超声波技术在污泥处理中的研究及发展_曹秀芹

超声波技术在污泥处理中的研究及发展曹秀芹陈(北京建筑工程学院,北京100044)摘要本文分析了超声波降解有机物的机理,并对超声波技术在污泥处理中的研究现状进行了综述,同时提出可以利用超声波分解污泥作为形成微生物隐性生长的一种方法,并达到污泥减量的目的。关键词超声波超声空化水力剪切力细胞分解污泥处理污泥减量1引言目前广泛采用的污泥处置方法由于各自存在的问题给污水处理带来了沉重的负担。污泥处置已从过去仅仅作为污水处理的一个单元发展成了在污水处理厂设计、运行中不得不优先考虑的重要环节。污泥的处理处置在经过了无害化和资源化发展阶段后,必将进入一个新的减量化发展阶段。2污泥减量与活性污泥隐性生长德国在1996年明确提出了废物减量化、资源化和无害化处置的优先顺序[1]。关于污泥减量化是在20世纪90年代提出的,它是指借助物理、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,其中主要是依靠降低微生物产率或促进细胞溶解并将其溶解产物用于微生物生长这两种措施。目前研究重点主要针对活性污泥增生部分的减量。在好氧生物处理过程中微生物对有机碳的新陈代谢一方面将其转化为CO2等无机物质,另一方面将其转化为有机生物体。当生物细胞溶解,生物体中的有机碳也作为微生物的生长底物并重复上述新陈代谢过程时,污水处理过程总的污泥产量就会减少。这种微生物基于自身细胞溶解产物的生长方式称为隐性生长[2]。生物体的分解关键在于微生物细胞的溶解,使污泥中颗粒态COD转变为溶解态的COD。目前,促进细胞溶解的方法有:臭氧氧化、热处理、超声波作用等。其中超声波技术由于具有无污染、能量密度高、分解速度快等特点在污泥处理领域正引起人们越来越多的关注。3超声波在污泥处理中的研究及应用现状利用超声波研究污泥并不算一项新技术,早在70年代Banks和Walker[3]就用超声波产生的微小气泡来计算细菌的数量[6]。Brown和Lester[4]用超声波来提取细胞壁上的聚合物进而研究污泥中微生物的表面特性[7]。而利用超声波降解污水中的污染物,是近年来发展起来的一项新型水处理技术。目前,研究的重点都集中在利用超声波强化有机废水的降解或直接利用超声波降解有机废水。研究内容涉及降解机理、降解动力学、中间体检测、影响超声降解过程的因素等。但是,在利用超声波技术对污泥处理方面,国内几乎一片空白,只有国立台湾大学在这方面做了一些初步的实验[5]。国外,德国在这方面走在世界各国前面,他们的研究集中在利用超声波对剩余污泥进行分解来提高厌氧消化的能力。而且据有关报道,德国利用超声波进行污泥减量已进入实际应用阶段[6]。3.1超声波分解污泥的实验研究3.1.1超声波分解污泥机理的初步分析1991年,Harrison[7]报道超声降解是一种破碎细胞壁的好方法,并且认为分子量超过40000的高分子物质可以被由超声空化引起的强大的水力剪切力所分解。并且Portenl¨anger[8]于1999年证实这种水力剪切力在频率100kHz以下最为有效。超声空化是指在很高的声强下,特别是在低频和中频范围内,液体中将产生大量空化气泡,它们随着声波改变大小并最终在瞬间破灭。这种气泡生长、变大并在瞬间破灭的现象称为空化。气泡破灭时,将产生极短暂的强压力脉冲,并在气泡及其周围微小空间形成局部热点,产生高温(5000K)、高压(100MPa)和具有强烈冲击力的微射流。当空化发生时,液体中产生很高的剪切力作用于其中的物质上,同时伴随发生的高温高压并将产生明显的声化学反应。这种反应是由于高温热解和高活性的自由基引起的,它是引起污水中难生物降解有机物分解的主要原因。23环境工程2002年8月第20卷第4期DOI:10.13205/j.hjgc.2002.04.006通常,空化可在低频至中频范围内产生。一般在低频范围只有少量自由基产生,在100～1000kHz范围内,自由基形成显著。为了考察超声波分解污泥是空化作用时气泡破灭产生水力剪切力的作用,还是自由基反应引起细胞分解,及分解生物固体的最佳频率范围是多少。Neis[9]等人在保持其它实验条件不变的情况下,研究不同频率超声波作用情况。他们发现随着频率增加,细胞分解程度明显下降。最佳分解的频率为41kHz。这表明,污泥分解主要是低频时水力剪切力的力学作用,这与超声处理难生物降解废水中有机物的机理有所不同。3.1.2不同因素对污泥分解程度的影响Tiehm[10]等人进行超声波处理污泥实验。他们以0.5molL的NaOH在20℃情况下对污泥处理22h作为参照标准(100%),用下式来衡量超声波作用引起污泥分解的程度(主要是通过污泥中溶解性COD的上升情况来反应)。DDCOD=(CODUltrasound-COD0)(CODNaOH-COD0)×100%式中DDCOD———超声分解