后开始显著下降，至20min后1gMLSS耗氧速率值为0￣3mg／h。
3.2超声波促进污泥消化
超声波预处理可以破坏污泥的絮体结构，使污泥中微生物的细胞壁破裂，细胞内含物泄出，可加速污泥的水解过程。如果污水处理厂有污泥消化设施，将超声波处理设备安装在生污泥进口，污泥消化过程中有机物的降解率提高30％￣45％，可同步实现消化污泥减量20％以上，污泥设施容积减小50％以上，污泥消化停留时间缩短50％以上，消化沼气产量提高30％￣45％。薛向东等人对污泥的超声破解效应及污泥的厌氧消化性能做了研究，研究表明超声破解产生的溶解性有机物易于被生物降解，这改善了污泥的厌氧消化性能；污泥经超声频率25kHz、比能耗2.0W／mL、作用时间30min条件下破解，其厌氧消化累计产气量为473mL，此时TCODCr去除率、VS去除率分别为54.3％、61.7％，而未破解污泥消化后各相应指标则分别为268mL、39.1％、33.5％，说明利用超声破解污泥以提高其厌氧消化性能是可行的。许龙等人对超声波辐射促进污泥的需氧消化做了研究，结果表明，可以使消化时间缩短5￣7d，相应的TVSS去除率较传统需氧消化提高30％￣50％。另外杨洁对超声波促进污泥厌氧消化做了研究，表明生物产气量随破解时间和投配率的增加而增加。王芬等人研究发现超声破解污泥后，温度会升高，破解两种含固率（0.5％和1％）污泥的温度升高基本相同，为后续进行厌氧消化提供了热量。曹秀芹等人研究发现在超声频率为18kHz，超声处理前10min，污泥减量较明显，污泥减量约20％￣50％。超声波预处理的污泥使微生物细胞破解增进了剩余活性污泥的厌氧消化，在增加沼气量的同时有机物的降解也增加了。
3.3超声波促进污泥脱水
超声波作用主要是破坏污泥的菌胶团的物理结构，促使污泥结构重组，改变污泥中水的存在形态，从而使污泥体系中的易去除水含量提高，改善污泥的脱水性能，提高污泥的脱水率。高强度、短时间处理的污泥颗粒粒径约80μm左右，污泥脱水性能提高，沉淀性好。殷绚等人研究发现，超声波频率在20kHz，声强在400W／m2左右，处理2￣4min，可以使污泥的结合水含量从16.7g／g（干基）降到2g／g（干基）以下。超声处理使污泥结合水含量大大降低。污泥的脱水能力提高，含泥率提高5％￣10％，最终污泥量减少。齐建等人研究发现59kHz、160W的超声波作用下，污泥的SRF的作用时间为10￣15s时，出现极小值，CST的作用时间为10s左右出现极小值。
4超声技术与其他技术的联合效应
4.1超声波与水处理工艺的联合效应
周健等人针对AB法A段剩余污泥量大的问题，采用超声波对A段污泥减量效能进行了试验研究。采用超声波对A段进水作用0.5h，其平均污泥产率系数为0.0246kgMLSS／kgCODd.A段污泥减量后几乎无剩余污泥产生，同时对A段反应器中的污泥活性和出水水质的影响较小。
4.2超声波与药剂的联合效应
超声波与碱耦合作用对剩余污泥预处理时，杨虹等人研究发现，加碱调节pH为12时，破解30min后，污泥溶液SCOD的溶出率从3.96％增加到27.88％。加碱后污泥经超声破解，其pH值有所下降，污泥溶液氨氮值会有所增加，变化幅度不大。污泥温度随破解时间的延长而明显提高，有利于后续的厌氧消化。沈劲峰等人［21］将超声波与CPAM联合作用处理剩余污泥，采用28.7kHz超声处理时，最佳处理时间为2min左右，声强约为470W／m2，CPAM添加量约为0.5％（污泥干基质量分数）。污泥滤饼含水率降低约2％，污泥对CPAM的最大吸附量降至0.5％，节约CPAM约30％