微波法處理污泥的研究進展*

溫　超，曹珊珊，蔣　雪，程　剛

(西安工程大學環境與化學工程學院，陜西　西安　710048)

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微波法處理污泥的研究進展*

溫超，曹珊珊，蔣雪，程剛

(西安工程大學環境與化學工程學院，陜西西安710048)

基于當前城鎮污水處理廠污泥處理處置的現狀，介紹了微波作用污泥機制以及當前國內外微波處理污泥技術的一些具有代表性的研究成果，主要包括：含油污泥微波脫油技術；微波熱解污泥技術；微波污泥脫水干化技術；微波破解污泥細胞壁技術；將微波與其他物理、化學方法聯合運用處理污泥技術。并對微波法處理污泥的發展前景提出了自己的見解，以期推動該技術的發展。

微波；污泥；破解

近年來，隨著污水處理設施不斷完善與發展，污水污泥產量顯著提高。根據環保部統計，2014年全國投運的城鎮污水處理設施共4436座，平均日處理水量1.35億m3。按城市污水中含固率為0.02%估算[1]，我國污泥產量巨大，污泥在環境和安全方面存在隱患。關于污泥處理技術的研究國內外已有許多，其中微波處理污泥因其特有的優點已引起廣泛注意。本文主要結合國內外代表性研究成果，介紹了污泥的微波法處理技術。

1　微波作用機制

微波通常指頻率300 MHz～300 GHz，波長1 mm～1 m左右的電磁波[2]。微波的非熱效應和熱效應對污泥產生作用。前者是指污泥中生物大分子在微波場中極化部分定向排列而導致維持大分子高級結構的氫鍵等次級鍵斷裂，失活變性。后者指污泥中具有誘導或永久偶極的有機物及水等物質吸收微波能量，使污泥很快升溫。污泥中變性與升溫的大分子物質水解為小分子，即破碎EPS、微生物細胞等大分子，水解胞內溶出物質，實現污泥破解。微波加熱有以下特點[3]：①加熱均勻，熱效率高；②能進行選擇性加熱；③強場高溫、高頻高溫；④穿透能力強；⑤反應過程易于控制；⑥殺菌。

2　微波法處理污泥的技術

目前，微波技術應用于污泥處理的研究已有很多，微波法處理污泥的技術主要有：

2.1含油污泥微波脫油技術

美國學者對含油淤泥進行微波脫油技術[4]相關研究，結果表明：微波脫油處理成本只相當于傳統方法的1/10。劉曉娟等[5]研究發現：使用微波處理法對油田污水處理中產生的高含水污泥進行脫水干化時，脫水過程及油水分離過程須加以協調。胡同亮等[6]采用SH94O2微波反應系統對含30%的遼河、大慶原油油樣系統地進行了微波輻射法脫水研究，得出了最佳脫水條件：微波時間約10 min，微波功率375 W，系統壓力0.5 MPa，原油脫水采用微波輻射法有快速、高效、節能的優點。

2.2微波熱解污泥技術

污泥熱解傳統的方法是有機大分子經高溫加熱斷裂，但它有其缺點：在700 ℃條件下污泥要通過固定床及流化床熱解，產物中的PAHs含量大幅提高[7]，油產品的受到很大應用限制。J.T.Bohlmann等[8]在微波條件為溫度：250～300 ℃、壓力：8～20 MPa的裝置中順利將污泥轉化成水汽態、氣態、油類及固體殘留物質，反應避免了在高溫下進行，故PAHs的產生減少。J A Menéndez等[9]研究發現添加微波能吸收物質于污泥中，在微波條件下可迅速升溫達900 ℃，對污泥微波熱解有促進作用。方琳等[10]把吸能物質選為SiC，以及將污泥熱解產生的固體殘留物添加于污泥中，實驗表明：微波高溫熱解添加碳化硅和殘留物的污泥其液態產物含低于5.37%的PAHs，且熱值可以高于37 MJ/kg；氣態產物含體積分數54%以上H2和CO，熱值為9420 kJ/m3以上；因其產物特性使其作為燃料有望實現。研究表明[11]，微波熱解與傳統熱解相比，因揮發作用產生于微波熱解污泥過程中的CO2對于熱解碳渣發生自揮發反應有促進作用，故使其產物中CO2含量減少。

2.3微波污泥脫水干化技術

Wojciechowska[12]研究了微波作用對城市污泥的脫水影響，得出結論：微波對污泥的脫水性能可以提升，且對初沉污泥的脫水性能較消化污泥與混合污泥好；將微波聯合絮凝劑共同處理污泥較兩者單獨處理效果好。傅大放等[13-14]將微波作用于98%以上含水率的污泥脫水，結論表明：高含水率的剩余污泥直接利用微波脫水干燥技術可行，但經濟可行性較差；污泥開始沸騰的溫度因其含水率不同而不同，隨含水率的提高而與水的沸點逐漸接近；當污泥含水率降低到一定程度，開始沸騰的溫度不再變化，低于85%后，為75 ℃左右。傅大放[15]和Idris[16]的研究指出：微波作用經機械脫水達75%～80%含水率的污泥后，含水率可達到60%以下，大腸菌群數<300個/g，衛生學指標能符合污泥農用。對污泥進行干燥處理時，把傳統的熱空氣干燥換為微波方法，由75%～80%含水率降低到低于60%，其時耗電量<400度/t，處理成本及時長都有優勢[17]。

田禹[18]對SBR反應器活性污泥用微波輻射預處理，結論指出：在短時間內微波輻射污泥穩定結構遭到破壞，脫水性顯著提升；適宜的微波輻射能改善污泥結構與脫水性。李延吉等[19]研究了微波輻射對城市污水污泥的脫水性能影響，結果表明：含水率越高的污泥脫水效果越好，經微波作用后的污泥有機質仍有較高含量；輻射時長是最主要的影響因素，在540 W下輻射2～5 min即可達到良好效果；在合適的輻射時長下540～900 W都能達到良好的脫水效果，但在900 W時有機質的損失率較大，達到65.64%；添加劑投加多少對污泥脫水影響不大，但對污泥微波干燥后的性狀有影響。

2.4微波破解污泥細胞壁技術

熱水解能使細胞破碎、胞內有機物釋放及大分子有機物水解，同時提升污泥脫水與厭氧消化性能，故相關的研究和應用十分活躍[20]。L.Guo 等[21]對分別經超聲波、微波及高溫殺菌預處理的污泥進行假單胞細菌發酵產氫的研究，結果顯示：較超聲波預處理，高溫殺菌與微波預處理能明顯提升污泥的產氫量，總COD分別達15.02與11.04 mL/g，停滯時間各為15 h與10 h。喬瑋等[22]對污泥進行了微波熱水解研究，結果顯示：污泥有機物經微波加熱水解反應迅速進行，溫度對反應過程影響較大；在反應條件最佳時，污泥經微波水解(170 ℃)10 min后，污泥細胞壁開始破裂，離心脫水的污泥含水率小于65.5%，污泥的生物降解與脫水性能顯著改善。

崔金娟等[23]對碳酸氫鈉于微波處理污泥的影響進行了研究，得出結論：碳酸氫鈉的添加既可使污泥堿度增加，且隨碳酸氫鈉加入量的增加處理后污泥VFA和SCOD的含量明顯提高，Zeta電位絕對值變大。Eskicioglu等[24-25]將微波和傳統加熱對污泥性質和厭氧消化性能的影響對比研究，結果表明：微波和傳統加熱到96 ℃均能有效地使活性污泥絮體結構破壞及細胞內外生物高聚物釋放；經潛在CH4產生量的測定，表明微波輻射較傳統加熱更能推動污泥嗜溫厭氧消化，且認為微波的非熱效應起作用。

2.5微波與其他處理技術聯合

W T Wong等[26]將二沉池污泥處理用微波-雙氧水高級氧化法進行研究，得出結果：在≥80 ℃時，污泥經微波-雙氧水高級氧化法處理，COD完全溶解，污泥中氮、磷、金屬元素等營養物質也被溶解，還起污泥殺菌滅活的作用。G.Yin 等[27]進一步對微波-臭氧-雙氧水高級氧化法于固體于營養物質的溶解效果研究，得到結果：高于20%的總凱氏氮與30%的總P被溶解，且總COD溶解出來約有37%。

喬瑋等[28]研究了堿輔助條件下的污泥微波熱水解特性，污泥在堿輔助條件時微波熱水解的有機物溶解率高，溶解快；當堿添加量固定時，溫度對污泥熱水解效率影響較大；污泥中堿的添加量影響溶解率，在0～0.05 gNaOH/1 gSS范圍，隨堿添加量的變大污泥水解率明顯提高，添加量進一步加大水解率的增加變緩。賈瑞來等[29]考察了經微波-過氧化氫-堿預處理后的污泥水解的影響因素及在優化條件下的污泥水解效果和其有機物特征，結果表明：預處理后的污泥SCOD、溶解性蛋白質、溶解性糖類、VFA含量均隨著溫度的升高而增加。

M.K.Jamali 等[30]將微波引入分離工藝中，對傳統的三步提取法工藝改進，用于污水污泥中Cr、Cd、Ni、Cu、Zn、Pb等重金屬提取，使提取操作從16 h縮至120 s。閔甜等[31]采用微波-檸檬酸浸出城市污泥重金屬，結果表明：升溫速率15 ℃/min，pH值調3，攪拌30 min，170 W微波2.3 min，反應3 h，污泥中Zn、Ni、Pb、Cu浸出率分別達47.84%，43.83%，25.59%，11.05%，較無微波條件，重金屬浸出率平均提升了50.7%，反應時間縮短8 h。

3　微波法處理污泥技術發展探討

盡管微波法在污泥處理領域已有很多重要的研究，但該技術應用也都有其限制性。

3.1能耗及反應器的限制

因熱解需較高的熱能，污泥經微波熱解產生液態與氣態產品，在實際生產中電耗是巨大的，且其產品因技術等限制經濟效益較低，故經濟可行性差。另外，反應于微波發生器、反應器有一定要求。所以，微波熱解污泥技術適合處理工業污水含較多難降解有機物的污泥，不宜處置較大產量的污泥。

3.2微波動態作用污泥處理探討

當前，在靜態條件下微波處理污泥研究很多，而微波動態作用污泥的研究鮮有報道。當前的微波作用裝置難滿足污泥的動態處理，在實際生產中微波法處理污泥技術很難得到應用，為加快該技術的實際應用，應考慮以下方面的研究：①設計、開發、生產可連續運行的大容量微波處理污泥的裝置；②在動態條件下研究污泥在微波場結構和性質的變化，得到微波處理污泥成熟的理論體系，為該類技術工業化應用提供理論依據；③充分發揮微波特性，提高微波作用效率，節能降耗，使其在技術與經濟方面均可行。

4　結語及展望

盡管微波預處理剩余污泥具有熱效率高、加熱快、不會造成二次污染等優點，但該技術仍存在一些不足：①污泥微波處理需要特定裝置，要滿足各種化學反應條件(高壓、高溫、耐腐蝕等)，且污泥微波處理產生能耗；②污泥微波處理厭氧消化效率仍需繼續改善；③微波組合工藝的研究還不夠成熟與深入。

微波處理污泥技術在今后仍需深入研究，加強微波預處理污泥機理、微生物細胞破解、有機物的釋放效率增大、難降解物質生成的降低、污泥中病原微生物及有毒有害有機物去除、微波組合工藝及微波作用裝置等研究，促進該技術發展與工業化應用。

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Research Progress on Sludge Treatment Using Microwave*

WENChao,CAOShan-shan,JIANGXue,CHENGGang

(School of Environmental and Chemical Engineering，Xi’an Polytechnic University,Shaanxi Xi’an 710048,China)

Based on the present situation of the current urban sewage treatment plant sludge disposal, microwave effect mechanism of sludge and some representative research results of the technology of microwave treatment sludge at home and abroad were introduced,including oily sludge microwave deoiling technology, microwave pyrolysis of sludge, microwave drying technology of sludge dewatering, microwave cracking sludge cell wall. Microwave and other physical and chemical methods will be combined with sludge technology. Some views about the development prospects of the sewage sludge treatment using microwave were put forward in order to promote the development of the technology.

microwave technology; sewage sludge;crack

陜西省科學技術研究發展計劃項目(No:2012K12-05-04)；西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地(西安理工大學)開放基金項目(No:2013KFKT-1)。

溫超(1991-)，男，西安工程大學在讀碩士研究生，師從程剛教授，主要從事水污染控制及污泥資源化研究。

程剛(1965-)，男，教授，長期從事水污染控制及污泥資源化研究。

X703.1

A

1001-9677(2016)03-0008-03