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超声破解强化污泥厌氧消化

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：彭雨生陆佳芸

[导读] 摘要：污泥厌氧消化被认为是高效、可持续的剩余污泥处理工艺，然而污泥厌氧消化工艺存在固体停留时间长、有机质降解率低等缺点。

        中国市政工程西南设计研究总院有限公司四川省成都市 610081
        摘要：污泥厌氧消化被认为是高效、可持续的剩余污泥处理工艺，然而污泥厌氧消化工艺存在固体停留时间长、有机质降解率低等缺点。水解是污泥厌氧消化的限速步骤，超声破解污泥能够破坏污泥的絮体结构和微生物的细胞壁，促进污泥的水解，从而强化污泥的厌氧消化。超声对污泥的破解作用主要是超声空化产生冲击波、微射流等导致强烈的液体紊流和水力剪切，超声破解污泥采用的超声波频率较低（20~41kHz）、强度较高（大于0.22W/mL）、作用时间较长（大于10min）。经过超声破解后，污泥的水解速率、TS和VS的降解率、产气速率均提高。
        关键词：剩余污泥；厌氧消化；超声破解。
        我国城镇污水处理能力不断提高，预测到2020年将达到6000万t[1]。剩余污泥中通常含有病原体、重金属和持久性有机物等有毒有害物质，未经有效处理处置极易对地下水、土壤等造成二次污染。污泥厌氧消化被认为是高效、可持续的污泥处理工艺。然而，由于厌氧消化工艺的固体停留时间长（20~30d），有机质的降解率低（30%~50%），厌氧消化工艺在我国并没有得到广泛的应用。
        细胞壁的水解反应是污泥厌氧消化速率的限制步骤。污泥破解能够破坏污泥的结构及细胞壁，使污泥絮体结构发生变化，细胞内的内含物流出，变难降解的固体性物质为易降解的溶解性物质，强化污泥厌氧消化效果。超声破解方法无需投加化学物质、设备简单、运行管理简单且破解效率高，因此被国内外学者广泛研究。
        1 超声破解的原理
        超声波是指频率高于20kHz的声波，超声波是以纵波的形式在弹性介质中传播。当足够强度的超声通过液体时，也就是当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时，可使处于膨胀相中液体的分子间振动距离大于保持液体作用的临界分子间距，从而撕开液体，破坏液体结构的完整性，形成很小的气泡或微气核（称为空化核）。这些空化核连同先前存在于液体中的一些小气泡，在声波的膨胀相迅速涨大，然后在压缩相又突然被绝热压缩爆破，产生局部超高温、气液界面局部高压、冲击波和微射流等，释放大量的能量，同时，生成新的微核，这一过程即为超声空化。空化过程是空化泡形成、运动和破灭的过程，只有当声波的频率小于气泡的谐振（或共振）频率时，或者说当气泡尺寸小于其共振尺寸时，气泡才会闭灭。
        2 超声破解污泥的影响因素
        2.1 超声频率的影响
        当超声条件满足空化形成条件时，超声空化核从长大到溃陷需要经历一段时间，超声波频率越高，空化泡生长的时间越短。由于生长时间太短，空化核不能长到足够大而形成空化气泡。
        空化泡破裂时产生的水力剪切力与空化泡的尺寸成正相关，空化泡的尺寸越大，产生的水力剪切力越大。因此，超声频率越高，空化泡的尺寸越小，产生的水力剪切力越小。超声频率在41kHz时，污泥破解效果最佳，并推断超声频率降至20kHz时，污泥破解效果更好。
        2.2 超声强度的影响
        超声波强度通常以声强度(w/cm3)或声密度(w/cm2)表示。超声强度决定了空化泡的存在形态，超声强度较低时，以稳态空化泡为主，超声空化作用相应减弱，对污泥的作用相对温和。丁文川[2]采用功率密度0.05W/mL、频率28kHz的超声波处理10min后，污泥好养呼吸速率OUR提高了129%、蛋白水解酶活力提高了23.7%、脱氢酶活性提高了24.6%。然而，超声波声能密度为0.11W/mL时，即使超声时间达到2h，超声波对污泥的粒径分布、污泥的絮体结构、溶解性COD等几乎没有影响，只有当超声强度超过0.22W/mL时，超声处理才能明显降低污泥的粒径，破坏污泥的絮体结构。因此，低强度超声波不能用于破解污泥，强化污泥的厌氧消化。
        2.3 作用时间的影响
        一般认为，在超声破解污泥的初期，主要是破坏污泥的絮体结构，不破坏微生物细胞；随着超声作用时间的延长，开始破坏微生物的细胞，微生物细胞破裂，释放中胞内物质。因此，超声破解污泥强化厌氧消化要求超声作用时间较长，才能破坏微生物的细胞壁，释放微生物细胞内的有机物，大幅提高污泥的水解速率。超声时间越长，污泥TS获得的能量越高，单位处理污泥TS获得的能量用比能量（Es），Es与作用时间的关系如下：

        式中：Es—比能量；P—超声功率；t—作用时间；V—污泥体积；TS0—污泥浓度。
        Es越大，COD的溶解率越高，对污泥的破解程度越大，但随比能耗的增加，COD的溶出速率趋缓。在综合考虑能量输入与破解效果的情况下，应合理选择操作条件。研究表明，比能耗大于50000kJ/kgTS 后，各项指标随比能耗的增加增长趋势减缓。
        3 超声破解污泥强化厌氧消化的效果
        超声破解污泥后，超声破解提高了污泥的水解速率，从而强化了污泥的厌氧消化效果。Tiehm等[3]对比研究了原污泥和经过超声处理后的污泥的厌氧消化过程，表明固体停留时间为8d时，超声处理后的污泥进行厌氧消化，产气速率为100L/d，VS的降解率为50.3%，而原污泥的产气速率为45.5L/d，VS的降解率为45.85%，超声破解污泥可以使固体停留时间从22d减少至8d。用20KHz的超声波对污泥进行预处理后再进行厌氧消化，原污泥的产气量为20.5mL，而比能量为660 kJ/kg、 1350 kJ/kg、2700 kJ/ kg、 6950 kJ/kg和14547 kJ/kg TS时，产气量分别为23 mL、25.6 mL、25.7 mL、31.2 mL和32.8 mL，生物气产量随比能量的增大而增大，但是，比能量较高时，增大比能量不会进一步提高产气量。
        目前，国外已开发了使用污泥超声破解设备的Sonix™系统，英国某污水厂的污泥厌氧消化系统，污泥的TS和VS降解率为40%和50%，应用了Sonix™系统后，TS和VS降解率分别为60%和70%。Barber[4]通过计算应用了污泥超声破解设备的污泥厌氧消化系统的能量，表明超声波每消耗1kW的能量，污泥厌氧消化系统将产生7KW的能量，这是超声破解污泥提高了甲烷的产量，从而增加了厌氧消化系统能够产生的电能。
        4 结论
        水解是污泥厌氧消化的限速步骤，超声破解污泥能够破坏污泥的絮体结构和微生物的细胞壁，释放微生物细胞内物质，促进污泥的水解，从而强化污泥的厌氧消化。超声对污泥的破解作用主要是超声空化产生冲击波、微射流等，冲击波、微射流导致强烈的液体紊流和水力剪切，超声破解污泥采用的超声波频率较低（20~41kHz）、强度较高（大于0.22W/mL）、作用时间较长（大于10min）。经过超声破解后，污泥的水解速率、TS和VS的降解率、产气速率均提高。
        参考文献
        [1] 戴晓虎. 我国城镇污泥处理处置现状及思考[J]. 给水排水. 2012, 38(2): 1-5.
        [2] 丁文川. 低强度超声波辐射活性污泥的生物效应及其应用试验研究[D]. 重庆：重庆大学, 2007.
        [3] Tiehm A, Nickel K, Neis U. The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge[J]. Water Science and Technology. 1997, 36(11): 121-128.
        [4] Barber W P. The effects of ultrasound on sludge digestion [J]. Water and Environment Journal. 2005, 19(1): 2-7.