摘要：21世纪工业化与城市化的快速发展导致了污水处理系统的污泥产量达到了不可管理的数量。污泥的管理是污水处理系统的主要问题，它占了系统运行总费用的60%，而且关于污泥处置的法律法规变得越来越严格。随着全球变暖和气候变化的加剧，来自废弃物处理领域的温室气体排放获得了更多的关注。

　　污水厂主要分为两部分，即污水处理和污泥处理。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。本文就超声波处理剩余污泥技术进行一些讲述。

　　超声波处理剩余污泥减量技术在国外具有很多工程实例，工程实例以欧洲居多，其中德国居首位，日本、新加坡、美国、加拿大也有部分工程实例。在国内研究试验也非常多，但大多是院校的研究课题，其中杨顺生教授的超声波强化生物除磷脱氮技术在工程得到实际应用。通过本人对之前超声波在污泥应用了解，以及一些论文的阅读，对超声波在污泥方面进行一些简单的总结，内容有些借鉴之处，请原作者及广大读者谅解。

　　1、超声化学（简称声化学）是一门新兴的交叉学科，主要是利用超声波来加速化学反应，提高化学反应产率。声化学反应是通过声空化过程实现的。声空化把声场能量集中起来，然后伴随空化泡崩溃而在极小的空间内将其释放出来，使之在正常温度与压力下的液体环境中产生异乎寻常的高温（高于5000K）和高压（高于5X107Pa），形成“热点”从而开辟化学反应通道，增强化学反应速率。

　　2、 污泥的超声波破解机理是：（a）水的机械剪切力；（b）在超声辐射下产生的OH、H、N和O等自由基的氧化作用；（c）污泥中挥发性疏水物质的热分解；（d）活性污泥破解过程中温度的升高。

　　3、 超声处理中产生的空穴导致了大量微气泡的破裂，使得气泡周围的液相中产生了巨

　　大的机械剪切力。气泡破裂所产生的高温使水分解为性质活跃的氢离子和氢氧自由基，在低温区域这些粒子会重新结合成过氧化氢和氢气。由于挥发性疏水物质在污泥中的含量非常低，因此其作用也常可忽略。考虑到温度对于溶解的影响，污泥在高温下的溶解速度非常缓慢。因此，我们可以认为，污泥的破解主要通过两个途径实现，水的机械剪切力和氢氧自由基的氧化作用。

　　二、下面结合污水污泥处理的工艺，总结了超声波可以在剩余污泥处理中的应用工艺阶

　　德国是一个重视环境保护的国家，通过实施《可再生能源法》引导整个社会逐步减少对化石燃料的依赖。法律环境加上技术创新，使用污泥生产再生碳源和能源因此变得经济上很有吸引力。在国内，张辰等研究了污水处理中考虑节能减排的几个方面和因素。本文介绍几个德国的工程实例，主要涉及污水处理中的生物脱氮环节和污泥处置。难得的是，通过使用污泥强化厌氧消化技术，巴姆堡污水厂（日处理污水九万立方米）已经实现了能源完全自给，这是欧洲第一例。

　　城市污水携带的氮元素主要存在于蛋白质和尿素中。生物脱氮是目前成本最低的脱氮方法，从氨氮出发，该方法通常情况下要经过硝化和反硝化，涉及三个步骤，图1中虚框内的步骤是硝化反应，依靠硝化菌进行。反应分成两步，第一步消耗的氧占3/4，第二步占1/4。

　　硝化1克氮需要4.57克氧，实际上要少一些，因为微生物细胞增殖时消耗部分氨氮并提供一些氧（图1）。根据乔巴诺格鲁斯（G.Tchobanoglous）等人的研究⑴，每硝化1克氮，实际消耗4.25克氧和7.07克碳酸钙，形成0.16克新的细胞。至此，硝化反应完成，随后进行的反硝化反应可看成是生物脱氮的最后一步。

　　在进水携带的碳源充足的情况下，这些碳源除了为反硝化提供电子，还要保证好氧段去除COD所需的碳氮比，例如常见的AO工艺。

　　图1，生物脱氮流程图Fig.1,SchemaofbiologicalN-removal如果进水携带的碳源不足，工程中产采用外加碳源的方法，例如投加甲醇。甲醇投加在反硝化区。从节省动力角度考虑率，往往采用OA工艺，省去内回流，如图2。投加甲醇后，通过反硝化反应硝态氮被还原成分子氮离开水体，实现脱氮目的。为了保证反应的速度，一般过量投加30%左右的甲醇。德国市场上的甲醇一般来自天然气和煤化工，因此投加甲醇成为污水厂排放的主要因子。这些甲醇需要在好氧区生物降解，否则会形成新的COD,影响出水水质。考虑到德国污水处理设施出水要按照污染物总量收费，排放权成本和排污收费是经营方的重要考虑因素，多余甲醇需要降解生成二氧化碳和水。降解1克甲醇，需要1.5克的氧，这些氧由风机提供(耗能点)。

　　污泥碳源污泥经过分解和水解可以提供碳源，部分或全部代替甲醇。开发污泥碳源的方法有搅拌球磨机、高压均质器、高压喷射工艺、大功率电脉冲和超声波等工艺。污泥之所以可以提供碳源，在于其成分中含有微生物细胞和其他有机物，因此，在开发污泥碳源中主要涉及六个机理：

　　被击破的微生物细胞同时释放出生物酶，具有催化转化作用，使污泥中的非溶解态有机物转化为溶解态，成为转化碳源，供反硝化菌利用；

　　上述生物酶回流到生物池后，使物质转化提前进行，缩短了时间，提高了生物池的效率；

　　有的方法(例如超声波)可以将污泥菌胶团打碎，使其中包裹的可利用碳源得以释放；

　　能体现上述六个作用的污水厂之一是德国滨德污水厂(KABunde，图3)。

　　该厂利用超声波对部分属于污泥进行裂解后，取得了如下效果2］：1）出水总氮平均值从9降到6毫克/升；2）脱水污泥含水率下降2%；3）污泥产量减少25%；4）膨胀污泥从此不再发生。图3是该厂2006年进行的一次半年期试验，图中出水硝态氮是2005年和2006 年同一时间段的对比曲线，这个时间段内整个进水特性和处理工艺等完全可比。表1是该厂 2007年前个季度进出水质月平均值。

　　常规的生物脱氮需要将氨态氮氧化成硝态氮，走完一个完整的硝化-反硝化流程。其中

　　根据国内外相关研究，存在着“短程”硝化-反硝化：如果控制硝化工艺，在第一步（方 程式 1）完成后立即进入反硝化，则可以节省上述供氧量和碳源，即图1 中的竖向虚线。这 方面研究还在进行中。

　　甲醇是一种高效的碳源，是生物脱氮中常用的碳源，因此，生物脱氮中使用替代碳源就 是直接减排。通常去除1 克氮元素要投加将近3 克的甲醇。考虑到溶解氧对甲醇的消耗以及 维持反应速度，在此基础上还要过量投加约。因此，生物脱氮中甲醇的消耗量是比较大的。 由此还产生过量污泥等问题。

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　　如果利用污泥作为碳源投加，则可以部分或完全替代甲醇，替代的程度取决于污泥的特 性以及前文述及的6 个机理。污泥本身是可再生资源，用来替代甲醇，不仅实现直接减排， 而且通过使污泥减量实现间接减排，因为污泥减量意味着脱水、运输等环节的能耗节省。

　　污泥厌氧消化在国外是主要的污泥处理处置方式，我国在上世纪也曾有一部分污水厂建 有厌氧装置，但目前只有一部分运行，从此刻的环境因素以及政策的引导下，污泥厌氧消化 将会成为我国污泥处理的一种主流方式，为了提高厌氧效率，人们研究了不同的污泥预处理 方法，简单理解就是剩余污泥分解技术，包括：机械方法（搅拌球磨机、高压均质器、离心 机、喷射工艺、高能脉冲技术、超声波技术），化学方法（加入酸、碱、臭氧），生物方法（加 入酵素），热能方法（污泥加热）。目前在国际工程上得到成功广泛使用的，超声波技术居首。 污泥厌氧工艺减量的瓶颈因素

　　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, Mason, Nickel 等人的研究［3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16］。人们在研究了可 能的物理、化学、生物方法后，发现了超声波技术的优点。

　　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，局部可达摄氏5000度高温，500 帕高压，以及剪切力。这就是空穴“内爆”（implosion）产生的所谓“热点”（hot spot），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，从而突破瓶颈，大大加速发酵 过程。

　　德国巴姆堡市污水厂原设计能力30000 m3/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40000 m3/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。一期两台运行三个 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［1。］。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：

　　巴姆堡污水厂日产浓缩污泥288立方米，使用的两台超声波设备处理其中的30%约80 立方米，每日共消耗电力240度，平均每方被处理的浓缩污泥耗能3度电（总体算0.8度电）。 从投资上讲，两台超声波设备投资只需要建罐费用的一小半。

　　需要说明的是，该厂的主要目的是减少污泥发酵时间以避免建造新的污泥罐。这一目的 已经达到，且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。

　　污水是水与泥的结合体，污泥也是水与泥的结合体，只是各自所占比例不同。污泥的水 分可以分为四种：间隙水、毛细水、吸附水和内部水。

　　颗粒间的空隙水，约占污泥水分的 70％，在污泥颗粒间形成一些小的毛细管，其中充 满的水称毛细水，约占20％，颗粒的吸附水被吸附在颗粒表面，约占7％左右，可用加热法 脱除；存在于污泥颗粒内部或微生物细胞内的水称为内部水，约占污泥的3％，污泥中水分 与污泥颗粒结合的程度由大到小的顺序为：内部水＞吸附水＞毛细水＞空隙水，结合程度越高， 越难脱除。

　　毛细水与吸附水可以统称为污泥菌胶团内部包含水，约占污泥总水量的 27%，而菌胶 团结构稳定，难以为机械作用（压滤、离心）破坏，造成脱水困难。

　　物理调质方法有污泥淘洗、热处理、冷冻熔融、超声波调节等方法，污泥淘洗主要用于 污泥消化预处理，目的是降低碱度，节省药剂，但是淘洗会降低污泥肥效，并且对污泥浓缩 生污泥不太有效。热处理法对污泥加热，可以加速粒子的热运动，提高碰撞和结合的频率， 破坏胶体结构达到粒子间的凝聚。同时有机物受热水解、溶化、改善脱水性能。污泥还可以 在热作用下进行水解（中性，碱性或酸性）。热处理法包括高温热处理和低温热处理。高温 热处理（180-200 度）的主要缺点是分离液 BOD、COD 高，色度大，臭气度大。低温热处 理（135-165度）的温度不得高于175 度，有机物含量在50%-70%效果较好。冷冻熔融处理 法是指将污泥冻结，然后加热溶解的调节技术。由于温度发生大幅度变化，胶体颗粒脱稳凝 聚，颗粒由细变大，失去了毛细状态，同时细胞壁破裂，细胞内部水分变成自由水分，从而 提高污泥的沉降性能与脱水性能。在控制良好的情况下，冷冻熔融处理同时可以减少污泥内 的致病菌量以及大幅度改善脱水性能，大幅降低污泥后处理的成本，但是它面临的问题是如 何有效地设计机械冷冻设备。污泥冷冻调节主要用于给水污泥的调质，对污水污泥调质的有 效性存在不少问题。过多的加入化学调质剂量，一定程度上也是增加的污泥（污泥+絮凝剂） 量的产生。

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　　超声波调节是近年来新开发的技术，大功率超声波可以降解污泥，降低其含水率。超声 波对污泥能够产生一种海绵效应，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，当颗粒径大到一定程度，就会做热运动相互碰撞、黏结、最终沉淀。超声 波对污泥的其他一些作用，如局部发热、界面破坏、扰动和空化，能够使污泥中的细胞破壁， 并且加速固液分离，改善污泥的脱水性能。另外，超声波对混凝有促进作用。当超声波通过 有微小絮体颗粒的流体介质时，其中的颗粒开始与介质一起振动，但由于大小不同的粒子具 有不同的振动速度，颗粒就相互碰撞，黏合，体积与质量均增大。当粒子变大到不能随超声 振动时，只能做无规则运动，继续碰撞、黏合、变大、最终沉淀。

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　　污泥菌胶团内部包含水约占污泥总水量的27%，而菌胶团结构稳定，难以为机械作用 （压滤，离心等）破坏，造成脱水困难。采用一定的预处理方式，0.11—0.22W/mL的超声 波处理可以破坏菌胶团的结构，使其中的内部水排出，同时保持污泥较大的颗粒，从而提高 污泥的沉降性能。超声波和其他方法的结合可以使污泥凝聚，改善生物活性，可以降低超过 10%的污泥含水量。此外，超声波还可以使细胞破壁，细胞内含物溶出，可以加速污泥的水 解过程，从而达到缩短消化时间、减少消化池容积、提高甲烷产量的目的。超声波能有效地 破坏菌胶团结构，将其内部包含水被释放成为可以比较容易去除的自由水。除了改变污泥性 质，超声波还能加快微生物生长，提高对有机物的分解吸收能力，而且促进效应在超声波停 止后数小时内依然存在。超声波污泥预处理是一种高效干净的友好环境技术。

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　　我国城市生活污水厂污泥问题，只有通过综合方案解决，最终落脚点仍是通过新技术 来降低总运行成本，同时保证出水水质。超声波污泥预处理技术为污泥的减量化稳定化和资 源化提供了技术基础，并使他们成为一体。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，具有广泛的应用前景。结合我国国情，一方面，能源短缺成为国民经 济发展的制约因素，电荒频现，另一方面，作为可再生能源载体的污泥却被当作包袱令污水 厂运营方大伤脑筋。新型超声波污泥处理技术在降低能耗方面的突破为解决这一矛盾提供了 一把金钥匙，可以期待，该技术的推广应用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。