超声波技术处理污泥中的应用

　　随着人口的增加和对环保的日益重视，污水处理厂迅速增加，伴随产生的污泥量也与日俱增。工业废水与生活污水处理后产生的污泥含水量接近98%、容易腐烂、有强烈的臭味，并且还含有多种污染物质。此种污泥的处理费用很高，按现有的处理工艺技术一般约占污水处理厂总运行费用的15%~30%，占总投资10%~25%，致使一些污水处理厂将污泥直接排放，对生态环境造成严重的威胁。所以，开发新的预处理工艺，提高污泥脱水率、促进后续生物处理成为解决污泥问题的关键。利用超声波对剩余污泥进行预处理可改变污泥性质，提高污泥的稳定性，从而提高污泥的脱水性能，并促进污泥吸收氮磷，以实现污泥资源化。

　　1.超声波可改变污泥结构和提高污泥活性

　　超声波能够改变污泥絮体结构，使胞内物质释放出来，增加污泥的可降解性。曹秀芹等[1]研究了超声波对细胞分解的程度，结果表明，声能密度为0.5 W/mL的超声处理后污泥性质发生变化，污泥絮体被分解，胞内物质被释放出来，污泥上清液中的溶解性化学需氧量（SCOD）、N、P等大幅上升，同时胞内释放物质具有良好的生化降解性能。另外，利用超声与碱耦合的方法结合破解污泥，可能进一步破坏污泥絮体结构，使污泥胞内外物质进入水相，从而取得比单独使用超声波更好的效果[2]。超声波对污泥活性的作用与超声波的辐照时间有关。在对污泥进行短时间的超声波辐照中，由于超声波所引起的机械切应力对细胞造成了微伤，使其自身产生本能的防御效应，表现为酶的分泌增多，细胞繁殖加快，于是微生物的新陈代谢活性增强。超声波辐照8 h后污泥活性达到最大，24h后逐渐降低到对照水平[3]。

　　2.超声波可提高污泥稳定性

　　未经处理的污泥很不稳定,在放置过程中会产生物理和化学方面的变化,细菌和藻类繁殖快,出现污泥上浮,变黑等现象。高强度的超声波可以杀死污泥中的细菌,消除病毒,分解产生臭气的物质,从而消除臭气的根源,杀死藻类,消除悬浮物,提高COD 的可溶解性。与化学法消毒相比,不但可以避免化学累积效应,同时还提高污泥长时间放置的稳定性,而且可以有效地防止病原菌的传播。中国台湾Jean[4] (2000) 认为在0. 11 W/ mL 和0. 33 W/ mL 之间存在一个阈值,超过此阈值,超声波可以把细菌分解,并使相当一部分固态COD 转变为溶解态。J ean 通过试验发现,在0. 33 W/ mL 声能密度下,经40 分钟超声波处理后,异养菌和大肠杆菌分别减少了82 %、99 % ,并且溶解性COD 经1 h 作用后提高了12 倍,而在0. 11 W/ mL 声能密度下,作用时间较短时,异养菌和大肠杆菌变化不大,只有在1 h 以上才有明显减少, 而且不管作用时间长短, 溶解性COD 几乎保持不变。中国台湾Chu[5] (2001) 通过试验发现,超声波声能密度为0.11 W/ mL 时经1 h 后,异养菌和大肠杆菌分别减少了30 %、59 % ,2 h 分别减少了40 %、64 %；声能密度为0. 33 W/ mL 时,仅仅经20 min 后,异养菌和大肠杆菌分别减少了56 %、97 %。同时他们也对细菌分解释放出的有机物进行了考察,原始污泥中BOD/COD = 0. 66 ,而且SCOD/ TCOD 不足1 %。当声能密度为0.11 W/ mL 时,经超声波作用2 h 后SCOD 增加了40 倍,而且BOD/ COD 在0. 66～0. 8 之间,这说明细菌分解释放出的COD 绝大部分是可生物降解的。

　　3.超声波可改变污泥流变性和提高污泥脱水性能

　　超声作用可改变污泥的流变性，其影响程度与超声条件有关，低声能密度、短时间超声处理可降低污泥比阻，增强污泥的流变性和脱水性能。但高声能密度、长时间处理反而使污泥比阻增大，流变性变差[6]。而污泥流变性反映了污泥的脱水性能，流变性的改变为污泥脱水率的增加提供了一条便捷的途径。高强度、短时间处理的污泥颗粒粒径约80μm 左右, 污泥脱水性能提高, 沉淀性好。

　　较小声强的超声波（600 W/m2以下）处理较短时间有利于减少污泥的结合水含量，有利于促进污泥脱水，但是加大声强及延长处理时间效果变差；超声波频率在20 kHz，平均声强为400 W/m2 左右，超声处理2～4 min，可以使污泥的结合含水量由原来的16.7 g/g 干基降到2.0 g/g 干基以下。殷绚等超声处理使污泥结合水含量大大降低,污泥的脱水能力提高, 含泥率提高5%~10%, 最终污泥量减少。

　　利用超声结合絮凝剂处理污泥的方法，进行污泥板框压滤实验，结果表明，超声可使污泥含水率从近98%减少到81%，污泥的体积减少为最初的1/10，超声声强为410 W/m2，超声处理2.5 min为较优处理条件，同时絮凝剂的使用量从0.7%干基降低到0.6%干基。杨金美等的研究显示，超声处理7 s 后滤饼含水率降低2.9%，超声10 s 时粘度和比阻值最小，比原污泥分别减少29.4%和24.2%，15 s 后污泥沉降速率是原污泥的3.7 倍；超声与絮凝剂联用可以改善污泥脱水性能和沉降性能，减少絮凝剂的量达一半以上。

　　4.超声波可促进污泥中氮、磷量的增加,有利于污泥资源化

　　北京建筑工程学院曹秀芹、陈王君研究表明 ,随着超声波作用时间的延长,污泥清液中的有机氮含量提高迅速,原因在于超声空化产生的剪切力使细胞破碎,释放出胞内的蛋白质和氨基酸。而氨氮和硝态氮的含量也随超声时间的延长而提高,应该是由于超声空化使一部分有机氮转化为氨氮与硝态氮。上述研究还发现,污泥在超声波作用下,磷化合物的含量与氮也有相似的变化。氮磷含量的增加有利于污泥资源化。城市土壤与自然形成的土壤相比,有机质含量低、有效养分含量低。超声波处理后的污泥可用于农林耕地和牧业草地的增肥。据文献[12]报道,污泥施于土地表面一年后,土壤上表面20 cm 中的全氮、速效氮、全磷的含量都明显增加,土壤的容重、持水量和孔隙度也有一定程度改善。如果能将经超声波无害化处理的污泥用于干旱、半干旱、盐碱地、矿山废弃地或沙漠地区的改良,更是保护生态、造福当代之举。

　　5.结论

　　采用超声波技术处理污泥,有利于污泥减量化、无害化、资源化,具有重大的社会、环境、经济意义。低频率低剂量的超声波处理污泥能够加强污泥的活性，改变污泥絮体结构，使污泥菌胶团中的结合水释放出来，提高污泥的脱水性能；高强度的超声波可以杀死污泥中的细菌,消除病毒, 提高COD 的可溶解性。目前，国内外关于污泥超声减量化的研究主要在于超声条件对促进污泥厌氧和好氧减量化的影响，以及超声对污泥的物理、化学和生物性质的影响。