國內(nèi)外超聲污泥減量技術(shù)的研究和應用現(xiàn)狀比較
進入21世紀以來，隨著我國工業(yè)化和城市化的迅速發(fā)展，城市污水處理廠中的污泥的產(chǎn)量越來越大。由于處理成本高昂，幾乎到了污水處理廠成本的60%左右，加之國家對污泥處理的相關(guān)法規(guī)日漸嚴格，污泥的處理問題已經(jīng)成為污水處理廠面臨的頭等難題。同時，近年來，隨著人們對全球變暖和氣候變化的關(guān)注不斷提升，污水處理廠的溫室氣體排放問題也備受人們的關(guān)注。由于成本原因和環(huán)境的負面影響太大，一些傳統(tǒng)的污泥處理方法如焚燒、填埋等已經(jīng)變得越來越不可取。
一些研究者提出了污泥的厭氧消化處理方法。這種方法在無氧的條件下，由兼性菌及專性厭氧細菌降解有機物，最終產(chǎn)物是二氧化碳和甲烷氣體（biogas），使污泥得到穩(wěn)定。由于它在實現(xiàn)了污泥減量的同時還實現(xiàn)了除臭、去除細菌及生成沼氣的效果，故被稱為是一種可持續(xù)的處理污泥的方法。但是傳統(tǒng)的厭氧消化技術(shù)由于污泥發(fā)酵周期長，可達25d甚至一個月，由此產(chǎn)生的污泥的滯留需要建造大容積污泥罐，大大增加了污水廠的建造成本，制約了這種技術(shù)的應用。
隨后研究者們發(fā)現(xiàn)對污泥做前處理能夠有效克服厭氧消化的這一缺點。熱處理、化學處理、機械處理及物理處理等多種前處理方法相繼出現(xiàn)。大量的研究和實踐表明：將超聲波用于污泥的前處理實現(xiàn)了污泥的消化效率高、生物降解能力增強及產(chǎn)沼量大等特點，明顯優(yōu)于其他前處理方法。
本文通過文獻研究法，對近幾年來國外超聲波前處理用于污泥減量的理論研究和實踐進行分析，并對國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究和應用現(xiàn)狀進行評析，為我國超聲波污泥減量的研究和實踐找出發(fā)展方向。
1超聲波處理污泥的原理
超聲波是指頻率從20kHz到10MHz范圍內(nèi)的聲波，具有頻率高、方向性恒定、穿透力強、能量集中的特點。用超聲波技術(shù)處理污泥，其原理是選擇一定頻率和振幅的超聲波，利用其在液體中產(chǎn)生的“空穴”（cavitation）作用，形成極端的物理和力學條件，局部可達5000℃高溫，50000Pa高壓，以及剪切力。這就是空穴“內(nèi)爆”（implosion）產(chǎn)生的所謂“熱點”（hotspot），將微生物細胞壁擊破，同時釋放出酶。酶的作用使其余未被擊破的微生物細胞失去對污泥罐中發(fā)酵環(huán)境的適應能力，迅速成為厭氧微生物的營養(yǎng)物而被消耗，從而大大加速發(fā)酵過程。
2超聲波處理污泥研究
國外超聲波污泥減量技術(shù)的發(fā)展早在20世紀70年代，國外就有學者用超聲波來提取細胞壁上的聚合物進而研究污泥中微生物的表面特性[3]。經(jīng)過近20a的努力，將超聲波用于污泥處理的技術(shù)問題逐步得到解決，到90年代初，有關(guān)超聲波污泥減量的研究已轉(zhuǎn)向技術(shù)實驗階段。由于其無污染、能量密度高、分解污泥速度快的特點，該技術(shù)受到污泥處理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。美國、英國及德國等西方發(fā)達國家爭相開始相關(guān)的研究。然而，這一技術(shù)在上世紀結(jié)束前一直未能投入到實際的運營當中。因為最初的超聲波處理技術(shù)存在高耗能、低產(chǎn)出的致命問題，使其難以投入到商業(yè)化的運營當中。從1998年開始，在以德國漢堡工業(yè)大學的奈斯教授為首的一批研究人員的努力下，經(jīng)過5a的研究，改進了原有的污泥減量技術(shù)，使得能量的投入產(chǎn)出比得到顯著下降[4]。此后，超聲波污泥減量技術(shù)得以走出實驗室，投入商業(yè)化的運用中。
近兩年國外關(guān)于污泥減量主要集中在以下一些研究上：
2.1對超聲波作用下污泥資源化利用的研究
污泥中含有的有機質(zhì)成分及一些金屬元素如重金屬等，通過發(fā)酵、添加劑置換等方法可以轉(zhuǎn)化為可利用的資源。在探索超聲波污泥減量的實驗中，超聲波的前處理作用可以促進污泥的厭氧消化的效率，同時增加沼氣的產(chǎn)出量。國外最近的研究還探索了超聲波對污泥中除沼氣之外其他成分的資源利用。
在此領(lǐng)域上，歐洲發(fā)達國家走在前列，如奧地利格拉茲大學的C. Angerbauer等首次通過斯達氏油脂酵母將污泥轉(zhuǎn)化為脂類以用于生物柴油的生產(chǎn)的研究，該研究發(fā)現(xiàn)對污泥進行超聲處理比直接用原污泥進行脂類轉(zhuǎn)化的效率要高。Sang Hyoun Kim等人研究了消化污泥的超聲前處理對蔗糖厭氧發(fā)酵的制氫產(chǎn)量的影響，研究通過實驗找到了超聲前處理中，使得制氫量最大化的超聲時間和強度。
2.2影響超聲波空穴作用與污泥降解因素的研究
影響超聲波空穴作用與污泥降解的因素，以及各因素之間的相關(guān)聯(lián)系也成為近兩年各國研究者的研究熱點。因為污泥中存在的氣體或氣體分子的量、污泥的外部壓力、污泥的粘度、污泥中的水汽壓力、超聲波的應用頻率、超聲密度、聲強等因素都會對超聲波在污泥中的空穴作用產(chǎn)生影響。如：由馬拉西亞、新加坡與臺灣聯(lián)合研究團隊，研究了超聲波密度對超聲波污泥破解效率上的影響，并提出了效率方程PA=21/2IqC。方程中將聲音密度、聲強、聲速及強度之間的相關(guān)性體現(xiàn)出來。M. D. L. D. Castro等人研究了污泥的外部壓力、污泥內(nèi)的水汽壓力以及超聲波空穴作用的不同類型對污泥減量作用的影響，并分析這些因素之間的相關(guān)性[8]。這些研究對超聲波污泥處理的相關(guān)因素作了詳盡細致的分析，對實際應用中超聲波的各種參數(shù)的控制提出了參考 。
2.3超聲波污泥減量機理的進一步的深入研究
污泥減量的前處理技術(shù)對菌體細胞的滲透性和分解的影響使其實現(xiàn)了污泥的減量。污泥減量前處理技術(shù)中細胞破碎的機理的研究已比較全面，但其對細胞溶解的效應尚未得到深入的研究，這也成為了國外近年來的研究熱點。如P. Foladori等人的實驗通過流式細胞術(shù)對幾種前處理技術(shù)對污泥中菌細胞的分解結(jié)果進行評價。Julien Laurent等人研究了分解活性污泥的重金屬的生物吸附等。結(jié)果顯示，物理的和機械的前處理技術(shù)，包括超聲波和高壓，對菌體細胞分解的只有很溫和的影響，且需要一個很高的能量級，而熱處理和臭氧處理的效果更好[。此外，活性污泥經(jīng)過超聲處理等前處理之后，大部分有機質(zhì)會被溶解，這使得傳統(tǒng)的吸附模型不再適用于對經(jīng)過超聲處理的活性污泥中提取的重金屬的平衡的描述。因此，此類研究提出了一種新的模型。這些研究為超聲波處理技術(shù)應用能量的消耗與產(chǎn)出的平衡提供了借鑒的思路。
2.4超聲處理產(chǎn)沼的最優(yōu)條件的研究
對于不同的超聲波參數(shù)和污泥的不同特性，除了超聲污泥減量的效果也各不相同之外，其產(chǎn)生沼氣的條件也會有所變化。國外對這方面的研究已有數(shù)10a的歷史。近兩年的研究主要是關(guān)注不同研究之間結(jié)果的比較及各種影響因素之間的相關(guān)性分析。如國外相關(guān)研究主要集中在超聲波處理的最優(yōu)條件的研究，以及堿和超聲波前處理的結(jié)合對產(chǎn)沼影響進行研究上。
如Sridhar Pilli等人對歷年來在超聲波處理的最優(yōu)條件的研究進行總結(jié)，并將采用相同研究方法的研究進行了歸類比較；Dong-Hoon Kim等人對堿和超聲波前處理的結(jié)合對污泥分解的影響進行研究，實驗采用中央組合設(shè)計的方法，結(jié)果表明堿和超聲處理的結(jié)合對污泥的減量的效果優(yōu)于單獨一種方法[；Christophe Dagot也做了類似的研究，并對兩種前處理方法的不同序列的效果進行了分析（simultaneous treatment>NaOH treatment followed by ultrasonic treatment>ultrasonic treatment followed by NaOH treatment）。此外，在超聲波污泥減量技術(shù)的應用上，國外尤其是英美德等發(fā)達國家已經(jīng)比較成熟。早在上世紀90年代，德國和英國的很多大型的污水處理廠都已安裝并使用該技術(shù)。這種應用也為國外開展污泥減量技術(shù)的應用研究提供了條件。近年來在歐美國家，大量的研究都是基于污水處理廠的真實條件下的研究。Barber等人以德國的賓得污水廠的超聲處理設(shè)施為實驗環(huán)境，探索了在全應用條件下超聲處理對污泥的生物化學特性的影響，結(jié)果表明：經(jīng)過超聲處理污泥消化的沼氣的生成量有了顯著的提供，污泥粘度的降低增加了20%到50%，污泥的水解性能提高了3%到7%。這些立足于應用的研究探索了超聲污泥減量技術(shù)在應用中出現(xiàn)的問題，并能直接用于污水廠對這一技術(shù)的改進上。
3超聲波污泥減量技術(shù)在我國的研究和應用現(xiàn)狀
在我國，將超聲波用于污泥減量的研究雖然在上個世紀末就已經(jīng)開始，但大量的研究還是在近幾年才出現(xiàn)。雖然起步晚，但發(fā)展速度非？，尤其是近3a來，中國對超聲波污泥減量技術(shù)的研究已經(jīng)占到總體研究的一半以上。然而，我國的超聲波污泥減量技術(shù)在實際應用領(lǐng)域的現(xiàn)狀不容樂觀，將超聲波用于污泥處理的案例目前在我國還比較少見。
目前我國的研究和實踐主要集中在以下幾個方面：
3.1污泥的超聲預處理
污泥往往是含水量大、穩(wěn)定性差，傳統(tǒng)的預處理方法是進行重力沉降、調(diào)節(jié)或機械脫水。傳統(tǒng)的方法往往占地面積大，耗時長。采用超聲波預處理，可以通過提高改變污泥的物理化學結(jié)構(gòu)達到縮短處理時間的效果。我國對超聲波處理污泥的絕大部分研究都集中在此方面。如國內(nèi)的學者曾曉嵐等通過試驗發(fā)現(xiàn)，低強度超聲波輻射對污泥活性有顯著提高，采用50W/L的功率密度輻射10min后，污泥的OUR值較作用前提高了129%，蛋白酶活性提高了23.7%，脫氫酶活性提高24.6%。王曉霞等通過對比實驗探索了不同的超聲波強度和實踐對污泥中有機質(zhì)、氮和磷的性狀改變的影響。此外，徐桂華[19]、邵黎明及盛宇星等人都通過實驗從不同角度探索了超聲波的時間和強度對污泥的生物化學特性方面的影響。
類似的研究在我國的相關(guān)文獻中占到較大的比例。
3.2超聲波強化一次污泥沉降與脫水性能
未處理一次污泥含水率高達95％以上，經(jīng)傳統(tǒng)濃縮、脫水處理后含水量仍然很高，后續(xù)處理處置問題突出，它們散發(fā)臭氣，嚴重影響環(huán)境衛(wèi)生；對其進行填埋會占用大量土地，滲濾液會嚴重污染地下水；而污泥焚燒的費用比較昂貴，污泥問題將成為今后城市一大環(huán)境問題。超聲波預處理作為一種新型技術(shù)，可以較好地破壞污泥絮狀物結(jié)構(gòu)，提高脫水率，縮短厭氧發(fā)酵時間，因此成為當前國內(nèi)相關(guān)的研究熱點，近年來的研究文獻在此方面有較大的提升。如：王關(guān)照等人研究超聲波預處理對常溫厭氧消化中污泥脫水能力和胞外復合物質(zhì)分解的影響。研究結(jié)果顯示，經(jīng)過超聲預處理的污泥在厭氧消化中毛細管吸收時間從44.4s/L降到11.1s/L，污泥的水解性能有了極大的提高。楊元元等人研究了在pH值為10的條件下超聲波對活性污泥的水解及揮發(fā)性脂肪酸的積累的加強。研究指出，在污泥處理中，揮發(fā)性脂肪酸的積累往往因為污泥水解過程中酸化的影響而受限，超聲波能夠加快活性污泥的水解，而pH值的調(diào)節(jié)能夠避免酸化的受限，二者結(jié)合就能夠既加速水解又加速揮發(fā)性脂肪酸的積累。
3.3不同的前處理作用的結(jié)合對污泥減量的效果的研究
在超聲波用于污泥減量研究的最初階段，能量的出入平衡即超聲波作用的能耗問題一直成為阻礙超聲波在污泥減量上的一個限制性因素，在進行超聲波的參數(shù)對污泥減量的影響的研究的同時，研究人員也發(fā)現(xiàn)將不同的處理方法結(jié)合將優(yōu)于單純的超聲物理的減量效果。這也成為近期的一個研究熱點。如：劉曉玲等研究了經(jīng)過前處理的活性污泥的溶解和酸化的增加，研究運用超聲波-堿、超聲波-酸等前處理方式的結(jié)合對增加活性污泥的溶解和酸化的影響；李春玲等進行了堿與超聲波結(jié)合的前處理的污泥分解的動力模型研究。研究探索了不同的污泥酸堿度及不同的超聲波密度和強度對污泥分解的影響，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，依據(jù)線性回顧得出了其動力學模型，模型顯示：酸堿度對超聲波作用下污泥分解的影響最大。將不同的處理方式與超聲波處理相結(jié)合的研究，為解決超聲波處理的能量消耗問題提供了解決辦法。
3.4超聲波處理污泥的實際運用
在實際應用領(lǐng)域，我國還處在積極探索的階段。一些污水處理廠進行小規(guī)模的超聲波污泥減量技術(shù)應用實驗。例如廣州市污水公司在大坦沙污水處理廠進行了污泥的超聲波減量實驗研究，通過購置國外的大型超聲波發(fā)聲設(shè)備，研究靜態(tài)狀況下經(jīng)超聲波裝置處理后污泥主要水質(zhì)指標的變化，并將超聲波裝置作用于剩余污泥，探討了污泥的超聲波減量化效果。研究結(jié)果表明，經(jīng)超聲波裝置處理后，污泥SS、VSS、含水率值變化不大，TN、TP略有增加，溫度明顯增加。超聲波裝置處理后回流的污泥并未對原有生化反應系統(tǒng)造成任何影響，超聲波污泥減量化效率為20.56%。此外，在北京、上海等地的污水處理廠也有類似的實驗。這些實驗為超聲污泥減量技術(shù)的應用作了有益的嘗試。
但總體而言，我國在超聲波處置污泥的實際運用中經(jīng)驗尚淺，并無太多實際運用經(jīng)驗，理論研究主要是針對實驗室中理想狀態(tài)下進行操作。
4我國超聲污泥減量技術(shù)研究發(fā)展的特點
比較國內(nèi)外對超聲波污泥減量技術(shù)的研究，可以總結(jié)出我國在這一領(lǐng)域研究的一些特點：
（1）全面但不夠深入。我國在超聲污泥減量技術(shù)上的研究涉及了超聲預處理的最優(yōu)條件、超聲波對污泥物理、化學和生物特性的影響等各個方面，但這些研究都還處于較為基礎(chǔ)的層面。以超聲處理的最優(yōu)參數(shù)的研究為例，在這方面我國的研究非常豐富，但研究方法和條件上缺乏一致性，使得不同的研究之間的結(jié)果難以進行比較，這在很大程度上限制了研究的進一步深入。而對不同參數(shù)和影響因素之間的相關(guān)性的分析也很少見。此外，對于超聲波污泥減量的機理的認識多是根據(jù)前人或國外的研究，對其進一步的深入和細化的研究很少見。相比之下，國外雖然很早就開始了相關(guān)的研究，但至今仍沒有間斷。
（2）重理論，輕實踐。我國在超聲污泥減量技術(shù)上的研究多是在實驗室條件下進行的，研究的結(jié)果往往是在很多條件都很理想的情況下得出的，這些結(jié)果在真正應用到實際中時往往受到很多限制。國外對超聲波污泥減量技術(shù)的應用已經(jīng)比較成熟，如德國Sonix公司生產(chǎn)的大型超聲波污泥處理裝置已在德國、英國、美國和澳大利亞的多個污水處理廠運行。這些污水處理廠利用自身條件，與研究機構(gòu)合作，不斷進行超聲波技術(shù)的應用研究。目前我國還沒有自主產(chǎn)權(quán)的大型的可用于污泥處理的超聲發(fā)聲裝置，這在一定程度上也限制了相關(guān)的實踐研究的進行。
5結(jié)論與建議
污泥處理不僅是解決污水處理廠成本問題的重中之重，更是從根本上解決污水處理中環(huán)境保護的基本途徑。歐美的實踐經(jīng)驗表明，該技術(shù)在節(jié)省建造成本上具有不可比擬的優(yōu)勢，將促進實現(xiàn)污泥罐小型化、污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化的統(tǒng)一。
針對我國目前的研究和應用現(xiàn)狀，提出以下建議：首先，在理論研究方面，要注重對超聲污泥減量的深入研究。①探索在超聲產(chǎn)沼處理最優(yōu)條件實驗中方法和實驗條件標準的統(tǒng)一，使不同的實驗之間的比較成為可能，為進一步的深入研究打下基礎(chǔ)；②有必要開展污泥資源化利用研究；③超聲波處理污泥的基礎(chǔ)作用是空穴作用，影響空穴作用的因素都會對污泥的降解產(chǎn)生影響，有必要更加深入開展相關(guān)的研究，并分析不同因素的相關(guān)性；③有必要研究超聲處理的程度對消化控制和表現(xiàn)提高的每個降解步驟的影響。
其次，在實際應用方面，一方面應鼓勵污水廠與研究機構(gòu)合作，通過購置超聲設(shè)備，在污水處理廠的真實環(huán)境下，進行超聲處理的應用實驗。另一方面，應加大投資力度，盡快研制出自主產(chǎn)權(quán)的用于污泥處理的大型超聲發(fā)聲設(shè)備，加快超聲波污泥減量技術(shù)進入應用領(lǐng)域。
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