超声在污泥减量化中的应用进展

吴来荣，刘永德

(河南工业大学 化学化工与环境学院，河南 郑州 450001)

1 引言

近年来，随着我国污水处理厂数量迅速增加，伴随产生的污泥量也与日俱增。传统的填埋、焚烧和土地利用等污泥处理技术因其需占用大量的土地、产生二次污染等缺点而越来越受限制。因此，非常有必要寻求一种更加绿色高效的污泥处理方法。目前，国内外对污泥减量化的研究非常火热。超声波作为一种“绿色、高效”的污泥减量化技术，引起了广泛学者的关注[1]。本研究综述了近几年超声波在污泥减量化中的应用进展，并在此基础上展望了其应用前景。

2 超声波应用于污泥减量化的原理

超声波作用于污泥的原理，就是利用超声波在液体中产生的空穴形成某种极端的物理化学条件[2]，污泥中微生物的细胞壁在该条件下无法保持原来的状态而被破碎，同时释放出一种特异性酶，这种酶可以让失去完整细胞壁的微生物彻底丧失对发酵环境的适应能力。因此，成为厌氧微生物的营养物而被消耗[3]，从而加快了发酵速率，减少了厌氧消化时间，增大了甲烷产量[4]。

3 超声在污泥减量化中的应用进展

3.1 超声/H2O2协同处理剩余污泥

魏金枝等[5]采用超声/H2O2协同处理剩余污泥,讨论了pH值、超声时间、过氧化氢投加量等因素对剩余污泥处理效果的影响。结果表明,当过氧化氢投加量为污泥体积的1.5%、pH值为11、反应时间为20 min时,处理后污泥上清液的SCOD、TN、TP浓度分别增加到2138.7、168.35和12.71 mg/L,TSS减少近20%。超声和H2O2共同作用于剩余污泥，其处理效果显著高于单独用超声或者H2O2处理剩余污泥的效果。

3.2 超声波联合厌氧消化处理污泥

马岚茜娅等[6]以制药废水处理厂产生的污泥作为对象,利用超声波技术联合厌氧笑话处理污泥，探索了超声破解污泥过程中污泥的沉降性能、溶解性能以及粒径分布等物理特性的变化趋势,同时研究了超声预处理对污泥后续厌氧消化产生的影响情况。结果表明,超声波能强化污泥的溶解性,在超声比能耗0～250000 kJ/kg TS范围内,污泥上清液的总氮、总磷、总有机碳和化学需氧量的值均明显增大；污泥经超声波处理后,其表面温度从40℃上升至52℃,pH值保持在中性,变化不明显。但是,超声处理后的污泥沉降比从35%增大至95%,使脱水性能变差。经ES 250000kJ/kg TS的超声预处理,污泥厌氧消化的甲烷产量提高了36.81%,固体悬浮物去除率由33.89%增大至53.11%,总有机碳去除率从超声前的16.65%增大至超声后的89.23%,实验结果表明超声处理对污泥厌氧消化的产气和减量化具有显著的促进作用。

3.3 超声-Fenton氧化联合破解污泥

陈仁义[7]以啤酒厂的污泥作为处理对象,研究了单独的超声、单独的Fenton氧化和超声-Fenton氧化结合3种方法破解污泥，并且探究了在该过程中超声功率、超声时间、初始pH值、芬顿试剂的投加量、破解温度、破解时间等影响因素对污泥破解效果的影响。实验结果表明：超声-Fenton氧化联合技术破解后的污泥,其SCOD与TCOD的比值为30.01%,远大于单独使用超声或者单独使用Fenton氧化技术，甚至大于两者叠加之和。作用机理主要表现在：①超声的空化效应可提高溶液体系中羟基自由基的产率;②机械效应可提高体系的传质作用,促进芬顿反应的高效进行；③芬顿氧化反应过程中产生的大量氧气使得溶液处于氧饱和状态,从而增强超声的空化作用; (4)体系中的Fe2+离子也能起到一定的催化作用,促进超声波分解水产生羟基自由基,增加体系的氧化能力。

3.4 超声—磁场耦合处理污泥

武海霞[8]采用超声—磁场耦合预处理的方法研究了对污泥好氧消化的影响。研究结果如下。

(1)超声波 - 磁力联合预处理比污泥超声预处理更有效。综合处理污泥的SCOD溶出率随着磁场强度的增加而增加。当超声能量密度，处理时间和磁场强度分别为5 min，0.5 W/mL时，联合处理污泥的SCOD值比超声波处理污泥的SCOD值高出1240 mg/L 620 Gs。磁场没有增加污泥预处理的能耗。

(2)处理时间为5 min时，联合处理污泥的SCOD溶出率为41.6%，超声能量密度为1.4 W/mL，磁场强度为840 Gs。这高于在相同的处理时间和超声能量密度2.5 W/mL下经超声波处理的污泥的SCOD溶出率(40.6%)。磁场与超声波的结合可以有效地降低能量污泥处理的消耗。

(3)磁场对磁场的促进作用处理时间短于5 min时污泥超声处理效果明显。与超声波处理相比，处理时间2 min，超声能量密度0.5 W/mL，磁场强度840 Gs时，联合处理污泥SCOD值提高了33.0%。好氧消化实验结果表明，联合预处理(0.5 W/mL，5 min，840 Gs)污泥的MLSS和MLVSS分别下降42.7%和51.1%。超声波和磁场的组合预处理更有利于好氧污泥的消化。

4 超声在污泥减量化中的前景展望

超声波作为一种“绿色、高效”的污泥减量化技术，在处理剩余污泥中的效果显著，不仅加速了发酵过程，缩短了厌氧消化时间，还提高了产气量。尤其是当超声波与其他的物理化学方法联合使用时，对污泥的破解效果更加明显，能够在更大程度上对剩余污泥进行减量化。因此，超声在污泥减量化具有良好的应用前景。