超聲波破解污泥的試驗研究

張靈芝，王志娟，張曉強，羅 毅，劉森池

（1.石家莊市環境監測中心，河北石家莊 050022；2.河北工程大學城市建設學院，河北邯鄲 056038；3.石家莊市橋西污水處理廠，河北石家莊 050091；4.石家莊高新技術產業開發區供水排水公司，河北石家莊 050801）

目前，人們除了用超聲波清洗一些物品外，還可用于污泥減量、提高回流污泥的活性等。該方法在國外已得到廣泛關注［1－3］和應用，尤其是發達國家［4］。近年來，中國城鎮污水處理能力得到大幅度提升，城鎮水環境治理取得顯著成效，有效緩解了水污染壓力［5］。但城鎮污水處理過程中產生的大量污泥還未普遍得到有效處理和處置，這些污泥富含有機質以及寄生蟲卵、病原體、病毒、重金屬等危害因子，會通過雨水沖刷、地表入滲、空氣擴散等多種途徑進入地表水、地下水、大氣、食物鏈直至人體，極易造成二次污染，已成為環境安全和公眾健康的重要威脅因素。因此，污泥處理處置逐漸受到了從中央到地方各級政府的高度重視，國家也先后出臺了《城鎮污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策（試行）》、《城鎮污水處理廠污泥處理處置技術指南（試行）》等相關政策和技術規范。但目前全國城鎮污水處理廠產生的污泥只有小部分進行了衛生填埋、土地利用、焚燒和建材利用，大部分因處理技術成本較高而未進行規范化的處理處置，任意堆棄或排放。

本文通過用超聲波及超聲波與堿協同作用污泥，檢測污泥中SCOD 的變化情況，目的是為了污泥后續發酵產酸提取有機酸，并將其作為碳源回用于污水處理生物脫氮除鱗工藝奠定基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用泥分別取自某制藥廠污水處理站和某市政污水處理廠。

由港威科凈超聲波公司提供的超聲波設備1套，有效容積為7L，輸入電壓為220V，輸入電流的可調范圍為0～8A；取樣桶1個；COD 測定裝置1套（消解設備、酸式滴定管等）；奧林巴斯CX22顯微鏡1臺。

1.2 試驗方法

采用靜態試驗，改變聲能密度及作用時間對污泥進行處理，并測定污泥處理前后的SCOD。經過處理后的污泥通過鏡檢觀察絮體破碎情況，同時與原污泥進行對比。

SCOD測定：在離心機上4 000r／min離心15min，然后用中速濾紙過濾后測定COD 值。將取回的污泥（含水率是97%～98%）倒入超聲波設備中，開啟超聲波設備在不同時間取樣。將上述樣品鏡檢，同時測SCOD。SCOD 的測定方法為重鉻酸鉀法。

2 試驗結果

擊破率為量化超聲波擊破污泥細胞效率的重要參數。擊破率用式（1）計算［6］：

式中：DDCOD為擊破率；CODUS為超聲波處理后泥樣中SCOD 的數值；COD0為未經處理的泥樣中SCOD 的數值；CODNaOH為污泥樣本經過燒堿處理后SCOD 的數值（向200mL污泥樣本加入0.5mol燒堿，在20 ℃的環境里靜置22h，然后確定SCOD值，此值當作細胞被完全擊破時的SCOD 值）。

2.1 工業廢水的污泥超聲處理

試驗污泥取自某制藥廠污水處理站污泥濃縮池，含水率為97%。試驗結果見圖1－圖7。

圖1 擊破率隨能量輸入的變化情況Fig.1 Changes of disintegration efficiency with energy input

圖2 SCOD 隨超聲波作用時間的變化情況Fig.2 Changes of SCOD with ultrasonic retention time

圖1中，擊破率隨著輸入能量的增大而上升，由圖1和圖2中可以看出，經過超聲波作用后的污泥中SCOD 和擊破率的變化趨勢基本一致，說明超聲波作用于污泥后可以增加SCOD。國內外許多研究表明，細胞破壁是細胞物質溶解于水中并被重新利用的基礎和關鍵步驟，超聲波可以在短時間內產生強有力的剪切力［7－8］，從而破壞污泥絮體，提高溶胞效率。

圖3 污泥原樣鏡檢結果Fig.3 Microscopy of sludge without treatment

圖4 超聲波作用2min的鏡檢結果Fig.4 Microscopy after ultrasonic retention for 2min

圖5 超聲波作用4min的鏡檢結果Fig.5 Microscopy after ultrasonic retention for 4min

圖6 超聲波作用6min的鏡檢結果Fig.6 Microscopy after ultrasonic retention for 6min

通過鏡檢（圖3－圖7，放大倍數10×40）發現，試驗所有工業廢水處理廠污泥中指示性的原生動物極少，說明污泥還不夠成熟，再者其特定的水質決定了其微生物種群的結構形式。從圖4中可以看出，原污泥中有大量的表殼蟲，表殼蟲是指示污水中可生化性的情況，當表殼蟲大量出現時，說明該廢水的ρ（BOD）／ρ（COD）的值偏低［9］。圖3－圖7中顯示，經過超聲波處理后的污泥，絮體發散，并且表殼蟲的殼也出現碎裂，說明超聲波對表殼蟲有著強烈的作用，同時污泥絮體也被超聲波破壞。

圖7 超聲波作用8min的鏡檢結果Fig.7 Microscopy after ultrasonic retention for 8min

2.2 城鎮污水的污泥超聲處理

試驗污泥原樣取自某市政污水處理廠，含水率為98%。試驗結果如圖8和圖9所示。

圖8 污泥原樣擊破率隨能量輸入的變化情況Fig.8 Changes of disintegration efficiency with energy input for original sludge

圖9 污泥原樣SCOD 隨超聲波作用時間變化情況Fig.9 Changes of SCOD with ultrasonic retention time for original sludge

從圖8和圖9中發現，擊破率仍隨著輸入能量的增大而上升，在超聲波作用5 min 左右的時候，SCOD 上升的比較快，5～20 min期間，SCOD 的增加幅度比較小，在20～25 min的過程中，SCOD 上升的也很快。據報道，SCOD 濃度的增幅分為2個階段，在某一時間段內，SCOD 濃度的增長主要來自于污泥絮體胞外聚合物的破解，當超過這一時間后，污泥絮體中細菌游離出來，隨著能量的增加，細胞壁會被破解，此時需要的能量會大一些，細胞壁破了之后，胞內的液體流出，SCOD 濃度迅速上升［10］。

2.3 工業廢水的污泥超聲波／堿協同處理

試驗污泥取自某制藥廠污水處理站的污泥濃縮池，其含水率為98.3%，進行超聲波／堿協同處理試驗。加堿試驗中，氫氧化鈉的投加量為［11］w（NaOH）∶w（TS）＝0.04。分別在超聲波作用時間為5，10，15，20，25min時取樣，經離心、過濾后測定SCOD，同時進行鏡檢。試驗結果見圖10－圖12。

通過鏡檢發現，污泥加堿后再經過超聲波處理，污泥絮體解散情況非常明顯。

圖10 污泥原樣Fig.10 Microscopy of sludge without treatment

圖12 超聲波作用10min鏡檢結果Fig.12 Microscopy after ultrasonic retention for 10min

圖13 擊破率隨能量輸入的變化情況Fig.13 Changes of disintegration efficiency with energy input

圖14 SCOD 隨超聲波作用時間變化情況Fig.14 Changes of SCOD with ultrasonic retention time

污 泥 原 樣SCOD 質 量 濃 度 在6 000 mg／L 左右，經過超聲波作用后如圖13顯示，擊破率隨著能量的增加而增加。結合圖14中可以看出，SCOD 也是隨著超聲波作用時間的延長而增加，但是增加的幅度不同。未加堿的污泥經過超聲波處理后，在前10min，SCOD 增加的比較快，從5 958.33mg／L 增加到6 875mg／L，繼續延長超聲波作用污泥的時間，從15min處理到25min，SCOD 增加的速率明顯變緩。加堿后的污泥經過超聲波處理后，在5～10min 處理過程中，SCOD 增加的速率很快，從7 366.67mg／L增加到13 333.33mg／L。再延長處理時間，與未加堿的相比而言，其變化趨勢基本一致。

未加堿的污泥在超聲波處理25min后，SCOD質量濃度增長了1 125mg／L，而加堿的污泥經過超聲波處理25min后，SCOD 質量濃度增長了9 600 mg／L，由此可見，超聲波與堿協同作用的效果要比超聲波單獨作用的效果好。

3 結 論

從鏡檢中可以看到，污泥絮體隨超聲波作用時間的延長越來越散。

SCOD 隨超聲波作用時間的延長而增加，在作用15min左右的過程中，SCOD 的增加幅度比較大。在超聲波作用20min后，SCOD 的增加幅度變緩，這是因為菌體細胞被超聲波破碎后，胞內的物質流出來，其SCOD 數值也就穩定下來。

超聲波與堿協同作用對污泥的破壁效果比超聲波單獨作用好。這說明污泥經過堿處理后，更容易破壁，SCOD 增加的更快。

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