這個污泥減量技術究竟“先進”在哪里？
1996年，德國率先提出廢物減量化、資源化和無害化的優(yōu)先順序。至此之后，研究和開發(fā)新的污泥減量方法逐漸成為世界各國面臨的共同任務與重大挑戰(zhàn)。
一般來說，污泥減量化可分為后續(xù)減量化和過程減量化——
◎ 污泥后續(xù)減量化主要是在污泥產生后通過一定的物理、化學、生物或聯(lián)合工藝等手段，減少已產生的污泥量；
◎ 而污泥過程減量化是指在污水處理過程中，通過改變工藝的運行過程，或者采用一定的技術手段，在保證不影響污水出水水質的前提下，使剩余污泥的產量達到最小化，從根本上減少污泥產率。
因此，污泥的過程減量化技術可以從源頭上削減污泥，有效避免后續(xù)污泥處理負荷，是一種更為理想的污泥減量技術。
01
污泥減量技術新趨勢？
這些國家都看好「超聲波技術」
目前污泥過程減量化技術可分為三類：
一是增強微生物內源呼吸代謝的溶胞技術；二是降低細菌合成量的解偶聯(lián)技術；三是利用食物鏈作用強化微型動物對細菌的生物捕食技術。
超聲波作為一種“綠色、高效”的溶胞技術已在德國、英國、美國、瑞典和澳大利亞等多個國家的污水處理廠運行，分解污泥的效率和生物氣體的產生至少提高了20%。
◎ 英國Wesses污水廠就安裝了由德國Sonix公司研發(fā)生產的大型超聲波污泥處理裝置。
據(jù)了解，該系統(tǒng)用來處理市政與工業(yè)廢水混合污泥，并且處理效果非常好。未經超聲預處理的污泥TS與VS減少量分別為40%和50%，經過超聲波作用后，減少量可達60%和70%。
◎ 目前，德國已全面使用超聲波技術處理廢水污泥，其中應用最成功的當屬德國的巴姆堡市污水廠。
下圖為巴姆堡市污水廠中污泥經超聲處理之后污泥的實際效果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：
同未經超聲處理的污泥相比，經30s超聲處理后的污泥較分散，顏色較淺，90s超聲處理后的污泥分散性更好，水分更少，污泥的脫水效果較好。
德國巴姆堡市污水廠原設計能力為30000m3/d，包括近一半的工業(yè)廢水。由于管道擴充和改造等原因，處理水量已達40000m3/d，每天的污泥量迅速增加，直接導致原先的3個污泥罐融容積不夠（發(fā)酵時間25天）。
對此，有相關機構建議新建造一個容積為3000立方米的污泥罐，以保證無你的停留時間。但考慮到建造污泥罐的成本需要330萬歐元（不包含安裝費用），最終廠方決定購買三臺超聲波污泥反應器對污泥進行預處理。
一期兩臺運行三個月后，沼氣產量增加30% ，污泥停留時間由25天降到18天，處理效果良好，從而滿足了在不建造新污泥罐的情況下保證消化深度的要求。
德國巴姆堡市污水廠污泥超聲波處理流程
需要特別說明的是，我國自主研發(fā)超聲波污泥減量技術的首個工程應用案例誕生于2019年，2022年進入市場化應用。
02
超聲波技術“魅力”何在？
減泥、滅菌、回收重金屬......
下面小編將詳細地為大家介紹超聲波技術的原理、優(yōu)勢以及影響因素�？赐赀@些，或許你也就能明白為什么這一污泥減量技術能在世界范圍內備受關注。
1、超聲波破解污泥的作用機理
超聲波是指頻率在20kHz到10MkHz 范圍內的聲波。超聲波作用時，存在于液體中的微小氣泡（以下簡稱空化泡）會發(fā)生一系列振蕩、擴大、收縮乃至崩潰的動力學過程。
當超聲強度較低時，空化泡保持穩(wěn)定的徑向振蕩（穩(wěn)態(tài)空化）；而當超聲超過一定強度時，空化泡繼續(xù)增長并隨之被壓縮至崩潰（瞬態(tài)空化），崩潰的瞬間可產生高溫高壓并引發(fā)液體紊流和強烈的剪切力。
因此，超聲波可在瞬態(tài)空化作用下對污泥進行破解，通過將破解后的污泥回流至生物反應器，作為底物供其他微生物重復代謝，可使得污泥總體產量下降。
圖片
超聲波過程減量化工藝示意圖
2、利用超聲波技術處理污泥的3大優(yōu)勢
1）改善污泥脫水性能，減少污泥量
超聲可以降解污泥、釋放有機物、改善污泥的膨脹特性、提高污泥的沉淀特性和脫水能力、促進污泥脫水，達到減量化的目的。
國外研究者采用超聲波技術調理污泥后，污泥總固體含量增加16.2%，絮體平均尺寸在22.3μm左右，體積減小了60.9%，同時污泥粘度降低，導致污泥過濾性能提高，說明超聲波調理促進污泥的脫水性。
2）消毒滅菌，提高金屬浸出和回收率
超聲可有效破壞污泥中的絲狀菌，殺滅病原微生物，提高重金屬的浸出和回收率等。
◎ 高強度（超聲密度為0.33W/ml）條件下，超聲處理40min后，異養(yǎng)菌減少82%，大腸桿菌總生存率不超過1%。
國外研究人員發(fā)現(xiàn)高強度的超聲可殺死污泥中部分大腸桿菌，達到部分滅菌的效果，在0.43W/cm3超聲強度下處理120min，64% 的大腸桿菌被殺死。
同時，超聲還能提高生物活性，促進有機質進入細胞和生物新陳代謝進程，這種促進效應可持續(xù)幾小時。
◎ 利用超聲可將電鍍污泥中價值較高的重金屬 ( 銅、鎳、鋅) 同價值較低的重金屬 ( 鉻、鐵) 進行有效分離，超聲強化酸浸出技術對重金屬的分離比傳統(tǒng)酸浸出技術更為有效。
此外，兩級超聲強化酸浸出技術可使電鍍污泥中重金屬的回收率達98%以上。
3）提高污泥消化性能，促進污泥中氮磷量的釋放
超聲調理污泥會破壞細胞的胞外聚合物，促進難降解有機物的分解以及有機物、 氮、磷等的釋放，改善有機物的生物可利用性，從而提高污泥生物消化效率。
國外研究人員，通過超聲調理污后發(fā)現(xiàn)，TSS和VSS的減少比率分別為52.6%和55.2%，比未超聲調理的減少比率大，說明超聲調理可改善污泥的厭氧消化性能。
此外，需要特別說明的是，超聲調理后的污泥在生產過程中產生更多的沼氣。
3、超聲波促進污泥減量化的6大影響因素
從上文我們可以了解到，超聲波促進污泥過程減量化主要是因為溶胞性能。因此，影響超聲溶胞的主要因素包括超聲頻率、超聲強度、污泥輻射比例、輻射間隔及輻射時間等。
1）超聲頻率的影響
大量實踐表明，隨著頻率升高，聲空化過程變得難以發(fā)生。
因此，為了提高污泥的破解程度，應采用較低的頻率，多采用18～40kHz。
2）超聲強度的影響
由于超聲波促進污泥的過程減量化主要是基于其強大的破解能力，因此對超聲強度有較高的要求，但過高強度的超聲又會引起污泥活性下降，污水處理效率降低。
因此，在利用超聲波進行污泥過程減量技術中，應針對不同的水質和出水要求，通過實驗選擇適宜的超聲強度。
有研究人員采用SBＲ反應器和實際生活污水進行實驗。結果表明：
在不影響生物系統(tǒng)正常運行的前提下，當分別采用超聲Es為13.3，20.0，26.7kW·h/kg時，剩余污泥削減率分別為31.6%、55.2%和60.5%，結合超聲能耗問題，確定最佳超聲Es為20.0kW·h/kg。
3）超聲輻射污泥比例的影響
在超聲強化污泥隱性生長系統(tǒng)中，只能對部分污泥進行破解，否則將會造成污泥失活而導致生物處理系統(tǒng)崩潰。
超聲輻射處理污泥比例的大小決定著超聲破解的效果、超聲能耗、超聲反應器的體積等。
過低的比例會導致溶胞不佳; 過高的比例不僅導致能耗升高，而且還有可能降低污泥活性，影響生物系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
有人采用20% ～60%的污泥比例進行超聲輻射試驗，污泥削減率呈線性上升，當輻射比例為60%時污泥削減率可達97%，但與此同時，COD去除率急劇下降。
為了能夠使出水滿足當?shù)嘏欧艠藴�，建議最佳輻射污泥比例為30%。
4）超聲輻射時間的影響
較長的輻射時間可以增強超聲破解效果。實踐表明：
在相同Es下，超聲輻射時間對污泥減量效果的影響較超聲功率更為顯著，且較高的功率和較短的輻射時間對污泥的溶解和 COD 的處理效果不利。
因此，在相同Es下，可采用相對較小的超聲功率和較長的輻射時間。
5）超聲輻射頻次的影響
一般來說，超聲輻射會造成污泥失活，并且過于頻繁的溶胞處理所釋放的有機物也增加了COD處理負荷，因此會對污水凈化過程造成一定影響。
有實驗結果表明，隨著超聲頻次的增加，污泥減量效果出現(xiàn)線性下降，而COD的去除卻沒有規(guī)律性變化。
6）反應器結構等其他因素的影響
利用超聲波破解污泥還受到溫度、溶解性氣體、反應器結構和微生物特性等多方面因素的影響。
這里再提一下超聲波反應器。常見的超聲波反應器主要有連續(xù)式與脈沖式兩大類。其中脈沖式包括槽式、探頭式等類型，連續(xù)式包括平行板近場式、管道式等類型。槽式和探頭式是實驗室比較常用的超聲波反應器。
需要別注意的是，由于污泥中總是存在一定比例的無機物，因此采用超聲波強化污泥隱性生長的方法無法實現(xiàn)剩余污泥100%的減量化。
03
強強聯(lián)袂！超聲波與其他技術的聯(lián)合
降低成本、提高效率、減少二次污染
任何一種技術都不是十全十美的，采用超聲技術調理污泥也有一定的局限性，比如單獨采用超聲技術調理污泥的能量耗損就比較大。
針對單一調理劑和技術手段存在的缺點以及無法實現(xiàn)的預期效果，很多污水廠采用聯(lián)合技術調理污泥，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，降低成本，減少二次污染，提高污泥處理效率。
1、堿處理聯(lián)合超聲波技術
已有研究表明，將堿處理與超聲波處理相結合對污泥進行預處理已經達到了較好的效果。
同時采用超聲波和堿處理，最初的水解速率明顯要大于單獨采用其中一種方式進行處理，污泥預處理時間明顯縮短。
將二沉池出來的部分污泥（每日處理污泥量為整個系統(tǒng)污泥總量的11.6%）濃縮沉淀后，首先投加劑量為66.0g/kg的NaOH，混合均勻后連續(xù)流經3個槽式超聲波反應器進行溶胞處理，超聲強度約為0.5kW·h/kg ; 最后再經水解酸化提高溶胞污泥的可生化性。
連續(xù)運行的結果表明：污泥的表觀產率系數(shù)可降至0.27kg/kg去除，污泥減量率達56.45%，且對整個系統(tǒng)的污泥活性和沉淀效果無明顯影響。
同時從據(jù)成本角度分析，該工藝可降低系統(tǒng)運行費用（包括污水和污泥）11.5%，具有經濟上的可行性。
2、AB法聯(lián)合超聲波技術
針對AB法A段工藝剩余污泥產量大的問題，有研究人員采用超聲波技術對A段污泥減量效果進行研究。
試驗裝置分為兩部分，一部分為A段曝氣-沉淀一體化反應器，另一部分為超聲波接觸反應池，污水在超聲波接觸反應池中反應。
超聲波試驗裝置圖
結果表明，經額定功率900W，頻率28kHz的超聲波作用0.5h后，大部分SS都已破碎，SS降低了71.7%，污泥減量效果明顯。
3、臭氧聯(lián)合超聲波技術
超聲波和臭氧相結合雖然增加了超聲波部分的費用，但是明顯提高了臭氧的利用率，要比單獨使用臭氧效果好，總體的處理成本要低于單獨使用臭氧進行處理。
4、微波聯(lián)合超聲波技術
實踐表明，微波（2450MHz，800W，3min）與超聲波（0.4W/mL，10min）聯(lián)合調理對污泥厭氧消化效果優(yōu)于單獨采用微波或超聲。主要表現(xiàn)在：
1）相同的污泥停留時間里，聯(lián)合調理后的厭氧消化污泥產生的沼氣量明顯高于單獨采用微波或超聲;
2）超聲與微波聯(lián)合調理可使污泥總固體量、揮發(fā)性固體量明顯減��；
3）超聲波與微波聯(lián)合可以改善污泥的脫水性能，污泥經聯(lián)合調理后CST要遠低于微波與超聲單獨處理的。
5、農業(yè)廢棄物聯(lián)合超聲波技術
當超聲頻率為28kHz時，向經超聲調理后的污泥中添加小麥秸稈粉末和玉米秸稈粉末均能很好的改善污泥脫水效果，在相同的條件下添加稻殼粉末卻不能達到相同的效果。
此外，污泥經聯(lián)合調理后，溶解性蛋白質和多糖也得到很好地改善，還可以降低污泥的熱值。
