低聲能密度下的超聲堿解剩余污泥工藝技術

郭佳偉，田月臣，郭宏偉

(東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096)

如今城市污水處理廠的建設體量進一步加大，隨之而來市政污泥的量也不斷加大[1]，有效的減量化、無害化地處理好產生的污泥，以及進一步資源化，將污泥中的一些有機物更好的利用是有研究價值且迫在眉睫的問題。

懸浮的污泥絮體結構是剩余污泥的主體，污泥絮體本身是由細菌、原生動物、金屬陽離子、胞外聚合物、無機小顆粒通過一系列物化作用集合在一起的微生物實體[2]。對市政污泥的妥善處理是現階段污水處理廠研究的一個重要課題。目前，厭氧消化技術因其具有污泥減量、節能、污泥穩定性優良、可得消化氣體等一系列優點，是國內污水處理廠大量應用的污泥處理處置技術[3-5]。然而，一些研究顯示，水解在污泥厭氧消化過程中是限速步驟，是污泥處理處置過程中的瓶頸[6]。

為了避免市政污泥在厭氧消化過程中過多的消耗時間，盡可能減少污泥量，需在消化前，通過預處理，將細胞和胞外聚合物破解[7]，改變污泥絮體結構，使細胞中所含物質流出，從而將難水解物質變為更易水解的可溶物質[8-9]。通過預處理，還能在一定程度上增加水相中的有機物量，對于之后的厭氧消化，則大大縮短了所需時間，從而加快了消化進程[10-11]。

污泥常用的預處理技術[12]包括以堿處理為主的化學方法，以微波、超聲波等方式為主的物理方法，生物方法和若干種方法聯合的技術。與單獨處理方法相比，聯合處理方法能揚長避短，效果更為顯著，也受到了廣泛關注。同時，利用超聲波安全、清潔、低能耗的特點破碎細胞以及堿對污泥絮體結構的破解作用，具有其特有的優勢與代表性。本研究通過融合超聲波與堿兩種要素加以聯合的預處理技術，以課題組前期部分研究成果為基礎，進一步探究在較低聲能密度下，加堿的不同對污泥預處理產生的影響。通過不同試驗條件下測得的SCOD溶出值、酸堿度pH及溫度T，分析在不同超聲波與堿結合方式的試驗結果，進而得出Ca(OH)2具有一定能夠替代NaOH預處理污泥可行性的建議。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗材料、試劑、裝置

原料污泥樣來自本市某污水廠污泥，通過檢驗，該污泥總固體TS為5 000 mg/L左右，pH值為6.1～6.7，NH3-N在3～7 mg/L，污泥原樣置于冰箱冷藏。本試驗所用超聲波破碎儀器購置于寧波新芝科器研究所，其超聲波發生頻率為40 kHz，功率為10～1 200 W。超聲方式為脈沖式，操作方式為常壓。

1.2 試驗方法

將濃度為1%的污泥樣用燒杯盛裝，兩種堿NaOH和Ca(OH)2控制其濃度為1 mol/L，另準備1 mol/L的H2SO4， pH值分別調為8～12，共5個值。破解污泥超聲波設置為0.19 W/mL和0.5 W/mL兩種聲能密度環境，每5 min共記錄6個時間節點，取樣并測試，每一節點以3個平行樣取均值來減小試驗誤差，提升試驗精度。最后，綜合所得結果，以作圖方式得到污泥各指標隨時間變化的趨勢，總結超聲波和堿兩者聯合預處理市政污泥的規律。

1.3 試驗指標測定方法

(1)化學需氧量

用消解法測定，因初始濃度較高，先稀釋5倍，再將樣品加入消解瓶，加入濃硫酸。在150 ℃恒溫箱保持2 h，用重鉻酸鉀溶液滴定。

(2)pH及溫度

pH用衡欣酸堿度計，溫度用測試筆測定。

2 結果與討論

2.1 超聲波-NaOH聯合預處理

2.1.1 污泥SCOD增加值

在污泥中加入NaOH，并調節pH值分別為8、9、10、11、12，超聲波聲能密度分別采用0.19、0.5 W/mL兩種進行聯合預處理污泥試驗，測量并得出SCOD增加值、pH和污泥溫度隨時間的變化趨勢。

污泥SCOD增加量變化趨勢在兩個聲能密度和5種pH下的規律如圖1所示。

圖1 污泥SCOD增加量在5種pH下隨時間變化的趨勢 (a)聲能密度為0.19 W/mL；(b)聲能密度為0.5 W/mLFig.1 Variation of SCOD Value of Sludge under Five Different pH Values with Time (a) Acoustic Energy Density of 0.19 W/mL;(b) Acoustic Energy Density of 0.5 W/mL

由圖1可知：隨著時間的變化，在單獨某一pH及聲能密度下，破解后污泥SCOD增加量呈遞增趨勢；在同一時間點下，隨著pH的增大，SCOD增加量也呈遞增趨勢；超聲波-NaOH聯合，聲能密度越大，在堿解的基礎上處理污泥的效果越好。通過試驗數據可知：聲能密度為0.19 W/mL時，SCOD增加，最大為4 871 mg/L；在0.5 W/mL時，SCOD增加，最大為4 972 mg/L。同時，圖1還能得出，更高的pH堿解條件與低pH條件相比，總過程SCOD增加量的整體增長幅度更大。相較于課題組的前期試驗，單獨超聲條件下(以聲能密度為0.19 W/mL，含固率為1%為例)，SCOD增加量最大值僅為1 586 mg/L；單獨堿解條件下(以NaOH，pH值=8為例)，SCOD增加量最大值僅為1 032 mg/L，與本次聯合試驗的結果1 631 mg/L差距較大。

綜上，超聲波與NaOH聯合對污泥預處理過程具有較好的協同促進作用，在試驗后期，SCOD增量的增長趨勢逐漸放緩。肖本益等[13]在其研究中提及，雖然污泥在預處理的整體過程中所需時間較長，但在堿解速率快速增加的階段僅1 h左右，之后則呈放緩趨勢。本試驗結果也較好地吻合該結論，或許此次試驗有超聲波與之聯合作用，因此，此處趨勢更早的放緩。

由此得出，超聲波-NaOH聯合能夠加快污泥絮體結構破解的進程。究其原因如下：通過超聲作用，污泥絮體結構發生變化，能獲得與NaOH更大的接觸面積，強化了NaOH與細胞壁內脂類物、胞外聚合物的水解，同時聲波本身也會產有空化作用，使得攪拌作用更加強烈，從而進一步促進NaOH的水解反應。另一方面，從NaOH水解角度看，它能在污泥EPS和細胞壁上生成很多小孔，促使有利于超聲波空化作用的空化氣泡核形成，反過來強化超聲波的破解能力；另外，污泥的絮體結構因胞外聚合物及細胞壁形成的空隙，對超聲波剪切力的阻礙也就被削弱。

2.1.2 污泥pH的變化

在兩種超聲波聲能密度分別作用下，在污泥中加入NaOH并調節pH值分別為8、9、10、11、12，污泥pH變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，污泥的pH隨時間的變化呈現減小的趨勢。初始低值pH環境下，出現了pH值降至7以下的情況。從pH值變化幅度角度來看，當pH值為8、9、12時，整體降幅較小；當pH值為10、11時，整體降幅較大。

圖2 污泥pH隨時間的變化趨勢 (a)聲能密度為0.19 W/mL；(b)聲能密度為0.5 W/mLFig.2 Variation of Sludge pH Values with Time (a) Acoustic Energy Density of 0.19 W/mL; (b) Acoustic Energy Density of 0.5 W/mL

從機理角度來看，在超聲波-NaOH聯合預處理污泥過程中，污泥中微生物細胞產生酸性物質并加以釋放，與NaOH部分中和；另外，在使用NaOH過程中，本身的水解反應也會消耗一部分NaOH。因此，綜合來看，pH呈現減小的趨勢。

2.1.3 污泥溫度的變化

污泥溫度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 污泥溫度升高值在5種pH下隨時間的變化趨勢 (a)聲能密度為0.19 W/mL；(b)聲能密度為0.5 W/mLFig.3 Variation of Sludge Temperature-Rise under Five pH Values with Time (a) Acoustic Energy Density of 0.19 W/mL;(b) Acoustic Energy Density of 0.5 W/mL

由圖3可知，從趨勢來看，污泥溫度隨時間的推進在不斷的升高。另外，更高的聲能密度和初始pH都能夠促進污泥溫度的上升。

從溫度變化幅度角度看，低初始pH時，最終溫度增幅小；高pH時，最終溫度增幅大。分析原因：其一，在堿解時，NaOH與絮體結構接觸本身的反應是放熱的，提供了污泥溫升所需的能量；其二，超聲波空化效應使得氣泡核崩潰瞬間產生瞬間的高溫，釋放出的高溫，提供了溫升所需的能量。

2.2 超聲波-Ca(OH)2聯合預處理

Ca(OH)2在污泥調質脫水中的應用比較廣泛，在堿解污泥中應用較少。國外部分研究指出[14]，Ca2+對EPS有一定的架橋作用，會抑制水解的進行，因此，Ca(OH)2應用于污泥預處理的堿解效果低于NaOH。同時，由于NaOH自身帶來大量的鹽離子，會對儀器產生腐蝕，且NaOH成本也較高，李國鼎等研究[15]指出，污泥預處理中使用廉價的石灰也是一經濟有效的選擇。

本試驗探究利用Ca(OH)2與超聲波聯合預處理污泥的作用效果。與2.1節一樣，使用相同的聲能密度與Ca(OH)2聯合預處理剩余污泥，同時調節初始pH與2.1節一致。

2.2.1 污泥SCOD增加值的變化

在0.19 W/mL、0.5 W/mL兩種聲能密度條件下，測得SCOD增加量隨時間變化的趨勢如圖4所示。

圖4 污泥SCOD增加量在5種pH下隨時間變化趨勢 (a)聲能密度為0.19 W/mL；(b)聲能密度為0.5 W/mLFig.4 Variation of SCOD Value of Sludge under Five Different pH Values with Time (a) Acoustic Energy Density of 0.19 W/mL; (b) Acoustic Energy Density of 0.5 W/mL

由圖4可知，在超聲波及堿的共同作用下，污泥SCOD增加量隨時間的變化在不斷增大。當聲能密度為0.19 W/mL、初始pH較低時，污泥SCOD增量一直以一個較低的增長率不斷增大；而當初始pH較高時，前20 min，SCOD增加值快速增大，然后則趨于平緩；聲能密度升高至0.5 W/mL時，不管堿性強弱，SCOD增量在前50 min一直以較高速率增長，之后才趨近平穩。

聲能密度為0.19 W/mL、聯合Ca(OH)2預處理污泥時，SCOD增量最大為2 571 mg/L。Ca2+與污泥中的負電基團結合，抑制了水解作用，堿性較弱時，由于Ca2+較少，架橋作用很小，整體來看，處理過程起主導作用的是超聲波空化作用；堿性較強時，Ca2+較多，雖OH-也較多，但是整個過程起主導作用的是Ca2+的絮凝作用。相較而言，超聲波的空化作用不夠，Ca2+的架橋作用使得難再進一步強化超聲波的空化效應，因而堿解過程很快完成。國外有研究[16]指出，堿性較弱時，利用Ca(OH)2預處理污泥，堿解速率很大，出現強于NaOH作用的情況，而在提高Ca(OH)2濃度后，所測得SCOD的量反而降低。本試驗所得結果也與此結論一致。

在聲能密度為0.5 W/mL下，堿性較弱時，SCOD增加量相應高于前者聲能密度結果。另外，堿性較強時，并未出現小聲能密度時的現象。初始pH較高時，前20 min 并未出現SCOD增加值先快速增大然后趨近平穩的現象，而是隨時間的變化一直在變大，試驗結果雖不如上述NaOH破解污泥時的效果好，但Ca2+的架橋作用并未過多的影響堿解效果。

分析可得，Ca2+的絮凝作用強化了污泥自身的絮體結構，然而0.5 W/mL聲能密度下產生的水力剪切力足以將絮體結構破解，測得SCOD并沒用受絮凝作用所阻礙。因此，試驗說明，超聲波與Ca(OH)2共同破解污泥時，依舊能表現出很好的協同作用。

2.2.2 污泥pH變化

由圖5可知，隨著時間的延長，污泥pH整體在減小，在pH值為8、9以及12時，他們的始末值降低幅度小，而在pH值為10、11時，降低幅度都較大，與2.1所得結論一致。聲能密度為0.5 W/mL時，降幅比0.19 W/mL時的降幅更大些，這也是因為更大的聲能密度同Ca(OH)2的聯合作用效果要更強。

圖5 污泥pH隨時間的變化趨勢 (a)聲能密度為0.19 W/mL；(b)聲能密度為0.5 W/mLFig.5 Variation of Sludge pH Values with Time (a) Acoustic Energy Density of 0.19 W/mL; (b) Acoustic Energy Density of 0.5 W/mL

2.2.3 污泥溫度的變化

由圖6可知，與2.1.3結果類似，污泥的溫度隨時間的推進在不斷升高，聲能密度越高、pH越大都能夠促進污泥溫度的上升。另外，低聲能密度溫度升高幅度要比高聲能密度更小。超聲波聲能密度為0.19 W/mL，溫度在前25 min的增長速率較快，然后趨于平緩；當聲能密度升至0.5 W/mL時，溫度在前50 min一直在以較高速率增長，之后趨近平穩。

圖6 污泥溫度升高值在5種pH下隨時間的變化趨勢 (a)聲能密度為0.19 W/mL；(b)聲能密度為0.5 W/mLFig.6 Variation of Sludge Temperature-Rise under Five Different pH Values with Time (a) Acoustic Energy Density of 0.19 W/mL;(b) Acoustic Energy Density of 0.5 W/mL

分析原因，在超聲波聲能密度為0.19 W/mL時，聲波的空化效應較弱，同時，污泥絮體由于Ca2+的架橋作用發生絮凝，絮體與Ca(OH)2沒有足夠的接觸面積促進水解的進行，從而溫度增幅較小，同時反應很快就由溫度升高進入緩和的趨勢。當聲能密度升至0.5 W/mL時，污泥破解較為充分，促進了Ca(OH)2與絮體充分接觸并發生水解，因此，污泥的溫度能夠上升。

3 結論

(1)超聲波同NaOH的聯合作用表現出較好的協同效果，不論聲能密度大小都能對NaOH堿解污泥起到促進作用。試驗得到的SCOD增加量最大值可達4 972 mg/L，同時污泥溫度也上升較多，溫度上升最大可達51.2 ℃。

(2)與Ca(OH)2聯合時區別于NaOH，低聲能密度、低pH，污泥SCOD呈現一直變大的趨勢；高pH下，污泥SCOD則先增大后趨近于平緩；pH不同，超聲波與Ca2+相比，表現的矛盾關系不同，0.5 W/mL時測得SCOD增加量最大值也能達到4 568 mg/L，體現出不錯的協同作用。

(3)從試驗效果來看，聲能密度較大、加入堿的堿性越強，則有更多的SCOD溶出，從而測得的SCOD值增加量越大。另外，Ca2+的加入強化了污泥的架橋作用，低聲能密度時污泥SCOD較小，較大的聲能密度下，Ca2+架橋作用卻沒有過多地影響污泥預處理效果。從試驗效果提升的幅度以及原料成本角度看，Ca(OH)2具有替代NaOH處理污泥的潛力。

(4)從實際應用出發，為了污泥破解并節省能耗，本文推薦的最佳低聲能密度為0.5 W/mL、pH值為11、作用時間為30～40 min，供參考借鑒。

(5)聲能密度的大小和輻照時間長短不可避免地帶來了能耗問題，因此，后續通過經濟分析在節省能耗前提下，達到相同的污泥破解水平時，探究最佳的低聲能密度區間，具有較大的研究價值和現實意義。