超聲破解在污泥減量中的應用進展

汪亞楠，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

活性污泥法在世界范圍內廣泛用于城市污水和工業廢水的處理，與固定膜法等工藝相比，世界各國對污水處理的要求也越來越高。而且，其單位體積反應器的處理效率可能會高達10倍，但是其操作成本很高[1]。傳統活性污泥(CAS)的一個問題是，它產生的污泥太多，生物質產量系數在這個過程中每生物質去除1kg的COD大約0.5kg生物量[2]。此外，城市污水處理產生的污泥處理和處置占污水處理廠總成本的約50%～60%[3]。由于污泥的最終處置受到環境限制，因此目前使用的污泥處理方法處處理成本飆升，因此世界各地的研究中心都試圖尋找和開發新的方法來最大限度地減少污水處理廠產生的污泥。

2 污泥減量化的主要技術

從根本上解決污泥問題的方案之一是使用那些與常規方法相比產生較少污泥的途徑。廢水中有機碳的一部分被微生物的重要活動所消耗，另一部分被用于繁殖，并因此增加了污泥產量。因此，為減少污泥產量，應采取一些措施使廢水中大量可利用的有機碳被微生物的生理活動所消耗，只有一小部分可用于繁殖。已經研究了不同的方法來實現這樣的目標，具體如下。

(1)裂解-隱性生長：當細胞裂解時，儲存在其中的營養物質在污水環境中釋放，增加了廢水的有機負荷。從細胞溶解釋放的有機物質再次進入其他微生物的代謝循環，并且其中一部分含碳物質被用于其他微生物的生命活動，導致污泥產量的總體降低。由于這種碳物質引起的生物量增長不能與廢水含碳物質引起的生長分開區別，因此稱為隱性生長[4]。到目前為止在實驗室規模，中試規模和實際規模中使用的細胞裂解過程包括：①40～180 ℃溫度范圍內的熱裂解；②使用酸或堿的化學裂解；③機械或物理裂解如銑削，均化器或超聲能；④連續凍結和解凍；⑤通過添加酶進行生物水解；⑥采用先進的氧化工藝(AOPs)，如臭氧和H2O2；⑦使用熱化學溶解或聯合使用超聲波能量和堿等組合方法。

(2)解偶聯代謝：分解細胞代謝階段，或者換句話說，細胞代謝的解偶聯過程，是為了防止產生ATP。廢水的生物處理過程中的底物氧化會增加細胞質膜中質子的動能，從而提供磷化合物所需的驅動力，從而形成ATP[5]。添加一些有機物質會導致質子通過細胞質膜擴散或逸出，導致ATP所需的驅動力消失[6]。最近，一些研究人員通過添加2,4-二硝基苯酚(dNP)，對硝基苯酚(pNP)，五氯苯酚，四氯水楊酰苯胺(TCS)等化學物質研究了污泥減量，并取得了滿意的結果[7]。

(3)維持代謝：很明顯，在污水處理系統中，當污泥停留時間很長時，剩余污泥量就會減少。在所有微生物種類中，用于維持重要活動所需的能量優先于繁殖。由于進入曝氣池的物質濃度大致恒定，因此增加曝氣池中微生物的數量將減少每個池的底物份額，并且如果生物質濃度足夠高，則可用底物將僅提供所需的能量為細胞存活但不為其繁殖。這種由基質提供的能量被用于維持細胞生命活動的新陳代謝被稱為維持代謝[8]。

(4)細菌捕獲：廢水的生物處理過程和這種處理的環境就像一個生態系統，活性污泥是各種微生物的適宜棲息地。因此，較大物種如原生動物對一些較小物種如細菌的死亡或掠食可能會減少較小物種的種群，一般來說，會減少微生物總數，從而減少剩余污泥[9]。

3 國內外研究進展

關于污泥消化率的研究結果表明，污泥增溶高度依賴于處理的種類(超聲波，臭氧化和熱能)而不是特定的能量輸入。強度為200000 kJ / kg TSS的超聲處理在TSS和VSS增溶方面取得了最好的結果(分別為47%和55%)[10]。

Zhang等2007年對超聲波(25 kHz)有效液化污泥進行了研究。根據其結果，污泥減量的最有效條件如下：污泥超聲比率為3/14，超聲強度為120 kW/kg DS，超聲處理時間為15 min。剩余污泥減少量為91.1%[11]。

Li等人2008年研究了污泥超聲降解廢水活性污泥。結果表明，污泥量可減少58.8%。超聲強度為1.6 W/mL，超聲時間15 min[12]。

鄭莉[13]研究了超聲波溶胞前后對污泥理化和生化性質的影響。研究結果表明,聲能密度對超聲波預處理污泥效果影響最顯著,最佳的超聲預處理參數組合為：超聲頻率28 kHz,聲能密度0.15 W/mL,超聲時間10 min。此外,研究還發現不同濃度的污泥,對應的最佳超聲組合參數也有所不同。其次通過實驗室小試和中試試驗,研究了超聲波預處理對污泥缺氧/好氧消化的影響。

朱廣峰等[13]以A2O活性污泥系統為研究對象,采用超聲波處理剩余污泥以考察污泥減量效果及其對系統處理效能的影響。首先,開展超聲污泥預處理試驗,通過檢測污泥上清液COD及電鏡圖,得出在聲能密度為0.62 W/mL、作用時間4 min為最佳技術參數。然后,研究剩余污泥經超聲處理后不同回流比例到A2O系統厭氧區,對出水水質和污泥減量效果的影響。綜合出水水質和最終排泥量的實驗數據,得到超聲污泥回流比40%為最佳比例,系統污泥減量32.2%。

4 展望

利用超聲波進行污泥裂解是減少剩余污泥的方法之一，并且最近在該領域已經進行或正在進行相當多的研究。但是，超聲波對剩余污泥的減少取決于不同的因素。使用更大的功率將特定的能量施加到質量單位的污泥上會對減少污泥產量產生負面影響。使用超聲波進行污泥減量可以改善污泥沉降特性并降低SVI，但也會減少污泥的SOUR，這可能是由于污泥中積聚了不活潑和不可分解的物質，每個工作循環中都會添加污泥。因此，建議在類似的研究中，只讓溶解污泥的可溶部分返回反應器。