超聲波技術在污泥厭氧消化處理中的應用研究進展

張宇紅 孫杰 陳紅丹 錢家琪 許家琪

摘 要：污泥既是一種污染物又是一種可利用資源。本文主要介紹了污泥的超聲波預處理方法和污泥厭氧消化技術以及超聲波技術在污泥厭氧消化處理中的應用研究進展，污泥的預處理可提高污泥的處理處置、資源化效率，具有較好前景。

關鍵詞：超聲波；污泥；厭氧消化；資源化

1.引言

隨著我國經濟的發展，工業廢水和生活污水處理量不斷增加，污水處理廠數量及規模隨之增加和擴大，污泥的產量也迅速增長。據估算，目前我國每年干污泥排放量約為3000萬噸，占城市生活垃圾總量的17.4%[1]。污水處理廠產生的污泥中含有病原體、重金屬和持久性有機物等有毒有害物質，未經有效處理處置，極易對地下水、土壤等造成二次污染。

2.污泥的預處理

污水處理廠排出的污泥，體積龐大，成分復雜，給污泥的后續處理帶來一定的困難。剩余污泥的預處理是通過污泥的穩定、消化、熱處理和脫水工藝達到降低固體有機物含量、殺菌及污泥脫水的目的。此外，經過預處理的污泥的成分、性質發生改變，有利于后續能源和資源的再利用。污泥的預處理方法主要有：超聲波處理法、熱處理法、微波處理法、酸堿處理法、生物預處理法等。在這里主要介紹幾種常見方法。

2.1 超聲波預處理法

超聲波是指頻率從20kHz到10MHz波段范圍內的聲波。不同波段的超聲波對污泥產生不同的作用。低頻超聲波 （20kHz-100kHz）尤其適合處理污泥（以下超聲波均指低頻超聲波）。

污泥在超聲波作用下不斷被壓縮和膨脹，內部產生氣穴泡，且不斷成長并最終共振“內爆”，內爆產生超高溫（5000℃）、高壓（500 bar），同時產生的強力水噴射流形成巨大的水力剪切力和羥基自由基，破壞污泥絮體結構和污泥中微生物細胞壁，使細胞質和酶從細胞中溶出。這樣為好氧或厭氧反應提供了有利的條件，促進反應速度和反應效率的提高。污泥固體成分中的可降解有機物含量一般在40%，難降解有機物含量一般在20%，礦物質含量在40%。超聲波發揮作用的目標主要是前兩部分成分。

2.2 熱處理法

其原理為通過加熱控制剩余污泥處理工藝中的溫度，使剩余污泥中的生物細胞壁受熱膨脹而破裂，從而使蛋白質和膠質、礦物質以及細胞膜碎片流出，進而在高溫的作用下水解、溶化。

2.3 生物酶技術

生物酶技術是指向污泥中投加酶制劑或能夠分泌胞外酶的微生物， 通過酶的水解催化作用，達到溶胞的目的，同時這些微生物或酶還可以將高分子有機物分解為小分子物質或無機物，利于厭氧菌對底物的利用，從而提高剩余污泥的生化降解性[2]，促進厭氧消化的進行。

3.污泥的處理處置方法

污泥處置是根據污泥的最終去向，將污泥進行利用或無害化處理，傳統上大多采用填埋、投海和棄置堆放、焚燒方式，雖然簡單易行，但會帶來一系列不良影響，給生態環境埋下安全隱患。為避免污泥對環境的二次污染，人們已認識到污泥處理的優先順序是減容、利用、廢棄。污泥的有效利用可分為土地利用和熱能利用，具體方法主要包括污泥填埋、污泥農用、污泥的建材化技術、污泥的厭氧消化（制沼氣）技術等。

3.1 污泥厭氧消化技術

厭氧消化是利用兼性菌和厭氧菌進行厭氧生化反應，分解污泥中有機物質的一種污泥處理工藝。目前對厭氧消化的機理以Bryant提出的三階段理論為主。三階段理論認為，整個厭氧消化過程分為水解酸化、產氫產乙酸和產甲烷三個階段。有機物首先通過水解發酵細菌的作用生成揮發性脂肪酸、醇類和乳酸等，接著由產氫產乙酸菌的降解作用而被轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳，然后再被產甲烷菌利用，最終為轉化甲烷和二氧化碳。

3.2 污泥填埋

在建有廢物填埋場的城市，可將脫水的泥餅及污泥焚燒處理后的灰渣送去填埋場進行處置。這種廢物填埋場底部鋪有襯層，可防止浸出液滲透漏入土壤污染地下水。這種方法具有成本低廉的優點，但處理不當可能會產生二次污染，浸出液滲漏會污染土壤及地下水，且處理周期長。

3.3 污泥的建材化技術

污泥中含有硅、鐵、鋁、鈣等元素。過去生產建材都以污泥焚燒灰作為原料，近年來為了節約投資，充分利用污泥自身的熱值，就直接利用污泥做原料來生產建材，目前相關方面的技術已開發成功，如：污泥制生態水泥、污泥制微晶玻璃等。

4.超聲波在污泥厭氧消化技術中的應用

沈勁鋒等采用超聲波技術分解石化污水廠剩余活性污泥，在2000W/m2 超聲聲強下處理60 min 的污泥，厭氧消化25d累積產生的氣體比未處理污泥產生的氣體提高了60%以上。厭氧消化10d，有機物去除率達到40%，比未處理污泥提前約10d完成厭氧消化。

曹冬梅等對污泥厭氧發酵消化產沼氣研究，污泥發酵時間與超聲波處理時間對沼氣產率也有很大影響，值得注意的是有機物釋放通常滯后于菌膠團的破壞，因此超聲波促進污泥脫水所需時間很短，而促進污泥發酵通常需要較高的聲波強度（>0.3W/cm3）和較長的處理時間（>10min）。

揚潔在兩種聲能密度下，污泥超聲破解后進行厭氧消化，研究超聲聲能密度、作用時間，對污泥厭氧消化過程中產氣量、有機物去除率和消化速率的影響研究得出，氣產量隨破解時間和投配率的增加而增加。與對照組相比，污泥超聲破解可以提高有機物的去除率，并且隨投配率的增加有機物去除率不降低反而會有所提高。

5.結語

在不同聲能密度、不同作用時間下，超聲波對其作用后的污泥分解程度、污泥絮體尺寸變化、對污泥中異養菌和大腸桿菌的破壞程度，以及伴隨污泥分解，溶解性COD釋放情況和相應的溫度上升現象等實驗研究，為掌握超聲波分解污泥的機理提供了研究基礎。尤其是經超聲作用后的污泥，顆粒態COD轉變為溶解態COD，可充分利用這一特點并將其結合到污泥處理工藝中，提高污泥厭氧消化的能力。目前，超聲波應用于污泥處理及減量存在的主要問題是超聲處理運行參數優化、超聲效率有待提高以及超聲反應器的合理設計等。而且在進一步研究中應注意與污水處理工藝的合理組合，這樣才能發揮超聲波的特點，并為其在實際工程的應用打下基礎。

[參考文獻]

[1]石秀娟，梁文俊，李依麗等.超聲波技術在城市污泥處理中的應用進展[J].四川環境，2017，36（1）：157-162.

[2]Zhang L， Zhang Y， Zhang Q， et al. Sludge gas production capabilities under various operational conditions of the sludge thermal hydrolysis pretreatment process [J]. Journal of the Energy Institute， 2014， 87（2）：121- 126.

[3]沈勁鋒，殷絢，谷和平，等.超聲波促進石化污水廠剩余活性污泥厭氧消化[J].南京工業大學學報， 2006， 28（6）：66- 69.

[4]曹冬梅，劉坤.城市污泥厭氧消化產沼氣資源化研究[J].工業安全與環保， 2006， 32（11） ：41-431.

[5]楊潔，季民，韓育宏等.污泥堿解和超聲破解預處理的效果研究[J].環境科學，2008，29（4）：1002-1006.

（作者單位：沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110141）