污泥超聲處理研究的進展
工業廢水與生活污水處理后產生的污泥含水量很高（接近98%）、容易腐爛、有強烈的臭味，并且還含有多種污染物質。該污泥的處理費用很高，按現有的處理工藝技術一般約占污水處理廠總運行費用的15%~30%，占總投資10%~25%，致使一些污水處理廠將污泥直接排放，對生態環境造成嚴重的威脅。污泥處理處置已成為困擾污水處理廠和全社會的重大問題，其關鍵是含水量過高，經機械脫水后仍有80%的含水率，后續處理處置十分困難。所以，開發新的預處理工藝，提高污泥脫水率、促進后續生物處理成為解決污泥問題的關鍵。利用超聲波對剩余污泥進行預處理可強化有機部分的生物轉化，加快細胞溶解破裂 [1]，用于污泥回流系統時可強化細胞可溶解性，降低剩余污泥的量，用于污泥脫水設備時，有利于污泥脫水污泥減量并且最終減少處理費用。
1 污泥的超聲破解及脫水機理
污泥中所含水分形態，盡管不同的文獻有不同的分類，但一般都認為有4 種存在形態[2]，即表面吸附水、間隙水、毛細結合水和內部結合水。不同性質的污泥脫水的難易程度差別很大，應根據其脫水性能，選擇合適的方法，才能取得良好的效果。因此，測定污泥的脫水性能，對選擇脫水方法具有重要意義。目前污泥脫水最常用的方法是過濾，主要有2種表征過濾脫水性能指標：① 毛細管吸附時間（CapillarySuction Time，CST）。一般來講，CST 時間愈短，污泥的脫水性能愈好；②污泥比阻抗值。比阻抗值越大的污泥，越難過濾，脫水性能也越差。通常需采取必要的調理方法對其改性，傳統的污泥調理多采用絮凝調理法，即利用絮凝反應改變污泥顆粒的大小和結構，減少菌膠團的結合水量，從而有利于后續脫水過程，將超聲用于污泥調理則是近年來研究者較多關注的新領域。已有研究表明，適當的超聲作用可改變污泥顆粒的表面物化特性、減小污泥結合水量及過濾比阻，從而使得污泥脫水性能得以改善。超聲波的頻率范圍一般為20×103~10×106 Hz，當一定強度的超聲波作用于某一液體系統中時，將產生一系列物理和化學反應，并明顯改變液體中的溶解態和顆粒態物質的特征。這些反應是由聲場條件下大量空化泡的產生和破滅引起的。超聲空化是指在很高的聲強下，特別是在低頻和中頻范圍內，液體中將產生大量空化泡，它們隨聲波改變大小并最終在瞬間破滅。氣泡破滅時，將產生極短暫的強壓力脈沖，并在氣泡及其周圍微小空間形成局部熱點，產生高溫（5 000 K），高壓（100 MPa）和具有強烈沖擊力的微射流。當空化發生時，液體中產生很高剪切力作用于其中的物質上，同時伴隨發生的高溫、高壓并將產生明顯的聲化學反應。在水溶液中，發生空化時產生的主要影響有：①很高的流體剪切力；② 自由基反應及化學轉化；③ 揮發性疏水物質的熱分解。為了考察超聲波破解污泥是空化作用時氣泡破滅產生的水力剪切力的作用，還是自由基反應引起的細胞分解，王芬等[3] 研究了超聲破解污泥的結果表明，超聲破解污泥主要作用途徑是水剪切力的機械作用，這與超聲處理難降解生物廢水中有機物機理有所不同。
2 污泥脫水的超聲處理
污泥的脫水性能很大程度取決于污泥的結構。改變污泥的結構可以大大提高污泥的脫水性能，污泥量也會大幅度減少。菌膠團具有良好的保水性，內部包含水約占總水量的25%，這些菌膠團使污泥水分難以脫除，利用超聲波可以破壞菌膠團。聲能密度為0.11~0.22 W/mL 的超聲波處理可以破壞菌膠團強度結構，使菌膠團內部包含水排出，同時保持較大的污泥顆粒，污泥的沉降性有所提高[4]。而且超聲波在水中產生的各種效應受頻率影響很大，低頻（＜100 kHz）機械效應較好，高頻化學效應較強，由于污泥處理主要利用超聲波的機械效應，因此低頻下效果較好。41、207、360、616、1 068、3 217 kHz 下的超聲波處理污泥菌膠團結構的效率隨著超聲波頻率的升高而降低，41 kHz 下處理效率是3 217 kHz下處理效率的9.7倍，因此污泥處理中通常利用不超過40 kHz的超聲波。
對于大量污泥的處理，超聲技術可作為一種預處理技術與其他方法如厭氧、好氧處理技術聯用，然而對于每一種應用，超聲能量輸入和細胞分解程度及厭氧消化時間都有優化組合。Ying•Chih Chu 等[5]研究了超聲與堿解聯合破解污泥的效果，實驗得出投堿和超聲波同時作用比單獨的投堿處理效果更高。據有關報道，德國利用超聲波進行污泥減量已進入實際應用階段[6]，而國內在這方面的研究基本上處于初步實驗研究階段，仍需進一步爭取進入實用階段。污水污泥處理中常采用絮凝技術，這是一種處理效率高、既經濟又簡單的物化處理技術。絮凝劑已成為污泥脫水的首要選擇，很多文獻表明，添加絮凝劑是對污泥有效的處理方式。化學調理過程本身就是化學反應過程，超聲波對均相和非均相反應體系一般都有強化效果，也促進了絮凝劑水解、凝聚和絮凝過程的進行[7]。JanuaryBBien等[8]認為超聲波能改變作為絮凝劑的高分子電解質的結構，從而提高脫水性能。表面電勢是衡量脫水性能的一個重要參數，在污泥中加入高分子電解質可以改變其表面電勢。超聲波作用高分子電解質一定時間，可以使電解質分支減少，鏈節變短，更有利于脫水。另外，超聲對污泥進行預處理，還可以縮短厭氧發酵時間[9]，減少絮凝劑的使用量。 Wolny 等[10] 的研究表明，通過超聲場的作用對脫除污水污泥中的水含量有明顯的作用。超聲的作用是改變高分子電解質的內部結構，當超聲時間和頻率選擇合適時，可提高脫水的效率，不過這個時間的選擇根據高分子電解質的類型會不同。在超聲處理15 s后添加聚合高分子電解質3 mg/g，可以使污泥的體積減少至原來的50%。超聲處理5~10 min時活細菌數量大大減少。超聲作用幾十秒，就可以減少絮凝劑用量的50%，污泥脫水后的體積比無超聲處理的減少65%。超聲波促進脫水的常見工藝為：城市污泥- 重力沉降-超聲波處理-機械脫水。超聲波能有效的破壞菌膠團結構，將其中內部包含水釋放成為可以比較容易去除的水分。E.Riera-Francode Sarabia等[11]把高能超聲運用到分離過程中，以促進流體/ 固體顆粒的分離。他們指出，盡管在液態懸浮體系中，團聚作用不如氣體中明顯，然而超聲能量可以有助于高濃度細小顆粒體系比如料漿和污泥的脫水。他們的研究顯示，頻率在10 和20 kHz 下，超聲可以促進過濾過程固、液的分離。
白曉慧等[12]認為采用超聲波處理污水和污泥是可行的。超聲對混凝也有一定的促進作用，當超聲波通過有微小絮體顆粒的流體介質時，其中的顆粒開始與介質一起振動，但由于大小不同的粒子具有不同的振動速度，顆粒將相互碰撞、粘合，體積和質量均增大。當粒子變大已不能隨超聲振動時，只能做無規則運動，繼續碰撞、粘合、變大，最終沉淀。他們還指出破解污泥需低頻、高強度超聲波，對每一種應用，對于超聲能量輸入和細胞分解程度及厭氧消化時間都有必要進行優化組合。韓萍芳等[13]初步研究了超聲波處理污泥的影響因素，大功率超聲波可以降解生物污泥，釋放出其中的有機物，小功率超聲波能夠改善污泥的膨脹特性，提高污泥沉淀特性和脫水能力，降低污泥的含水率，達到減量的目的。實驗結合使用絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）和抽濾手段，20 kHz的超聲波在輸入功率為44 W的條件下處理剩余污泥90 s就可以使污泥的干基含水率從15.978 降到6.2 g/g。張光明等[14]較全面的介紹了超聲波處理污泥的效果，以及目前取得的研究進展。在適當的操作條件下，超聲波可以迅速改變污泥結構，釋放菌膠團包含水從而促進污泥減量化和穩定化。高強度的處理也可以加快污泥水解、提高污泥可生化性以及污泥中的沼氣產量。
殷絢等[15]研究了污泥的脫水性與其結合水的含量關系，根據Heukelekian 和Weisberg’s 的理論，結合水含量可以通過膨脹計法測得，實驗結果表明，較小聲強超聲波（＜600 W/m2）處理較短時間有利于減少污泥的結合水，但是加大聲強以及延長處理時間效果變差，其機理可能是超聲波促混凝作用和細胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）對污泥顆粒團聚作用的共同結果。平均聲強400 W/m2左右，超聲處理2~4 min，可以使污泥的結合水含量（以干基計）由原來的16.7 降到2.0 g/g 以下。同時殷絢等[15]307 研究了超聲對污泥脫水性能的影響，在污泥板框壓濾實驗中，利用超聲結合絮凝劑PAM處理污泥的方法，對比了有、無超聲對污泥壓濾脫水的效果，研究結果表明：超聲可以降低污泥含水率，使其從最初含水率近98%減少到81%，污泥的體積減少為最初的1/10。超聲聲強為410W/m2，超聲處理時間2.5 min 為較優處理條件，同時絮凝劑的使用量（以干基計），從0.17%降至0.16%。
3 影響污泥脫水超聲處理的因素
3.1 超聲場的影響
3.1.1 頻率、功率的影響
目前，多數超聲破解污泥的試驗是在18~25 KHz范圍內開展的，經過試驗證實應使用頻率較低的超聲波。超聲功率對污泥的處理效果有很大影響。韓萍芳等[13]133 研究了超聲功率對污泥脫水效果的影響，由其實驗結果可知，大功率超聲波可以降解生物污泥，釋放其中有機物；小功率超聲波能夠改善污泥的膨脹特性，提高污泥沉淀特性和脫水能力，達到污泥減量的目的。同時也研究了超聲處理時間對污泥脫水效果的影響以及對污泥釋放有機物的影響并指出在實際應用時應根據污泥脫水及釋放有機物的效果，綜合考慮超聲處理時間及功率的大小。
3.1.2 聲能密度、聲強的影響
聲能密度是影響破解速度與反應器設計的一個重要參數。目前，研究所涉及的聲能密度范圍主要集中在0.11~10 W/mL。一般說來，污泥的破解速率隨著聲能密度的增大而增加，但是也存在著最優值問題。聲強也是影響超聲破解污泥的一個重要因素。目前研究所涉及的聲強范圍為0.11~100 W/cm2。一般而言，污泥破解速度隨著聲強的增大而增大。Lorimer[16]研究認為，在水中產生超聲空化的最低聲強為0.4 W/cm2，但是，在聲強為0.1 W/cm2 時，仍然觀察到了污泥破解現象。這可能是因為污泥中存在大量細小顆粒及小氣泡可以作為空化氣泡核，產生空化效應。
3.1.3 空化氣體的影響
目前，超聲破解污泥的研究，還未見有報道空化氣體影響的。但是，一些學者[17-18]在研究超聲降解水體中酚類時發現，O2 對酚類降解有較大的促進作用。另有學者[19]則發現空氣與氬氣的混合氣體對酚類的降解效果較好。
3.2 反應器的設計與換能器的影響
反應器設計的目的是在恒定輸出功率條件下，盡可能提高混響強度，增強空化效果。劉紅等[20] 得到聲強在平面分布是不均勻的，在距超聲換能器最近的位置聲強最大，隨著距離的增大聲強逐漸減小，而且由于清洗槽及燒杯內會發生聲波的反射，造成部分區域超聲波疊加或抵消。為改善反應器聲場均勻性，消除駐波影響，通常采用調頻方式。聲化學反應器的類型為：聲變幅桿浸入式聲化學反應器和超聲清洗槽式聲化學反應器，并對這2種反應器的優缺點進行對比[21]。許多研究者在超聲處理污泥研究中都采用聲變幅桿浸入式聲化學反應器，筆者認為，在以后工作中應注重污泥處理量的增加并考慮超聲清洗槽式反應器的應用，加強反應器的合理設計及換能器等多種因素對實驗結果的影響。
3.3 污泥自身條件及其它因素的影響
3.3.1 污泥濃度、pH 值的影響
目前，超聲波破解污泥主要集中在對未經濃縮的污泥進行研究，被破解污泥的濃度范圍為3 000~6 000 mg/L（由于試驗條件相差較大，無法對其進行比較），而對污泥濃度對超聲破解效果的影響研究較少。對于很多反應來說，pH 值都是一重要影響因素。溶液pH 值對污泥的物化性質有較大影響，進而會影響超聲破解的效果。目前，僅有關于超聲波破解堿性污泥的研究報道[22]。結果表明，調節污泥pH 值至堿性后，有利于污泥的超聲波破解。目前，未見有超聲波破解酸性污泥的報道。
3.3.2 溫度及其他因素的影響
孫光躍等[23] 提到了組成活性污泥的微生物，其最適合的生長溫度為15~35益，介紹了進水溫度對活性污泥的主要影響。韓萍芳等[13]137研究了超聲波對不同季節污泥處理效果。夏季污泥比冬季污泥釋放出的有機物多，夏季污泥的脫水效果優于冬季污泥的脫水效果。有毒物質、油類、表面活性劑以及工廠所用原油及其他化工原料的來源，生產工藝條件、廢水處理的操作條件，均會影響剩余污泥的性質，所以應進一步研究污泥性質的變化情況及其對超聲處理效果的影響。
4 結論
超聲化學作為一門前沿學科，特別是在國內，對聲化學的研究還不深入，雖然超聲已用于污泥脫水工藝，并取得了一些成果，還是有很多開拓性的工作值得我們研究。超聲對污泥進行預處理，能夠改變污泥的特性，破壞菌膠團結構，促進污泥絮凝脫水，提高污泥脫水性能，結合機械脫水的方式，可減少污泥的體積。污泥處理費用占污水處理場基建運行費用的40%以上，所以超聲促進污泥脫水，僅減量化一項就可節約大量資金。超聲影響污泥脫水的因素很多也很復雜，在以后實驗中應充分考慮。
我認為以后的研究重點應是：① 對不同形狀超聲發生器處理結果進行對比；② 不同頻率相互作用效果的研究；③ 很多研究表明，多種絮凝劑復配使用會比單一種絮凝劑效果要好，建議可以考慮其他絮凝劑聯合使用；④ 超聲波技術與其他技術聯合應用；⑤ 解決超聲處理從實驗室走向實際應用中存在的超聲反應器的材料、設計、功耗、處理效果、經濟成本等關鍵性問題。進一步研究與污水處理工藝的合理組合，這樣才能發揮超聲波的特點并為其在實際工程的應用打下基礎。
5 參考文獻略
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