（环境工程专业论文）低强度超声波碱对剩余污泥破解机理的研究.pdf

摘要 ，在能量密度为0 0 5 w m l j 和p h 范围3 0 - - 1 2 0 条件下，研究了超声波辐射 以及热作用对污泥溶胞效果的影响，考察剩余污泥的溶胞效果与溶胞条件的关 系。通过环境扫描电镜( s e m ) 技术分析了超声波、酸、碱以及热作用对污泥中 微生物的形态影响以及各种预处理方法对污泥溶胞效果的影响关系。同时考察了 低强度超声波对溶解性化学需氧量( s c o d ) 的声化降解作用，探索了超声波在 协同碱对污泥溶胞过程中的作用机理。 结果表明，溶解性化学需氧量( s c o d ) 、溶解性磷( s p ) 和溶解性糖( s a ) 含量随p h 增大均呈先降后升趋势，而且强碱性环境有利于污泥溶胞。超声波辐 射可显著提高污泥溶胞率，而且p h 越大超声波辐射改善的溶胞效率越高，s c o d 随p h 呈指数增长趋势。实验条件下，s c o d 随超声波时间均呈线性关系，超声 波碱协同污泥溶胞为一级反应。另外，溶胞效果s c o d 数据随污泥浓度呈线性 增加。依据上述规律，提出了污泥超声波碱协同溶胞的4 参数数学模型 s c o d = k o e x p ( k l p 彤+ k 2 p h ) c , ( t + k 3 ) ，并通过5 4 组试验数据，应用非线性优 化技术得到模型参数，该数学模型回归指数r 2 为0 8 7 2 。为了对超声波碱污泥 溶胞技术中经济成本的分析，也研究了污泥浓度以及p h 对耗碱量的数学模型及 其参数。利用数学模型可视化地分析了剩余污泥溶胞条件和污泥浓度对溶胞效果 和成本影响关系，并采用等高线技术分析了溶胞效果与溶胞成本相互关系，明确 了超声波碱剩余污泥溶胞优化规律和方向。低强度超声波的机械作用和热效应 在协同碱对剩余污泥溶胞中的主要作用是分散污泥颗粒、改善碱在污泥颗粒缝隙 中传质速率、强化碱与剩余污泥细胞的化学反应、以及促进剩余污泥胞外物质的 脱附溶解，而超声波声化降解作用可以忽略。 超声波碱的协同溶胞过程机理和效果的研究，以及数学模型的建立和分析 为改善剩余污泥溶胞效果、降低溶胞成本，为污泥源头减量化技术的探索和创新 提供了实验和理论依据。 关键词：超声波；剩余污泥；溶胞；脱附；数学模型 a bs t r a c t t h ee f f e c to fu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o nw i t he n e r g yd e n s i t yo f0 0 5w m l 叫a n d t h e r m a la c t i o no na c t i v a t e ds l u d g ec e l ll y s i su n d e rp hr a n g i n gf r o m3 0t o12 0h a s b e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l yi nd e t a i l t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne f f i c i e n c i e sa n d c o n d i t i o n so fc e l ll y s i sw e r ea l s os t u d i e d t h r o u g he n v i r o n m e n t a ls c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) t h ee f f e c t so fu l t r a s o u n d a c i d ，a l k a l i n ea n dt h e r m a la c t i o no nt h e m i c r o o r g a n i s ms h a p ei ns l u d g ew e r ea n a l y s i s e d i nt h i sp a p e r ，t h eb i o d e g r a d a t i o n a c t i o no fl o wi n t e n s i t yu l t r a s o u n do ns c o dw a si n v e s t i g a t e d a n dt h eb r e a k a g e m e c h a n i s mo fa c t i v a t e ds l u d g eb yt h ec o m b i n a t i o na c t i o no fl o wi n t e n s i t yu l t r a s o u n d a n da l k a l i n ew a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so fs o l u b l ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( s c o d ) ，s o l u b l ep h o s p h o r ( s p ) a n ds o l u b l ep o l y s a c c h a r i d e ( s a ) r e d u c e dw i t hp h f i r s t a n dt h e ni n c r e a s e d s t r o n ga l k a l i n ec i r c u m s t a n c ew o u l db e n e f i tf o rc e l ll y s i s u l t r a s o n i ci r r a d i a t i o nc o u l dl a r g e l yi m p r o v et h ee m c i e n c yo fc e i il y s i s m o r e o v e r , t h e h i g h e rt h ep h t h eh i g h e rt h el y s i se m c i e n c ye n h a n c e db yu l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，a n d s c o di n c r e a s e de x p o n e n t i a lw i t hp h u n d e rt h ec o n d i t i o n so fe x p e r i m e n t t h e c o n t e n t so fs c o di n c r e a s e di i n e a r l yw i t ht i m e c e l il y s i sb yu l t r a s o n i c a l k a l i n e c o m b i n e dt r e a t m e n tw a sf i r s to r d e rr e a c t i o n a l s ot h ei n c r e a s i n go fe f j f - e c t o fc e l l l y s i s ( s c o d 、w a sl i n e a ra l o n gw i t ht h eo ft h es l u d g ec o n t e n t b a s e do nt h ea b o v e p r i n c i p l e sa n d5 4g r o u p so fe x p e r i m e n t a ld a t a ，am a t h e m a t i cm o d e lw i t h4p a r a m e t e r s a n di n d e xo fr e g r e s s i o no f0 8 7 2 d e s c r i b i n gt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns c o da n dp h i r r a d i a t i o nt i m ea n dt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o n h a sb e e no b t a i n e du s i n gn o 1 i n e a r o p t i m i z a t i o nm e t h o d i no r d e rt oa n a l y s i st h ec o s to fe e l ll y s i s t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea m o u n to fa l k a l i n ec o n s u m e da n dp ha n ds l u d g ec o n c e n t r a t i o n 。h a sa l s o b e e no b t a i n e du s i n gn o 1 i n e a ro p t i m i z a t i o nm e t h o d 。b a s e do nt h ea b o v em a t h e m a t i c a l m o d e 基u s i n gm a t l a b s o f t w a r ea n dt h ec o n t o u rl i n e t e c h n i q u e t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e no p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dc e l l l y s i se f f i c i e n c i e s a n dc o s tw e r ev i s u a l l y a n a l y z e d s o m eu s e f u l i n f o r m a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o no fc e l l l y s i sb y u l t r a s o u n d a l k a l h ew a sp r e s e n t e d t h em e c h a n i c a la n dt h e r m a le f f e c t so fl o w i n t e n s i t yu l t r a s o u n d i nt h ec o o r d i n a t i o no fa l k a l i n ea r et od i s p e r s et h es l u d g ep a r t i c l e s i m p r o v et h em a s st r a n s f e ro fa l k a l i n ei ns l u d g ea n ds t r e n g t h e nc h e m i c a lr e a c t i o n b e t w e e na l k a l i n ea n ds l u d g e a sw e l la sa c c e l e r a t et h ed e s o r p t i o na n dt h ed i s s o l u t i o no f e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，b u tt h eb i o d e g e n e r a t i o ne f f e c to fi o wd e n s i t y u l t r a s o n i cw a v em a yb en e g l e c t e d s t u d y i n gt h eb r e a k a g em e c h a n i s ma n de f f i c i e n c i e so fa c t i v a t e ds l u d g eb yt h e c o m b i n a t i o na c t i o no fl o wi n t e n s i t yu l t r a s o u n da n da l k a l i n e a n de s t a b l i s h i n ga n d a n a l y z i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hh a v ep r o v i d e dt h ee x p e r i m e n t a la n dt h et h e o r y b a s i sf o ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fc e l ll y s i s ，r e d u c i n gt h ec o s t ，a n dt h ee x p l o r a t i o n a n dt h e i n n o v a t i o no fs l u d g es o u r c er e d u c t i o nt e c h n o l o g i e s 一 一 k e y w o r d s ：u l t r a s o u n d ；a c t i v a t e ds l u d g e ；c e l ll y s i s ；d e s o r p t i o n ；m a t h e m a t i cm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基盗态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 拆p 镀 l 学位论文版权使用授权书 多月牟日 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 拆f 镫 导师签名： 签字同期： 口厂 如7 旁 月垆b ， 天津人学硕士学位论文 第一章综述 1 1 我国污泥的处理现状 第一章综述 近年来，随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，环境保护工作逐步 深化。污水处理厂的数量日益增多，污水处理率上升，但随之而来产生了大量的 剩余污泥，其处理处置程度的好坏已成为污水生物处理技术普及和运行的制约因 素。大量的未经处理的污泥进入环境后，会对水体和大气带来二次污染，对生态 环境和人类活动构成了严重威胁。因此，污泥的处理是目前亟待解决的问题。 污水污泥处理处置是污水处理事业的重要组成部分。其处理处置程度的好坏 是评价污水处理状况的重要标准，如果污水污泥处理处置的工作做得不好，不但 会给环境带来污染，而且会造成资源的浪费。随着我国污水处理事业的发展，产 生的污泥量正在日益增加。2 0 0 5 年我国污泥排放量为1 4 1 4 2 万吨，根据“十一 五”规划的目标，在2 0 1 0 年将减排1 0 ，污泥的排放量将降低到1 2 7 2 。8 万吨。 根据中国水网年度系列报告之四统计数据显示，截止到2 0 0 8 年6 月5 日，我国 正在运营的污水处理厂总数已达1 4 0 8 座，随着“十一五”规划的进一步深入， 各地县级污水处理厂建设脚步也在加快，保守计算，截止到2 0 1 0 年底，我国至 少将有近3 0 0 0 座污水处理厂达到运营状态。 在我国，污水污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 0 - 5 0 ，占污 水处理厂总投资的3 0 - 4 0 。我国污水污泥处理处置技术现在才刚刚起步，长 期以来，我国存在着重废水处理，轻污泥处置的倾向。在我国已建成的污水处理 厂中9 0 以上没有污泥处理的配套设施，目前仅有污泥消化池中，能够正常运 行的为数不多，有些池子根本就没有运行。我国的污水处理厂中污泥未经任何处 理直接农用的约占6 0 以上，即使在设有消化池的污水处理厂，消化后的污泥 也只是稍加脱水后就直接农用，并未经任何无害化处理，仍不符合污泥农用卫生 标准，与国外先进国家相比尚有较大差距。某些地方的污水虽然得到了有效治理， 污水处理的伴生污泥却没有得到处理和处置1 1 】。 我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，全国现有污水处理设施中有污泥稳 定处理设施的还不到1 4 ，处理工艺和配套设备较为完善的还不到1 1 0 。污泥处 理部分只是简单的进行浓缩脱水外运。其中也存在许多问题，主要表现在以下几 个主要方面： ( 1 ) 污泥处理率低，工艺不完善。我国存在着重废水处理，轻污泥处理的倾 天津人学硕士学位论文第一章综述 向。随着我国城市污水处理设施的普及，处理率的提高和处理程度的深化，污泥 的产生量将有较大的增长，预计到2 0 1 0 年，我国城市污水处理厂的湿污泥年产 量将达2 0 0 0 余万t ，大量未经稳定处理的污泥没有正常出路，不但成为污水处理 厂的沉重负担，而且污泥的任意排放和堆放对周围环境又造成新的污染。污泥的 处理处置已迫在眉捷。 ( 2 ) 污泥处理技术设备落后。当前我国有些污水处理厂所采用的污泥处理技 术已经是发达国家所摈弃的技术。而且有些污泥处理技术根本不合乎国内的污水 污泥特性。污泥处理设备也比较落后，性能差，效率低。因此，限制了我国污泥 处理技术的提高。 ( 3 ) 污泥处理管理水平低。在我国大部分污水厂的管理人员和操作人员的素 质较低，缺乏经验。因此，提高污水处理厂的管理水平，早日实现科学管理是保 证污水处理厂污泥系统长期运转的关键。 ( 4 ) 污泥处理设计水平低。在污泥处理方面，我国还缺乏设计经验和实践经 验，尤其是污泥处理系统的整体水平还比较低，从已建成的污水处理厂污水处理 装置看，运行工况不佳，不能保证长期运行。 ( 5 ) 污泥处理投资低。国内污水厂污泥处理处置费用约占工程投资和运行费 的2 4 - 4 5 ，而美国及欧洲等发达国家污泥处理投资已占污水处理厂总投资的 5 0 7 0 。由于污水处理j 一污泥处理处置高昂的投资及其运行费用，使得国内 大部分污水处理厂未对污泥进行稳定处理或处理工艺的配套设施不完善，也有些 建有完善污泥处理设施的污水处理厂因其运行费用较高而难以正常运行。 面对上述当前污泥处理遇到的重重困难，应将污泥管理的重心前移到“源头 控制”、“源头分流”，污泥处理应当遵循减量化为主，资源化和末端处置为辅， 这将成为今后城市污泥处理发展的主流。但值得注意的是，采用的减量化技术必 须以不影响污水的处理为前提1 2 j 。 1 2 剩余污泥的减量技术 污泥减量化是在2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥处置的新概念，是在对剩 余污泥资源化基础上进一步提出的要求。 解决剩余污泥处理与处置的首要原则就是污泥减量化，它包含两方面的含 义：减少污泥产生量( 污泥减质) 和减少污泥容积( 污泥减容) 。污泥的减质与 减容有着本质的区别。污泥减质是通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理 系统向外排放的生物固体量达到最少，主要是依靠降低微生物产率以及利用微生 物自身内源呼吸进行氧化分解等，在污水生物处理过程中减少污泥的产生量，所 以减量是从根本上、实质上减少污泥量。污泥减容是通过降低污泥的含水率来缩 天津大学硕士学位论文第一章综述 小污泥的体积，而污泥中生物固体( b i o m a s s ) 量几乎得不到减少。这种传统的污泥 末端处理技术，不但处理费用昂贵，增加了污水处理厂的建设和运行成本，而且 无法从根本上减少污泥的干物质量，对后续的污泥最终处置依然带来巨大压力。 因此，近年来，越来越多的研究开始着眼于从源头上减少剩余污泥产生量，与之 相应的源头污泥减量( 污泥减质) 技术研发也日益成为国内外的研究热点。 一般来讲，污泥的表观产率系数( 只如) 和污泥停留时间( 矽。) 有的关系如 式( 1 ) 所示。式中圪。是污泥的最大产率系数，尼是污泥死亡率。式( 1 ) 表明提高 污泥的停留时间和污泥死亡率、降低污泥的产率有助于降低污泥的表观产率系 数。 士：士+ 警 ( 1 ) 一= 一+ k o ii i 艺缸y 觚k 据上述原理，目前从源头上减少污泥产生量( 污泥减质) 的技术可分为五类 1 2 - 3 1 ：( 1 ) 溶胞一隐性生长。通常采用物理、化学方法或它们相结合的方法使细 胞溶解，然后引起微生物的隐性生长，从而导致污泥产量的减少；( 2 ) 内源呼吸。 延长污泥龄或降低污泥负荷使细菌处在内源呼吸阶段来减少剩余污泥的产量； ( 3 ) 解偶联代谢。通过增加分解代谢和合成代谢之间的能量( a t p ) 差异，使供 给微生物合成代谢的能量变得有限，从而减少剩余污泥的产量：( 4 ) 生物捕食。 根据生态学原理，食物链越长，能量损失越大，则产生的生物量也越低；( 5 ) 好 氧一厌氧反复耦合技术。上述不同污泥减量技术的优缺点见表卜1 【4 】： 表1 - 1 目前各种污泥减量技术的优缺点比较 天津大学硕士学位论文 第一章综述 在这五类污泥减量技术中，虽然延时曝气工艺是一种低负荷工艺，操作简单， 但该工艺具有显著的不足：首先，它的曝气池的池容和设备是中、高负荷活性污 泥工艺的几倍，相应地其占地面积和投资要高几倍；其次，延时曝气对污泥采用 好氧稳定法，能耗比中、高负荷活性污泥工艺要高4 0 - 5 0 左右，带来了直接运 行费的增加。因此，对于我国这样一个资源不足、人口众多的发展中国家，是否 适合大规模推广这种低负荷的延时曝气活性污泥工艺是值得推敲的问题。目前， 溶胞一隐性生长法( 污泥减量效果显著) 、生物捕食法及好氧一厌氧反复耦合技 术( 经济和环境友好) 得到愈来愈多的关注。由于后二者分解污泥的时间较长， 其主要原因是污泥中细菌的细胞壁溶解消化需要较长的时间，因此它们和人工强 化的溶胞技术结合，有望促进剩余污泥的快速高效溶解和降解，最终使污泥有机 成分完全矿化，实现污泥的减量化。 利用各种溶胞技术，使微生物绌胞能够迅速溶解并成为微生物町以利用的底 物再次被其他微生物所利用，是污泥减量过程中广为应用的手段。它包括溶胞和 生物转化两个阶段，溶胞是速率限制步骤。因此，高效低成本污泥细胞溶解及其 降解转化技术是实现剩余污泥减量化的关键所在。目前促进污泥细胞溶解的方法 剂4 。5 j ：( 1 ) 化学法：高级氧化如臭氧、氯气、湿式氧化等以及酸或碱处理；( 2 ) 物理法：加热、超声波、微波、球磨、高压均质和剪切均质；( 3 ) 生物方法：酶 处理：( 4 ) 上述三种方法的集成，以物化法居多，如热处理与酸处理的组合，超 声波与碱处理的组合。在这些技术中，臭氧技术与超声波技术已成功地应用于规 模化的污泥减量处理。 超声波污泥减量化是一种目前为止最先进的污泥可溶化回流减排技术，能让 污泥中的微生物体外多糖类物质溶解，并将其细胞壁打破，使细胞内营养基质、 碳源、生物酶、r n a 、d n a 、碳水化合物等释放出来，作为微生物的营养源被 分解，另外也把难降解的、颗粒态c o d 转化为低分子的、易被生物降解的c o d ， 然后将其回流至污水处理系统生物处理段的缺氧段中，有效补充生物处理过程中 所需的碳源，不但达到强化生物脱氮除磷的目的，而且可实现污泥的零排放或减 少污泥的排放量的目的。同时也可做为污泥减量厌氧消化工艺和污泥脱水的预处 理而大幅度减少污泥消化时间和泥饼含水率。“超声波污泥减量化系统”是一种 洁净的污泥处理技术，能够从源头上减少生物固体量，减少复杂的污泥后处理设 备。可以和其它的污泥减量化工艺( 如氧化工艺等) 联合使用，不影响污水处理 的整体工艺和效果。 天津大学硕士学位论文第一章综述 1 3 污泥的预处理技术与研究现状 干燥剩余污泥中微生物细胞质量分数高达4 0 ，坚固的细胞壁严重阻碍污 泥的消化速率和效果【6 1 。因此，在消化前往往采用各种技术手段对污泥进行破壁 或溶胞处理。 1 3 1 污泥预处理的主要方法 污泥固体细胞分解和胞内生物大分子水解为小分子，是厌氧消化的限速步 骤，因此提高厌氧消化效率的一个主要途径是促进污泥细胞的分解，增强其生物 可降解性。目前有几种促进污泥分解的方法：( 1 ) 物理法：热解、冷冻处理、高 压喷射、超声波法等；( 2 ) 化学法：酸或碱处理。( 3 ) 氧化法：臭氧氧化；( 4 ) 生物 法：酶处理；( 5 ) 辐照法。在这些技术中，臭氧技术与超声波技术已成功地应用 于规模化的污泥减量处理。 热水解法 污泥的热水解预处理技术的机理是随着热水解温度的升高，污泥的水解速率 和水解程度增大，低分子有机物和有机酸浓度增加，因此，经过热水解预处理的 污泥容易厌氧消化，性能得到改善，污泥经过1 7 0 、3 0 m i n 的热水解预处理后， 上清液容易厌氧消化，s c o d 去除率达到8 9 5 ，同时悬浮固体的厌氧消化性能 也得到提高，t c o d 去除率为4 4 4 7 。但是热水解温度过高时，生成的中间产 物在一定程度上抑制厌氧消化。最合适的热水解条件为17 0 、3 0 m i n ，此时后 续厌氧消化污泥巾的沼气产率从热水解前的1 6 0 m l g 。1 提高到2 5 0m l g 1p 】。 冷冻处理法 冷冻处理法是将污泥降温至凝固点以下，然后在室温条件下融化的处理方 法。通过冷冻形成冰晶再融化的过程胀破细胞壁，使细胞内的有机物溶出，同时 使污泥中的胶体颗粒脱稳凝聚，颗粒粒径由小变大，失去毛细状态，从而有效提 高污泥的沉降性能和脱水性能，加速污泥厌氧消化过程的水解反应。w a n gqh 等人对活性污泥分别在一1 0 c ，- - 2 0 和一8 0 条件下进行冷冻法处到9 1 ，发现 经处理后污泥中溶出的蛋白质和碳水化合物总量远远高于未经处理的污泥，结果 表明在较高的凝固点下( 一1 0 。c ) 条件下，污泥的冷冻速度相对较慢，对细胞的破 壁效果更为显著，污泥消化后的产气量提高约2 7 。冷冻处理法受自然条件限制 较大，在寒冷地区具有一定的应用前景。 天津人学硕士学位论文第章综述 高压喷射法 高压喷射法是利用高压泵将污泥循环喷射到一个固定的碰撞盘上，通过该过 程产生的机械力来破坏污泥内微生物细胞的结构，使得胞内物质被释放出来，从 而显著提高污泥中蛋白质的含量，促进水解的进行。c h o ihb 等人研究了经过 3 m p a 高压喷射预处理的污泥的厌氧消化过程【i o 】，试验结果表明，2 - - 2 6 天停留 时间的厌氧消化后，污泥中挥发性固体( v s ) 的去除率达到1 3 - - 5 0 ，而对照组 污泥( 未经过预处理) 在相同的试验条件下，v s 的去除率仅达到2 - - - 3 5 。可见 高压喷射法明显有利于污泥厌氧消化的进行。为了进一步弄清高压喷射法对污泥 作用的具体机制，n a h1w 等人【】通过试验发现，经过高压喷射法预处理污泥的 s c o d ，总有机碳和蛋白质浓度能由处理前的1 0 0 - - 2 1 0 m g l ，8 0 - - 1 3 0 m g l 和 6 3 - 8 5 m g l 以分别升高至7 6 0 - - - 9 4 7m g l ，5 6 0 - - 9 2 0m g l - 1 和1 2 0 - - - 2 1 0m g l ， 同时，污泥的碱度，氨氮和总磷含量也有所上升，而s s 浓度却略微下降，由此 证实了高压喷射法对改善污泥消化性能的有效性。 然而，高j 玉喷射法处理污泥过程的机械能损失较大，当所用设备的能耗为 1 8 1 0 4 k j k g s s 时细胞裂解程度仅为2 5 ，所以该方法在实际的工程应用中难以 推广。 超声波法 超声波处理法是将生物化学领域用以破碎细胞的超声波技术应用到污泥的 预处理上来，破坏微生物细胞的细胞壁，使得细胞内的有机质释放出来，从而促 进污泥水解和消化的进行。 超声波技术具有无污染、能量密度高、分解速度快等特点，与其他方法相比， 具有在短时间内有迅速释放细胞内物质的优势，但在促进细胞破碎后固体碎屑的 水解却不如添加碱和加热方法，同时，超声波的作用受到液体的许多参数( 温度、 粘度、表面张力等) 和超声波发生设备的影响，在短时间内还难以投入大规模的 工程化应用f 。 加碱处理法 加碱处理法就是在常温条件下，通过加碱( n a o h 、k o h 或c a ( o h ) 2 ) 来促进 污泥中一些纤维成分溶解的方法。碱的作用是在抑制细胞活性的同时，溶解细胞 壁，释放细胞内物质，使其易于被其他活性污泥利用。碱处理法的优点主要体现 在：增加污泥c o d 和v s 的降解率，增大产气量，提高产气中甲烷含量；缩短 污泥厌氧消化的周期；同时调节污泥的p h ，使其处于适宜于厌氧消化的p h 控 制范围。但在另一方面，加碱预处理过程中会产生一些抑制厌氧消化反应和一些 天津人学硕士学位论文 第一章综述 难溶性的物质，而n a + 和o h 两种离子自身也是厌氧消化的抑制剂，因此最合理 的碱投加量及碱处理法的负面效应尚待进一步深入的研究”】。 臭氧氧化法 臭氧作为一种强氧化剂，可以通过直接或间接的反应方式破坏污泥中微生物 的细胞壁，使细胞质进入到溶液中，增加污泥中溶解性总有机碳的浓度，提高污 泥的厌氧消化性能。间接反应取决于寿命较短的羟基自由基，直接反应速率很低， 取决于反应物的结构形式。s c h e m i n s k ea 等利用消化后的干污泥进行了试验【1 4 】， 在臭氧投量为0 5 9 0 3 g 干污泥时，污泥中6 0 的固体有机组分可以转化为可溶 解的物质，其中污泥中的蛋白质含量可以减少9 0 。s o h nkd 纠1 5 】证实，臭氧 与污泥反应时破坏了细胞壁而使蛋白质从细胞中释放出来。凝胶渗透色谱分析表 明，被污泥溶液稀释了的蛋白质又继续与臭氧发生反应而被分解，由于氧化分解 反应的速率很高，因此在氧化后的污泥液中测不出蛋白质浓度的增加。另外，臭 氧与不饱和脂肪酸进行直接或间接反应形成可溶于水的短链片段。由于臭氧与微 生物反应破坏了细胞壁，释放出细胞质，同时也将不溶于水的大分子分解成溶于 水的小分子片断。当臭氧投加量为0 3 8 9 0 3 1 9 干污泥时，污泥中4 0 的有机碳转 化到污泥液中，致使氧化后污泥中的s c o d 增加到2 3 0 0m g l ；氧化后污泥的 基质构成也发生了显著的变化，处置前干污泥的蛋白质含量为1 6 ，处置后降到 6 【l6 1 。 生物酶技术 生物酶技术是指向污泥中投加能够分泌胞外酶的细菌，或直接投加溶菌酶等 酶制剂( 抗菌素) 水解细菌的细胞壁，达到溶胞的目的，同时这些细菌或酶还可以 将不易生物降解的大分子有机物分解为小分子物质，有利于厌氧菌对底物的利 用，促进厌氧消化的进行。这些溶菌酶可以从消化池中直接筛选，也可以选育特 殊的噬菌体和具有溶菌能力的真菌。a z i z e 和a y o l 向污泥中投加溶菌酶使其浓度 达到1 0 m g l 进行预处理f 1 7 】，结果发现污泥中游离的固体含量占聚合体总量的比 例由处理前的2 6 提高到4 8 。而且，随着溶菌酶量的增加，污泥中蛋白质和 多糖浓度随之降低，说明溶菌酶能有效地溶解这些难以水解的高分子物质，使污 泥的脱水性能和消化性能在很大程度上得以提高和加强。b a r j e n b r u c hm 等人利 用溶菌酶对污泥进行预处理试验l l 引，结果证实了溶菌酶预处理能有效促进污泥 中有机物的降解，甲烷产率提高1 0 左右。投加生物酶的溶胞技术是一项新兴的 生物处理技术，目前仍处于试验研究阶段，需进一步优化和完善，但由于该项技 术经济、廉价、无二次污染的优势，已引起越来越多的关注。 天津人学硕士学位论文第章综述 1 3 2 各种方法比较 在物理法细胞破碎溶解的方法中，超声波法操作简单，污泥降解速度快，稳 定、安全，并可与其它水处理技术相结合，为低成本污泥减量化技术开发开辟了 一条新的途径。超声波是通过超声空化作用产生的局部高温、高压和极强的剪切 和射流作用破坏微生物细胞壁，释放胞内物质。该技术由于具有无污染、能量密 度高、分解污泥速度快等特点目前被广泛应用于污泥处理过程【域2 1 。超声空化所 产生的高温、高压和冲击波可以增大液固界面的湍动程度以及细胞聚合物链段的 活动性，不仅能使污泥絮体解体，而且改变细胞的可渗透性，同时在碱的作用下 可以使细胞壁溶解，释放出其中的有机质物质，这些作用有利于污泥的隐形生长， 提高污泥的减量化效果。w a n ge ta ll 2 3 】在研究污泥厌氧消化产甲烷的效果中指出 超声波溶胞、热处理和冷冻处理三种方法的效率从高到低顺序为：超声波溶胞( 频 率9 k h z ，2 0 w ，3 0 m i n ) 热处理( 1 2 0 ，3 0 m i n ) 冷冻处理( 1 0 c ，1 5 h ) 。 臭氧是高效的无二次污染的氧化剂。据报道，在高压分解、热处理和臭氧氧 化分解细胞等万法中，臭氧氧化是细胞溶解效率最高的方法。y a s u i 等人首先提 出将剩余污泥用臭氧氧化后返回到曝气池可以从总体上实现污泥减量化，对于 b o d 负荷为5 5 0k g - d - 1 的装置，运行1 0 个月没有剩余污泥排出1 2 4 1 。目前，臭氧应 用于剩余污泥减量存在一些急待解决的瓶颈问题。一是由于臭氧在水中溶解性较 差，臭氧的利用率不高，加上臭氧的发生成本较高，导致臭氧处理的费用较高； 二是臭氧处理污泥的溶胞效率普遍不高( 一般在2 0 - - 4 0 ) 。要想得到较高的溶 解效率，通常需大大提高臭氧的投加量，这势必增加运行费用。这些问题限制了 臭氧在实际剩余污泥减量化中的应用，急需开发能强化臭氧溶解污泥细胞效率的 突破性技术。 2 0 世纪4 0 年代以来，微波辐射加热技术取得了很大发展，它能快速有效地加 热物体，目前主要应用于食品加工、木材干燥、塑料、橡胶处理及陶瓷的固化等。 近年来微波辐射加热技术在环境污染治理方而正逐步得到应用，主要包括污染土 壤的修复、废物处理、污水处理、活性炭再生和废气处理等领域。与传统的加热 技术相比，微波辐射加热技术具有如下优点：( 1 ) 高效快速：( 2 ) 节能省电；( 3 ) 热源与加热材料不直接接触；( 4 ) 能进行选择性加热；( 5 ) 便于控制：( 6 ) 设备体 积小且无废物生成。近年来微波辐射加热技术应用于污泥处理的研究日益增多， 主要集中在污泥脱水、灭菌、提高污泥厌氧效率、污泥高温裂解等方面，而应用 在污泥减量方面的研究偏少。利用微波辐射加热技术处理剩余污泥溶胞效果好、 效率高，可将其应用于污水生物处理过程的污泥减量，但需要深入、系统的研究。 国内学者在证明了上述结论的基础上，对其进行相关经济分析后指出，微波技术如 天津大学硕上学位论文第一章综述 果直接用于污水污泥的干燥处理，将由于经济上nn 受到限制2 5 筇】。 1 4 超声波预处理的研究现状 目前，国内外关于污泥超声减量化的研究主要在于超声条件对促进污泥厌氧 和好氧减量化的影响，以及超声对污泥的物理、化学和生物性质的影响。广东工 业大学的林楚娟1 27 j 等认为：“今后对超声处理污泥的研究将着重于以下几个方 面：( 1 ) 对超声波破解污泥的机理和动力学的进一步研究；( 2 ) 超声波对不同污 水处理联合工艺中污泥破解的影响研究；( 3 ) 超声波也其他污泥处理工艺技术联 用对污泥减量化的研究：( 4 ) 超声反应器的设计及实际参数的优化。 1 4 1 超声波破解污泥的作用机理 超声波是指频率从2 0 k h z 到1 0 m 这个波段范围内的声波 2 8 1 。不同波段的 超声波在污泥中可以产生不同的作用。超声波在低频范围内尤其适合处理污泥。 低频作用下的污泥不断被压缩和膨胀，内部可产生共振空化气泡，且不断成长。 随着超声波作用时间的增长，在微观环境里空化气泡渐渐长大。当长到一定极限 时，最终共振“内爆”，内部产生超高温( 5 0 0 0 k ) ，高压( 5 0 x 1 0 4 k p a ) ，同时产生的 强力水喷射流形成巨大的水力剪切力，实现对污泥絮体结构与污泥中微生物细胞 壁的巨大破坏【2 9 】。另外，超声波对细菌还能产生一种海绵效应，使水分更易从 波面传播产生的通道通过，从而使污泥颗粒团聚、粒径增大，当其粒径达到一定 程度，就会做热运动相互碰撞、粘结，最终沉淀。超声波污泥处理设备的就是利 用了这些原理，为好氧或厌氧反应提供了有利的条件，改善污泥的脱水性能1 3 训。 污泥由水和固体成分组成，固体成分中的可降解有机物含量一般在4 0 ，难 降解有机物含量一般在2 0 ，矿物质含量在4 0 。超声波发挥作用的目标主要 是前两部分成分，使之被摧毁、转化、降解。超声破解污泥的主要途径有1 3 1 - 3 3 1 ： ( 1 ) 水力剪切力的机械作用；( 2 ) 进入空化气泡的水蒸气分子，在超声作用下生成 自由基h 和o h ；( 3 ) n 2 存在时，空化气泡内的n 2 发生热分解反应，生成自由基 n ；( 4 ) 0 2 存在时，空化气泡内的0 2 发生热分解反应，生成自由基o ；( 5 ) 挥发 性疏水物质的热分解作用；在超声破解污泥过程中，污泥温度升高，污泥微生物 细胞升温后，细胞质膜中的受热易分解的脂类溶解，使膜产生小孔，细胞内含物 流出，导致污泥破解，水相中溶解性化学需氧量( s c o d ) 增加。由于污泥中挥发 性疏水物质含量甚微，所以可忽略第5 种反应途径。此外，由于污泥溶液中o h 的生成量远高于h 、o 及h o o ，所以在自由基氧化反应中，主要考虑o h 自由 基与污泥的反应p 引。 天津人学硕士学位论文第一章综述 1 4 2 超声波处理污泥的国内外研究现状 ( 1 ) 国内研究现状 曹秀芹等主要研究超声处理后剩余污泥性质的变化，探讨了污泥上清液中 s c o d 、b o d 、t n 、t p 以及污泥耗氧速率o u r 等随超声时间和声能密度的变 化【3 4 1 ，试验发现污泥上清液中s c o d 、氮、磷等大幅上升，同时胞内释放物质具 有良好的生化降解性能，不同声能密度下s c o d t c o d 、b o d 5 s c o d 、o u r 区 别不大。 薛玉伟等以污泥溶解性化学需氧量增加值和污泥破解度为评价参数，通过超 声破解不同性质污泥试验，得出污泥的初始温度、p h 和污泥浓度等参数对污泥 破解效果起重要作用1 3 引。 曾晓岚等1 3 6 j 以声能密度为5 0 w l 的低能量超声波对活性污泥进行不同时间 的辐射，在辐射停止时及停止后的一段时间内分别测定了污泥的o u r 、蛋白酶 活性和脱氢酶活性。结果表明，适当的低能量超声波辐射可显著提高污泥活性， 其中辐射1 0 m i n 后的污泥o u r 值较作用前提高了1 2 9 ，蛋白酶活性提高了 2 3 7 ，脱氢酶活性提高了2 4 6 。 王芬和季民研究了超声破解含固率为o 5 与1 污泥的性能，并比较了超 声破解2 种含固率污泥的效果1 37 1 。结果表明，在一定声能密度下，s c o d 增加值 随时间延长线性增长。即在一定试验时间范围内，污泥破解反应相对于时间符合 一级反应动力学规律。但是，在较高声能密度与较低污泥浓度下，s c o d 增加值 随时间延长不再呈线性增长趋势，而是随超声作用时问的延长，增长速度减缓。 在相同比能耗下，破解含固率为1 污泥的s c o d 增加值明显大于含固率为0 5 污泥值。他们还通过投加自由基消除剂n a h c 0 3 屏蔽自由基氧化作用的方法， 研究了超声破解污泥的主要途径以及各途径对超声破解污泥的贡献p8 | 。结果发 现，声能密度为0 0 9 6 w m l 时，超声破解污泥的主要作用力是水力剪切力，羟 基氧化几乎不起作用；声能密度为0 3 8 4 w m l 时，水力剪切力与自由基氧化在 超声破解污泥反应中所占的比例分别为8 0 8 5 与1 9 1 5 ；声能密度为0 7 2 w m l 时，水力剪切力与自由基氧化在超声破解污泥反应中所占的比例分别为7 4 1 4 与2 5 8 6 。 龙腾锐等【3 9 】研究了不同工况下超声波对活性污泥活性的影响，指出在不同 的频率、声能密度、作用时间下多水平均匀试验和正交试验，并确定了相对最佳 的参数组合。他们认为2 8 k h z 、2 0 w l 、2 m i n 的参数组合的超声作用对污泥处理 效果最理想。并且最佳参数组合下的m l s s 值为3 0 0 0 m g l 。马守贵、许红林】 等对超声波促进处理剩余活性污泥进行了中试研究，研究表明，当超声波频率为 2 8 7 k h z 、输出电压为7 0 v ，作用时间为2 m i n 时，污泥滤饼含水质量分数比未经 天津大学硕上学位论文第一章综述 超声波作用的降低2 ，体积减少8 ，污泥的脱水效果最佳。当输出电压为1 5 0 v 作用时间6 0 m i n 时，污泥厌氧消化时间比传统方法缩短2 0 d 。大功率、长时间有 利于促进厌氧消化，达到污泥减量的目的。 超声波亦可以和其他处理方法联用，如沈劲锋【4 l 】将超声波与阳离子型聚丙 烯酰胺联用调理剩余活性污泥的研究性能，加快了过滤速率。污泥脱水性能得到 了改善，污泥含水率降低约两个百分点。g r 6 n r o o s a 等1 4 2 】考察了超声波与氧化剂 联用处理污泥对污泥厌氧消化性能的影响。李绍峰【4 3 】等研究了超声波树脂联用 法提取活性污泥中的胞外聚合物。 ( 2 ) 国外研究现状 早在1 9 2 9 年就有关于超声波化学效应的报道。以往，超声波技术主要应用 在医疗诊断、钻孔、探伤等领域，己在经济中发挥了很好的作用。而利用超声波 技术处理环境中的污染物是近年来发展起来的一个新兴领域，也是国内外专家新 近开展的研究课题m