超声波破解污泥的试验研究

张灵芝，王志娟，张晓强，罗 毅，刘森池

（1.石家庄市环境监测中心，河北石家庄 050022；2.河北工程大学城市建设学院，河北邯郸 056038；3.石家庄市桥西污水处理厂，河北石家庄 050091；4.石家庄高新技术产业开发区供水排水公司，河北石家庄 050801）

目前，人们除了用超声波清洗一些物品外，还可用于污泥减量、提高回流污泥的活性等。该方法在国外已得到广泛关注［1－3］和应用，尤其是发达国家［4］。近年来，中国城镇污水处理能力得到大幅度提升，城镇水环境治理取得显著成效，有效缓解了水污染压力［5］。但城镇污水处理过程中产生的大量污泥还未普遍得到有效处理和处置，这些污泥富含有机质以及寄生虫卵、病原体、病毒、重金属等危害因子，会通过雨水冲刷、地表入渗、空气扩散等多种途径进入地表水、地下水、大气、食物链直至人体，极易造成二次污染，已成为环境安全和公众健康的重要威胁因素。因此，污泥处理处置逐渐受到了从中央到地方各级政府的高度重视，国家也先后出台了《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）》、《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）》等相关政策和技术规范。但目前全国城镇污水处理厂产生的污泥只有小部分进行了卫生填埋、土地利用、焚烧和建材利用，大部分因处理技术成本较高而未进行规范化的处理处置，任意堆弃或排放。

本文通过用超声波及超声波与碱协同作用污泥，检测污泥中SCOD 的变化情况，目的是为了污泥后续发酵产酸提取有机酸，并将其作为碳源回用于污水处理生物脱氮除鳞工艺奠定基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用泥分别取自某制药厂污水处理站和某市政污水处理厂。

由港威科净超声波公司提供的超声波设备1套，有效容积为7L，输入电压为220V，输入电流的可调范围为0～8A；取样桶1个；COD 测定装置1套（消解设备、酸式滴定管等）；奥林巴斯CX22显微镜1台。

1.2 试验方法

采用静态试验，改变声能密度及作用时间对污泥进行处理，并测定污泥处理前后的SCOD。经过处理后的污泥通过镜检观察絮体破碎情况，同时与原污泥进行对比。

SCOD测定：在离心机上4 000r／min离心15min，然后用中速滤纸过滤后测定COD 值。将取回的污泥（含水率是97%～98%）倒入超声波设备中，开启超声波设备在不同时间取样。将上述样品镜检，同时测SCOD。SCOD 的测定方法为重铬酸钾法。

2 试验结果

击破率为量化超声波击破污泥细胞效率的重要参数。击破率用式（1）计算［6］：

式中：DDCOD为击破率；CODUS为超声波处理后泥样中SCOD 的数值；COD0为未经处理的泥样中SCOD 的数值；CODNaOH为污泥样本经过烧碱处理后SCOD 的数值（向200mL污泥样本加入0.5mol烧碱，在20 ℃的环境里静置22h，然后确定SCOD值，此值当作细胞被完全击破时的SCOD 值）。

2.1 工业废水的污泥超声处理

试验污泥取自某制药厂污水处理站污泥浓缩池，含水率为97%。试验结果见图1－图7。

图1 击破率随能量输入的变化情况Fig.1 Changes of disintegration efficiency with energy input

图2 SCOD 随超声波作用时间的变化情况Fig.2 Changes of SCOD with ultrasonic retention time

图1中，击破率随着输入能量的增大而上升，由图1和图2中可以看出，经过超声波作用后的污泥中SCOD 和击破率的变化趋势基本一致，说明超声波作用于污泥后可以增加SCOD。国内外许多研究表明，细胞破壁是细胞物质溶解于水中并被重新利用的基础和关键步骤，超声波可以在短时间内产生强有力的剪切力［7－8］，从而破坏污泥絮体，提高溶胞效率。

图3 污泥原样镜检结果Fig.3 Microscopy of sludge without treatment

图4 超声波作用2min的镜检结果Fig.4 Microscopy after ultrasonic retention for 2min

图5 超声波作用4min的镜检结果Fig.5 Microscopy after ultrasonic retention for 4min

图6 超声波作用6min的镜检结果Fig.6 Microscopy after ultrasonic retention for 6min

通过镜检（图3－图7，放大倍数10×40）发现，试验所有工业废水处理厂污泥中指示性的原生动物极少，说明污泥还不够成熟，再者其特定的水质决定了其微生物种群的结构形式。从图4中可以看出，原污泥中有大量的表壳虫，表壳虫是指示污水中可生化性的情况，当表壳虫大量出现时，说明该废水的ρ（BOD）／ρ（COD）的值偏低［9］。图3－图7中显示，经过超声波处理后的污泥，絮体发散，并且表壳虫的壳也出现碎裂，说明超声波对表壳虫有着强烈的作用，同时污泥絮体也被超声波破坏。

图7 超声波作用8min的镜检结果Fig.7 Microscopy after ultrasonic retention for 8min

2.2 城镇污水的污泥超声处理

试验污泥原样取自某市政污水处理厂，含水率为98%。试验结果如图8和图9所示。

图8 污泥原样击破率随能量输入的变化情况Fig.8 Changes of disintegration efficiency with energy input for original sludge

图9 污泥原样SCOD 随超声波作用时间变化情况Fig.9 Changes of SCOD with ultrasonic retention time for original sludge

从图8和图9中发现，击破率仍随着输入能量的增大而上升，在超声波作用5 min 左右的时候，SCOD 上升的比较快，5～20 min期间，SCOD 的增加幅度比较小，在20～25 min的过程中，SCOD 上升的也很快。据报道，SCOD 浓度的增幅分为2个阶段，在某一时间段内，SCOD 浓度的增长主要来自于污泥絮体胞外聚合物的破解，当超过这一时间后，污泥絮体中细菌游离出来，随着能量的增加，细胞壁会被破解，此时需要的能量会大一些，细胞壁破了之后，胞内的液体流出，SCOD 浓度迅速上升［10］。

2.3 工业废水的污泥超声波／碱协同处理

试验污泥取自某制药厂污水处理站的污泥浓缩池，其含水率为98.3%，进行超声波／碱协同处理试验。加碱试验中，氢氧化钠的投加量为［11］w（NaOH）∶w（TS）＝0.04。分别在超声波作用时间为5，10，15，20，25min时取样，经离心、过滤后测定SCOD，同时进行镜检。试验结果见图10－图12。

通过镜检发现，污泥加碱后再经过超声波处理，污泥絮体解散情况非常明显。

图10 污泥原样Fig.10 Microscopy of sludge without treatment

图12 超声波作用10min镜检结果Fig.12 Microscopy after ultrasonic retention for 10min

图13 击破率随能量输入的变化情况Fig.13 Changes of disintegration efficiency with energy input

图14 SCOD 随超声波作用时间变化情况Fig.14 Changes of SCOD with ultrasonic retention time

污 泥 原 样SCOD 质 量 浓 度 在6 000 mg／L 左右，经过超声波作用后如图13显示，击破率随着能量的增加而增加。结合图14中可以看出，SCOD 也是随着超声波作用时间的延长而增加，但是增加的幅度不同。未加碱的污泥经过超声波处理后，在前10min，SCOD 增加的比较快，从5 958.33mg／L 增加到6 875mg／L，继续延长超声波作用污泥的时间，从15min处理到25min，SCOD 增加的速率明显变缓。加碱后的污泥经过超声波处理后，在5～10min 处理过程中，SCOD 增加的速率很快，从7 366.67mg／L增加到13 333.33mg／L。再延长处理时间，与未加碱的相比而言，其变化趋势基本一致。

未加碱的污泥在超声波处理25min后，SCOD质量浓度增长了1 125mg／L，而加碱的污泥经过超声波处理25min后，SCOD 质量浓度增长了9 600 mg／L，由此可见，超声波与碱协同作用的效果要比超声波单独作用的效果好。

3 结 论

从镜检中可以看到，污泥絮体随超声波作用时间的延长越来越散。

SCOD 随超声波作用时间的延长而增加，在作用15min左右的过程中，SCOD 的增加幅度比较大。在超声波作用20min后，SCOD 的增加幅度变缓，这是因为菌体细胞被超声波破碎后，胞内的物质流出来，其SCOD 数值也就稳定下来。

超声波与碱协同作用对污泥的破壁效果比超声波单独作用好。这说明污泥经过碱处理后，更容易破壁，SCOD 增加的更快。

／References：

［1］ 乔永志，张 云，张志昆，等.超声波法制备纳米硫酸钡影响因素分析［J］.河北工业科技，2012，29（1）：16－19.QIAO Yongzhi，ZHANG Yun，ZHANG Zhikun，et al.The factors of production barium sulfate［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2012，29（1）：16－19.

［2］ SAVEYN H，CURVERS D，SCHOUTTETEN M，et al.Improved dewatering by hydrothermal conversion of sludge［J］.Journal of Residuals Science and Technology，2009，6（1）：51－56.

［3］ GANJIDOUST H.Effect of synthetic and natural coagulamt on lignin removal from pulp and paper wastewater［J］.Water Science and Technology，1997，35（2／3）：291－296.

［4］ 戴前进，李 艺，方先金.城市污水处理厂剩余污泥厌氧消化试验研究［J］.中国给水排水，2006，22（23）：95－98.DAI Qianjin，LI Yi，FANG Xianjin.Municipal wastewater treatment plant sludge anaerobic digestion experimental research［J］.China Water ＆ Wastewater，2006，22（23）：95－98.

［5］ 崔俊华，崔更新，邵森林，等.活性炭污泥回流处理季节性微污染东江水［J］.河北工程大学学报（自然科学版），2013，30（2）：59－61.CUI Junhua，CUI Gengxin，SHAO Senlin，et al.Enhanced treatment of Dongjiang water of seasonal light pollution with activated carbon sludge vecirculation［J］.Journal of Hebei University of Engineering（Natural Science Edition），2013，30（2）：59－61.

［6］ 袁秀丽，叶恒朋，于建恒，等.大坦沙污水处理厂超声波减量生产性试验研究［A］.全国城镇排水管网及污水处理厂技术改造运营高级研讨会论文集［C］.北京：中国土木工程学会水工业分会排水委员会，2007.495－499.YUAN Xiuli，YE Hengpeng，YU Jianheng，et al.Experimental study on the ultrasonic reduction sludge of Datansha wastwater treatment plant［A］.National Urban Drainage Network and Sewage Treatment Plants Operational Transformation Senior Symposium［C］.Beijing：Water Industry Branch of China Civil Engineering Institute Drainage Board，2007.495－499.

［7］ 薛玉伟，季 民，李文彬.超声破解污泥影响因素分析［J］.环境工程学报，2007，1（6）：118－112.XUE Yuwei，JI Min，LI Wenbin.Effect of characteristics of waste activated sludge and experimental conditions on ultrasonic disintegration［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2007，1（6）：118－112.

［8］ 曹秀芹，陈 珺，唐 臣，等.超声处理后剩余污泥性质变化及分析［J］.环境工程学报，2005，23（5）：84－87.CAO Xiuqin，CHEN Jun，TANG Chen，et al.Analysis and the changes of characteristics of excess sludge by ultrasound［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2005，23（5）：84－87.

［9］ 马 放，杨基先，魏 利，等.环境工程微生物图谱［M］.北京：中国环境科学出版社，2010.MA Fang，YANG Jixian，WEI Li，et al.Environmental Engineering Microbes Map［M］.Beijing：China Environmental Science Press，2010.

［10］ 陈 金.超声波促进城市污泥水解效果研究［D］.成都：西南交通大学，2011.CHEN Jin.Study on the Effect of Ultrasound on the Hydrolysis of Sludge ［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2011.

［11］ 杨 洁，季 民，韩育宏，等.污泥碱解和超声波破解预处理效果研究［J］.环境科学，2008，29（4）：1002－1006.YANG Jie，JI Min，HANG Yuhong，et al.Study on effect of alkaline and ultrasonic pretreatment sludge［J］.Environmental Science，2008，29（4）：1002－1006.