刘 伟，郭广亮，陆 佳，王 欣，苏小红，范 超

(1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090)



超声技术在污泥合理化处理处置中的应用

刘 伟1，2，郭广亮1，2，陆 佳1，2，王 欣1，2，苏小红1，范 超1

(1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090)

超声波在污泥中传播时，会同时产生机械作用、热作用和空化作用，使污泥发生一系列物理和化学变化。目前该技术作为一种清洁、高效、环保的处理方式，被广泛应用于污泥处理处置过程。综述了超声技术破解污泥的原理、影响因素及目前国内外超声技术在污泥处理过程中的应用情况，以期为我国实现污泥稳定化、减量化、无害化、资源化的合理化处理处置提供思路。

超声；污泥；合理化处理处置

污泥是污水处理过程中产生的副产物，主要由初沉污泥、剩余污泥及混合污泥组成。据国家住房城乡建设部统计数据，截至2016年3月底，全国城市、县累计建成污水处理厂3 910座，日污水处理能力达1.67亿m3。按照吨水产泥量(污泥的含水率80%)0.05%～0.08%估算，我国年产污泥量达到3 000万～4 800万t[1]。随着我国对污水处理厂出水水质要求的不断提升，污水处理效率的提高和脱氮除磷等三级处理势在必行，这就意味着污泥回收率将不断提升，污泥年产量也将继续增长，污泥的合理化处理处置将是今后面临的重要问题。

城市污泥的合理化处理处置必须遵循稳定化、减量化、无害化、资源化的要求和原则[2]，目前常用的污泥处理处置方法主要包括厌氧消化产沼气，污泥中酶、生物柴油、化合物和重金属提取的资源化利用，有毒有害污染物的降解和病原菌等去除的稳定化、无害化处理等，这些方法在现阶段的污泥处理中起到了重要作用，但均存在处理效率有限、环境污染等弊端，如何改进方法，提高处理处置效率，是研究人员一直努力的方向。

超声是一种超出人耳听力上限，频率大于20 kHz的循环压力声波。当超声波在污泥中传播时，会同时产生机械作用、热作用和空化作用，使污泥发生一系列物理和化学变化[3]。目前超声处理被广泛应用于污泥的不同处理方式(如污泥厌氧消化、好氧发酵、脱水干燥、资源提取等)中，不仅可以减轻环境负担，还能提高污泥处理效率。

1 超声技术破解污泥的原理

超声波是通过一系列压缩(正压)和稀疏(负压)循环来传播，进而影响液体中分子活动的一种机械振动波。当稀疏循环的负压超过分子间引力时，空隙产生[4]。结构中产生的空隙和空洞在液体中吸收少量的水蒸气，在压力循环过程中没有全部瓦解，而是在逐次循环中继续长大，形成所谓的空化气泡。由气泡的内爆可以产生足够的“能量”，形成局部的瞬时高温高压(5 000 ℃、500 atm)，气泡局部的高压发射冲击波形成“机械剪切力”，破解污泥的絮状结构，使大量单体细胞溶出，在空化气泡内爆过程产生强大水力剪切力作用下，周围的污泥细胞破解，这个过程被称为超声波“空化效应”，是超声污泥破解的主要过程。在污泥破解的同时，高活性的反应自由集团(H·、OH·)推进化学氧化还原反应的进行，形成“声化学效应”，对污泥的超声破解起到辅助作用。超声作用产生的热效应导致脂类分解加速，细胞质膜的通透性变大，更多的胞内物质溶出，然而由于高温下污泥的溶解性很差，短时间的超声处理产生的热效应对破解贡献并不大[5]。

2 超声技术破解污泥的影响因素

超声破解污泥的主要影响因素包括超声频率、比能量输入、功率输入、超声时间等[6]。超声频率控制着空化气泡的临界尺寸，是后续处理效率的主要影响因素，低频超声有利于机械作用和物理降解，高频超声提高了声化学效应，在污泥处理领域中，低频(20～40 kHz)超声更易形成微射流和机械剪切力，较高频超声则有着更好的破解效果。比能量输入是污泥破解中一个重要参数，是超声的功率、时间、样品体积和样品固含量共同作用的结果，在应用中高能输入效率比低能输入更高，尤其在1 000～16 000 KJ/KgTS的破解效果更加突出。功率输入主要由超声声密度(W/mL)和超声强度(W/cm2)决定，在空化气泡的形成和行为方面起着至关重要的作用，适当提高功率输入会产生高效的声压效应，产生更多的瞬时空化气泡，有利于污泥的破解。从超声时间来看，短时间的超声只能促进污泥絮体的松团作用，而对污泥细胞的破解几乎没有影响，而长时间的超声处理对污泥细胞膜的破解、胞内物质的溶出和污泥固体的降解有积极的作用[5，6]。

3 超声技术在污泥处理中的应用

3.1 超声技术应用于污泥生物发酵

好氧发酵因其工艺相对简单和相对较低的设施建设费用，被广泛用于小型的污水处理厂。有关超声对于好氧发酵的影响报道有限，多集中于对固体停留时间(SRT)的缩短和污泥减量化两方面。Khanal研究表明，在超声频率20 kHz和功率1.5 kW条件下，对固含量3%的污泥处理10 min后，SRT缩短为8 d，挥发性固体(VS)去除率提高了54%[7]。在短的SRT下，好氧发酵效果更显著。Erden等应用9 690 kJ/kg TS的比能耗输入，将VS去除率由对照组的22.8%提升到36%[8]。另外，超声预处理过的好氧发酵污泥的微生物活性增强，Chang等报道了超声应用于高温好氧发酵过程中，可挥发性悬浮固体(VSS)去除率提高55%，并把SRT由15 d缩短为3 d[9]。

在厌氧消化中，污泥超声预处理技术解决了厌氧消化的水解限速这一难题，提高了后续的产气量和有机质去除率，缩短了固体停留时间，缩小了构筑物体积，在一定程度上节约了建筑费用。超声对厌氧消化影响的因素主要包括有机负荷、底物类型、比能耗输入、超声时间，污泥停留时间和预处理部分所占的比例。超声预处理可显著提高污泥的厌氧消化效率。Bougrier 和Dewil等在实验室和中试阶段的研究表明，低频(20 kHz)和限定的比能耗输入(1 000～3 000 kJ/kg TS 相当于大约 20～60 kJ/L)对沼气产量的提升有显著促进作用[10，11]。总地来说，在序批式、连续式和半连续式的厌氧消化系统中，沼气产量提升了24%～84%，VS去除率提升了21%～57%，甲烷产率提升32%～104%。

3.2 超声技术应用于污泥脱水处理

剩余污泥的含水率高达99%，为了减少污泥体积以降低后续运输和处置的费用，脱水环节十分必要，一般会占整个污水处理厂运营费用的25%～40%。超声辅助脱水是通过以下方式实现的：第一，使水分由现有的自然通道或由超声波通道迁移。第二，通过辅助扩散作用使空化气泡变大，取代原来微孔中的液体。第三，空化作用使胶体或化学附着水离开固体表面。第四，降解或溶解部分为水分提供结合位点的胞外聚合物。

研究发现短时间的低能耗输入对污泥脱水和增强污泥可滤性有积极的作用。Na等的研究显示，在能量输入为800 kJ/L时，处理后的污泥脱水率增加了5倍，这个过程明显降低了毛细吸水时间，表明脱水性能的增强[12]。相反，高声能密度和长时间的超声对污泥脱水有抑制作用。Quarmby 等研究表明，超声声密度为0.33 W/mL处理60 min，CST毛细吸水时间由197.4 s变为488.9 s，结合水含量增长4倍[13]。

3.3 提高微生物和酶的活性

超声的另一个应用是提高厌氧和好氧处理中酶的活性，以进一步提高整个过程的效率。Yu等发现在超声预处理污泥的过程中，胞外蛋白质、多糖和酶向污泥絮体的外层转移，这种解絮凝作用方便更多水解产物和辅酶穿透进入胞外聚合物(EPS)基质，使之与酶接触概率增大，使原本未暴露的有机质开始水解，因此固体的降解率提高，消化时间缩短[14]。Xie等通过对脱氢酶活性(DHA)和产甲烷潜力活性生物工具——辅酶 F420含量进行检测，研究了超声强度和超声频率对厌氧污泥活性的影响，得出在超声强度为0.2 W/cm2时DHA和F420达到最大；当超声强度大于0.4 W/cm2时，DHA和F420的值均低于未经超声处理的对照组，表明低强度超声可以显著提高厌氧污泥的微生物活性，这可能是因为低强度超声可以更有效地破解细胞膜，提高污泥的渗透性和选择性，进一步加速营养物质传递转移[15]。

3.4 污泥的膨胀和气味控制

Wunsch等研究发现，超声在解决污泥膨胀、污泥发泡问题上也有积极作用[16]。Sandino报道利用低能耗输入的超声辐照污泥是解决厌氧消化体系中污泥发泡问题行之有效的方法[17]。Tiehm的研究表明低强度短时间的超声可以缓解污泥的膨胀[18]，然而对纤维微生物种群(主要是放线菌)的削减效果并不明显。Muller等认为提高厌氧消化效率可以提升对气味的去除效果，在经过超声处理后的污泥厌氧消化过程中，静态顶部空间有机硫化物的去除率比对照组提升了24%[19]。

3.5 病原体的去除

长时间、高声能密度的超声输入可显著杀灭污泥中的病原微生物。Jean等对污泥在0.33 W/mL声能密度下超声处理40 min 后观察到非自养型微生物减少了82%，同时发现在超声处理10 min 后大肠杆菌减少了93%，40 min后大肠杆菌总量小于1%[20]；Graczyk 等研究表明超声处理是污泥无害化处理最有效的方法[21]。Mason等研究表明在应用超声杀灭病原菌从而稳定化处理污泥的过程中，机械力起着主要的作用，而热效应和化学效应起着辅助作用[22]。

3.6 危险化合物降解和化学净化

PAE(难降解有机化合物)常常作为添加剂或增塑剂，被列为优先控制污染物[23]。利用微生物代谢分解PAE是环境降解的主要途径[24]。在频率20 kHz、声能密度0.1 W/mL条件下，超声20 min可观察到明显的PAE降解过程，原因是超声可以提高化学反应速率，加速羟基自由基和氢原子与有机化合物反应或与其他自由基重组速率[26]，与此同时，超声也提高了微生物活性，提高了PAE降解效率[27]。

Xu等研究了超声辐照对污泥脱油的影响[28]。在温度为40 ℃，压强0.085 Mpa，超声频率28 kHz时，污泥处理后可以达到最低含油量(0.055 g/g)，与未经超声处理的相比降低了55.6%，原因可能是超声使含油污泥的结构持续变化，加速了原油从污泥固体颗粒表面剥离，而且随强度增加，石油-固体分离效果越明显。

Laurent 等研究报道，超声使污泥絮体表面的活性位点增加，提高了对污泥中镉和铜等重金属的吸附能力。同时，该研究也揭示了重金属被吸附的三种机制：质子交换、二价阳离子交换和溶解有机物共沉淀。通过镉和铜的吸附等温线的研究，发现具体的能量输入和重金属的种类也是吸附效果的重要影响因素[29]。

3.7 资源回收

生物柴油主要由简单的烷基脂肪酸脂组成，可作为一种石油柴油燃料的替代品。好氧微生物将污泥中含碳化合物转化为脂肪，进而转换为生物柴油。Angerbauer等发现超声预处理可使脂肪更易被L. Starkeyi(一种酵母菌)所利用，在体内积累至大约为干固体含量的70%，且超声联合酸碱或热水解作用效果更好[30]。

从废弃污泥中回收的氢气不仅具有无污染的特点，而且是一种可以替代化石燃料的绿色能源。超声能够钝化产甲烷菌的活性，但不会对产氢的芽孢杆菌产生不利影响[31]。Elbeshbishy等采用超声能量79 kJ/g TS，温度30 ℃以下的处理条件，使氢气产量增加到120%，但如果不控制温度，氢气产量会减少30%，而且在比能耗输入为79 kJ/g TS (20 min，200 mL)条件下，对产甲烷菌的钝化效果最佳。

Wang等应用超声与碱联合预处理剩余污泥，并通过沉淀和干化析出回收胞内蛋白，在超声预处理条件为1.65 ×1 010 kJ/kg VSS、碱处理条件为pH=12、时间2 h时，测得上清液中蛋白质含量为3 177.5 mg/L，调节pH为3.3，利用沉淀方式得到蛋白质的回收率为80.5%，而且回收蛋白的营养成分与市面销售的蛋白饲料相当[32]。Nabarlatzet等利用超声辅助提取的方式从活性污泥中回收水解酶(蛋白酶和脂肪酶)，通过调整超声强度和超声时间分析酶回收的效果，得出最优配置为声强3.9 W/cm2、超声时间为10～20 min[33]。

通过对印刷电路板的废污泥进行研究，Xie等发现当pH值为3、超声功率为160 W，处理时间为60 min时，铜和铁的浸出效率分别为97.83%和1.23%，其中铜的浸出效率随着超声功率的升高和超声时间的延长而提高[34]。超声波引起的液体空化，可使固体表面爆裂，形成细小颗粒，并增加散碎固体的表面积，从而增强离子从铜表面到液相的运动效果。这一技术已成功应用在中国惠州市一个重金属回收厂，通过对印刷电路板制造厂中的5 800 t污泥进行超声处理，获得了1 000 t硫酸铜(含量98%)和3 500 t三价铁(含量20%)。这个过程分离效果好，回收效率高，成本低，最终产品质量高，实现了零废物处理排放。Li等研究了超声强化酸浸的影响，从电镀污泥中提取和回收多种重金属(铜、镍、锌等)，获得了在pH值为4，超声功率为100 W，处理时间为100 min的条件下不同金属的浸出率，并成功进行中试应用[35]。

4 展望

超声处理可以提高污泥溶解度、促进后续生物消化、降解污泥中的PAH等有害成分、回收利用能源资源、提高生物酶活性、提高消化效率和提取重要化合物，为污泥的处理处置提供多种合理方向和可行的出路。因此，超声处理无论是单独作为一个处理环节，还是仅作为一种辅助处理措施，都具有极其广泛的应用前景和实际价值。随着应用研究的深入，超声技术与其他技术结合应用的方式越来越受到关注。在对污泥进行厌氧消化产气的处理中，超声技术与一些化学或物理方法结合使用可以有效提高污泥溶解度、固体有机物去除率和产气量。综合来看，超声技术与其他方法的协同使用比单独超声处理更加经济高效，这种应用方式将在今后的实际应用中发挥重要作用。

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Application of ultrasonic technology in the rational treatment and disposal of waste sludge

LIU Wei1,2, GUO Guang-liang1,2, LU Jia1,2, WANG Xin1,2, SU Xiao-hong1, FAN Chao1

(1.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150090, China;2. Science and Technology Incubator Center, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

Ultrasonic wave can produce mechanical, thermal and cavitation effects when spreading in the sludge, and cause a series of physical and chemical changes in waste sludge. At present, this technology is widely used in sludge treatment and disposal process as a clean, efficient and environmentally friendly way. Such as biological digestion of sludge, sludge dewatering treatment, improving activity of microbe and enzyme, sludge expansion and odor control, pathogen removal, dangerous compounds degradation, chemical purification and recycling. In this paper, the principle, influencing factors and application of ultrasonic technology in sludge treatment are reviewed. It will provide us ideas for achieving the rational treatment and disposal of waste sludge, which is consists of stabilization, reduction, harmless and resource reuse.

Ultrasonic; Waste sludge; Rational treatment and disposal

2017-01-30

项目来源：黑龙江省应用技术研究与开发计划重点项目

刘伟(1979-)，男，副研究员，硕士。

X703

A

1674-8646(2017)10-0002-04