超聲技術在污泥合理化處理處置中的應用

劉 偉，郭廣亮，陸 佳，王 欣，蘇小紅，范 超

(1.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

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超聲技術在污泥合理化處理處置中的應用

劉 偉1，2，郭廣亮1，2，陸 佳1，2，王 欣1，2，蘇小紅1，范 超1

(1.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

超聲波在污泥中傳播時，會同時產生機械作用、熱作用和空化作用，使污泥發生一系列物理和化學變化。目前該技術作為一種清潔、高效、環保的處理方式，被廣泛應用于污泥處理處置過程。綜述了超聲技術破解污泥的原理、影響因素及目前國內外超聲技術在污泥處理過程中的應用情況，以期為我國實現污泥穩定化、減量化、無害化、資源化的合理化處理處置提供思路。

超聲；污泥；合理化處理處置

污泥是污水處理過程中產生的副產物，主要由初沉污泥、剩余污泥及混合污泥組成。據國家住房城鄉建設部統計數據，截至2016年3月底，全國城市、縣累計建成污水處理廠3 910座，日污水處理能力達1.67億m3。按照噸水產泥量(污泥的含水率80%)0.05%～0.08%估算，我國年產污泥量達到3 000萬～4 800萬t[1]。隨著我國對污水處理廠出水水質要求的不斷提升，污水處理效率的提高和脫氮除磷等三級處理勢在必行，這就意味著污泥回收率將不斷提升，污泥年產量也將繼續增長，污泥的合理化處理處置將是今后面臨的重要問題。

城市污泥的合理化處理處置必須遵循穩定化、減量化、無害化、資源化的要求和原則[2]，目前常用的污泥處理處置方法主要包括厭氧消化產沼氣，污泥中酶、生物柴油、化合物和重金屬提取的資源化利用，有毒有害污染物的降解和病原菌等去除的穩定化、無害化處理等，這些方法在現階段的污泥處理中起到了重要作用，但均存在處理效率有限、環境污染等弊端，如何改進方法，提高處理處置效率，是研究人員一直努力的方向。

超聲是一種超出人耳聽力上限，頻率大于20 kHz的循環壓力聲波。當超聲波在污泥中傳播時，會同時產生機械作用、熱作用和空化作用，使污泥發生一系列物理和化學變化[3]。目前超聲處理被廣泛應用于污泥的不同處理方式(如污泥厭氧消化、好氧發酵、脫水干燥、資源提取等)中，不僅可以減輕環境負擔，還能提高污泥處理效率。

1 超聲技術破解污泥的原理

超聲波是通過一系列壓縮(正壓)和稀疏(負壓)循環來傳播，進而影響液體中分子活動的一種機械振動波。當稀疏循環的負壓超過分子間引力時，空隙產生[4]。結構中產生的空隙和空洞在液體中吸收少量的水蒸氣，在壓力循環過程中沒有全部瓦解，而是在逐次循環中繼續長大，形成所謂的空化氣泡。由氣泡的內爆可以產生足夠的“能量”，形成局部的瞬時高溫高壓(5 000 ℃、500 atm)，氣泡局部的高壓發射沖擊波形成“機械剪切力”，破解污泥的絮狀結構，使大量單體細胞溶出，在空化氣泡內爆過程產生強大水力剪切力作用下，周圍的污泥細胞破解，這個過程被稱為超聲波“空化效應”，是超聲污泥破解的主要過程。在污泥破解的同時，高活性的反應自由集團(H·、OH·)推進化學氧化還原反應的進行，形成“聲化學效應”，對污泥的超聲破解起到輔助作用。超聲作用產生的熱效應導致脂類分解加速，細胞質膜的通透性變大，更多的胞內物質溶出，然而由于高溫下污泥的溶解性很差，短時間的超聲處理產生的熱效應對破解貢獻并不大[5]。

2 超聲技術破解污泥的影響因素

超聲破解污泥的主要影響因素包括超聲頻率、比能量輸入、功率輸入、超聲時間等[6]。超聲頻率控制著空化氣泡的臨界尺寸，是后續處理效率的主要影響因素，低頻超聲有利于機械作用和物理降解，高頻超聲提高了聲化學效應，在污泥處理領域中，低頻(20～40 kHz)超聲更易形成微射流和機械剪切力，較高頻超聲則有著更好的破解效果。比能量輸入是污泥破解中一個重要參數，是超聲的功率、時間、樣品體積和樣品固含量共同作用的結果，在應用中高能輸入效率比低能輸入更高，尤其在1 000～16 000 KJ/KgTS的破解效果更加突出。功率輸入主要由超聲聲密度(W/mL)和超聲強度(W/cm2)決定，在空化氣泡的形成和行為方面起著至關重要的作用，適當提高功率輸入會產生高效的聲壓效應，產生更多的瞬時空化氣泡，有利于污泥的破解。從超聲時間來看，短時間的超聲只能促進污泥絮體的松團作用，而對污泥細胞的破解幾乎沒有影響，而長時間的超聲處理對污泥細胞膜的破解、胞內物質的溶出和污泥固體的降解有積極的作用[5，6]。

3 超聲技術在污泥處理中的應用

3.1 超聲技術應用于污泥生物發酵

好氧發酵因其工藝相對簡單和相對較低的設施建設費用，被廣泛用于小型的污水處理廠。有關超聲對于好氧發酵的影響報道有限，多集中于對固體停留時間(SRT)的縮短和污泥減量化兩方面。Khanal研究表明，在超聲頻率20 kHz和功率1.5 kW條件下，對固含量3%的污泥處理10 min后，SRT縮短為8 d，揮發性固體(VS)去除率提高了54%[7]。在短的SRT下，好氧發酵效果更顯著。Erden等應用9 690 kJ/kg TS的比能耗輸入，將VS去除率由對照組的22.8%提升到36%[8]。另外，超聲預處理過的好氧發酵污泥的微生物活性增強，Chang等報道了超聲應用于高溫好氧發酵過程中，可揮發性懸浮固體(VSS)去除率提高55%，并把SRT由15 d縮短為3 d[9]。

在厭氧消化中，污泥超聲預處理技術解決了厭氧消化的水解限速這一難題，提高了后續的產氣量和有機質去除率，縮短了固體停留時間，縮小了構筑物體積，在一定程度上節約了建筑費用。超聲對厭氧消化影響的因素主要包括有機負荷、底物類型、比能耗輸入、超聲時間，污泥停留時間和預處理部分所占的比例。超聲預處理可顯著提高污泥的厭氧消化效率。Bougrier 和Dewil等在實驗室和中試階段的研究表明，低頻(20 kHz)和限定的比能耗輸入(1 000～3 000 kJ/kg TS 相當于大約 20～60 kJ/L)對沼氣產量的提升有顯著促進作用[10，11]?？偟貋碚f，在序批式、連續式和半連續式的厭氧消化系統中，沼氣產量提升了24%～84%，VS去除率提升了21%～57%，甲烷產率提升32%～104%。

3.2 超聲技術應用于污泥脫水處理

剩余污泥的含水率高達99%，為了減少污泥體積以降低后續運輸和處置的費用，脫水環節十分必要，一般會占整個污水處理廠運營費用的25%～40%。超聲輔助脫水是通過以下方式實現的：第一，使水分由現有的自然通道或由超聲波通道遷移。第二，通過輔助擴散作用使空化氣泡變大，取代原來微孔中的液體。第三，空化作用使膠體或化學附著水離開固體表面。第四，降解或溶解部分為水分提供結合位點的胞外聚合物。

研究發現短時間的低能耗輸入對污泥脫水和增強污泥可濾性有積極的作用。Na等的研究顯示，在能量輸入為800 kJ/L時，處理后的污泥脫水率增加了5倍，這個過程明顯降低了毛細吸水時間，表明脫水性能的增強[12]。相反，高聲能密度和長時間的超聲對污泥脫水有抑制作用。Quarmby 等研究表明，超聲聲密度為0.33 W/mL處理60 min，CST毛細吸水時間由197.4 s變為488.9 s，結合水含量增長4倍[13]。

3.3 提高微生物和酶的活性

超聲的另一個應用是提高厭氧和好氧處理中酶的活性，以進一步提高整個過程的效率。Yu等發現在超聲預處理污泥的過程中，胞外蛋白質、多糖和酶向污泥絮體的外層轉移，這種解絮凝作用方便更多水解產物和輔酶穿透進入胞外聚合物(EPS)基質，使之與酶接觸概率增大，使原本未暴露的有機質開始水解，因此固體的降解率提高，消化時間縮短[14]。Xie等通過對脫氫酶活性(DHA)和產甲烷潛力活性生物工具——輔酶 F420含量進行檢測，研究了超聲強度和超聲頻率對厭氧污泥活性的影響，得出在超聲強度為0.2 W/cm2時DHA和F420達到最大；當超聲強度大于0.4 W/cm2時，DHA和F420的值均低于未經超聲處理的對照組，表明低強度超聲可以顯著提高厭氧污泥的微生物活性，這可能是因為低強度超聲可以更有效地破解細胞膜，提高污泥的滲透性和選擇性，進一步加速營養物質傳遞轉移[15]。

3.4 污泥的膨脹和氣味控制

Wunsch等研究發現，超聲在解決污泥膨脹、污泥發泡問題上也有積極作用[16]。Sandino報道利用低能耗輸入的超聲輻照污泥是解決厭氧消化體系中污泥發泡問題行之有效的方法[17]。Tiehm的研究表明低強度短時間的超聲可以緩解污泥的膨脹[18]，然而對纖維微生物種群(主要是放線菌)的削減效果并不明顯。Muller等認為提高厭氧消化效率可以提升對氣味的去除效果，在經過超聲處理后的污泥厭氧消化過程中，靜態頂部空間有機硫化物的去除率比對照組提升了24%[19]。

3.5 病原體的去除

長時間、高聲能密度的超聲輸入可顯著殺滅污泥中的病原微生物。Jean等對污泥在0.33 W/mL聲能密度下超聲處理40 min 后觀察到非自養型微生物減少了82%，同時發現在超聲處理10 min 后大腸桿菌減少了93%，40 min后大腸桿菌總量小于1%[20]；Graczyk 等研究表明超聲處理是污泥無害化處理最有效的方法[21]。Mason等研究表明在應用超聲殺滅病原菌從而穩定化處理污泥的過程中，機械力起著主要的作用，而熱效應和化學效應起著輔助作用[22]。

3.6 危險化合物降解和化學凈化

PAE(難降解有機化合物)常常作為添加劑或增塑劑，被列為優先控制污染物[23]。利用微生物代謝分解PAE是環境降解的主要途徑[24]。在頻率20 kHz、聲能密度0.1 W/mL條件下，超聲20 min可觀察到明顯的PAE降解過程，原因是超聲可以提高化學反應速率，加速羥基自由基和氫原子與有機化合物反應或與其他自由基重組速率[26]，與此同時，超聲也提高了微生物活性，提高了PAE降解效率[27]。

Xu等研究了超聲輻照對污泥脫油的影響[28]。在溫度為40 ℃，壓強0.085 Mpa，超聲頻率28 kHz時，污泥處理后可以達到最低含油量(0.055 g/g)，與未經超聲處理的相比降低了55.6%，原因可能是超聲使含油污泥的結構持續變化，加速了原油從污泥固體顆粒表面剝離，而且隨強度增加，石油-固體分離效果越明顯。

Laurent 等研究報道，超聲使污泥絮體表面的活性位點增加，提高了對污泥中鎘和銅等重金屬的吸附能力。同時，該研究也揭示了重金屬被吸附的三種機制：質子交換、二價陽離子交換和溶解有機物共沉淀。通過鎘和銅的吸附等溫線的研究，發現具體的能量輸入和重金屬的種類也是吸附效果的重要影響因素[29]。

3.7 資源回收

生物柴油主要由簡單的烷基脂肪酸脂組成，可作為一種石油柴油燃料的替代品。好氧微生物將污泥中含碳化合物轉化為脂肪，進而轉換為生物柴油。Angerbauer等發現超聲預處理可使脂肪更易被L. Starkeyi(一種酵母菌)所利用，在體內積累至大約為干固體含量的70%，且超聲聯合酸堿或熱水解作用效果更好[30]。

從廢棄污泥中回收的氫氣不僅具有無污染的特點，而且是一種可以替代化石燃料的綠色能源。超聲能夠鈍化產甲烷菌的活性，但不會對產氫的芽孢桿菌產生不利影響[31]。Elbeshbishy等采用超聲能量79 kJ/g TS，溫度30 ℃以下的處理條件，使氫氣產量增加到120%，但如果不控制溫度，氫氣產量會減少30%，而且在比能耗輸入為79 kJ/g TS (20 min，200 mL)條件下，對產甲烷菌的鈍化效果最佳。

Wang等應用超聲與堿聯合預處理剩余污泥，并通過沉淀和干化析出回收胞內蛋白，在超聲預處理條件為1.65 ×1 010 kJ/kg VSS、堿處理條件為pH=12、時間2 h時，測得上清液中蛋白質含量為3 177.5 mg/L，調節pH為3.3，利用沉淀方式得到蛋白質的回收率為80.5%，而且回收蛋白的營養成分與市面銷售的蛋白飼料相當[32]。Nabarlatzet等利用超聲輔助提取的方式從活性污泥中回收水解酶(蛋白酶和脂肪酶)，通過調整超聲強度和超聲時間分析酶回收的效果，得出最優配置為聲強3.9 W/cm2、超聲時間為10～20 min[33]。

通過對印刷電路板的廢污泥進行研究，Xie等發現當pH值為3、超聲功率為160 W，處理時間為60 min時，銅和鐵的浸出效率分別為97.83%和1.23%，其中銅的浸出效率隨著超聲功率的升高和超聲時間的延長而提高[34]。超聲波引起的液體空化，可使固體表面爆裂，形成細小顆粒，并增加散碎固體的表面積，從而增強離子從銅表面到液相的運動效果。這一技術已成功應用在中國惠州市一個重金屬回收廠，通過對印刷電路板制造廠中的5 800 t污泥進行超聲處理，獲得了1 000 t硫酸銅(含量98%)和3 500 t三價鐵(含量20%)。這個過程分離效果好，回收效率高，成本低，最終產品質量高，實現了零廢物處理排放。Li等研究了超聲強化酸浸的影響，從電鍍污泥中提取和回收多種重金屬(銅、鎳、鋅等)，獲得了在pH值為4，超聲功率為100 W，處理時間為100 min的條件下不同金屬的浸出率，并成功進行中試應用[35]。

4 展望

超聲處理可以提高污泥溶解度、促進后續生物消化、降解污泥中的PAH等有害成分、回收利用能源資源、提高生物酶活性、提高消化效率和提取重要化合物，為污泥的處理處置提供多種合理方向和可行的出路。因此，超聲處理無論是單獨作為一個處理環節，還是僅作為一種輔助處理措施，都具有極其廣泛的應用前景和實際價值。隨著應用研究的深入，超聲技術與其他技術結合應用的方式越來越受到關注。在對污泥進行厭氧消化產氣的處理中，超聲技術與一些化學或物理方法結合使用可以有效提高污泥溶解度、固體有機物去除率和產氣量。綜合來看，超聲技術與其他方法的協同使用比單獨超聲處理更加經濟高效，這種應用方式將在今后的實際應用中發揮重要作用。

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Application of ultrasonic technology in the rational treatment and disposal of waste sludge

LIU Wei1,2, GUO Guang-liang1,2, LU Jia1,2, WANG Xin1,2, SU Xiao-hong1, FAN Chao1

(1.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150090, China;2. Science and Technology Incubator Center, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

Ultrasonic wave can produce mechanical, thermal and cavitation effects when spreading in the sludge, and cause a series of physical and chemical changes in waste sludge. At present, this technology is widely used in sludge treatment and disposal process as a clean, efficient and environmentally friendly way. Such as biological digestion of sludge, sludge dewatering treatment, improving activity of microbe and enzyme, sludge expansion and odor control, pathogen removal, dangerous compounds degradation, chemical purification and recycling. In this paper, the principle, influencing factors and application of ultrasonic technology in sludge treatment are reviewed. It will provide us ideas for achieving the rational treatment and disposal of waste sludge, which is consists of stabilization, reduction, harmless and resource reuse.

Ultrasonic; Waste sludge; Rational treatment and disposal

2017-01-30

項目來源：黑龍江省應用技術研究與開發計劃重點項目

劉偉(1979-)，男，副研究員，碩士。

X703

A

1674-8646(2017)10-0002-04