污泥超声处理研究的进展
工业废水与生活污水处理后产生的污泥含水量很高（接近98%）、容易腐烂、有强烈的臭味，并且还含有多种污染物质。该污泥的处理费用很高，按现有的处理工艺技术一般约占污水处理厂总运行费用的15%~30%，占总投资10%~25%，致使一些污水处理厂将污泥直接排放，对生态环境造成严重的威胁。污泥处理处置已成为困扰污水处理厂和全社会的重大问题，其关键是含水量过高，经机械脱水后仍有80%的含水率，后续处理处置十分困难。所以，开发新的预处理工艺，提高污泥脱水率、促进后续生物处理成为解决污泥问题的关键。利用超声波对剩余污泥进行预处理可强化有机部分的生物转化，加快细胞溶解破裂 [1]，用于污泥回流系统时可强化细胞可溶解性，降低剩余污泥的量，用于污泥脱水设备时，有利于污泥脱水污泥减量并且最终减少处理费用。
1 污泥的超声破解及脱水机理
污泥中所含水分形态，尽管不同的文献有不同的分类，但一般都认为有4 种存在形态[2]，即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，应根据其脱水性能，选择合适的方法，才能取得良好的效果。因此，测定污泥的脱水性能，对选择脱水方法具有重要意义。目前污泥脱水最常用的方法是过滤，主要有2种表征过滤脱水性能指标：① 毛细管吸附时间（CapillarySuction Time，CST）。一般来讲，CST 时间愈短，污泥的脱水性能愈好；②污泥比阻抗值。比阻抗值越大的污泥，越难过滤，脱水性能也越差。通常需采取必要的调理方法对其改性，传统的污泥调理多采用絮凝调理法，即利用絮凝反应改变污泥颗粒的大小和结构，减少菌胶团的结合水量，从而有利于后续脱水过程，将超声用于污泥调理则是近年来研究者较多关注的新领域。已有研究表明，适当的超声作用可改变污泥颗粒的表面物化特性、减小污泥结合水量及过滤比阻，从而使得污泥脱水性能得以改善。超声波的频率范围一般为20×103~10×106 Hz，当一定强度的超声波作用于某一液体系统中时，将产生一系列物理和化学反应，并明显改变液体中的溶解态和颗粒态物质的特征。这些反应是由声场条件下大量空化泡的产生和破灭引起的。超声空化是指在很高的声强下，特别是在低频和中频范围内，液体中将产生大量空化泡，它们随声波改变大小并最终在瞬间破灭。气泡破灭时，将产生极短暂的强压力脉冲，并在气泡及其周围微小空间形成局部热点，产生高温（5 000 K），高压（100 MPa）和具有强烈冲击力的微射流。当空化发生时，液体中产生很高剪切力作用于其中的物质上，同时伴随发生的高温、高压并将产生明显的声化学反应。在水溶液中，发生空化时产生的主要影响有：①很高的流体剪切力；② 自由基反应及化学转化；③ 挥发性疏水物质的热分解。为了考察超声波破解污泥是空化作用时气泡破灭产生的水力剪切力的作用，还是自由基反应引起的细胞分解，王芬等[3] 研究了超声破解污泥的结果表明，超声破解污泥主要作用途径是水剪切力的机械作用，这与超声处理难降解生物废水中有机物机理有所不同。
2 污泥脱水的超声处理
污泥的脱水性能很大程度取决于污泥的结构。改变污泥的结构可以大大提高污泥的脱水性能，污泥量也会大幅度减少。菌胶团具有良好的保水性，内部包含水约占总水量的25%，这些菌胶团使污泥水分难以脱除，利用超声波可以破坏菌胶团。声能密度为0.11~0.22 W/mL 的超声波处理可以破坏菌胶团强度结构，使菌胶团内部包含水排出，同时保持较大的污泥颗粒，污泥的沉降性有所提高[4]。而且超声波在水中产生的各种效应受频率影响很大，低频（＜100 kHz）机械效应较好，高频化学效应较强，由于污泥处理主要利用超声波的机械效应，因此低频下效果较好。41、207、360、616、1 068、3 217 kHz 下的超声波处理污泥菌胶团结构的效率随着超声波频率的升高而降低，41 kHz 下处理效率是3 217 kHz下处理效率的9.7倍，因此污泥处理中通常利用不超过40 kHz的超声波。
对于大量污泥的处理，超声技术可作为一种预处理技术与其他方法如厌氧、好氧处理技术联用，然而对于每一种应用，超声能量输入和细胞分解程度及厌氧消化时间都有优化组合。Ying•Chih Chu 等[5]研究了超声与碱解联合破解污泥的效果，实验得出投碱和超声波同时作用比单独的投碱处理效果更高。据有关报道，德国利用超声波进行污泥减量已进入实际应用阶段[6]，而国内在这方面的研究基本上处于初步实验研究阶段，仍需进一步争取进入实用阶段。污水污泥处理中常采用絮凝技术，这是一种处理效率高、既经济又简单的物化处理技术。絮凝剂已成为污泥脱水的首要选择，很多文献表明，添加絮凝剂是对污泥有效的处理方式。化学调理过程本身就是化学反应过程，超声波对均相和非均相反应体系一般都有强化效果，也促进了絮凝剂水解、凝聚和絮凝过程的进行[7]。JanuaryBBien等[8]认为超声波能改变作为絮凝剂的高分子电解质的结构，从而提高脱水性能。表面电势是衡量脱水性能的一个重要参数，在污泥中加入高分子电解质可以改变其表面电势。超声波作用高分子电解质一定时间，可以使电解质分支减少，链节变短，更有利于脱水。另外，超声对污泥进行预处理，还可以缩短厌氧发酵时间[9]，减少絮凝剂的使用量。 Wolny 等[10] 的研究表明，通过超声场的作用对脱除污水污泥中的水含量有明显的作用。超声的作用是改变高分子电解质的内部结构，当超声时间和频率选择合适时，可提高脱水的效率，不过这个时间的选择根据高分子电解质的类型会不同。在超声处理15 s后添加聚合高分子电解质3 mg/g，可以使污泥的体积减少至原来的50%。超声处理5~10 min时活细菌数量大大减少。超声作用几十秒，就可以减少絮凝剂用量的50%，污泥脱水后的体积比无超声处理的减少65%。超声波促进脱水的常见工艺为：城市污泥- 重力沉降-超声波处理-机械脱水。超声波能有效的破坏菌胶团结构，将其中内部包含水释放成为可以比较容易去除的水分。E.Riera-Francode Sarabia等[11]把高能超声运用到分离过程中，以促进流体/ 固体颗粒的分离。他们指出，尽管在液态悬浮体系中，团聚作用不如气体中明显，然而超声能量可以有助于高浓度细小颗粒体系比如料浆和污泥的脱水。他们的研究显示，频率在10 和20 kHz 下，超声可以促进过滤过程固、液的分离。
白晓慧等[12]认为采用超声波处理污水和污泥是可行的。超声对混凝也有一定的促进作用，当超声波通过有微小絮体颗粒的流体介质时，其中的颗粒开始与介质一起振动，但由于大小不同的粒子具有不同的振动速度，颗粒将相互碰撞、粘合，体积和质量均增大。当粒子变大已不能随超声振动时，只能做无规则运动，继续碰撞、粘合、变大，最终沉淀。他们还指出破解污泥需低频、高强度超声波，对每一种应用，对于超声能量输入和细胞分解程度及厌氧消化时间都有必要进行优化组合。韩萍芳等[13]初步研究了超声波处理污泥的影响因素，大功率超声波可以降解生物污泥，释放出其中的有机物，小功率超声波能够改善污泥的膨胀特性，提高污泥沉淀特性和脱水能力，降低污泥的含水率，达到减量的目的。实验结合使用絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）和抽滤手段，20 kHz的超声波在输入功率为44 W的条件下处理剩余污泥90 s就可以使污泥的干基含水率从15.978 降到6.2 g/g。张光明等[14]较全面的介绍了超声波处理污泥的效果，以及目前取得的研究进展。在适当的操作条件下，超声波可以迅速改变污泥结构，释放菌胶团包含水从而促进污泥减量化和稳定化。高强度的处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气产量。
殷绚等[15]研究了污泥的脱水性与其结合水的含量关系，根据Heukelekian 和Weisberg’s 的理论，结合水含量可以通过膨胀计法测得，实验结果表明，较小声强超声波（＜600 W/m2）处理较短时间有利于减少污泥的结合水，但是加大声强以及延长处理时间效果变差，其机理可能是超声波促混凝作用和细胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）对污泥颗粒团聚作用的共同结果。平均声强400 W/m2左右，超声处理2~4 min，可以使污泥的结合水含量（以干基计）由原来的16.7 降到2.0 g/g 以下。同时殷绚等[15]307 研究了超声对污泥脱水性能的影响，在污泥板框压滤实验中，利用超声结合絮凝剂PAM处理污泥的方法，对比了有、无超声对污泥压滤脱水的效果，研究结果表明：超声可以降低污泥含水率，使其从最初含水率近98%减少到81%，污泥的体积减少为最初的1/10。超声声强为410W/m2，超声处理时间2.5 min 为较优处理条件，同时絮凝剂的使用量（以干基计），从0.17%降至0.16%。
3 影响污泥脱水超声处理的因素
3.1 超声场的影响
3.1.1 频率、功率的影响
目前，多数超声破解污泥的试验是在18~25 KHz范围内开展的，经过试验证实应使用频率较低的超声波。超声功率对污泥的处理效果有很大影响。韩萍芳等[13]133 研究了超声功率对污泥脱水效果的影响，由其实验结果可知，大功率超声波可以降解生物污泥，释放其中有机物；小功率超声波能够改善污泥的膨胀特性，提高污泥沉淀特性和脱水能力，达到污泥减量的目的。同时也研究了超声处理时间对污泥脱水效果的影响以及对污泥释放有机物的影响并指出在实际应用时应根据污泥脱水及释放有机物的效果，综合考虑超声处理时间及功率的大小。
3.1.2 声能密度、声强的影响
声能密度是影响破解速度与反应器设计的一个重要参数。目前，研究所涉及的声能密度范围主要集中在0.11~10 W/mL。一般说来，污泥的破解速率随着声能密度的增大而增加，但是也存在着最优值问题。声强也是影响超声破解污泥的一个重要因素。目前研究所涉及的声强范围为0.11~100 W/cm2。一般而言，污泥破解速度随着声强的增大而增大。Lorimer[16]研究认为，在水中产生超声空化的最低声强为0.4 W/cm2，但是，在声强为0.1 W/cm2 时，仍然观察到了污泥破解现象。这可能是因为污泥中存在大量细小颗粒及小气泡可以作为空化气泡核，产生空化效应。
3.1.3 空化气体的影响
目前，超声破解污泥的研究，还未见有报道空化气体影响的。但是，一些学者[17-18]在研究超声降解水体中酚类时发现，O2 对酚类降解有较大的促进作用。另有学者[19]则发现空气与氩气的混合气体对酚类的降解效果较好。
3.2 反应器的设计与换能器的影响
反应器设计的目的是在恒定输出功率条件下，尽可能提高混响强度，增强空化效果。刘红等[20] 得到声强在平面分布是不均匀的，在距超声换能器最近的位置声强最大，随着距离的增大声强逐渐减小，而且由于清洗槽及烧杯内会发生声波的反射，造成部分区域超声波叠加或抵消。为改善反应器声场均匀性，消除驻波影响，通常采用调频方式。声化学反应器的类型为：声变幅杆浸入式声化学反应器和超声清洗槽式声化学反应器，并对这2种反应器的优缺点进行对比[21]。许多研究者在超声处理污泥研究中都采用声变幅杆浸入式声化学反应器，笔者认为，在以后工作中应注重污泥处理量的增加并考虑超声清洗槽式反应器的应用，加强反应器的合理设计及换能器等多种因素对实验结果的影响。
3.3 污泥自身条件及其它因素的影响
3.3.1 污泥浓度、pH 值的影响
目前，超声波破解污泥主要集中在对未经浓缩的污泥进行研究，被破解污泥的浓度范围为3 000~6 000 mg/L（由于试验条件相差较大，无法对其进行比较），而对污泥浓度对超声破解效果的影响研究较少。对于很多反应来说，pH 值都是一重要影响因素。溶液pH 值对污泥的物化性质有较大影响，进而会影响超声破解的效果。目前，仅有关于超声波破解碱性污泥的研究报道[22]。结果表明，调节污泥pH 值至碱性后，有利于污泥的超声波破解。目前，未见有超声波破解酸性污泥的报道。
3.3.2 温度及其他因素的影响
孙光跃等[23] 提到了组成活性污泥的微生物，其最适合的生长温度为15~35益，介绍了进水温度对活性污泥的主要影响。韩萍芳等[13]137研究了超声波对不同季节污泥处理效果。夏季污泥比冬季污泥释放出的有机物多，夏季污泥的脱水效果优于冬季污泥的脱水效果。有毒物质、油类、表面活性剂以及工厂所用原油及其他化工原料的来源，生产工艺条件、废水处理的操作条件，均会影响剩余污泥的性质，所以应进一步研究污泥性质的变化情况及其对超声处理效果的影响。
4 结论
超声化学作为一门前沿学科，特别是在国内，对声化学的研究还不深入，虽然超声已用于污泥脱水工艺，并取得了一些成果，还是有很多开拓性的工作值得我们研究。超声对污泥进行预处理，能够改变污泥的特性，破坏菌胶团结构，促进污泥絮凝脱水，提高污泥脱水性能，结合机械脱水的方式，可减少污泥的体积。污泥处理费用占污水处理场基建运行费用的40%以上，所以超声促进污泥脱水，仅减量化一项就可节约大量资金。超声影响污泥脱水的因素很多也很复杂，在以后实验中应充分考虑。
我认为以后的研究重点应是：① 对不同形状超声发生器处理结果进行对比；② 不同频率相互作用效果的研究；③ 很多研究表明，多种絮凝剂复配使用会比单一种絮凝剂效果要好，建议可以考虑其他絮凝剂联合使用；④ 超声波技术与其他技术联合应用；⑤ 解决超声处理从实验室走向实际应用中存在的超声反应器的材料、设计、功耗、处理效果、经济成本等关键性问题。进一步研究与污水处理工艺的合理组合，这样才能发挥超声波的特点并为其在实际工程的应用打下基础。
5 参考文献略
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