超聲波污泥過程減量研究現狀及其與新型生物脫氮工藝聯用措施探討

胡 慶，高 峰，2，舒詩湖，2，謝彬彬

(1.東華大學 環境科學與工程學院, 上海 201620;2.上海污染控制與生態安全研究院, 上海 200092)

隨著我國經濟的不斷發展和城市化進程的加速,污水處理廠數量劇增,隨之產生大量副產物即剩余污泥。剩余污泥具有含水量高(約98%)、產量大、不易處理和處置的特點,且含有大量病原微生物、重金屬等有毒害物質,若直接排放會嚴重危害環境[1]。據統計[2],2019年我國污泥產量超過6 000萬 t(以含水率80%計算),較2010年增長了近2倍,預計2025年我國污泥年產量將突破9 000萬 t。污泥產量劇增已成為世界各地面臨的環境問題,如何高效減少剩余污泥產量,成為環境治理領域的熱點研究課題。

傳統的剩余污泥處理方法包括填埋、焚燒等,其處理成本約占污水處理廠總成本的20%～50%,存在能耗高、操作復雜和易引發二次污染等問題。目前,國內外已開發出一系列高效的污泥減量方法,主要有:1)污泥后減量技術,即在污泥產生后,通過進一步濃縮、穩定、脫水和最終處置實現污泥減量;2)污泥過程減量技術,通過解耦聯代謝、生物捕食、溶胞-隱性生長等方式影響污泥中微生物的代謝過程,并在污水處理過程實現原位減少污泥產量[3]。與污泥后減量技術相比,污泥過程減量技術可從源頭減少污泥的產生,并實現污泥資源化利用,從而降低后續污泥處理和處置成本,這是污泥減量的理想方法。該技術中的解偶聯代謝[4]通過有機基質短缺或富余循環引起細胞分解代謝和合成代謝的解離,從而實現污泥的過程減量?；诮馀悸摯x的好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝因操作靈活且能耗低而得到廣泛關注,但是其減量機制較為復雜,難以基于現有理論指導實際工程應用[5]。在生物捕食作用中,針對蠕蟲污泥過程減量技術[6]的研究偏多。將蠕蟲引入到污水處理過程中延長系統的生物鏈以實現污泥過程減量,具有減量效率高、無污染等特點。然而,生物捕食法對污水處理系統中的微生物群落特性的影響程度尚不明確。近年來,關于溶胞-隱性生長污泥過程減量技術的研究發展迅速,一般是借助外部處理方法使污泥裂解溶胞,再使其作為底物進入微生物的代謝循環中實現污泥過程減量。目前,裂解污泥的常用方法有生物[7]、物理和化學作用[8]。生物法主要通過投加溶菌酶等外源菌種實現污泥溶胞;物理法是直接外力剪碎細胞;化學法則是通過投加藥劑,與細胞壁和細胞膜發生化學反應,從而溶解細胞。物理方法中的超聲波污泥過程減量技術因具有裂解效率高、綠色友好、操作簡單等特點,受到研究者的廣泛關注。在超聲波污泥減量的綜述文獻中,關于將超聲波污泥減量作為預處理技術用于終端污泥的脫水與厭氧消化過程的研究[9-13]很多,而用于污泥回流系統的超聲波污泥過程減量技術及該技術對生物工藝污水處理能力的影響尚未見到系統性文獻報道。

本文闡述了超聲波污泥過程減量技術的原理及影響因素,綜述了超聲波污泥過程減量改進技術(與物化方法、傳統生物處理工藝聯用)在提高污泥減量率和降低能耗方面的研究進展,針對聯用技術存在污泥減量和出水水質惡化的矛盾,總結出采用高、低強度超聲結合新型生物處理工藝的聯用技術策略。

1 超聲波污泥過程減量原理及影響因素

1.1 超聲波污泥過程減量原理

超聲波污泥過程減量原理包括超聲波裂解污泥細胞和污泥隱性生長兩部分,即先通過超聲波裂解污水生物處理系統產生的部分剩余污泥,再將溶胞物作為自產底物回流到污水生物處理系統,最后經隱性生長代謝溶胞物質[14]。超聲波裂解污泥是污泥過程減量的重要組成部分,其原理見圖1。

圖1 超聲污泥裂解原理圖[15]Fig.1 Schematic of ultrasonic sludge cracking[15]

污泥裂解過程中會產生獨特的微觀空化效應,瞬間形成近5000 K高溫、500 MPa高壓的局部“熱點”區域[16],加速·H和·OH自由基的生成。此外,微觀空化效應還會引發“沖擊波”從而產生水力剪切力,破壞胞外聚合物及細胞壁結構等,使得胞內物質釋放到液相中[17]。

1.2 超聲波污泥過程減量影響因素

超聲波污泥過程減量受許多因素影響,如超聲波強度、超聲波作用時間、超聲波反應器構型和污泥溶液溫度。研究[18]表明,超聲波強度只有達到空化閾值(0.1～0.3 W/mL)時,才能激發空化效應并裂解細胞。聲強過高會限制空化效應;聲強過低又會促進污泥絮體分解,但這不會引起細胞壁破裂,反而對提高細胞活性有積極作用。隨著超聲波作用時間的增加,污泥裂解概率增大,但是過長的作用時間又會增加能耗[19]。超聲波反應器的設計結構會引起非系統性差異,使得在相同比能量輸入下,不同構型的超聲波反應器會產生不同的超聲波裂解效率。Lippert等[20]研究發現,超聲發生器的設計高度與污泥裂解效率呈負相關,較低的設計高度(如20 mm)可實現均勻強烈的超聲處理。此外,超聲比能量的增加會造成溶胞液溫度的線性升高,而高溫又能促進超聲空化作用,加速污泥裂解[19]。

上述影響因素均是通過產生不同強度的空化效應,促進污泥絮體和細胞裂解,從而提高污泥過程減量效率。然而,在強化超聲波空化作用時引起的超聲波能源消耗率升高,卻是限制超聲波污泥過程減量技術發展的主要原因。

2 超聲波污泥過程減量技術改進

2.1 超聲波與物化方法聯用

超聲波污泥過程減量技術的污泥減量效果顯著,但考慮到能耗高的問題,研究者通常將超聲波與其他裂解法聯用,以開發出兼具優良節能效果和高污泥裂解率的污泥減量技術。

除超聲波外,現有的污泥物理破解法主要有熱破解[21]、微波[22]和機械[23]技術等。Mostafa等[24]和Gong等[25]在超聲處理時間為30 min、功率為300 W、頻率為20 kHz、加熱溫度為120 ℃、加熱時間為30 min的條件下分別研究超聲、熱單獨作用和聯合方法的污泥減量效果,結果表明,超聲-熱處理聯合方法的污泥過程減量率比單獨超聲處理的高,且改變聯合處理的組合順序會影響污泥裂解效果(先超聲預處理后熱作用的污泥裂解率為27.1%,反之下降為22.9%)。此外,超聲波能夠強化微波對污泥的破解效果。Kavitha等[26]在超聲與微波輸入能量相對于總固體(TS)分別為3.5、1.67×104kJ/kg的最佳條件下,可實現33.2%的污泥裂解率。

在化學破解法中,關于堿解法[27]和高級氧化法[28-29](如Fenton法、臨界水氧化法)的文獻報道較多。超聲聯合堿作用時,堿通過調節pH促進超聲波空化過程中自由基的形成。堿處理后污泥的細胞壁易被超聲波破壞,聯合技術的協同效應在降低堿添加量的同時,也縮短了超聲破解時間[30]。超聲與Fenton法聯用能夠促進體系中Fe2+的二次生成,其與H2O2反應后,將產生更多·OH自由基,從而增強污泥的破解功能[31]。Olabi等[32-33]研究了超聲波對光Fenton反應的強化作用,在pH為3、反應時間為60 min,零價鐵相對TS的添加量為5 g/kg、H2O2相對TS的添加量為25 g/kg的條件下,加入超聲(40 kHz,180 W)的聯合方法能夠將光Fenton反應的污泥裂解率提高至70%。Ma等[34]采用超聲輔助超臨界水氧化處理法,結果表明,超聲預處理后污泥絮體解體,大量難降解有機物被釋放到液相,有助于加快超臨界水與溶出物的氧化反應。從能耗和經濟性角度分析,超聲與上述裂解法的聯用能夠增強超聲波的污泥過程減量效果,加快污泥絮體解體和細胞壁破碎,或生成更多·OH自由基氧化細胞組分,有助于降低藥劑添加量和能耗。

通過歷史天氣查詢，4月15—25日研究區僅有一次小型降水過程，北部降水量在20 mm，南部為5 mm，土壤水分整體偏低，且北部略高于南部，符合土壤水分的反演結果分布情況，說明該方法反演的結果比較好。

2.2 超聲波與傳統生物處理工藝聯用

傳統生物處理工藝有間歇曝氣活性污泥法(SBR)和厭氧-缺氧-好氧(A2O)生物工藝等,研究者常將超聲波與SBR或A2O工藝聯用,以提高污泥破解效果。超聲波與SBR聯用技術的典型工藝流程如圖2所示。采用超聲波裂解SBR或A2O工藝的部分剩余污泥,并將裂解液回流至工藝的缺氧段,不僅能替代額外碳源作為反硝化的電子供體,從而解決低碳/氮(C/N)工業廢水處理效果差的問題,還可以降低污泥產量[35]。朱廣峰等[36]考察了不同體積的超聲波裂解液回流到A2O工藝的厭氧區時對工藝出水水質和污泥過程減量效果的影響,結果顯示,當超聲波污泥回流百分比為40%時,污泥減量率可達32.2%,但是繼續提高污泥減量率,又會造成出水總磷(TP)升高。Zhang等[37]聯用超聲波與SBR工藝得出相似的結論,即過高的污泥破解率會影響污泥的生長繁殖,特別是對世代時間較長的功能菌(如脫氮除磷菌)的影響更明顯,運行一段時間后系統化學需氧量(COD)和總氮(TN)去除率分別下降至81.1%和66.0%,出水TP質量濃度較高。Gao等[38]考察了低強度超聲波對SBR工藝的回流污泥的影響,結果顯示,污泥減量達20%以上,并且低強度超聲波對污泥脫氫酶活性、出水質量和沉淀性能的影響較小。

圖2 超聲波與SBR法聯用技術的工藝流程圖Fig.2 Flow chart of combined ultrasonic and sewage treatment technology

此外,超聲波與化學破解法的聯用技術因其顯著的除污和減泥協同效應,常被聯用于傳統生物處理工藝中。研究[39]表明,超聲波和O3聯合裂解污泥,再與活性污泥法結合時,污泥減量效果和污水處理率均優于單獨超聲波與活性污泥法聯用或單獨O3與活性污泥法聯用的方法。超聲波輻射作用能夠強化O3在液相中的傳質與分解速率[40],進而增加O3與泥水的接觸面積,在裂解污泥的同時還能氧化污染物,從而提高污泥的減量效果和污水處理效率。超聲波與H2O2聯用同樣存在協同作用,超聲波能促進H2O2快速分解出大量·OH,增強H2O2的氧化能力,從而縮短反應時間并提高污泥溶胞率。王遷[41]考察了超聲+H2O2技術的污泥溶胞效果及溶胞液回流至SBR工藝對系統出水水質的影響,結果表明:超聲+H2O2技術聯合SBR工藝的溶胞液回流比低于50%時,出水水質良好,且污泥減量率達33.6%;當溶胞液回流比增大至70%時,污泥減量率增加到42.2%,但會造成出水TP惡化。將ClO2與超聲波聯合,再耦合活性污泥法,可以降低ClO2的添加量,并在較低聲能密度下得到理想的污泥破解效果[33]。林嘉添[42]提出C1O2聯合超聲波裂解污泥后再回流至SBR工藝的污泥過程減量方法,研究發現,單獨ClO2與SBR工藝聯合的效果較差,污泥過程減量率僅為35.5%;超聲波+ClO2聯合SBR工藝裂解70%含水率的剩余污泥時,污泥過程減量率可達54.86%,但仍然存在出水TP過高的問題。

綜上所述,超聲波污泥過程減量技術與傳統污水生物處理工藝聯用時,一方面能取得顯著的污泥減量化效果,另一方面過高的污泥裂解量又會造成工藝出水水質惡化。對此,研究者們通過調節超聲波污泥過程減量技術的運行參數來控制其對出水水質的影響,見表1。由表1可知,調控運行參數雖然可以降低出水氨氮質量濃度,但無法從根本上防止出水TN和TP質量濃度的升高。因此,如何有效解決超聲波與污水生物處理工藝聯用技術存在的污泥減量和出水水質惡化的矛盾,成為挖掘超聲波污泥過程減量技術潛力及推進其應用的難點。

表1 超聲波聯合傳統生物處理工藝污泥減量的調節效果Table 1 Regulation effect of ultrasonic combined with traditional biological treatment in sludge reduction process

3 超聲波與新型生物脫氮工藝聯用

目前關于低強度超聲波促進微生物活性的研究逐漸受到重視,有研究者嘗試借助低強度超聲波強化新型生物脫氮工藝的污水處理效果,并取得重要進展。本節提出將超聲波污泥過程減量技術與低強度超聲波強化新型生物脫氮工藝聯合的技術措施,即將高強度超聲波裂解污泥的作用和低強度超聲波促進微生物活性的作用有機地引入新型生物脫氮工藝中,在實現污泥減量的同時,保證生物脫氮工藝獲得良好的出水水質。

3.1 低強度超聲波促進微生物活性

根據空化氣泡的崩塌方式,可將超聲波空化效應分為瞬態空化和穩定空化。其中,穩態空化是指低強度超聲波照射產生的剪切力不足以破裂細胞,僅有拉伸細胞表面的作用。低強度超聲波的強度低于10 W/cm2,振幅小于1 MPa,頻率一般在20～50 kHz。低強度超聲波對微生物作用體現在以下3方面:提高酶活性;增強細胞通透性,以促進細胞傳質及可逆滲透;加速細胞生長,提高新陳代謝效率,促進生物活性,并提高微生物種群豐度和多樣性。因此,低強度超聲波輻射是一種提高污泥活性的有效方法,可用于改善污水生物處理效果。

(1)

現階段實現啟動短程硝化的手段主要有:限制溶解氧(DO)的質量濃度,通過高pH值、高溫、高游離氨(FA)和高游離亞硝酸鹽(FNA)抑制亞硝酸鹽氧化細菌(NOB),但這些方法大多存在定向控制難、穩定性差、易產生毒性副產物等問題。研究[47]表明,硝化細菌中的NOB比氨氧化細菌(AOB)更敏感,且NOB和AOB對低強度超聲波刺激的耐受性存在明顯差異,可以考慮采用低強度超聲波促進短程硝化過程。低強度超聲波對短程硝化過程的促進作用主要體現在以下方面:

1)增加AOB的相對豐度,提高其最大生長速率。在屬水平方面,低強度超聲波的長時間作用能提高AOB(主要是亞硝化單胞菌(Nitrosomonas))的相對豐度,同時減少NOB(主要是硝化桿菌(Nitrobacteriaceae))的相對豐度,使得AOB成為優勢菌屬。Huang等[48]采用低強度超聲波增強短程硝化過程,分析反應器內微生物群落的屬分布后發現,AOB相對豐度(3.32%)顯著高于未經超聲輻射對照試驗的相對豐度(0.44%),且NOB相對豐度顯著降低。Zheng等[47]同樣發現在低強度超聲波作用下,隨著超聲強度的增加,AOB相對豐度增加到20%以上,NOB的相對豐度則降至1.0%以下。此外,AOB最大生長速率也隨著超聲強度的增加而逐漸增大,最大值約為初始值的2倍。

3.2 不同強度超聲波與新型生物處理工藝的聯用

短程硝化過程對新型生物處理工藝運行具有重要意義,是生物脫氮的前端處理階段。目前主要有以下新型生物脫氮工藝應用于污水處理:短程硝化-反硝化(PND)工藝和短程硝化/短程反硝化-厭氧氨氧化(PN/PD-A)工藝等。針對污泥減量增加引起出水水質惡化的問題,本文總結出一類聯合技術措施,即將不同強度超聲波聯用于新型生物處理工藝:1)采用高強度超聲波裂解污泥,并將裂解液回流至新型生物工藝,在工藝的好氧單元利用裂解液中高濃度的游離氨(FA)抑制NOB的生長[50],在缺氧單元也可利用裂解液中的有機碳源作為電子供體驅動反硝化或短程反硝化反應[50];2)利用低強度超聲波輻射活性污泥,提高AOB對DO的親和力,加速AOB的生長,從而促進短程硝化反應的快速啟動,提高出水水質,實現污泥過程減量。不同強度超聲波與新型生物處理工藝聯用,可有效解決超聲波污泥過程減量技術在污泥過程減量與出水水質之間的矛盾,具有十分重要的理論價值和實際意義。

3.2.1 短程硝化-反硝化工藝與超聲波聯用

3.2.2 短程硝化/短程反硝化-厭氧氨氧化工藝與超聲波聯用

4 總結與展望

近年來,持續升高的污泥產量與高污水排放標準的矛盾限制了基于單一超聲波強度的污泥過程減量技術的推廣和應用?，F有的超聲波污泥過程減量改進技術雖然聯合了物理法、化學法和傳統生物處理工藝,但仍側重于污泥過程減量,而忽略了出水水質惡化問題。低強度與高強度超聲波聯用新型生物處理工藝的技術策略,對于同時實現改善污水處理效果和提高污泥過程減量率具有重要的研究價值與工程應用意義,但其聯用機制及優化運行等問題尚待探究。對此,提出以下建議:1)考察高強度超聲波裂解污泥產生的氨氮(主要是FA)質量濃度和有機物質量濃度與聯用工藝中關鍵功能菌(AOB、NOB和PDB)生長的內在聯系,以確定適宜的高強度超聲波參數范圍;2)定量分析低強度超聲波對關鍵功能菌(AOB和NOB)活性的影響,明確低強度超聲波參數設置值與這兩類功能菌生長速率的內在聯系;3)以最大限度的減污和降耗為約束目標,考察聯用工藝的關鍵運行參數與污泥產量和出水水質的相互關系,找出最佳的工藝運行方案,實現經濟和環境效益的最優化。