基于超声的联合污泥溶胞技术研究进展

李兆瑞，刘永德

(河南工业大学 环境工程学院，河南 郑州 450001)

1 引言

超声污泥溶胞技术具有反应条件温和[6]、设备结构简单、不会带来二次污染等特点,在污泥溶胞方面得到了广泛关注，但由于其能耗较高未能得到大规模应用。因此，许多学者对基于超声的联合处理溶胞技术进行研究，本文综述了基于超声的污泥溶胞技术的研究进展，并对其在未来的应用进行了展望。

2 基于超声的联合溶胞技术研究进展

2.1 超声-臭氧联合污泥溶胞技术

臭氧是一种强氧化剂[7]，在与剩余污泥接触时会部分分解成羟基自由基并与污泥发生反应[8]，其强氧化性可以将菌胶团分散并破坏细胞结构，将部分污泥氧化成为无机物，达到污泥溶胞的目的。虽然臭氧对污泥溶胞的作用显著，但由于臭氧在污水污泥中的溶解度较低，需要较大的臭氧投加量用以实现较好的污泥溶胞效果，由此会带来较高的能耗和处理成本。而在超声-臭氧联合污泥溶胞体系中，超声的机械效应和空化效应[9～11]增强了臭氧的传质和分解速率。污泥菌胶团在臭氧的用下结构变得松散，更容易被超声破坏，从而达到协同作用，提高了臭氧的利用效率，降低了臭氧的投加量和超声的功率。其中臭氧流量和超声功率选择对污泥溶胞效果影响较大。黄慧等[12]研究表明在超声-臭氧联合溶胞作用下，在臭氧流量为7 L/min、超声功率为800 W的条件下反应40 min，SCOD和TP溶出分别比反应前提高了925%和1946%。SCOD溶出是在单独臭氧条件下的1.58倍，TP的溶出是单独超声处理的2.85倍。因此超声-臭氧联合污泥溶胞可以弥补单独臭氧溶胞SCOD溶出较低和单独超声溶胞TP溶出较低的问题，是一种有效的污泥溶胞方法。同时黄慧等[12]研究指出，在较大的污泥浓度下，联合处理的优势更显著。因此在联合处理前增加污泥浓缩池等污泥浓缩设备提高污泥浓度可以有效降低运行成本。Ren等[13]通过响应面分析超声-臭氧联合污泥溶胞技术在A/A/O中的应用，研究表明，超声波改善了臭氧的传质，使臭氧的还原效率达到68.1%。在臭氧剂量为0.14gO3/gSS，超声强度为1.61 W/mL的最优条件下反应30 min，A/A/O中的剩余污泥产率降低了51.3%，有效地减少了剩余污泥的产生。刘亚奇[8]研究发现，在污泥浓度为21619 mg/L时超声-臭氧联合污泥溶胞的SCOD释放率最大，在最优的溶胞条件下，剩余污泥MLSS的减少率为31.99%，TOC减少率为76.04%，有效降低了剩余污泥的产量和有机质含量，有利于剩余污泥的后续处理。

在超声-臭氧联合污泥溶胞体系中，超声的空化作用改善了臭氧传质，提高了臭氧的利用效率，实现了较为高效的污泥溶胞。但超声的声能密度较高，臭氧的流量较大，臭氧的制备和超声消耗的能量较多，需要进一步优化反应条件，降低运行费用。

2.2 超声-过氧化氢联合污泥溶胞技术

过氧化氢与污泥反应后的产物是水，不会带来二次污染，是一种理想的污泥溶胞氧化剂，当过氧化氢与污泥接触时，可以有效破坏污泥细胞的细胞壁，达到污泥溶胞的效果[14]。同时过氧化氢通过对丝状菌的破坏提高了污泥的脱水率，有利于后续处理。过氧化氢与超声联用可以对污泥菌胶团进行有效破坏，同时产生更多的羟基自由基，增强污泥溶胞效果。魏金枝等[15]研究发现在过氧化氢和污泥的比例为1.5%时，用氢氧化钠调节pH值为11，持续反应20 min后，释放到溶液中的SCOD增加到2138.7 mg/L，污泥TSS减少了20%。董慧[14]研究发现，在超声-过氧化氢联合污泥溶胞体系中，超声对污泥细胞的破坏占主导地位。此外，由于过氧化氢可以氧化部分有机质，随着过氧化氢浓度的提高，释放到上清液中的SCOD呈先增大后减小的趋势。

在超声-过氧化氢联合污泥溶胞体系中，过氧化氢在提高SCOD溶出中作用较小，但是可以提高上清液SCOD中可生化的比例，有利于后期回流到反硝化阶段微生物的利用。此外，过氧化氢对污泥的溶胞效率较低，导致过氧化氢的添加量较高，成本较高。需要对催化剂尤其是可回收的催化剂在过氧化氢氧化污泥的应用进行研究。

2.3 超声-碱联合污泥溶胞技术

污泥细胞的细胞壁在较强的碱性条件下会受到很高的膨胀压而变得容易破裂。碱与胞外聚合物和细胞膜的皂化反应也会导致细胞膜破碎。同时，OH-的增加会导致污泥细胞表面的负电荷增加，在细胞表面产生静电排斥力，有利于破碎细胞内的有机质释放到溶液中[16～18]。在碱与超声联用中，经碱处理后的污泥部分胞外聚合物被破坏，污泥细胞更容易在超声的机械和空化效应[9～11]下溶胞。同时，超声可以破坏污泥菌胶团，增大污泥的比表面积，有利于碱和污泥充分接触，提高了污泥细胞的溶胞程度和胞内物质的释放程度。其中，超声能量和pH值是污泥溶胞的主要影响因素。田月臣[19]的研究表明，在声能密度为0.19 W/mL，用氢氧化钠调节pH值为12，反应60 min时，溶液中的SCOD增加值为4871 mg/L，同时提高了污泥的脱水性能。在超声-碱联合污泥溶胞体系中，碱的加入显著降低超声的声能密度，降低了能耗。刘勇等[20]的研宄表明，当污泥溶液的pH值为11时，在60 min的超声作用中溶液中的SCOD含量与时间呈线性关系。Xinbo Tian等[21]的研究表明，超声-碱联合污泥溶胞可以促进难分解的有机质分解，提高SCOD的可生化性。Xinbo Tian等[22]研究发现，NaOH浓度为0.05 g/g TS为超声-碱联合污泥溶胞体系下协同溶胞效果显著的最小投加量。在超声过程中分步加入NaOH可以在达到相同溶胞效果时降低20%的碱投加量。X.B.Tian等[23]研究发现，在超声能量为9000 kJ/kg，碱投加量为0.02 mol/L反应10 min后，可溶性微生物和腐殖酸类物质含量明显增加，表明联合处理使细胞溶胞程度增大，污泥胞内物质释放程度增加。

在超声-碱联合污泥溶胞体系中，碱的加入极大的降低了超声污泥溶胞的声能密度，提高了高的SCOD释放量，同时使部分难分解的有机物分解，提高了SCOD的可生化性，有利于后期反硝化阶段微生物利用。超声-碱联合污泥溶胞体系运行成本较低，是一种比较成熟的污泥溶胞体系。但目前仍然需要对碱的投加量和投加时间进行优化，进一步降低碱的用量和超声所需能量。并对碱投加带来的较高浓度的阳离子对微生物的影响做进一步的研究。

2.4 超声-Fenton联合污泥溶胞技术

Fenton氧化体系是在过氧化氢氧化体系中加入酸和Fe2+，从而生成具有强氧化性质的羟基自由基(·OH)对污泥进行高效溶胞[24]，其具有效率高、无污染等特性，能够氧化污泥中的细胞膜和细胞壁，使细胞中的有机成分更容易转移到溶液中，同时对污泥中难降解的有机物进行分解，提高溶出SCOD的可生化性，和剩余污泥的脱水性。但Fenton氧化体系化学试剂的投入量较高，且不能与污泥菌胶团充分接触，反应效率低。在与超声的联用中，超声的机械作用和热效应使污泥菌胶团破碎与H2O2和Fe2+充分接触，同时Fenton氧化体系中的生成的氧气可以提高污泥溶液中的氧含量，强化超声的空化效应，增强了污泥溶胞效率。宫常修[25]的研究表明，在声能密度为0.72 W/mL，Fe2+和H2O2的投加量分别为为0.2 g/L和0.5 g/L时，反应进行20 min后，SCOD的溶出量是单独超声的8.75倍，是单独Fenton氧化的2倍。S. Kavitha[26]通过低剂量的Fenton工艺破坏污泥菌胶团和胞外聚合物，在0.2 g/g SS Fe2+和0.8 g/g SS H2O2的投加量下反应5 min后，对污泥混合液进行能量为641 kJ/kg TS的超声处理，污泥中34.4%的COD溶解到上清液中，比单独超声处理达到相同COD溶出节约了约96%的能量。

超声-Fenton联合污泥溶胞体系可以释放出较多的SCOD，同时改善了Fenton体系的传质效率，降低了H2O2和Fe2+的投加量，也极大地降低了超声所消耗的能量，具有较好的经济性。但目前对Fenton试剂与超声的反应顺序和类芬顿体系不同催化剂对污泥的作用效果研究较少，需要进一步研究以减少化学试剂的投加量。

2.5 超声-高铁酸盐联合污泥溶胞技术

超声-高铁酸盐联合污泥溶胞体系是一个高效的污泥溶胞体系，得益于高铁酸盐的强氧化性，污泥溶胞在较短时间内发生，提高了反应效率，减少了超声所需能量。同时改善了上清液的可生化性，降低了溶胞后的污泥总量，提高了溶胞后剩余污泥的脱水性能。但高铁酸盐的稳定性较差，不易长期保存，对于工程应用中高铁酸盐的现场制备工艺有待于进一步探究。在超声-高铁酸盐联合污泥溶胞体系，对超声与高铁酸盐的反应顺序和pH值对SCOD的溶出研究较少，需要进一步实验确定最佳的溶胞工艺。

3 展望

污泥溶胞后的上清液回流到反硝化段可以提高污水处理系统的脱氮能力，降低运行费用，是一种有前景的剩余污泥再利用技术。超声的联合溶胞技术改善了单独超声污泥溶胞能耗大，反应时间长等缺点，进一步提高了污泥溶胞后上清液的SCOD浓度，为其作为污水处理反硝化阶段碳源的大规模应用提供了可能。其中超声-碱联合污泥溶胞技术对污泥的溶胞效果最好，可以将较多的SCOD释放到溶液中，但存在较多不易被生物利用的有机物，而超声联合臭氧、过氧化氢、高铁酸盐、Fenton等与氧化剂联用的方法提高了污泥的可生化性，但由于部分SCOD被氧化，在污泥溶胞程度较高的条件下释放到溶液中的SCOD较少。其中，高铁酸盐和Fenton与超声联用实现了较高的SCOD释放，降低了剩余污泥总量。高铁酸盐的还原产物还会生成氢氧化铁胶体，改善了溶胞后污泥的脱水性能，减少了后续的运输，填埋或焚化的成本。现有的基于超声的联合污泥溶胞技术大部分为实验室规模，需要对其大规模应用进行探索性试验，对反应机理做进一步分析。目前的研究缺乏对污泥溶胞系统的全生命周期评价，对资源回收和环境影响等进行分析，确定污泥溶胞系统的经济效应，为污泥溶胞系统的工艺选择提供科学依据[31]。如何针对不同污水处理厂的污泥特性选择适当的联合溶胞方法，还需要结合污水处理厂的工艺特征和污泥性质进行分析，从而实现污泥溶胞系统的高效稳定运行。