谓熟污泥) 再根据其成分特点 , 可用在农业 、燃料等 行业 , 或填埋处理 。但这些技术在国内应用中 , 常遇 到这样那样的问题 , 以致形成了目前许多地方污泥成 了 “烫手山芋”的局面 , 有的地方也着重进行 “减量 化 、稳定化 、无害化” 。

　　原有发电机组装机容量已经用足 , 沼气量继续增加已 无实际意义 , 因此没有采取措施进一步减少发酵时间 或增加沼气产量 , 甚至原定的第三台超声波反应器也 准备退货 。

　　德国巴姆堡市污水厂原设计能力 30000m3 / d , 包 括近一半的工业废水 。由于管网扩充和改造等原因 , 现在实际来水量是 40000m3 / d , 每天的污泥量相应增 加 , 导致原有三个污泥罐容积不够 ( 发酵时间 25 天) 。 经咨询 , 有关机构建议新建造一个容积为 3000 立方米 的污泥罐 , 以保证污泥的停留时间 。建造这个污泥罐 的投资将达 330 万欧元再加上安装费用等 。经过方案 比较 , 厂方决定购买三台超声波污泥反应器对污泥进 行预处理 。一期两台运行 3 个月后 , 沼气产量增加 30 % , 污泥停留时间从 25 天降到 18 天 , 从而满足了 在不建造新的污泥罐的情况下保证消化深度的要求 。 其流程见图 4 [10 ] 。由图可见 , 需要进行超声处理的只 是其中的一小股污泥 , 一般取剩余污泥的 30 %左右 。 从运行成本的角度考虑 , 也不必将其中的微生物细胞 全部击破 , 而只是一小部分 , 因为被击破的微生物细 胞释放出的酶等物质可以使整个水解过程加速 。在这 种情况下 , 以下三个因素变得至关重要 : 超声波场和 “空穴”的均匀分布 细胞质和酶的释放 罐内搅拌设施的布置

　　市生活污水厂 , 每年处理上百亿立方米城市生活污水 。 污水厂的建设成为水环境治理和改善的标志 。

　　和应用 。德国汉堡工业大学奈斯 ( Neis) 教授率领的 研究小组 , 在联邦政府和欧盟的支持下 , 在这一问题 上取得了突破 , 可以用比以前少的多的能量输入 , 实 现同样的击破率 ( 图 2 ) , 其能耗在 011 kWh/ kg 量级 上 。这一革新性的进展保证了该技术在经济上的可行 性 [4 ,6 ,12 ] 。图 2 中的 ACOD 表示击破率 , 用百分比表示 , 即被超声处理的剩余污泥中被击毁的好氧微生物细胞 所占的比例 。试验和工程证明 , 5 %左右的击破率所对 应的综合效果最佳 。

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　　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 , 从而突破瓶颈 , 大大加速发酵过程 。例如 , 德 国有的实验室已经实现 4 天发酵就可以达到传统方法

　　电磁发生器根据设定的超声波频率 , 产生相应的 电磁振荡 , 转换器将这一电磁振荡转换成机械振动 , 由振子送入污泥 , 在污泥中形成超声波场 。由于振子 是浸在污泥中的 , 而超声波是在整个反应空间分布的 ,

　　因此振子也处在有 “热点”分布的极端物理条件下 。 为避免振子过速磨损 , 必须采用高性能材料 , 如钛合 金。

　　理和污泥处理 。根据我国现行做法 , 污水处理厂一般 要包含生物处理工艺 。这步工艺的目的是通过微生物 的生命活动实现对污染物的降解和去除 , 达标的上清 液经消毒后排放 , 同时 , 形成的污泥进入污泥处理系 统 。从消除污染物角度看 , 只有对污泥也进行了彻底 的处理后 , 污水处理的目的才真正达到 , 否则只能看 作是污染从液相到固相 ( 或半固相 ) 的转化 。由于各 种原因 , 我国现有许多污水厂对污泥的处理不象对污 水处理那样重视 , 致使有的地方污泥处理成为污水厂 运行的头号难题 , 甚至导致污水厂成为新的大污染源 。 为解决污泥污染问题 , 人们进行了各种相关研究 [1 ,2 ] 。 据统计 , 我国污水厂每年生产干污泥量有 540 万 吨 , 这相当于 118 亿立方米含固率 3 %的浓缩污泥 。如 果进行厌氧消化 , 并且假设污泥在污泥罐中停留时间

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　　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 可达摄氏 5000 度高温 , 500 巴高压 , 以及剪切力 。这 就是空穴 “内爆” ( implosion) 产生的所谓 “热点” ( hot

　　摘要 : 本文介绍低频超声波技术在城市污水厂污泥处理中应用的原理以及可以带来的经济和环境效益 。指出 , 对一定量的剩 余污泥进行超声处理后进行发酵 , 或者将其回流到生化池进水 , 可以增加沼气产量 , 并使最终的泥饼数量减少 。通过分析德 国的应用实例 , 说明了超声波设备可以带来的运行成本方面的好处 。 关 键 词 : 超声波 ; 污泥 ; 沼气 ; 可再生能源 中图分类号 : X70311 文献标识码 : A 文章编号 : 100123644 (2006) 0120061204

　　境工程专业工学博士学位 , 教授 , 长年从事环境工程研究与 实践 。研究方向为污泥利用 、 生态保护 、 清洁生产等 。

　　按照 25 天 , 则需建造 45 亿立方米的罐容 , 这是一笔 很大的投资 。另一方面 , 这 118 亿立方米浓缩污泥是 一大宗资源 , 其中含有大量的生物质 、矿物质和肥料 成分等 。在欧美发达国家 , 对其处理和利用也有成熟 技术 , 一般是经过发酵后得到沼气 , 剩余的部分 ( 所

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　　污水厂污泥处理引发的问题在北京 、上海 、深圳 等地已有不同程度的表现 , 尤其在没有采取减量措施 ( 如污泥消化池) 的污水厂相当突出 。原因就是污泥处 理系统的建设费用相当高 , 可占到污水厂总投资的五 分之一到三分之一 。今天看来 , 污泥是一个非解决不 可的问题 , 只有解决了这个问题 , 才可以说污水厂的 投资效益在真正发挥 , 否则污水厂本身就会成为一个 大的污染源 。 这显然是一对矛盾 , 解决这个矛盾的出路在于对 污泥进行减量化处理和资源化利用 。最新的超声波技 术为解决这一问题提供了理想的手段 , 可达到一石多 鸟的效果 : — — — 对浓缩污泥进行预处理 , 将其发酵时间缩短 。 欧美国家的最新进展是 , 如果对浓缩污泥进行超声波 预处理 , 则污泥发酵时间一般按 10～12 天设计 , 使罐 容积减少一半 , 从而减少建造投资 ; — — — 提高沼气产量 , 如果沼气加以利用 , 如发电 , 则可以减少对电网的依赖 , 大大节省污水厂运行成本 , 同时减轻电网压力 ; — — — 熟污泥中有机质含量下降 , 矿物质比例增加 , 使其更易于资源化利用 ( 如制砖 、制管等) ; — — — 可以承受更高的容积负荷 , 发酵过程更稳定 ; — — — 熟污泥脱水性更好 , 泥饼含水率更低 , 可节 省乃至不用絮凝剂 ; — — — 由于有更多的有机物被转化为沼气 , 熟污泥

　　实际上 , “减量化”和 “资源化”密不可分 , 相辅 相成 。从成分上看 , 可以减量的只有生物质等可挥发 成分 , 要使这部分减量 , 最好使用生物技术 , 通过微 生物将生物质转化成甲烷 、二氧化碳等沼气成分 , 即 所谓的发酵过程 。其优点是在减量化的同时实现了资 源化 。目前制约这一技术应用的因素有两个 : 污泥发 酵周期长 , 可达 25 天甚至一个月 , 因此需要建造大容 积污泥罐 , 增加了污水厂的建造成本 , 另一个因素是 沼气利用设备稳定性差 , 甚至不过关 。而只要没有可 靠的沼气利用设备 , 污泥的长期资源化利用就有很大 的缺欠 , 乃至受到制约 。 污泥发酵过程中的瓶颈因素是好氧微生物的细胞 壁对水解速度的遏制作用 , 它可以在发酵环境下长时 间坚持而不被突破 , 从而成为时间上的控制因素 。如 何突破这一瓶颈 , 成了国外研究的热点 , 如 Neis , Ma2

　　处理污泥使用的超声波反应器 , 主要由电磁发生 器 、转换器和振子组成 ( 图 3) 。

　　应当说 , 用超声波处理污泥不是今天才有的 , 而 是在上个世纪七十年代就有 。以往的研究中 , 人们一 直有一个问题没有解决好 , 就是输入能量过高的问题 , 即能量的投入/ 产出比问题 。这直接影响到技术的推广