微波法处理污泥的研究进展*

温　超，曹珊珊，蒋　雪，程　刚

(西安工程大学环境与化学工程学院，陕西　西安　710048)



微波法处理污泥的研究进展*

温超，曹珊珊，蒋雪，程刚

(西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048)

基于当前城镇污水处理厂污泥处理处置的现状，介绍了微波作用污泥机制以及当前国内外微波处理污泥技术的一些具有代表性的研究成果，主要包括：含油污泥微波脱油技术；微波热解污泥技术；微波污泥脱水干化技术；微波破解污泥细胞壁技术；将微波与其他物理、化学方法联合运用处理污泥技术。并对微波法处理污泥的发展前景提出了自己的见解，以期推动该技术的发展。

微波；污泥；破解

近年来，随着污水处理设施不断完善与发展，污水污泥产量显著提高。根据环保部统计，2014年全国投运的城镇污水处理设施共4436座，平均日处理水量1.35亿m3。按城市污水中含固率为0.02%估算[1]，我国污泥产量巨大，污泥在环境和安全方面存在隐患。关于污泥处理技术的研究国内外已有许多，其中微波处理污泥因其特有的优点已引起广泛注意。本文主要结合国内外代表性研究成果，介绍了污泥的微波法处理技术。

1　微波作用机制

微波通常指频率300 MHz～300 GHz，波长1 mm～1 m左右的电磁波[2]。微波的非热效应和热效应对污泥产生作用。前者是指污泥中生物大分子在微波场中极化部分定向排列而导致维持大分子高级结构的氢键等次级键断裂，失活变性。后者指污泥中具有诱导或永久偶极的有机物及水等物质吸收微波能量，使污泥很快升温。污泥中变性与升温的大分子物质水解为小分子，即破碎EPS、微生物细胞等大分子，水解胞内溶出物质，实现污泥破解。微波加热有以下特点[3]：①加热均匀，热效率高；②能进行选择性加热；③强场高温、高频高温；④穿透能力强；⑤反应过程易于控制；⑥杀菌。

2　微波法处理污泥的技术

目前，微波技术应用于污泥处理的研究已有很多，微波法处理污泥的技术主要有：

2.1含油污泥微波脱油技术

美国学者对含油淤泥进行微波脱油技术[4]相关研究，结果表明：微波脱油处理成本只相当于传统方法的1/10。刘晓娟等[5]研究发现：使用微波处理法对油田污水处理中产生的高含水污泥进行脱水干化时，脱水过程及油水分离过程须加以协调。胡同亮等[6]采用SH94O2微波反应系统对含30%的辽河、大庆原油油样系统地进行了微波辐射法脱水研究，得出了最佳脱水条件：微波时间约10 min，微波功率375 W，系统压力0.5 MPa，原油脱水采用微波辐射法有快速、高效、节能的优点。

2.2微波热解污泥技术

污泥热解传统的方法是有机大分子经高温加热断裂，但它有其缺点：在700 ℃条件下污泥要通过固定床及流化床热解，产物中的PAHs含量大幅提高[7]，油产品的受到很大应用限制。J.T.Bohlmann等[8]在微波条件为温度：250～300 ℃、压力：8～20 MPa的装置中顺利将污泥转化成水汽态、气态、油类及固体残留物质，反应避免了在高温下进行，故PAHs的产生减少。J A Menéndez等[9]研究发现添加微波能吸收物质于污泥中，在微波条件下可迅速升温达900 ℃，对污泥微波热解有促进作用。方琳等[10]把吸能物质选为SiC，以及将污泥热解产生的固体残留物添加于污泥中，实验表明：微波高温热解添加碳化硅和残留物的污泥其液态产物含低于5.37%的PAHs，且热值可以高于37 MJ/kg；气态产物含体积分数54%以上H2和CO，热值为9420 kJ/m3以上；因其产物特性使其作为燃料有望实现。研究表明[11]，微波热解与传统热解相比，因挥发作用产生于微波热解污泥过程中的CO2对于热解碳渣发生自挥发反应有促进作用，故使其产物中CO2含量减少。

2.3微波污泥脱水干化技术

Wojciechowska[12]研究了微波作用对城市污泥的脱水影响，得出结论：微波对污泥的脱水性能可以提升，且对初沉污泥的脱水性能较消化污泥与混合污泥好；将微波联合絮凝剂共同处理污泥较两者单独处理效果好。傅大放等[13-14]将微波作用于98%以上含水率的污泥脱水，结论表明：高含水率的剩余污泥直接利用微波脱水干燥技术可行，但经济可行性较差；污泥开始沸腾的温度因其含水率不同而不同，随含水率的提高而与水的沸点逐渐接近；当污泥含水率降低到一定程度，开始沸腾的温度不再变化，低于85%后，为75 ℃左右。傅大放[15]和Idris[16]的研究指出：微波作用经机械脱水达75%～80%含水率的污泥后，含水率可达到60%以下，大肠菌群数<300个/g，卫生学指标能符合污泥农用。对污泥进行干燥处理时，把传统的热空气干燥换为微波方法，由75%～80%含水率降低到低于60%，其时耗电量<400度/t，处理成本及时长都有优势[17]。

田禹[18]对SBR反应器活性污泥用微波辐射预处理，结论指出：在短时间内微波辐射污泥稳定结构遭到破坏，脱水性显著提升；适宜的微波辐射能改善污泥结构与脱水性。李延吉等[19]研究了微波辐射对城市污水污泥的脱水性能影响，结果表明：含水率越高的污泥脱水效果越好，经微波作用后的污泥有机质仍有较高含量；辐射时长是最主要的影响因素，在540 W下辐射2～5 min即可达到良好效果；在合适的辐射时长下540～900 W都能达到良好的脱水效果，但在900 W时有机质的损失率较大，达到65.64%；添加剂投加多少对污泥脱水影响不大，但对污泥微波干燥后的性状有影响。

2.4微波破解污泥细胞壁技术

热水解能使细胞破碎、胞内有机物释放及大分子有机物水解，同时提升污泥脱水与厌氧消化性能，故相关的研究和应用十分活跃[20]。L.Guo 等[21]对分别经超声波、微波及高温杀菌预处理的污泥进行假单胞细菌发酵产氢的研究，结果显示：较超声波预处理，高温杀菌与微波预处理能明显提升污泥的产氢量，总COD分别达15.02与11.04 mL/g，停滞时间各为15 h与10 h。乔玮等[22]对污泥进行了微波热水解研究，结果显示：污泥有机物经微波加热水解反应迅速进行，温度对反应过程影响较大；在反应条件最佳时，污泥经微波水解(170 ℃)10 min后，污泥细胞壁开始破裂，离心脱水的污泥含水率小于65.5%，污泥的生物降解与脱水性能显著改善。

崔金娟等[23]对碳酸氢钠于微波处理污泥的影响进行了研究，得出结论：碳酸氢钠的添加既可使污泥碱度增加，且随碳酸氢钠加入量的增加处理后污泥VFA和SCOD的含量明显提高，Zeta电位绝对值变大。Eskicioglu等[24-25]将微波和传统加热对污泥性质和厌氧消化性能的影响对比研究，结果表明：微波和传统加热到96 ℃均能有效地使活性污泥絮体结构破坏及细胞内外生物高聚物释放；经潜在CH4产生量的测定，表明微波辐射较传统加热更能推动污泥嗜温厌氧消化，且认为微波的非热效应起作用。

2.5微波与其他处理技术联合

W T Wong等[26]将二沉池污泥处理用微波-双氧水高级氧化法进行研究，得出结果：在≥80 ℃时，污泥经微波-双氧水高级氧化法处理，COD完全溶解，污泥中氮、磷、金属元素等营养物质也被溶解，还起污泥杀菌灭活的作用。G.Yin 等[27]进一步对微波-臭氧-双氧水高级氧化法于固体于营养物质的溶解效果研究，得到结果：高于20%的总凯氏氮与30%的总P被溶解，且总COD溶解出来约有37%。

乔玮等[28]研究了碱辅助条件下的污泥微波热水解特性，污泥在碱辅助条件时微波热水解的有机物溶解率高，溶解快；当碱添加量固定时，温度对污泥热水解效率影响较大；污泥中碱的添加量影响溶解率，在0～0.05 gNaOH/1 gSS范围，随碱添加量的变大污泥水解率明显提高，添加量进一步加大水解率的增加变缓。贾瑞来等[29]考察了经微波-过氧化氢-碱预处理后的污泥水解的影响因素及在优化条件下的污泥水解效果和其有机物特征，结果表明：预处理后的污泥SCOD、溶解性蛋白质、溶解性糖类、VFA含量均随着温度的升高而增加。

M.K.Jamali 等[30]将微波引入分离工艺中，对传统的三步提取法工艺改进，用于污水污泥中Cr、Cd、Ni、Cu、Zn、Pb等重金属提取，使提取操作从16 h缩至120 s。闵甜等[31]采用微波-柠檬酸浸出城市污泥重金属，结果表明：升温速率15 ℃/min，pH值调3，搅拌30 min，170 W微波2.3 min，反应3 h，污泥中Zn、Ni、Pb、Cu浸出率分别达47.84%，43.83%，25.59%，11.05%，较无微波条件，重金属浸出率平均提升了50.7%，反应时间缩短8 h。

3　微波法处理污泥技术发展探讨

尽管微波法在污泥处理领域已有很多重要的研究，但该技术应用也都有其限制性。

3.1能耗及反应器的限制

因热解需较高的热能，污泥经微波热解产生液态与气态产品，在实际生产中电耗是巨大的，且其产品因技术等限制经济效益较低，故经济可行性差。另外，反应于微波发生器、反应器有一定要求。所以，微波热解污泥技术适合处理工业污水含较多难降解有机物的污泥，不宜处置较大产量的污泥。

3.2微波动态作用污泥处理探讨

当前，在静态条件下微波处理污泥研究很多，而微波动态作用污泥的研究鲜有报道。当前的微波作用装置难满足污泥的动态处理，在实际生产中微波法处理污泥技术很难得到应用，为加快该技术的实际应用，应考虑以下方面的研究：①设计、开发、生产可连续运行的大容量微波处理污泥的装置；②在动态条件下研究污泥在微波场结构和性质的变化，得到微波处理污泥成熟的理论体系，为该类技术工业化应用提供理论依据；③充分发挥微波特性，提高微波作用效率，节能降耗，使其在技术与经济方面均可行。

4　结语及展望

尽管微波预处理剩余污泥具有热效率高、加热快、不会造成二次污染等优点，但该技术仍存在一些不足：①污泥微波处理需要特定装置，要满足各种化学反应条件(高压、高温、耐腐蚀等)，且污泥微波处理产生能耗；②污泥微波处理厌氧消化效率仍需继续改善；③微波组合工艺的研究还不够成熟与深入。

微波处理污泥技术在今后仍需深入研究，加强微波预处理污泥机理、微生物细胞破解、有机物的释放效率增大、难降解物质生成的降低、污泥中病原微生物及有毒有害有机物去除、微波组合工艺及微波作用装置等研究，促进该技术发展与工业化应用。

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Research Progress on Sludge Treatment Using Microwave*

WENChao,CAOShan-shan,JIANGXue,CHENGGang

(School of Environmental and Chemical Engineering，Xi’an Polytechnic University,Shaanxi Xi’an 710048,China)

Based on the present situation of the current urban sewage treatment plant sludge disposal, microwave effect mechanism of sludge and some representative research results of the technology of microwave treatment sludge at home and abroad were introduced,including oily sludge microwave deoiling technology, microwave pyrolysis of sludge, microwave drying technology of sludge dewatering, microwave cracking sludge cell wall. Microwave and other physical and chemical methods will be combined with sludge technology. Some views about the development prospects of the sewage sludge treatment using microwave were put forward in order to promote the development of the technology.

microwave technology; sewage sludge;crack

陕西省科学技术研究发展计划项目(No:2012K12-05-04)；西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地(西安理工大学)开放基金项目(No:2013KFKT-1)。

温超(1991-)，男，西安工程大学在读硕士研究生，师从程刚教授，主要从事水污染控制及污泥资源化研究。

程刚(1965-)，男，教授，长期从事水污染控制及污泥资源化研究。

X703.1

A

1001-9677(2016)03-0008-03