超聲預(yù)處理強(qiáng)化污泥厭氧消化研究進(jìn)展

郭廣亮，陸 佳，王 欣，劉 偉，蘇小紅，范 超

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

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超聲預(yù)處理強(qiáng)化污泥厭氧消化研究進(jìn)展

郭廣亮1，2，陸 佳1，2，王 欣1，2，劉 偉1，2，蘇小紅1，范 超1

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090)

活性污泥法處理污水產(chǎn)生大量的污泥，尋求合理的污泥處理處置方式已經(jīng)迫在眉睫。厭氧消化是集無害化、穩(wěn)定化、資源化和減量化為一體的污泥處理處置過程。超聲預(yù)處理可以提高細(xì)胞破解率，加速有機(jī)質(zhì)釋放，加快污泥的水解速率，增加后續(xù)產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣質(zhì)量，提高固體去除效率，提升整個厭氧消化效率。綜述了當(dāng)前研究和應(yīng)用較多的超聲波預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展，從超聲預(yù)處理的原理出發(fā)，分析了超聲預(yù)處理強(qiáng)化厭氧消化的影響因素，同時，對超聲聯(lián)合其他預(yù)處理方式的處理效果進(jìn)行深入分析，并對超聲預(yù)處理相關(guān)技術(shù)存在的不足和應(yīng)用前景進(jìn)行討論與展望。

超聲預(yù)處理；污泥；強(qiáng)化；厭氧消化；聯(lián)合預(yù)處理

據(jù)污泥行業(yè)市場調(diào)查報(bào)告的數(shù)據(jù)顯示，截至2015年年底，全國城鎮(zhèn)累計(jì)建成污水處理廠3 850余座，日污水處理能力已達(dá)到1.62億m3，其中超過90%的污水處理廠采用活性污泥法作為其核心處理工藝，此工藝伴生的年污泥產(chǎn)量(含水率80%計(jì))已突破3 000萬t[1]。污泥處理成本約占整個污水處理工藝的30%～40%[2]，已成為制約該技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，合理的處理處置方式備受業(yè)界關(guān)注。

厭氧消化過程因其所需能量較低，在回收污泥生物質(zhì)能同時可殺滅病原微生物，在一定程度上可以改善污泥脫水性能，是集無害化、穩(wěn)定化、資源化和減量化為一體的污泥處理處置過程，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益，已成為國際上應(yīng)用最廣泛的污泥處理處置方法，其中預(yù)處理技術(shù)作為改善污泥水解這一限速過程的措施，更是人們研究的熱點(diǎn)[3]。

超聲波技術(shù)被應(yīng)用于污泥的預(yù)處理階段，促進(jìn)污泥的厭氧消化過程，發(fā)揮著一定優(yōu)勢作用。首先，超聲后污泥的絮體粒徑可削減50%，破解效果明顯，增溶作用顯著，解決了厭氧消化的水解限速影響[4]；其次，大大提高了厭氧消化效率和污泥的生物降解性，對后續(xù)厭氧消化的沼氣產(chǎn)量和質(zhì)量提升明顯，揮發(fā)性固體(VS)去除效果增強(qiáng)，縮短了固體停留時間，縮小了構(gòu)筑物體積，在一定程度上節(jié)約了建筑成本；同時，超聲預(yù)處理還具有成本經(jīng)濟(jì)、高效節(jié)能、自動化程度高、無二次污染、工程應(yīng)用靈活和可適用性強(qiáng)等優(yōu)勢。因此，得到國內(nèi)外專家學(xué)者的高度認(rèn)可，實(shí)驗(yàn)室階段和工程化規(guī)模應(yīng)用研究廣泛[5-9]。

1 超聲預(yù)處理污泥原理

超聲波是指頻率從20～100 MHz的聲波。超聲波在污泥液體中作用時，會形成大量的微氣泡，隨著作用強(qiáng)度的增大和時間的延長，微氣泡逐漸長大直至最終瞬時破裂形成水力剪切力，伴有局部的高溫高壓(5 000 ℃，500 bar)，進(jìn)而破解污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使得胞內(nèi)溶解性有機(jī)質(zhì)大量溶出，為后續(xù)污泥厭氧消化提供充足的底物供應(yīng)，從而提高剩余污泥的生物可利用性，解決水解限速厭氧消化過程這一瓶頸，這種作用被稱為空化效應(yīng)[10，11]。與此同時，超聲過程中還會產(chǎn)生一定熱效應(yīng)和自由基效應(yīng)，但是經(jīng)過大量研究考證，這兩種作用對污泥破解的貢獻(xiàn)較小，主要還是空化效應(yīng)的結(jié)果[12，13]。

超聲預(yù)處理過程各參數(shù)的合理匹配和條件優(yōu)化對厭氧消化效果影響較大，主要影響因素包括：超聲時間、聲能密度、超聲強(qiáng)度、超聲頻率、比能耗輸入、超聲波發(fā)生器類型、有機(jī)負(fù)荷、污泥停留時間和預(yù)處理部分所占比例等。

超聲時間、聲能密度和超聲強(qiáng)度是超聲預(yù)處理的三個關(guān)鍵參數(shù)，直接影響污泥的破解程度和消化效率。溶解性有機(jī)物的溶出為厭氧消化供應(yīng)必需底物。王芬等[14]以超聲處理剩余污泥前后的SCOD溶出率為主要指標(biāo)評價了超聲時間、聲能密度和超聲強(qiáng)度三因素對污泥破解的作用效果，結(jié)果表明，SCOD溶出率隨著三者的增強(qiáng)而增大，且影響程度為超聲作用時間>聲能密度>超聲強(qiáng)度；當(dāng)聲能密度與超聲強(qiáng)度固定時，SCOD溶出率在一定時間范圍內(nèi)，隨時間延續(xù)線性升高；在聲能密度為0.384 W/mL及1.44 W/mL條件下超聲輻射30 min，SCOD溶出率分別為30%和68.36%。丁文川等[15]研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度超聲(20～40 kHz)作用下，總氮(TN)和總磷(TP)隨超聲時間與聲能密度(0.03～0.10 W/mL)的增大而增大。

超聲頻率的選擇直接影響破解效果和能耗，Tiehm等[16]研究了頻率范圍41～3 217 kHz的超聲波對污泥破解的影響。結(jié)果表明，在41 kHz時，污泥的破解度較高，整體效果也是低頻破解比高頻破解更好；薛玉偉等[17]在破解頻率為28 kHz條件下獲得最強(qiáng)聲強(qiáng)效果；Gonze E[18]和Wang F等[13]在實(shí)驗(yàn)室超聲頻率為20 kHz輻照下得到微生物細(xì)胞破壁最優(yōu)效果。

Bougrier等[19]研究了比能耗輸入對污泥的破解和后續(xù)厭氧消化影響，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在比能耗輸入分別為1 355、2 707、6 951和14 547 kJ/kg TS時，固體含量為2%的污泥，以超聲頻率20 kHz，超聲功率225 W輻照處理后，經(jīng)過16 d厭氧消化，沼氣產(chǎn)量分別增大1.48、1.75、1.88和1.84倍。Donoso-Bravo 等[20]研究也表明，以比能耗輸入低于2 754 kJ/kg TS輻照作用，污泥的破解沒有明顯增大，后續(xù)的厭氧消化產(chǎn)氣量也提升不明顯，但在12 400 kJ/kg TS條件下，沼氣產(chǎn)量增加了40%。Salsabil 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在比能耗輸入為200 000 kJ/kg TS時，總懸浮固體(TSS)與未經(jīng)超聲處理污泥相比提升20%。Bougrier等[22]和Dewil等[23]在實(shí)驗(yàn)室和中試階段的研究表明，低頻(20～40 kHz)和限定的比能耗輸入(1 000～3 000 kJ/kg TS相當(dāng)于大約 20～60 kJ/L)對沼氣產(chǎn)量的提升有一定促進(jìn)。

楊潔等[24]研究了超聲波發(fā)生器的類型對污泥破解的效果影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同比能耗輸入下，多頻槽式超聲波發(fā)生器破解效果是單頻探頭式的3.5倍。蔣建國等[25]研究也證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)，雙頻超聲波處理后污泥的SCOD溶出量大，比單頻超聲波高出23.5%。但是，在最終的沼氣產(chǎn)量核算上，剩余污泥經(jīng)單頻超聲處理后的卻高出多頻槽式超聲波的40.93%，原因可能是過強(qiáng)的超聲強(qiáng)度抑制了微生物活性。

許多學(xué)者研究了污泥負(fù)荷(F/M)和有機(jī)負(fù)荷率(OLR)對超聲破解污泥后續(xù)厭氧消化沼氣產(chǎn)量和固體除去率的影響，Braguglia等[26]研究表明，提高底物與接種物的比率到0.5，沼氣產(chǎn)量提升了25%，研究也分析了OLR和污泥破解度對后續(xù)厭氧消化的影響，發(fā)現(xiàn)在中低的OLR((0.7～1.4 gVS/L d)和污泥破解度為4%條件下，經(jīng)過比能耗輸入為5 000 kJ/kg TS超聲預(yù)處理后，固體除去率提升20%，SCOD去除率達(dá)到90%，沼氣產(chǎn)量增加了30%。Koksoy等[27]將超聲處理后的污泥以較高的F/M(10)在序批式厭氧消化器中發(fā)酵后，與對照相比，甲烷含量有32%的提升，同時固體去除率提高了44%，這可能是超聲處理后的污泥有大量可溶性有機(jī)質(zhì)溶出所致。

Neis等[28]研究了超聲預(yù)處理后，固體停留時間(SRT)對污泥固體去除率(VS)和沼氣產(chǎn)量的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲預(yù)處理的污泥SRT縮短4 d，同時，VS去除率卻提升了30%。Apul等[29]報(bào)道0.51 W/mL超聲處理污泥15 min，有機(jī)負(fù)荷(OLR)0.5 kg VS/m3d，SRT為15 d，沼氣產(chǎn)量提升49%，VS去除率提升24.6%。

Perez-Elvira等[30]研究了預(yù)處理部分投配率對厭氧消化產(chǎn)氣量和COD去除率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全部超聲預(yù)處理污泥產(chǎn)氣量比部分超聲預(yù)處理后提升41%。然而，Kim等[31]的研究卻得到不同的結(jié)果，在投配率為16%和30%時得到最大的沼氣產(chǎn)量，分析原因可能是因?yàn)檫^量的超聲輻照使揮發(fā)性固體轉(zhuǎn)化為惰性或抑制性物質(zhì)，阻礙了產(chǎn)甲烷菌的活性，進(jìn)而影響沼氣產(chǎn)量。

總地來說，在序批式、連續(xù)式和半連續(xù)式的系統(tǒng)中，沼氣產(chǎn)量的提升從 24%～84%，VS去除率從21%～57%，比甲烷產(chǎn)率從32%～104%。而且高的F/M(10)和高的投配率(全部超聲輻照)對污泥的生物降解、固體去除效率和沼氣產(chǎn)量有積極促進(jìn)作用[19-23，26-31]。

2 超聲聯(lián)合其他方式的混合處理

混合處理是指熱預(yù)處理、機(jī)械預(yù)處理和化學(xué)預(yù)處理三種方式的任意組合，組合后的工藝協(xié)同作用突出，效率提升明顯，單位能耗降低，資源環(huán)境友好，應(yīng)用前景廣泛，越來越被行業(yè)所接受。

2.1 超聲聯(lián)合堿預(yù)處理

堿處理具有速度快，效率高等優(yōu)勢，但是藥劑投加量大，運(yùn)行費(fèi)用高，易腐蝕儀器構(gòu)筑物，增加了后續(xù)的處理負(fù)擔(dān)[32-34]。超聲聯(lián)合堿預(yù)處理工藝過程中，堿的化學(xué)作用弱化了污泥絮體結(jié)構(gòu)和微生物的細(xì)胞壁強(qiáng)度，使得污泥對超聲波作用更加敏感，增強(qiáng)了超聲的效果，堿處理后再應(yīng)用超聲既降低了超聲系統(tǒng)的能耗需求又得到很好的污泥破解度，增溶效果明顯，后續(xù)厭氧消化效率顯著提高[33-35]。

Chiu等[36]研究了超聲與堿混合預(yù)處理對污泥的溶解性和后續(xù)有機(jī)質(zhì)(TCOD)通過厭氧生物轉(zhuǎn)化成為揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs)的效率。研究表明，在堿解條件(40 meq NaOH/L，24 h)聯(lián)合超聲條件(20 kHz，120 W，24 s/mL)破解下，COD最高的溶解度達(dá)到89%；同時約84% 的TCOD轉(zhuǎn)化為VFA，是未經(jīng)處理的對照組、單獨(dú)應(yīng)用堿處理或超聲處理的8.5、3和5倍左右。楊潔等[24]對超聲與堿聯(lián)合預(yù)處理剩余污泥VSS去除率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，VSS去除率達(dá)到54.45%，而單獨(dú)應(yīng)用超聲或堿解的效果僅為15.98%和22.12%。Liu等[37]也同樣發(fā)現(xiàn)，堿聯(lián)合超聲(28 kHz，60 min，pH 12)顯著提升了一些重要參數(shù)的溶解性，其中TS、VS和天然蛋白分別提升38.5%、61.6%和67.5%，而且從VS到VFA的轉(zhuǎn)化率也由0.137 g/g增加到0.224 g/g，提升了64%。

2.2 超聲聯(lián)合臭氧預(yù)處理

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，能與污泥中的細(xì)菌反應(yīng)，破壞細(xì)胞壁，釋放出細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)并繼續(xù)將大分子有機(jī)物降解為小分子，提高后續(xù)系統(tǒng)的生物降解性，但處理成本高、費(fèi)用大，極大制約其工程應(yīng)用。臭氧與超聲的聯(lián)合預(yù)處理在許多方面顯現(xiàn)出優(yōu)勢。超聲通過增加容積傳質(zhì)效率提高了臭氧在液體中的轉(zhuǎn)移和溶解，利于分解臭氧生成多個OH·與底物反應(yīng)[38]，與此同時，臭氧微氣泡作為空化核心產(chǎn)生更多的聲空化效應(yīng)，又提高了超聲預(yù)處理的效率[39]。Xu等[40]也研究了聯(lián)合方式對污泥溶解性和后續(xù)厭氧消化的效果影響，結(jié)果表明，隨著超聲聲能密度和臭氧投加計(jì)量的增加，污泥的增溶效果明顯，在臭氧劑量為0.6 g/h的條件下對TS=1.9%的剩余污泥以聲能密度為1.5 W/L超聲輻照1 h，得到最大的COD溶出為20.8%；在臭氧劑量為1 g/h的條件下對TS=1.9%的剩余污泥以聲能密度為0.26 W/L超聲輻照1 h，得到最大的COD溶出為22.5%；并在臭氧劑量為0.6 g/h的條件下對TS=1%的剩余污泥以聲能密度為0.26 W/L超聲輻照1 h，得到最大的COD溶出為32.26%。

2.3 超聲聯(lián)合熱水解預(yù)處理

熱水解處理是近年來在實(shí)驗(yàn)室階段研究成果顯著，又被迅速發(fā)展應(yīng)用于工程實(shí)踐的一種高效的剩余污泥預(yù)處理技術(shù)。熱水解處理破壞污泥膠體結(jié)構(gòu)，釋放出大量有機(jī)物，加速污泥絮體內(nèi)部和細(xì)胞內(nèi)部的間隙水的釋放，促進(jìn)污泥減量并提高后續(xù)污泥的厭氧消化效率[41，42]。Dhar等[43]做了超聲與熱解聯(lián)合預(yù)處理對污泥溶解性和后續(xù)厭氧發(fā)酵效果的影響研究，研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過90 ℃熱解 30 min后，以比能耗輸入為10 000 kJ/kg TSS條件超聲輻照剩余污泥，得到最高的VSS溶解度(38%)和最大的甲烷增量(30%)，與單獨(dú)應(yīng)用熱解或超聲處理效果相比提升明顯。

混合預(yù)處理方法與單獨(dú)的預(yù)處理方法相比，減少了能源消耗、化學(xué)品的使用和反應(yīng)時間，由于協(xié)同效應(yīng)，混合工藝的應(yīng)用可以為污泥的處理提供更高效和經(jīng)濟(jì)的解決方案。此外，混合預(yù)處理方法的實(shí)證研究為政策制定者和環(huán)保機(jī)構(gòu)提供污泥處理處置的最合理、堅(jiān)實(shí)和可持續(xù)的理論基礎(chǔ)。

3 討論與展望

超聲預(yù)處理破解污泥效果明顯，促進(jìn)有機(jī)物溶解、加速水解效率、提高微生物活性和生物利用率，從而進(jìn)一步縮短消化進(jìn)程時間，節(jié)約構(gòu)筑物的成本，在提高產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣質(zhì)量的同時，固體去除率提升明顯，降低后續(xù)污泥處置成本。

國內(nèi)至今暫無實(shí)際工程應(yīng)用報(bào)道，實(shí)驗(yàn)室階段研究也是剛剛起步，真正針對我國污泥含沙量大、有機(jī)質(zhì)含量偏低等實(shí)際泥質(zhì)特點(diǎn)而進(jìn)行的研究開發(fā)不夠系統(tǒng)和全面，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)還有待優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)效益評估有待完善。價格低廉、空間節(jié)省、運(yùn)行維護(hù)簡便、性能穩(wěn)定和節(jié)能高效的設(shè)備研發(fā)也是國內(nèi)外該領(lǐng)域今后的研究重心。

另外，超聲聯(lián)合其他預(yù)處理方式較單獨(dú)使用超聲預(yù)處理優(yōu)勢顯著。將不同的預(yù)處理方法進(jìn)行優(yōu)化組合，揚(yáng)長避短，確定最佳組合工藝條件，以達(dá)到最佳的厭氧消化效率。聯(lián)合預(yù)處理方式雖然在前期投入階段增加了污泥處理的成本，但這完全可以被污泥減量和高的沼氣產(chǎn)量所補(bǔ)償，再考慮到后續(xù)脫水、干化、焚燒運(yùn)輸和土地填埋的費(fèi)用的減少，消化速率的提高，固體停留時間的縮短、消化罐的體積的減小及基建成本的降低，聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)一定是未來發(fā)展的趨勢所向。

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Study of ultrasonic sludge pretreatment and its enhancement for anaerobic sludge digestion

GUO Guang-liang1,2, LU Jia1,2, WANG Xin1,2, LIU Wei1,2, 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)

The treatment and disposal of excess sludge is becoming arising challenge for municipal wastewater treatment plants due to huge amounts of sludge production resulted from wide application of activated sludge treatment. Anaerobic digestion process incorporates a harmless, stabilization, recycling and reduction of sludge treatment and disposal. Ultrasonic pretreatment can increase the rate of cell crack, accelerate the release of organic matter and the rate of hydrolysis of sludge, thereby increasing gas production and subsequent gas production quality, increasing the solids removal efficiency and enhancing the overall efficiency of anaerobic digestion. This paper reviews the research progress of ultrasonic pretreatment technology which is widely researched and applied. In this study, the state of ultrasonic sludge pretreatment was thoroughly reviewed, including the principle and factors of ultrasonic pretreatment processes of sludge. Meanwhile, ultrasound coupled with other pretreatment processes effect was detailed analyzed, the prospects and shortages of ultrasonic sludge pretreatment and its enhancement on anaerobic sludge digestion were also discussed and forecasted.

Ultrasonic pretreatment; Sludge; Enhancement; Anaerobic digestion; Coupling pretreatment

2017-01-30

項(xiàng)目來源：省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目

郭廣亮(1985-)，男，助理研究員，碩士。

X703

A

1674-8646(2017)08-0014-04