污泥減量化是通過(guò)物理、化學(xué)、生物等手段使整個(gè)污水處理系統(tǒng)向外排放的生物固體量達(dá)到最少。以前常用的污泥減量技術(shù)有隱性生長(zhǎng)、解偶聯(lián)代謝、維持代謝、生物捕食等。20世紀(jì)90年代，人們發(fā)現(xiàn)超聲空化更有利于污泥減量。

        超聲空化，簡(jiǎn)言之，指液體中的微小氣泡核在超聲波作用下被激化，表現(xiàn)為泡核的振蕩、生長(zhǎng)、收縮及崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在很高的聲強(qiáng)下，液體中將產(chǎn)生大量空化氣泡，它們隨著聲波改變大小并最終在瞬間破滅，氣泡破滅時(shí)，將產(chǎn)生極短暫的強(qiáng)壓力脈沖，并在氣泡及其周?chē)⑿】臻g形成局部熱點(diǎn)，產(chǎn)生高溫高壓(3000^oC、1000個(gè)大氣壓)和具有強(qiáng)烈沖擊力的微射流。空化發(fā)生時(shí)，液體的局部瞬間產(chǎn)生高溫、高壓、高剪切力和聲化學(xué)反應(yīng)。污泥中有機(jī)體的細(xì)胞壁必須在500個(gè)大氣壓的作用下才能破裂，或者在微生物的分解中破裂，微生物分解是個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，而超聲波的空化效應(yīng)是瞬間完成的。聲化學(xué)反應(yīng)是由于高溫?zé)峤夂透呋钚缘淖杂苫鸬?，是污泥中難生物降解有機(jī)物分解的原因。

        1991年，Harrison發(fā)現(xiàn)分子量超過(guò)40000的高分子物質(zhì)可以被由超聲空化引起的強(qiáng)大的水力剪切力所分解。德國(guó)Portenlanger(1999)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這種水力剪切力在頻率100kHz以下最為有效。德國(guó)UweNeis(2000)則發(fā)現(xiàn)最佳分解的頻率為41kHz。德國(guó)Tiehm和Nickle等(2001)對(duì)超聲空化引起的兩種現(xiàn)象即水力剪切和聲化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)與理論分析，認(rèn)為水力剪切比聲化學(xué)反應(yīng)對(duì)污泥分解更為重要，也發(fā)現(xiàn)低頻時(shí)對(duì)污泥分解最為有效。

        眾多文獻(xiàn)表明，超聲波作用使細(xì)胞壁粉碎，釋放出胞內(nèi)物質(zhì)，而胞內(nèi)物質(zhì)作為自產(chǎn)底物供微生物生長(zhǎng)，提高其對(duì)有機(jī)物的分解吸收能力，加快有機(jī)質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞和代謝產(chǎn)物排出細(xì)胞的進(jìn)程，從而使污泥沼氣產(chǎn)率上升。污泥發(fā)酵時(shí)間與超聲波處理時(shí)間對(duì)沼氣產(chǎn)率也有很大影響，Clark和Nujjoo(2000)研究表明在15d的發(fā)酵時(shí)間下，超聲波預(yù)處理2d可以提高沼氣產(chǎn)量61%，而在12d發(fā)酵時(shí)，幾乎沒(méi)有變化，Wang和Kuninobu(1997)發(fā)現(xiàn)超聲波處理40min比10min的處理提高沼氣產(chǎn)量59%。Lafitte和Trouque等(2002)發(fā)現(xiàn)有機(jī)物釋放通常滯后于菌膠團(tuán)的破壞，23kHz下處理96S，即使是0.47w/cm。的高強(qiáng)度仍然不能改善污泥發(fā)酵。由上可知，超聲波促進(jìn)污泥脫水所需時(shí)間很短，而促進(jìn)污泥發(fā)酵通常需要較高的超聲波強(qiáng)度和較長(zhǎng)的處理時(shí)間。

        超聲波能夠明顯改善污泥絮凝脫水性能更是污泥減量化的重要原因。要達(dá)到污泥減量之目的，必須盡可能地降低其含水率，而改善污泥的絮凝和脫水性能則是最大程度實(shí)現(xiàn)污泥脫水之途徑。研究表明，超聲波處理對(duì)污泥的絮凝和脫水性能具有顯著的影響。超聲波使污泥中的流態(tài)介質(zhì)顆粒沉降性提高，同時(shí)改變了污泥的粘性和帶電狀況，破壞了污泥的膠體絮體結(jié)構(gòu)，使污泥黏滯性及顆粒的邊界層效應(yīng)降低，使污泥顆粒的有效碰撞增強(qiáng)，有效降低污泥中的結(jié)合水，從而改善了污泥的過(guò)濾性，使污泥比阻降低，上述作用均使污泥更易于脫水。另外，超聲處理還使絮凝劑對(duì)污泥顆粒的吸附總量增加，為絮凝過(guò)程創(chuàng)造了有利條件。

        此外，德國(guó)Sinisterra(1992)研究表明：低強(qiáng)度超聲波可產(chǎn)生細(xì)胞原漿微流，提高細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的穿透性，并刺激生物體合成蛋白復(fù)合體。我國(guó)重慶大學(xué)曾曉嵐和龍騰銳等(2006)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度超聲波輻射對(duì)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%，脫氫酶活性提高了24.6%。重慶大學(xué)丁文川(2006)的試驗(yàn)研究則發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度超聲波對(duì)污泥作用分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段發(fā)生在0-4min，主要是作用在污泥絮體層面，表現(xiàn)為污泥絮體中SCOD、TN和TP溶出，第二個(gè)階段對(duì)污泥生物體產(chǎn)生影響，微生物活性加強(qiáng)，OUR、TN和TP都有較大增長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，超聲波還能加快微生物生長(zhǎng)，提高其對(duì)有機(jī)物的分解吸收能力，從而在整體上減少污泥量。據(jù)報(bào)道，德國(guó)弗朗霍大陶瓷技術(shù)與燒結(jié)材料研究所利用超聲波將污泥體積和質(zhì)量減少了約20%。

        一套超聲波裝置在德國(guó)代特莫爾德市污水廢水處理廠運(yùn)行，污泥連續(xù)送入超聲波反應(yīng)器，反應(yīng)器有7個(gè)超聲發(fā)射極，每一發(fā)射極產(chǎn)生12kHz至20kHz頻率的超聲波。超聲波殺死污泥中的細(xì)菌并分解固體物，從而使污泥較易脫水和釋放出酶，分解有機(jī)物，而且使降低污泥含水量所需的絮凝劑減少25%。
 

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