超聲在污泥減量化中的應用進展

吳來榮，劉永德

(河南工業大學 化學化工與環境學院，河南 鄭州 450001)

1 引言

近年來，隨著我國污水處理廠數量迅速增加，伴隨產生的污泥量也與日俱增。傳統的填埋、焚燒和土地利用等污泥處理技術因其需占用大量的土地、產生二次污染等缺點而越來越受限制。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，國內外對污泥減量化的研究非常火熱。超聲波作為一種“綠色、高效”的污泥減量化技術，引起了廣泛學者的關注[1]。本研究綜述了近幾年超聲波在污泥減量化中的應用進展，并在此基礎上展望了其應用前景。

2 超聲波應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生的空穴形成某種極端的物理化學條件[2]，污泥中微生物的細胞壁在該條件下無法保持原來的狀態而被破碎，同時釋放出一種特異性酶，這種酶可以讓失去完整細胞壁的微生物徹底喪失對發酵環境的適應能力。因此，成為厭氧微生物的營養物而被消耗[3]，從而加快了發酵速率，減少了厭氧消化時間，增大了甲烷產量[4]。

3 超聲在污泥減量化中的應用進展

3.1 超聲/H2O2協同處理剩余污泥

魏金枝等[5]采用超聲/H2O2協同處理剩余污泥,討論了pH值、超聲時間、過氧化氫投加量等因素對剩余污泥處理效果的影響。結果表明,當過氧化氫投加量為污泥體積的1.5%、pH值為11、反應時間為20 min時,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用超聲或者H2O2處理剩余污泥的效果。

3.2 超聲波聯合厭氧消化處理污泥

馬嵐茜婭等[6]以制藥廢水處理廠產生的污泥作為對象,利用超聲波技術聯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,同時研究了超聲預處理對污泥后續厭氧消化產生的影響情況。結果表明,超聲波能強化污泥的溶解性,在超聲比能耗0～250000 kJ/kg TS范圍內,污泥上清液的總氮、總磷、總有機碳和化學需氧量的值均明顯增大；污泥經超聲波處理后,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ES 250000kJ/kg TS的超聲預處理,污泥厭氧消化的甲烷產量提高了36.81%,固體懸浮物去除率由33.89%增大至53.11%,總有機碳去除率從超聲前的16.65%增大至超聲后的89.23%,實驗結果表明超聲處理對污泥厭氧消化的產氣和減量化具有顯著的促進作用。

3.3 超聲-Fenton氧化聯合破解污泥

陳仁義[7]以啤酒廠的污泥作為處理對象,研究了單獨的超聲、單獨的Fenton氧化和超聲-Fenton氧化結合3種方法破解污泥，并且探究了在該過程中超聲功率、超聲時間、初始pH值、芬頓試劑的投加量、破解溫度、破解時間等影響因素對污泥破解效果的影響。實驗結果表明：超聲-Fenton氧化聯合技術破解后的污泥,其SCOD與TCOD的比值為30.01%,遠大于單獨使用超聲或者單獨使用Fenton氧化技術，甚至大于兩者疊加之和。作用機理主要表現在：①超聲的空化效應可提高溶液體系中羥基自由基的產率;②機械效應可提高體系的傳質作用,促進芬頓反應的高效進行；③芬頓氧化反應過程中產生的大量氧氣使得溶液處于氧飽和狀態,從而增強超聲的空化作用; (4)體系中的Fe2+離子也能起到一定的催化作用,促進超聲波分解水產生羥基自由基,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—磁場耦合預處理的方法研究了對污泥好氧消化的影響。研究結果如下。

(1)超聲波 - 磁力聯合預處理比污泥超聲預處理更有效。綜合處理污泥的SCOD溶出率隨著磁場強度的增加而增加。當超聲能量密度，處理時間和磁場強度分別為5 min，0.5 W/mL時，聯合處理污泥的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處理的能耗。

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

(3)磁場對磁場的促進作用處理時間短于5 min時污泥超聲處理效果明顯。與超聲波處理相比，處理時間2 min，超聲能量密度0.5 W/mL，磁場強度840 Gs時，聯合處理污泥SCOD值提高了33.0%。好氧消化實驗結果表明，聯合預處理(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，在處理剩余污泥中的效果顯著，不僅加速了發酵過程，縮短了厭氧消化時間，還提高了產氣量。尤其是當超聲波與其他的物理化學方法聯合使用時，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行減量化。因此，超聲在污泥減量化具有良好的應用前景。