超声破解在污泥减量中的应用进展

汪亚楠，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

活性污泥法在世界范围内广泛用于城市污水和工业废水的处理，与固定膜法等工艺相比，世界各国对污水处理的要求也越来越高。而且，其单位体积反应器的处理效率可能会高达10倍，但是其操作成本很高[1]。传统活性污泥(CAS)的一个问题是，它产生的污泥太多，生物质产量系数在这个过程中每生物质去除1kg的COD大约0.5kg生物量[2]。此外，城市污水处理产生的污泥处理和处置占污水处理厂总成本的约50%～60%[3]。由于污泥的最终处置受到环境限制，因此目前使用的污泥处理方法处处理成本飙升，因此世界各地的研究中心都试图寻找和开发新的方法来最大限度地减少污水处理厂产生的污泥。

2 污泥减量化的主要技术

从根本上解决污泥问题的方案之一是使用那些与常规方法相比产生较少污泥的途径。废水中有机碳的一部分被微生物的重要活动所消耗，另一部分被用于繁殖，并因此增加了污泥产量。因此，为减少污泥产量，应采取一些措施使废水中大量可利用的有机碳被微生物的生理活动所消耗，只有一小部分可用于繁殖。已经研究了不同的方法来实现这样的目标，具体如下。

(1)裂解-隐性生长：当细胞裂解时，储存在其中的营养物质在污水环境中释放，增加了废水的有机负荷。从细胞溶解释放的有机物质再次进入其他微生物的代谢循环，并且其中一部分含碳物质被用于其他微生物的生命活动，导致污泥产量的总体降低。由于这种碳物质引起的生物量增长不能与废水含碳物质引起的生长分开区别，因此称为隐性生长[4]。到目前为止在实验室规模，中试规模和实际规模中使用的细胞裂解过程包括：①40～180 ℃温度范围内的热裂解；②使用酸或碱的化学裂解；③机械或物理裂解如铣削，均化器或超声能；④连续冻结和解冻；⑤通过添加酶进行生物水解；⑥采用先进的氧化工艺(AOPs)，如臭氧和H2O2；⑦使用热化学溶解或联合使用超声波能量和碱等组合方法。

(2)解偶联代谢：分解细胞代谢阶段，或者换句话说，细胞代谢的解偶联过程，是为了防止产生ATP。废水的生物处理过程中的底物氧化会增加细胞质膜中质子的动能，从而提供磷化合物所需的驱动力，从而形成ATP[5]。添加一些有机物质会导致质子通过细胞质膜扩散或逸出，导致ATP所需的驱动力消失[6]。最近，一些研究人员通过添加2,4-二硝基苯酚(dNP)，对硝基苯酚(pNP)，五氯苯酚，四氯水杨酰苯胺(TCS)等化学物质研究了污泥减量，并取得了满意的结果[7]。

(3)维持代谢：很明显，在污水处理系统中，当污泥停留时间很长时，剩余污泥量就会减少。在所有微生物种类中，用于维持重要活动所需的能量优先于繁殖。由于进入曝气池的物质浓度大致恒定，因此增加曝气池中微生物的数量将减少每个池的底物份额，并且如果生物质浓度足够高，则可用底物将仅提供所需的能量为细胞存活但不为其繁殖。这种由基质提供的能量被用于维持细胞生命活动的新陈代谢被称为维持代谢[8]。

(4)细菌捕获：废水的生物处理过程和这种处理的环境就像一个生态系统，活性污泥是各种微生物的适宜栖息地。因此，较大物种如原生动物对一些较小物种如细菌的死亡或掠食可能会减少较小物种的种群，一般来说，会减少微生物总数，从而减少剩余污泥[9]。

3 国内外研究进展

关于污泥消化率的研究结果表明，污泥增溶高度依赖于处理的种类(超声波，臭氧化和热能)而不是特定的能量输入。强度为200000 kJ / kg TSS的超声处理在TSS和VSS增溶方面取得了最好的结果(分别为47%和55%)[10]。

Zhang等2007年对超声波(25 kHz)有效液化污泥进行了研究。根据其结果，污泥减量的最有效条件如下：污泥超声比率为3/14，超声强度为120 kW/kg DS，超声处理时间为15 min。剩余污泥减少量为91.1%[11]。

Li等人2008年研究了污泥超声降解废水活性污泥。结果表明，污泥量可减少58.8%。超声强度为1.6 W/mL，超声时间15 min[12]。

郑莉[13]研究了超声波溶胞前后对污泥理化和生化性质的影响。研究结果表明,声能密度对超声波预处理污泥效果影响最显著,最佳的超声预处理参数组合为：超声频率28 kHz,声能密度0.15 W/mL,超声时间10 min。此外,研究还发现不同浓度的污泥,对应的最佳超声组合参数也有所不同。其次通过实验室小试和中试试验,研究了超声波预处理对污泥缺氧/好氧消化的影响。

朱广峰等[13]以A2O活性污泥系统为研究对象,采用超声波处理剩余污泥以考察污泥减量效果及其对系统处理效能的影响。首先,开展超声污泥预处理试验,通过检测污泥上清液COD及电镜图,得出在声能密度为0.62 W/mL、作用时间4 min为最佳技术参数。然后,研究剩余污泥经超声处理后不同回流比例到A2O系统厌氧区,对出水水质和污泥减量效果的影响。综合出水水质和最终排泥量的实验数据,得到超声污泥回流比40%为最佳比例,系统污泥减量32.2%。

4 展望

利用超声波进行污泥裂解是减少剩余污泥的方法之一，并且最近在该领域已经进行或正在进行相当多的研究。但是，超声波对剩余污泥的减少取决于不同的因素。使用更大的功率将特定的能量施加到质量单位的污泥上会对减少污泥产量产生负面影响。使用超声波进行污泥减量可以改善污泥沉降特性并降低SVI，但也会减少污泥的SOUR，这可能是由于污泥中积聚了不活泼和不可分解的物质，每个工作循环中都会添加污泥。因此，建议在类似的研究中，只让溶解污泥的可溶部分返回反应器。