這個(gè)污泥減量技術(shù)究竟“先進(jìn)”在哪里？
1996年，德國(guó)率先提出廢物減量化、資源化和無(wú)害化的優(yōu)先順序。至此之后，研究和開(kāi)發(fā)新的污泥減量方法逐漸成為世界各國(guó)面臨的共同任務(wù)與重大挑戰(zhàn)。
一般來(lái)說(shuō)，污泥減量化可分為后續(xù)減量化和過(guò)程減量化——
◎ 污泥后續(xù)減量化主要是在污泥產(chǎn)生后通過(guò)一定的物理、化學(xué)、生物或聯(lián)合工藝等手段，減少已產(chǎn)生的污泥量；
◎ 而污泥過(guò)程減量化是指在污水處理過(guò)程中，通過(guò)改變工藝的運(yùn)行過(guò)程，或者采用一定的技術(shù)手段，在保證不影響污水出水水質(zhì)的前提下，使剩余污泥的產(chǎn)量達(dá)到最小化，從根本上減少污泥產(chǎn)率。
因此，污泥的過(guò)程減量化技術(shù)可以從源頭上削減污泥，有效避免后續(xù)污泥處理負(fù)荷，是一種更為理想的污泥減量技術(shù)。
01
污泥減量技術(shù)新趨勢(shì)？
這些國(guó)家都看好「超聲波技術(shù)」
目前污泥過(guò)程減量化技術(shù)可分為三類：
一是增強(qiáng)微生物內(nèi)源呼吸代謝的溶胞技術(shù)；二是降低細(xì)菌合成量的解偶聯(lián)技術(shù)；三是利用食物鏈作用強(qiáng)化微型動(dòng)物對(duì)細(xì)菌的生物捕食技術(shù)。
超聲波作為一種“綠色、高效”的溶胞技術(shù)已在德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、瑞典和澳大利亞等多個(gè)國(guó)家的污水處理廠運(yùn)行，分解污泥的效率和生物氣體的產(chǎn)生至少提高了20%。
◎ 英國(guó)Wesses污水廠就安裝了由德國(guó)Sonix公司研發(fā)生產(chǎn)的大型超聲波污泥處理裝置。
據(jù)了解，該系統(tǒng)用來(lái)處理市政與工業(yè)廢水混合污泥，并且處理效果非常好。未經(jīng)超聲預(yù)處理的污泥TS與VS減少量分別為40%和50%，經(jīng)過(guò)超聲波作用后，減少量可達(dá)60%和70%。
◎ 目前，德國(guó)已全面使用超聲波技術(shù)處理廢水污泥，其中應(yīng)用最成功的當(dāng)屬德國(guó)的巴姆堡市污水廠。
下圖為巴姆堡市污水廠中污泥經(jīng)超聲處理之后污泥的實(shí)際效果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：
同未經(jīng)超聲處理的污泥相比，經(jīng)30s超聲處理后的污泥較分散，顏色較淺，90s超聲處理后的污泥分散性更好，水分更少，污泥的脫水效果較好。
德國(guó)巴姆堡市污水廠原設(shè)計(jì)能力為30000m3/d，包括近一半的工業(yè)廢水。由于管道擴(kuò)充和改造等原因，處理水量已達(dá)40000m3/d，每天的污泥量迅速增加，直接導(dǎo)致原先的3個(gè)污泥罐融容積不夠（發(fā)酵時(shí)間25天）。
對(duì)此，有相關(guān)機(jī)構(gòu)建議新建造一個(gè)容積為3000立方米的污泥罐，以保證無(wú)你的停留時(shí)間。但考慮到建造污泥罐的成本需要330萬(wàn)歐元（不包含安裝費(fèi)用），最終廠方?jīng)Q定購(gòu)買三臺(tái)超聲波污泥反應(yīng)器對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理。
一期兩臺(tái)運(yùn)行三個(gè)月后，沼氣產(chǎn)量增加30% ，污泥停留時(shí)間由25天降到18天，處理效果良好，從而滿足了在不建造新污泥罐的情況下保證消化深度的要求。
德國(guó)巴姆堡市污水廠污泥超聲波處理流程
需要特別說(shuō)明的是，我國(guó)自主研發(fā)超聲波污泥減量技術(shù)的首個(gè)工程應(yīng)用案例誕生于2019年，2022年進(jìn)入市場(chǎng)化應(yīng)用。
02
超聲波技術(shù)“魅力”何在？
減泥、滅菌、回收重金屬......
下面小編將詳細(xì)地為大家介紹超聲波技術(shù)的原理、優(yōu)勢(shì)以及影響因素�？赐赀@些，或許你也就能明白為什么這一污泥減量技術(shù)能在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注。
1、超聲波破解污泥的作用機(jī)理
超聲波是指頻率在20kHz到10MkHz 范圍內(nèi)的聲波。超聲波作用時(shí)，存在于液體中的微小氣泡（以下簡(jiǎn)稱空化泡）會(huì)發(fā)生一系列振蕩、擴(kuò)大、收縮乃至崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。
當(dāng)超聲強(qiáng)度較低時(shí)，空化泡保持穩(wěn)定的徑向振蕩（穩(wěn)態(tài)空化）；而當(dāng)超聲超過(guò)一定強(qiáng)度時(shí)，空化泡繼續(xù)增長(zhǎng)并隨之被壓縮至崩潰（瞬態(tài)空化），崩潰的瞬間可產(chǎn)生高溫高壓并引發(fā)液體紊流和強(qiáng)烈的剪切力。
因此，超聲波可在瞬態(tài)空化作用下對(duì)污泥進(jìn)行破解，通過(guò)將破解后的污泥回流至生物反應(yīng)器，作為底物供其他微生物重復(fù)代謝，可使得污泥總體產(chǎn)量下降。
圖片
超聲波過(guò)程減量化工藝示意圖
2、利用超聲波技術(shù)處理污泥的3大優(yōu)勢(shì)
1）改善污泥脫水性能，減少污泥量
超聲可以降解污泥、釋放有機(jī)物、改善污泥的膨脹特性、提高污泥的沉淀特性和脫水能力、促進(jìn)污泥脫水，達(dá)到減量化的目的。
國(guó)外研究者采用超聲波技術(shù)調(diào)理污泥后，污泥總固體含量增加16.2%，絮體平均尺寸在22.3μm左右，體積減小了60.9%，同時(shí)污泥粘度降低，導(dǎo)致污泥過(guò)濾性能提高，說(shuō)明超聲波調(diào)理促進(jìn)污泥的脫水性。
2）消毒滅菌，提高金屬浸出和回收率
超聲可有效破壞污泥中的絲狀菌，殺滅病原微生物，提高重金屬的浸出和回收率等。
◎ 高強(qiáng)度（超聲密度為0.33W/ml）條件下，超聲處理40min后，異養(yǎng)菌減少82%，大腸桿菌總生存率不超過(guò)1%。
國(guó)外研究人員發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度的超聲可殺死污泥中部分大腸桿菌，達(dá)到部分滅菌的效果，在0.43W/cm3超聲強(qiáng)度下處理120min，64% 的大腸桿菌被殺死。
同時(shí)，超聲還能提高生物活性，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞和生物新陳代謝進(jìn)程，這種促進(jìn)效應(yīng)可持續(xù)幾小時(shí)。
◎ 利用超聲可將電鍍污泥中價(jià)值較高的重金屬 ( 銅、鎳、鋅) 同價(jià)值較低的重金屬 ( 鉻、鐵) 進(jìn)行有效分離，超聲強(qiáng)化酸浸出技術(shù)對(duì)重金屬的分離比傳統(tǒng)酸浸出技術(shù)更為有效。
此外，兩級(jí)超聲強(qiáng)化酸浸出技術(shù)可使電鍍污泥中重金屬的回收率達(dá)98%以上。
3）提高污泥消化性能，促進(jìn)污泥中氮磷量的釋放
超聲調(diào)理污泥會(huì)破壞細(xì)胞的胞外聚合物，促進(jìn)難降解有機(jī)物的分解以及有機(jī)物、 氮、磷等的釋放，改善有機(jī)物的生物可利用性，從而提高污泥生物消化效率。
國(guó)外研究人員，通過(guò)超聲調(diào)理污后發(fā)現(xiàn)，TSS和VSS的減少比率分別為52.6%和55.2%，比未超聲調(diào)理的減少比率大，說(shuō)明超聲調(diào)理可改善污泥的厭氧消化性能。
此外，需要特別說(shuō)明的是，超聲調(diào)理后的污泥在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生更多的沼氣。
3、超聲波促進(jìn)污泥減量化的6大影響因素
從上文我們可以了解到，超聲波促進(jìn)污泥過(guò)程減量化主要是因?yàn)槿馨阅�。因此，影響超聲溶胞的主要因素包括超聲頻率、超聲強(qiáng)度、污泥輻射比例、輻射間隔及輻射時(shí)間等。
1）超聲頻率的影響
大量實(shí)踐表明，隨著頻率升高，聲空化過(guò)程變得難以發(fā)生。
因此，為了提高污泥的破解程度，應(yīng)采用較低的頻率，多采用18～40kHz。
2）超聲強(qiáng)度的影響
由于超聲波促進(jìn)污泥的過(guò)程減量化主要是基于其強(qiáng)大的破解能力，因此對(duì)超聲強(qiáng)度有較高的要求，但過(guò)高強(qiáng)度的超聲又會(huì)引起污泥活性下降，污水處理效率降低。
因此，在利用超聲波進(jìn)行污泥過(guò)程減量技術(shù)中，應(yīng)針對(duì)不同的水質(zhì)和出水要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇適宜的超聲強(qiáng)度。
有研究人員采用SBＲ反應(yīng)器和實(shí)際生活污水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：
在不影響生物系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，當(dāng)分別采用超聲Es為13.3，20.0，26.7kW·h/kg時(shí)，剩余污泥削減率分別為31.6%、55.2%和60.5%，結(jié)合超聲能耗問(wèn)題，確定最佳超聲Es為20.0kW·h/kg。
3）超聲輻射污泥比例的影響
在超聲強(qiáng)化污泥隱性生長(zhǎng)系統(tǒng)中，只能對(duì)部分污泥進(jìn)行破解，否則將會(huì)造成污泥失活而導(dǎo)致生物處理系統(tǒng)崩潰。
超聲輻射處理污泥比例的大小決定著超聲破解的效果、超聲能耗、超聲反應(yīng)器的體積等。
過(guò)低的比例會(huì)導(dǎo)致溶胞不佳; 過(guò)高的比例不僅導(dǎo)致能耗升高，而且還有可能降低污泥活性，影響生物系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
有人采用20% ～60%的污泥比例進(jìn)行超聲輻射試驗(yàn)，污泥削減率呈線性上升，當(dāng)輻射比例為60%時(shí)污泥削減率可達(dá)97%，但與此同時(shí)，COD去除率急劇下降。
為了能夠使出水滿足當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)，建議最佳輻射污泥比例為30%。
4）超聲輻射時(shí)間的影響
較長(zhǎng)的輻射時(shí)間可以增強(qiáng)超聲破解效果。實(shí)踐表明：
在相同Es下，超聲輻射時(shí)間對(duì)污泥減量效果的影響較超聲功率更為顯著，且較高的功率和較短的輻射時(shí)間對(duì)污泥的溶解和 COD 的處理效果不利。
因此，在相同Es下，可采用相對(duì)較小的超聲功率和較長(zhǎng)的輻射時(shí)間。
5）超聲輻射頻次的影響
一般來(lái)說(shuō)，超聲輻射會(huì)造成污泥失活，并且過(guò)于頻繁的溶胞處理所釋放的有機(jī)物也增加了COD處理負(fù)荷，因此會(huì)對(duì)污水凈化過(guò)程造成一定影響。
有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著超聲頻次的增加，污泥減量效果出現(xiàn)線性下降，而COD的去除卻沒(méi)有規(guī)律性變化。
6）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等其他因素的影響
利用超聲波破解污泥還受到溫度、溶解性氣體、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和微生物特性等多方面因素的影響。
這里再提一下超聲波反應(yīng)器。常見(jiàn)的超聲波反應(yīng)器主要有連續(xù)式與脈沖式兩大類。其中脈沖式包括槽式、探頭式等類型，連續(xù)式包括平行板近場(chǎng)式、管道式等類型。槽式和探頭式是實(shí)驗(yàn)室比較常用的超聲波反應(yīng)器。
需要?jiǎng)e注意的是，由于污泥中總是存在一定比例的無(wú)機(jī)物，因此采用超聲波強(qiáng)化污泥隱性生長(zhǎng)的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)剩余污泥100%的減量化。
03
強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)袂！超聲波與其他技術(shù)的聯(lián)合
降低成本、提高效率、減少二次污染
任何一種技術(shù)都不是十全十美的，采用超聲技術(shù)調(diào)理污泥也有一定的局限性，比如單獨(dú)采用超聲技術(shù)調(diào)理污泥的能量耗損就比較大。
針對(duì)單一調(diào)理劑和技術(shù)手段存在的缺點(diǎn)以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)的預(yù)期效果，很多污水廠采用聯(lián)合技術(shù)調(diào)理污泥，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，降低成本，減少二次污染，提高污泥處理效率。
1、堿處理聯(lián)合超聲波技術(shù)
已有研究表明，將堿處理與超聲波處理相結(jié)合對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理已經(jīng)達(dá)到了較好的效果。
同時(shí)采用超聲波和堿處理，最初的水解速率明顯要大于單獨(dú)采用其中一種方式進(jìn)行處理，污泥預(yù)處理時(shí)間明顯縮短。
將二沉池出來(lái)的部分污泥（每日處理污泥量為整個(gè)系統(tǒng)污泥總量的11.6%）濃縮沉淀后，首先投加劑量為66.0g/kg的NaOH，混合均勻后連續(xù)流經(jīng)3個(gè)槽式超聲波反應(yīng)器進(jìn)行溶胞處理，超聲強(qiáng)度約為0.5kW·h/kg ; 最后再經(jīng)水解酸化提高溶胞污泥的可生化性。
連續(xù)運(yùn)行的結(jié)果表明：污泥的表觀產(chǎn)率系數(shù)可降至0.27kg/kg去除，污泥減量率達(dá)56.45%，且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的污泥活性和沉淀效果無(wú)明顯影響。
同時(shí)從據(jù)成本角度分析，該工藝可降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用（包括污水和污泥）11.5%，具有經(jīng)濟(jì)上的可行性。
2、AB法聯(lián)合超聲波技術(shù)
針對(duì)AB法A段工藝剩余污泥產(chǎn)量大的問(wèn)題，有研究人員采用超聲波技術(shù)對(duì)A段污泥減量效果進(jìn)行研究。
試驗(yàn)裝置分為兩部分，一部分為A段曝氣-沉淀一體化反應(yīng)器，另一部分為超聲波接觸反應(yīng)池，污水在超聲波接觸反應(yīng)池中反應(yīng)。
超聲波試驗(yàn)裝置圖
結(jié)果表明，經(jīng)額定功率900W，頻率28kHz的超聲波作用0.5h后，大部分SS都已破碎，SS降低了71.7%，污泥減量效果明顯。
3、臭氧聯(lián)合超聲波技術(shù)
超聲波和臭氧相結(jié)合雖然增加了超聲波部分的費(fèi)用，但是明顯提高了臭氧的利用率，要比單獨(dú)使用臭氧效果好，總體的處理成本要低于單獨(dú)使用臭氧進(jìn)行處理。
4、微波聯(lián)合超聲波技術(shù)
實(shí)踐表明，微波（2450MHz，800W，3min）與超聲波（0.4W/mL，10min）聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥厭氧消化效果優(yōu)于單獨(dú)采用微波或超聲。主要表現(xiàn)在：
1）相同的污泥停留時(shí)間里，聯(lián)合調(diào)理后的厭氧消化污泥產(chǎn)生的沼氣量明顯高于單獨(dú)采用微波或超聲;
2）超聲與微波聯(lián)合調(diào)理可使污泥總固體量、揮發(fā)性固體量明顯減��；
3）超聲波與微波聯(lián)合可以改善污泥的脫水性能，污泥經(jīng)聯(lián)合調(diào)理后CST要遠(yuǎn)低于微波與超聲單獨(dú)處理的。
5、農(nóng)業(yè)廢棄物聯(lián)合超聲波技術(shù)
當(dāng)超聲頻率為28kHz時(shí)，向經(jīng)超聲調(diào)理后的污泥中添加小麥秸稈粉末和玉米秸稈粉末均能很好的改善污泥脫水效果，在相同的條件下添加稻殼粉末卻不能達(dá)到相同的效果。
此外，污泥經(jīng)聯(lián)合調(diào)理后，溶解性蛋白質(zhì)和多糖也得到很好地改善，還可以降低污泥的熱值。
