国内外超声污泥减量技术的研究和应用现状比较
进入21世纪以来，随着我国工业化和城市化的迅速发展，城市污水处理厂中的污泥的产量越来越大。由于处理成本高昂，几乎到了污水处理厂成本的60%左右，加之国家对污泥处理的相关法规日渐严格，污泥的处理问题已经成为污水处理厂面临的头等难题。同时，近年来，随着人们对全球变暖和气候变化的关注不断提升，污水处理厂的温室气体排放问题也备受人们的关注。由于成本原因和环境的负面影响太大，一些传统的污泥处理方法如焚烧、填埋等已经变得越来越不可取。
一些研究者提出了污泥的厌氧消化处理方法。这种方法在无氧的条件下，由兼性菌及专性厌氧细菌降解有机物，最终产物是二氧化碳和甲烷气体（biogas），使污泥得到稳定。由于它在实现了污泥减量的同时还实现了除臭、去除细菌及生成沼气的效果，故被称为是一种可持续的处理污泥的方法。但是传统的厌氧消化技术由于污泥发酵周期长，可达25d甚至一个月，由此产生的污泥的滞留需要建造大容积污泥罐，大大增加了污水厂的建造成本，制约了这种技术的应用。
随后研究者们发现对污泥做前处理能够有效克服厌氧消化的这一缺点。热处理、化学处理、机械处理及物理处理等多种前处理方法相继出现。大量的研究和实践表明：将超声波用于污泥的前处理实现了污泥的消化效率高、生物降解能力增强及产沼量大等特点，明显优于其他前处理方法。
本文通过文献研究法，对近几年来国外超声波前处理用于污泥减量的理论研究和实践进行分析，并对国内在该领域的研究和应用现状进行评析，为我国超声波污泥减量的研究和实践找出发展方向。
1超声波处理污泥的原理
超声波是指频率从20kHz到10MHz范围内的声波，具有频率高、方向性恒定、穿透力强、能量集中的特点。用超声波技术处理污泥，其原理是选择一定频率和振幅的超声波，利用其在液体中产生的“空穴”（cavitation）作用，形成极端的物理和力学条件，局部可达5000℃高温，50000Pa高压，以及剪切力。这就是空穴“内爆”（implosion）产生的所谓“热点”（hotspot），将微生物细胞壁击破，同时释放出酶。酶的作用使其余未被击破的微生物细胞失去对污泥罐中发酵环境的适应能力，迅速成为厌氧微生物的营养物而被消耗，从而大大加速发酵过程。
2超声波处理污泥研究
国外超声波污泥减量技术的发展早在20世纪70年代，国外就有学者用超声波来提取细胞壁上的聚合物进而研究污泥中微生物的表面特性[3]。经过近20a的努力，将超声波用于污泥处理的技术问题逐步得到解决，到90年代初，有关超声波污泥减量的研究已转向技术实验阶段。由于其无污染、能量密度高、分解污泥速度快的特点，该技术受到污泥处理领域的广泛关注。美国、英国及德国等西方发达国家争相开始相关的研究。然而，这一技术在上世纪结束前一直未能投入到实际的运营当中。因为最初的超声波处理技术存在高耗能、低产出的致命问题，使其难以投入到商业化的运营当中。从1998年开始，在以德国汉堡工业大学的奈斯教授为首的一批研究人员的努力下，经过5a的研究，改进了原有的污泥减量技术，使得能量的投入产出比得到显著下降[4]。此后，超声波污泥减量技术得以走出实验室，投入商业化的运用中。
近两年国外关于污泥减量主要集中在以下一些研究上：
2.1对超声波作用下污泥资源化利用的研究
污泥中含有的有机质成分及一些金属元素如重金属等，通过发酵、添加剂置换等方法可以转化为可利用的资源。在探索超声波污泥减量的实验中，超声波的前处理作用可以促进污泥的厌氧消化的效率，同时增加沼气的产出量。国外最近的研究还探索了超声波对污泥中除沼气之外其他成分的资源利用。
在此领域上，欧洲发达国家走在前列，如奥地利格拉兹大学的C. Angerbauer等首次通过斯达氏油脂酵母将污泥转化为脂类以用于生物柴油的生产的研究，该研究发现对污泥进行超声处理比直接用原污泥进行脂类转化的效率要高。Sang Hyoun Kim等人研究了消化污泥的超声前处理对蔗糖厌氧发酵的制氢产量的影响，研究通过实验找到了超声前处理中，使得制氢量最大化的超声时间和强度。
2.2影响超声波空穴作用与污泥降解因素的研究
影响超声波空穴作用与污泥降解的因素，以及各因素之间的相关联系也成为近两年各国研究者的研究热点。因为污泥中存在的气体或气体分子的量、污泥的外部压力、污泥的粘度、污泥中的水汽压力、超声波的应用频率、超声密度、声强等因素都会对超声波在污泥中的空穴作用产生影响。如：由马拉西亚、新加坡与台湾联合研究团队，研究了超声波密度对超声波污泥破解效率上的影响，并提出了效率方程PA=21/2IqC。方程中将声音密度、声强、声速及强度之间的相关性体现出来。M. D. L. D. Castro等人研究了污泥的外部压力、污泥内的水汽压力以及超声波空穴作用的不同类型对污泥减量作用的影响，并分析这些因素之间的相关性[8]。这些研究对超声波污泥处理的相关因素作了详尽细致的分析，对实际应用中超声波的各种参数的控制提出了参考 。
2.3超声波污泥减量机理的进一步的深入研究
污泥减量的前处理技术对菌体细胞的渗透性和分解的影响使其实现了污泥的减量。污泥减量前处理技术中细胞破碎的机理的研究已比较全面，但其对细胞溶解的效应尚未得到深入的研究，这也成为了国外近年来的研究热点。如P. Foladori等人的实验通过流式细胞术对几种前处理技术对污泥中菌细胞的分解结果进行评价。Julien Laurent等人研究了分解活性污泥的重金属的生物吸附等。结果显示，物理的和机械的前处理技术，包括超声波和高压，对菌体细胞分解的只有很温和的影响，且需要一个很高的能量级，而热处理和臭氧处理的效果更好[。此外，活性污泥经过超声处理等前处理之后，大部分有机质会被溶解，这使得传统的吸附模型不再适用于对经过超声处理的活性污泥中提取的重金属的平衡的描述。因此，此类研究提出了一种新的模型。这些研究为超声波处理技术应用能量的消耗与产出的平衡提供了借鉴的思路。
2.4超声处理产沼的最优条件的研究
对于不同的超声波参数和污泥的不同特性，除了超声污泥减量的效果也各不相同之外，其产生沼气的条件也会有所变化。国外对这方面的研究已有数10a的历史。近两年的研究主要是关注不同研究之间结果的比较及各种影响因素之间的相关性分析。如国外相关研究主要集中在超声波处理的最优条件的研究，以及碱和超声波前处理的结合对产沼影响进行研究上。
如Sridhar Pilli等人对历年来在超声波处理的最优条件的研究进行总结，并将采用相同研究方法的研究进行了归类比较；Dong-Hoon Kim等人对碱和超声波前处理的结合对污泥分解的影响进行研究，实验采用中央组合设计的方法，结果表明碱和超声处理的结合对污泥的减量的效果优于单独一种方法[；Christophe Dagot也做了类似的研究，并对两种前处理方法的不同序列的效果进行了分析（simultaneous treatment>NaOH treatment followed by ultrasonic treatment>ultrasonic treatment followed by NaOH treatment）。此外，在超声波污泥减量技术的应用上，国外尤其是英美德等发达国家已经比较成熟。早在上世纪90年代，德国和英国的很多大型的污水处理厂都已安装并使用该技术。这种应用也为国外开展污泥减量技术的应用研究提供了条件。近年来在欧美国家，大量的研究都是基于污水处理厂的真实条件下的研究。Barber等人以德国的宾得污水厂的超声处理设施为实验环境，探索了在全应用条件下超声处理对污泥的生物化学特性的影响，结果表明：经过超声处理污泥消化的沼气的生成量有了显著的提供，污泥粘度的降低增加了20%到50%，污泥的水解性能提高了3%到7%。这些立足于应用的研究探索了超声污泥减量技术在应用中出现的问题，并能直接用于污水厂对这一技术的改进上。
3超声波污泥减量技术在我国的研究和应用现状
在我国，将超声波用于污泥减量的研究虽然在上个世纪末就已经开始，但大量的研究还是在近几年才出现。虽然起步晚，但发展速度非常快，尤其是近3a来，中国对超声波污泥减量技术的研究已经占到总体研究的一半以上。然而，我国的超声波污泥减量技术在实际应用领域的现状不容乐观，将超声波用于污泥处理的案例目前在我国还比较少见。
目前我国的研究和实践主要集中在以下几个方面：
3.1污泥的超声预处理
污泥往往是含水量大、稳定性差，传统的预处理方法是进行重力沉降、调节或机械脱水。传统的方法往往占地面积大，耗时长。采用超声波预处理，可以通过提高改变污泥的物理化学结构达到缩短处理时间的效果。我国对超声波处理污泥的绝大部分研究都集中在此方面。如国内的学者曾晓岚等通过试验发现，低强度超声波辐射对污泥活性有显著提高，采用50W/L的功率密度辐射10min后，污泥的OUR值较作用前提高了129%，蛋白酶活性提高了23.7%，脱氢酶活性提高24.6%。王晓霞等通过对比实验探索了不同的超声波强度和实践对污泥中有机质、氮和磷的性状改变的影响。此外，徐桂华[19]、邵黎明及盛宇星等人都通过实验从不同角度探索了超声波的时间和强度对污泥的生物化学特性方面的影响。
类似的研究在我国的相关文献中占到较大的比例。
3.2超声波强化一次污泥沉降与脱水性能
未处理一次污泥含水率高达95％以上，经传统浓缩、脱水处理后含水量仍然很高，后续处理处置问题突出，它们散发臭气，严重影响环境卫生；对其进行填埋会占用大量土地，渗滤液会严重污染地下水；而污泥焚烧的费用比较昂贵，污泥问题将成为今后城市一大环境问题。超声波预处理作为一种新型技术，可以较好地破坏污泥絮状物结构，提高脱水率，缩短厌氧发酵时间，因此成为当前国内相关的研究热点，近年来的研究文献在此方面有较大的提升。如：王关照等人研究超声波预处理对常温厌氧消化中污泥脱水能力和胞外复合物质分解的影响。研究结果显示，经过超声预处理的污泥在厌氧消化中毛细管吸收时间从44.4s/L降到11.1s/L，污泥的水解性能有了极大的提高。杨元元等人研究了在pH值为10的条件下超声波对活性污泥的水解及挥发性脂肪酸的积累的加强。研究指出，在污泥处理中，挥发性脂肪酸的积累往往因为污泥水解过程中酸化的影响而受限，超声波能够加快活性污泥的水解，而pH值的调节能够避免酸化的受限，二者结合就能够既加速水解又加速挥发性脂肪酸的积累。
3.3不同的前处理作用的结合对污泥减量的效果的研究
在超声波用于污泥减量研究的最初阶段，能量的出入平衡即超声波作用的能耗问题一直成为阻碍超声波在污泥减量上的一个限制性因素，在进行超声波的参数对污泥减量的影响的研究的同时，研究人员也发现将不同的处理方法结合将优于单纯的超声物理的减量效果。这也成为近期的一个研究热点。如：刘晓玲等研究了经过前处理的活性污泥的溶解和酸化的增加，研究运用超声波-碱、超声波-酸等前处理方式的结合对增加活性污泥的溶解和酸化的影响；李春玲等进行了碱与超声波结合的前处理的污泥分解的动力模型研究。研究探索了不同的污泥酸碱度及不同的超声波密度和强度对污泥分解的影响，并根据实验数据，依据线性回顾得出了其动力学模型，模型显示：酸碱度对超声波作用下污泥分解的影响最大。将不同的处理方式与超声波处理相结合的研究，为解决超声波处理的能量消耗问题提供了解决办法。
3.4超声波处理污泥的实际运用
在实际应用领域，我国还处在积极探索的阶段。一些污水处理厂进行小规模的超声波污泥减量技术应用实验。例如广州市污水公司在大坦沙污水处理厂进行了污泥的超声波减量实验研究，通过购置国外的大型超声波发声设备，研究静态状况下经超声波装置处理后污泥主要水质指标的变化，并将超声波装置作用于剩余污泥，探讨了污泥的超声波减量化效果。研究结果表明，经超声波装置处理后，污泥SS、VSS、含水率值变化不大，TN、TP略有增加，温度明显增加。超声波装置处理后回流的污泥并未对原有生化反应系统造成任何影响，超声波污泥减量化效率为20.56%。此外，在北京、上海等地的污水处理厂也有类似的实验。这些实验为超声污泥减量技术的应用作了有益的尝试。
但总体而言，我国在超声波处置污泥的实际运用中经验尚浅，并无太多实际运用经验，理论研究主要是针对实验室中理想状态下进行操作。
4我国超声污泥减量技术研究发展的特点
比较国内外对超声波污泥减量技术的研究，可以总结出我国在这一领域研究的一些特点：
（1）全面但不够深入。我国在超声污泥减量技术上的研究涉及了超声预处理的最优条件、超声波对污泥物理、化学和生物特性的影响等各个方面，但这些研究都还处于较为基础的层面。以超声处理的最优参数的研究为例，在这方面我国的研究非常丰富，但研究方法和条件上缺乏一致性，使得不同的研究之间的结果难以进行比较，这在很大程度上限制了研究的进一步深入。而对不同参数和影响因素之间的相关性的分析也很少见。此外，对于超声波污泥减量的机理的认识多是根据前人或国外的研究，对其进一步的深入和细化的研究很少见。相比之下，国外虽然很早就开始了相关的研究，但至今仍没有间断。
（2）重理论，轻实践。我国在超声污泥减量技术上的研究多是在实验室条件下进行的，研究的结果往往是在很多条件都很理想的情况下得出的，这些结果在真正应用到实际中时往往受到很多限制。国外对超声波污泥减量技术的应用已经比较成熟，如德国Sonix公司生产的大型超声波污泥处理装置已在德国、英国、美国和澳大利亚的多个污水处理厂运行。这些污水处理厂利用自身条件，与研究机构合作，不断进行超声波技术的应用研究。目前我国还没有自主产权的大型的可用于污泥处理的超声发声装置，这在一定程度上也限制了相关的实践研究的进行。
5结论与建议
污泥处理不仅是解决污水处理厂成本问题的重中之重，更是从根本上解决污水处理中环境保护的基本途径。欧美的实践经验表明，该技术在节省建造成本上具有不可比拟的优势，将促进实现污泥罐小型化、污泥减量化、稳定化、无害化和资源化的统一。
针对我国目前的研究和应用现状，提出以下建议：首先，在理论研究方面，要注重对超声污泥减量的深入研究。①探索在超声产沼处理最优条件实验中方法和实验条件标准的统一，使不同的实验之间的比较成为可能，为进一步的深入研究打下基础；②有必要开展污泥资源化利用研究；③超声波处理污泥的基础作用是空穴作用，影响空穴作用的因素都会对污泥的降解产生影响，有必要更加深入开展相关的研究，并分析不同因素的相关性；③有必要研究超声处理的程度对消化控制和表现提高的每个降解步骤的影响。
其次，在实际应用方面，一方面应鼓励污水厂与研究机构合作，通过购置超声设备，在污水处理厂的真实环境下，进行超声处理的应用实验。另一方面，应加大投资力度，尽快研制出自主产权的用于污泥处理的大型超声发声设备，加快超声波污泥减量技术进入应用领域。
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