工業(yè)廢水與生活污水處理后產(chǎn)生的污泥含水量很高（接近98%）、容易腐爛、有強(qiáng)烈的臭味，并且還含有多種污染物質(zhì)。該污泥的處理費(fèi)用很高，按現(xiàn)有的處理工藝技術(shù)一般約占污水處理廠總運(yùn)行費(fèi)用的15%~30%，占總投資10%~25%，致使一些污水處理廠將污泥直接排放，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。污泥處理處置已成為困擾污水處理廠和全社會(huì)的重大問題，其關(guān)鍵是含水量過高，經(jīng)機(jī)械脫水后仍有80%的含水率，后續(xù)處理處置十分困難。所以，開發(fā)新的預(yù)處理工藝，提高污泥脫水率、促進(jìn)后續(xù)生物處理成為解決污泥問題的關(guān)鍵。利用超聲波對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理可強(qiáng)化有機(jī)部分的生物轉(zhuǎn)化，加快細(xì)胞溶解破裂 [1]，用于污泥回流系統(tǒng)時(shí)可強(qiáng)化細(xì)胞可溶解性，降低剩余污泥的量，用于污泥脫水設(shè)備時(shí)，有利于污泥脫水污泥減量并且最終減少處理費(fèi)用。

1 污泥的超聲破解及脫水機(jī)理

污泥中所含水分形態(tài)，盡管不同的文獻(xiàn)有不同的分類，但一般都認(rèn)為有4 種存在形態(tài)[2]，即表面吸附水、間隙水、毛細(xì)結(jié)合水和內(nèi)部結(jié)合水。不同性質(zhì)的污泥脫水的難易程度差別很大，應(yīng)根據(jù)其脫水性能，選擇合適的方法，才能取得良好的效果。因此，測(cè)定污泥的脫水性能，對(duì)選擇脫水方法具有重要意義。目前污泥脫水最常用的方法是過濾，主要有2種表征過濾脫水性能指標(biāo)：① 毛細(xì)管吸附時(shí)間（CapillarySuction Time，CST）。一般來(lái)講，CST 時(shí)間愈短，污泥的脫水性能愈好；②污泥比阻抗值。比阻抗值越大的污泥，越難過濾，脫水性能也越差。通常需采取必要的調(diào)理方法對(duì)其改性，傳統(tǒng)的污泥調(diào)理多采用絮凝調(diào)理法，即利用絮凝反應(yīng)改變污泥顆粒的大小和結(jié)構(gòu)，減少菌膠團(tuán)的結(jié)合水量，從而有利于后續(xù)脫水過程，將超聲用于污泥調(diào)理則是近年來(lái)研究者較多關(guān)注的新領(lǐng)域。已有研究表明，適當(dāng)?shù)某曌饔每筛淖兾勰囝w粒的表面物化特性、減小污泥結(jié)合水量及過濾比阻，從而使得污泥脫水性能得以改善。超聲波的頻率范圍一般為20×103~10×106 Hz，當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波作用于某一液體系統(tǒng)中時(shí)，將產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，并明顯改變液體中的溶解態(tài)和顆粒態(tài)物質(zhì)的特征。這些反應(yīng)是由聲場(chǎng)條件下大量空化泡的產(chǎn)生和破滅引起的。超聲空化是指在很高的聲強(qiáng)下，特別是在低頻和中頻范圍內(nèi)，液體中將產(chǎn)生大量空化泡，它們隨聲波改變大小并最終在瞬間破滅。氣泡破滅時(shí)，將產(chǎn)生極短暫的強(qiáng)壓力脈沖，并在氣泡及其周圍微小空間形成局部熱點(diǎn)，產(chǎn)生高溫（5 000 K），高壓（100 MPa）和具有強(qiáng)烈沖擊力的微射流。當(dāng)空化發(fā)生時(shí)，液體中產(chǎn)生很高剪切力作用于其中的物質(zhì)上，同時(shí)伴隨發(fā)生的高溫、高壓并將產(chǎn)生明顯的聲化學(xué)反應(yīng)。在水溶液中，發(fā)生空化時(shí)產(chǎn)生的主要影響有：①很高的流體剪切力；② 自由基反應(yīng)及化學(xué)轉(zhuǎn)化；③ 揮發(fā)性疏水物質(zhì)的熱分解。為了考察超聲波破解污泥是空化作用時(shí)氣泡破滅產(chǎn)生的水力剪切力的作用，還是自由基反應(yīng)引起的細(xì)胞分解，王芬等[3] 研究了超聲破解污泥的結(jié)果表明，超聲破解污泥主要作用途徑是水剪切力的機(jī)械作用，這與超聲處理難降解生物廢水中有機(jī)物機(jī)理有所不同。

2 污泥脫水的超聲處理

污泥的脫水性能很大程度取決于污泥的結(jié)構(gòu)。改變污泥的結(jié)構(gòu)可以大大提高污泥的脫水性能，污泥量也會(huì)大幅度減少。菌膠團(tuán)具有良好的保水性，內(nèi)部包含水約占總水量的25%，這些菌膠團(tuán)使污泥水分難以脫除，利用超聲波可以破壞菌膠團(tuán)。聲能密度為0.11~0.22 W/mL 的超聲波處理可以破壞菌膠團(tuán)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，使菌膠團(tuán)內(nèi)部包含水排出，同時(shí)保持較大的污泥顆粒，污泥的沉降性有所提高[4]。而且超聲波在水中產(chǎn)生的各種效應(yīng)受頻率影響很大，低頻（＜100 kHz）機(jī)械效應(yīng)較好，高頻化學(xué)效應(yīng)較強(qiáng)，由于污泥處理主要利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)，因此低頻下效果較好。41、207、360、616、1 068、3 217 kHz 下的超聲波處理污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)的效率隨著超聲波頻率的升高而降低，41 kHz 下處理效率是3 217 kHz下處理效率的9.7倍，因此污泥處理中通常利用不超過40 kHz的超聲波。

對(duì)于大量污泥的處理，超聲技術(shù)可作為一種預(yù)處理技術(shù)與其他方法如厭氧、好氧處理技術(shù)聯(lián)用，然而對(duì)于每一種應(yīng)用，超聲能量輸入和細(xì)胞分解程度及厭氧消化時(shí)間都有優(yōu)化組合。Ying•Chih Chu 等[5]研究了超聲與堿解聯(lián)合破解污泥的效果，實(shí)驗(yàn)得出投堿和超聲波同時(shí)作用比單獨(dú)的投堿處理效果更高。據(jù)有關(guān)報(bào)道，德國(guó)利用超聲波進(jìn)行污泥減量已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段[6]，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究基本上處于初步實(shí)驗(yàn)研究階段，仍需進(jìn)一步爭(zhēng)取進(jìn)入實(shí)用階段。污水污泥處理中常采用絮凝技術(shù)，這是一種處理效率高、既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單的物化處理技術(shù)。絮凝劑已成為污泥脫水的首要選擇，很多文獻(xiàn)表明，添加絮凝劑是對(duì)污泥有效的處理方式�；瘜W(xué)調(diào)理過程本身就是化學(xué)反應(yīng)過程，超聲波對(duì)均相和非均相反應(yīng)體系一般都有強(qiáng)化效果，也促進(jìn)了絮凝劑水解、凝聚和絮凝過程的進(jìn)行[7]。JanuaryBBien等[8]認(rèn)為超聲波能改變作為絮凝劑的高分子電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而提高脫水性能。表面電勢(shì)是衡量脫水性能的一個(gè)重要參數(shù)，在污泥中加入高分子電解質(zhì)可以改變其表面電勢(shì)。超聲波作用高分子電解質(zhì)一定時(shí)間，可以使電解質(zhì)分支減少，鏈節(jié)變短，更有利于脫水。另外，超聲對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，還可以縮短厭氧發(fā)酵時(shí)間[9]，減少絮凝劑的使用量。 Wolny 等[10] 的研究表明，通過超聲場(chǎng)的作用對(duì)脫除污水污泥中的水含量有明顯的作用。超聲的作用是改變高分子電解質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)超聲時(shí)間和頻率選擇合適時(shí)，可提高脫水的效率，不過這個(gè)時(shí)間的選擇根據(jù)高分子電解質(zhì)的類型會(huì)不同。在超聲處理15 s后添加聚合高分子電解質(zhì)3 mg/g，可以使污泥的體積減少至原來(lái)的50%。超聲處理5~10 min時(shí)活細(xì)菌數(shù)量大大減少。超聲作用幾十秒，就可以減少絮凝劑用量的50%，污泥脫水后的體積比無(wú)超聲處理的減少65%。超聲波促進(jìn)脫水的常見工藝為：城市污泥- 重力沉降-超聲波處理-機(jī)械脫水。超聲波能有效的破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，將其中內(nèi)部包含水釋放成為可以比較容易去除的水分。E.Riera-Francode Sarabia等[11]把高能超聲運(yùn)用到分離過程中，以促進(jìn)流體/ 固體顆粒的分離。他們指出，盡管在液態(tài)懸浮體系中，團(tuán)聚作用不如氣體中明顯，然而超聲能量可以有助于高濃度細(xì)小顆粒體系比如料漿和污泥的脫水。他們的研究顯示，頻率在10 和20 kHz 下，超聲可以促進(jìn)過濾過程固、液的分離。

白曉慧等[12]認(rèn)為采用超聲波處理污水和污泥是可行的。超聲對(duì)混凝也有一定的促進(jìn)作用，當(dāng)超聲波通過有微小絮體顆粒的流體介質(zhì)時(shí)，其中的顆粒開始與介質(zhì)一起振動(dòng)，但由于大小不同的粒子具有不同的振動(dòng)速度，顆粒將相互碰撞、粘合，體積和質(zhì)量均增大。當(dāng)粒子變大已不能隨超聲振動(dòng)時(shí)，只能做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)碰撞、粘合、變大，最終沉淀。他們還指出破解污泥需低頻、高強(qiáng)度超聲波，對(duì)每一種應(yīng)用，對(duì)于超聲能量輸入和細(xì)胞分解程度及厭氧消化時(shí)間都有必要進(jìn)行優(yōu)化組合。韓萍芳等[13]初步研究了超聲波處理污泥的影響因素，大功率超聲波可以降解生物污泥，釋放出其中的有機(jī)物，小功率超聲波能夠改善污泥的膨脹特性，提高污泥沉淀特性和脫水能力，降低污泥的含水率，達(dá)到減量的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)合使用絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）和抽濾手段，20 kHz的超聲波在輸入功率為44 W的條件下處理剩余污泥90 s就可以使污泥的干基含水率從15.978 降到6.2 g/g。張光明等[14]較全面的介紹了超聲波處理污泥的效果，以及目前取得的研究進(jìn)展。在適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，超聲波可以迅速改變污泥結(jié)構(gòu)，釋放菌膠團(tuán)包含水從而促進(jìn)污泥減量化和穩(wěn)定化。高強(qiáng)度的處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氣產(chǎn)量。

殷絢等[15]研究了污泥的脫水性與其結(jié)合水的含量關(guān)系，根據(jù)Heukelekian 和Weisberg’s 的理論，結(jié)合水含量可以通過膨脹計(jì)法測(cè)得，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較小聲強(qiáng)超聲波（＜600 W/m2）處理較短時(shí)間有利于減少污泥的結(jié)合水，但是加大聲強(qiáng)以及延長(zhǎng)處理時(shí)間效果變差，其機(jī)理可能是超聲波促混凝作用和細(xì)胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）對(duì)污泥顆粒團(tuán)聚作用的共同結(jié)果。平均聲強(qiáng)400 W/m2左右，超聲處理2~4 min，可以使污泥的結(jié)合水含量（以干基計(jì)）由原來(lái)的16.7 降到2.0 g/g 以下。同時(shí)殷絢等[15]307 研究了超聲對(duì)污泥脫水性能的影響，在污泥板框壓濾實(shí)驗(yàn)中，利用超聲結(jié)合絮凝劑PAM處理污泥的方法，對(duì)比了有、無(wú)超聲對(duì)污泥壓濾脫水的效果，研究結(jié)果表明：超聲可以降低污泥含水率，使其從最初含水率近98%減少到81%，污泥的體積減少為最初的1/10。超聲聲強(qiáng)為410W/m2，超聲處理時(shí)間2.5 min 為較優(yōu)處理?xiàng)l件，同時(shí)絮凝劑的使用量（以干基計(jì)），從0.17%降至0.16%。

3 影響污泥脫水超聲處理的因素

3.1 超聲場(chǎng)的影響

3.1.1 頻率、功率的影響

目前，多數(shù)超聲破解污泥的試驗(yàn)是在18~25 KHz范圍內(nèi)開展的，經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)應(yīng)使用頻率較低的超聲波。超聲功率對(duì)污泥的處理效果有很大影響。韓萍芳等[13]133 研究了超聲功率對(duì)污泥脫水效果的影響，由其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，大功率超聲波可以降解生物污泥，釋放其中有機(jī)物；小功率超聲波能夠改善污泥的膨脹特性，提高污泥沉淀特性和脫水能力，達(dá)到污泥減量的目的。同時(shí)也研究了超聲處理時(shí)間對(duì)污泥脫水效果的影響以及對(duì)污泥釋放有機(jī)物的影響并指出在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)污泥脫水及釋放有機(jī)物的效果，綜合考慮超聲處理時(shí)間及功率的大小。

3.1.2 聲能密度、聲強(qiáng)的影響

聲能密度是影響破解速度與反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。目前，研究所涉及的聲能密度范圍主要集中在0.11~10 W/mL。一般說(shuō)來(lái)，污泥的破解速率隨著聲能密度的增大而增加，但是也存在著最優(yōu)值問題。聲強(qiáng)也是影響超聲破解污泥的一個(gè)重要因素。目前研究所涉及的聲強(qiáng)范圍為0.11~100 W/cm2。一般而言，污泥破解速度隨著聲強(qiáng)的增大而增大。Lorimer[16]研究認(rèn)為，在水中產(chǎn)生超聲空化的最低聲強(qiáng)為0.4 W/cm2，但是，在聲強(qiáng)為0.1 W/cm2 時(shí)，仍然觀察到了污泥破解現(xiàn)象。這可能是因?yàn)槲勰嘀写嬖诖罅考?xì)小顆粒及小氣泡可以作為空化氣泡核，產(chǎn)生空化效應(yīng)。

3.1.3 空化氣體的影響

目前，超聲破解污泥的研究，還未見有報(bào)道空化氣體影響的。但是，一些學(xué)者[17-18]在研究超聲降解水體中酚類時(shí)發(fā)現(xiàn)，O2 對(duì)酚類降解有較大的促進(jìn)作用。另有學(xué)者[19]則發(fā)現(xiàn)空氣與氬氣的混合氣體對(duì)酚類的降解效果較好。

3.2 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與換能器的影響

反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目的是在恒定輸出功率條件下，盡可能提高混響強(qiáng)度，增強(qiáng)空化效果。劉紅等[20] 得到聲強(qiáng)在平面分布是不均勻的，在距超聲換能器最近的位置聲強(qiáng)最大，隨著距離的增大聲強(qiáng)逐漸減小，而且由于清洗槽及燒杯內(nèi)會(huì)發(fā)生聲波的反射，造成部分區(qū)域超聲波疊加或抵消。為改善反應(yīng)器聲場(chǎng)均勻性，消除駐波影響，通常采用調(diào)頻方式。聲化學(xué)反應(yīng)器的類型為：聲變幅桿浸入式聲化學(xué)反應(yīng)器和超聲清洗槽式聲化學(xué)反應(yīng)器，并對(duì)這2種反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比[21]。許多研究者在超聲處理污泥研究中都采用聲變幅桿浸入式聲化學(xué)反應(yīng)器，筆者認(rèn)為，在以后工作中應(yīng)注重污泥處理量的增加并考慮超聲清洗槽式反應(yīng)器的應(yīng)用，加強(qiáng)反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)及換能器等多種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3.3 污泥自身?xiàng)l件及其它因素的影響

3.3.1 污泥濃度、pH 值的影響

目前，超聲波破解污泥主要集中在對(duì)未經(jīng)濃縮的污泥進(jìn)行研究，被破解污泥的濃度范圍為3 000~6 000 mg/L（由于試驗(yàn)條件相差較大，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行比較），而對(duì)污泥濃度對(duì)超聲破解效果的影響研究較少。對(duì)于很多反應(yīng)來(lái)說(shuō)，pH 值都是一重要影響因素。溶液pH 值對(duì)污泥的物化性質(zhì)有較大影響，進(jìn)而會(huì)影響超聲破解的效果。目前，僅有關(guān)于超聲波破解堿性污泥的研究報(bào)道[22]。結(jié)果表明，調(diào)節(jié)污泥pH 值至堿性后，有利于污泥的超聲波破解。目前，未見有超聲波破解酸性污泥的報(bào)道。

3.3.2 溫度及其他因素的影響

孫光躍等[23] 提到了組成活性污泥的微生物，其最適合的生長(zhǎng)溫度為15~35益，介紹了進(jìn)水溫度對(duì)活性污泥的主要影響。韓萍芳等[13]137研究了超聲波對(duì)不同季節(jié)污泥處理效果。夏季污泥比冬季污泥釋放出的有機(jī)物多，夏季污泥的脫水效果優(yōu)于冬季污泥的脫水效果。有毒物質(zhì)、油類、表面活性劑以及工廠所用原油及其他化工原料的來(lái)源，生產(chǎn)工藝條件、廢水處理的操作條件，均會(huì)影響剩余污泥的性質(zhì)，所以應(yīng)進(jìn)一步研究污泥性質(zhì)的變化情況及其對(duì)超聲處理效果的影響。

4 結(jié)論

超聲化學(xué)作為一門前沿學(xué)科，特別是在國(guó)內(nèi)，對(duì)聲化學(xué)的研究還不深入，雖然超聲已用于污泥脫水工藝，并取得了一些成果，還是有很多開拓性的工作值得我們研究。超聲對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，能夠改變污泥的特性，破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)污泥絮凝脫水，提高污泥脫水性能，結(jié)合機(jī)械脫水的方式，可減少污泥的體積。污泥處理費(fèi)用占污水處理場(chǎng)基建運(yùn)行費(fèi)用的40%以上，所以超聲促進(jìn)污泥脫水，僅減量化一項(xiàng)就可節(jié)約大量資金。超聲影響污泥脫水的因素很多也很復(fù)雜，在以后實(shí)驗(yàn)中應(yīng)充分考慮。

我認(rèn)為以后的研究重點(diǎn)應(yīng)是：① 對(duì)不同形狀超聲發(fā)生器處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；② 不同頻率相互作用效果的研究；③ 很多研究表明，多種絮凝劑復(fù)配使用會(huì)比單一種絮凝劑效果要好，建議可以考慮其他絮凝劑聯(lián)合使用；④ 超聲波技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用；⑤ 解決超聲處理從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用中存在的超聲反應(yīng)器的材料、設(shè)計(jì)、功耗、處理效果、經(jīng)濟(jì)成本等關(guān)鍵性問題。進(jìn)一步研究與污水處理工藝的合理組合，這樣才能發(fā)揮超聲波的特點(diǎn)并為其在實(shí)際工程的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

5 參考文獻(xiàn)略

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