超聲波污泥減量工藝
來(lái)源：張家港市港威科凈電子有限公司 閱讀：7149 更新時(shí)間：2015-03-29 11:39[摘要]超聲波處理是一種新興的、有效的用以加強(qiáng)污泥的可生化性的機(jī)械預(yù)處理方法，并且對(duì)于所有污水處理設(shè)施中污泥的處理和處置都十分有效果。超聲波處理是通過(guò)擾亂污泥原有的物理、化學(xué)和生理性質(zhì)來(lái)提高其可消化能力。崩解的程度取決于聲處理的參數(shù)以及污泥的特性，因此，最佳參數(shù)的評(píng)價(jià)因聲處理設(shè)備和受處理污泥的不同而有所區(qū)別。超聲波處理的試驗(yàn)設(shè)施表明，生物氣體的產(chǎn)量提高了50%，此外能量衡算顯示獲得的凈能量與超聲波裝置的電耗的平均比率是2.5。這篇綜述總結(jié)了超聲波處理污泥的優(yōu)點(diǎn)、超聲波處理參數(shù)對(duì)處理效果的作用、污泥特性對(duì)于污泥裂解的影響及由此帶來(lái)的厭氧消化器中生物氣體產(chǎn)量的提高。由于許多研究者對(duì)于計(jì)量單位的表達(dá)的不確定以及數(shù)據(jù)的不可利用，對(duì)這些研究結(jié)果進(jìn)行比較是非常復(fù)雜的。為了評(píng)價(jià)污泥處理處置的最經(jīng)濟(jì)可行和環(huán)境可行的預(yù)處理方法，將超聲波處理和其他預(yù)處理的選擇進(jìn)行比較是很有必要的。超聲波處理的最佳參數(shù)隨污泥特性的不同而變化。
1. 引言
21世紀(jì)工業(yè)化與城市化的快速發(fā)展導(dǎo)致了污水處理系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量達(dá)到了不可管理的數(shù)量。污泥的管理是污水處理系統(tǒng)的主要問(wèn)題，它占了系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用的60%而且關(guān)于污泥處置的法律法規(guī)變得越來(lái)越嚴(yán)格。隨著全球變暖和氣候變化的加劇，來(lái)自廢棄物處理領(lǐng)域的溫室氣體排放獲得了更多的關(guān)注。在加拿大，廢棄物處理領(lǐng)域的溫室氣體排放從1990年到2006年提高了15%。加拿大現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的干污泥量是670,000 Mg/y，并預(yù)計(jì)產(chǎn)率在將來(lái)還會(huì)繼續(xù)提高。焚化、海洋投棄、土地利用和堆肥是過(guò)去數(shù)十年來(lái)常見的污泥處置方法。由于經(jīng)濟(jì)上的制約和對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，這些常見的污泥處置方法已經(jīng)不再可靠。鑒于環(huán)境上和經(jīng)濟(jì)上的制約，我們有需要尋找可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)來(lái)進(jìn)行污泥的處理和處置。隨著在污泥處理方面的廣泛研究，許多研究者提出污泥的厭氧消化是有效的可持續(xù)的污泥處理技術(shù)。厭氧消化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是非常巨大的，其中包括物料的減少、臭氣的去除、減少致病菌、更少的能耗以及更顯著的由甲烷而帶來(lái)的能量回收。
污泥的厭氧消化是在沒(méi)有氧元素存在的情況下，將可降解有機(jī)物轉(zhuǎn)變成甲烷和二氧化碳的一系列復(fù)雜的微生物化學(xué)過(guò)程。從基質(zhì)到生物氣體的轉(zhuǎn)變途徑由三種不同類型細(xì)菌的作用將其分為水解、酸化、乙酸化和甲烷化四個(gè)階段。第一類細(xì)菌包括水解細(xì)菌和酸化細(xì)菌，它們將復(fù)雜的基質(zhì)（碳水化合物、脂類和蛋白質(zhì)等）水解成溶解性的單體（單糖、脂肪酸和氨基酸等）繼而水解為CO2 、H2、有機(jī)酸和酒精。第二類代謝細(xì)菌是能夠?qū)⒑?jiǎn)單的單體和脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜幔琀2和CO2的產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌。第三類是產(chǎn)甲烷細(xì)菌，它們能利用CO2 、H2和乙酸來(lái)生產(chǎn)CH4和CO2。這個(gè)從基質(zhì)到CH4和CO2的完整的微生物消化過(guò)程是十分緩慢的，需要很長(zhǎng)的停留時(shí)間。特別地，細(xì)胞內(nèi)生物聚合物的溶解和向低分子量固體可降解有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化（如污泥的水解）是一個(gè)速度限制步驟。傳統(tǒng)的厭氧消化過(guò)程的四個(gè)階段如圖1所示。
傳統(tǒng)厭氧消化處理較低的微生物轉(zhuǎn)化率導(dǎo)致了反應(yīng)器中很高的水力停留時(shí)間和較大的消化器容積，這也是傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)的關(guān)鍵障礙所在？缮锝到庥袡C(jī)物質(zhì)的不可利用和較低的消化速率常數(shù)使得污泥的預(yù)處理很有必要。污泥的預(yù)處理可以使細(xì)菌的細(xì)胞壁破裂以促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)向液相的釋放，以此提高污泥的可生物降解性，并通過(guò)降低停留時(shí)間和提高生物氣體產(chǎn)量來(lái)加強(qiáng)厭氧消化的效率。隨著各種污泥預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展，其中包括熱力學(xué)的、化學(xué)的、機(jī)械的、生物性的、物理的和各種結(jié)合技術(shù)如物理化學(xué)的、生物—物化的、機(jī)械—化學(xué)的和熱力學(xué)—化學(xué)等方面，污泥的可生物降解性可以通過(guò)一定的方式得到加強(qiáng)。然而，經(jīng)濟(jì)上的制約限制了這些技術(shù)在實(shí)踐試驗(yàn)上的應(yīng)用。
為了建立最佳的經(jīng)濟(jì)可行的預(yù)處理技術(shù)以提高污泥的可消化性，全世界的研究者展開了廣泛的研究。超聲波處理是一種新興的有前景的機(jī)械式污泥裂解技術(shù)。它有許多內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)如顯著的污泥裂解率（> 95%），生物可降解性的提高，生物固體質(zhì)量的提升，生物氣體中甲烷量的提高，無(wú)需添加化學(xué)劑，更少的停留時(shí)間以及污泥量的減少。此外，單位超聲波能量（1kW）的消耗能產(chǎn)生7kW的能量。以甲烷產(chǎn)量提高效果衡量的預(yù)處理技術(shù)的效率的順序是，超聲波分解 >自動(dòng)窯熱處理 > 水浴熱處理 > 冷凍。本文展現(xiàn)了關(guān)于超聲波預(yù)處理污泥以加強(qiáng)厭氧消化的廣泛性的綜述，并比較了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)踐規(guī)模試驗(yàn)的結(jié)果。
2. 超聲波處理
在過(guò)去，聲波被應(yīng)用在反潛艇的戰(zhàn)爭(zhēng)中，導(dǎo)致了許多魚類被聲波所殺死，人們從中想到了用超聲波的方法來(lái)破壞微生物細(xì)胞。Hughes與Nyborg[16]還有Alliger[17]研究了超聲波作用于微生物細(xì)胞的機(jī)理并發(fā)現(xiàn)，短暫地暴露在超聲波中可以使細(xì)胞壁變薄從而導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)向外釋放。超聲波是頻率高于20kHz的周期性聲波。不同頻率的超聲波的應(yīng)用如圖2所示。
根據(jù)頻率的不同，可將其分為三個(gè)區(qū)域：功率超聲（20—100kHz），高頻超聲（100kHz—1MHz）和超聲診斷（1—500MHz）。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用最早出現(xiàn)在二戰(zhàn)中，超聲波被用于代替人手對(duì)骨折的病人進(jìn)行按摩[18]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，超聲波（>20Hz）被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。頻率在20kHz到100kHz之間的超聲波被應(yīng)用于要求發(fā)生各種化學(xué)、物理變化的重要的化學(xué)系統(tǒng)中。在動(dòng)物導(dǎo)航與通行，固體內(nèi)部裂痕的探測(cè)，水底定位，胎兒掃描，骨盆畸形檢測(cè)，良性與惡性腫瘤治療等方面，1MHz到10MHz頻率范圍的超聲波均有廣泛的應(yīng)用。通過(guò)超聲波處理使微生物細(xì)胞破裂可獲得細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)[22-24]。Hogan等[25]還對(duì)超聲波應(yīng)用于市政污泥的裂解進(jìn)行了進(jìn)一步的評(píng)估。在20Hz與20kHz之間的聲波是可以聽得見的，而聽覺(jué)隨著個(gè)人和年齡的不同而有所差別。低于20Hz到0.001Hz的聲波用于地震學(xué)[26]，醫(yī)學(xué)和追蹤地殼中巖石和石油的形成。
2.1 超聲波引發(fā)的空洞現(xiàn)象
超聲波技術(shù)的基本目的是破壞微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)能夠在厭氧消化中不斷地被利用以降解為CH4和CO2。當(dāng)超聲波在污泥相中傳播時(shí)，能產(chǎn)生壓力和拉力，壓力使微粒聚集而拉力則使離子分離，由于負(fù)壓的持續(xù)存在在拉力區(qū)域會(huì)出現(xiàn)微小的氣泡（即空穴）。這些小氣泡不斷變大達(dá)到了不穩(wěn)定的尺寸便會(huì)破裂，并產(chǎn)生沖擊波（在幾微秒內(nèi)達(dá)到5000℃和500個(gè)大氣壓）。這些氣泡產(chǎn)生到破裂的過(guò)程就是所謂的空穴現(xiàn)象。空穴氣泡的產(chǎn)生和破裂如圖3所示。
2.2 影響空穴現(xiàn)象的因素
污泥的裂解效率主要取決于空穴現(xiàn)象，而影響空穴現(xiàn)象的因素可見表1。
2.3 超聲波產(chǎn)生與裂解機(jī)理
超聲波是靠磁致伸縮和壓電兩種技術(shù)產(chǎn)生的。在磁致伸縮技術(shù)中，電能通過(guò)連接著震動(dòng)片的磁線圈轉(zhuǎn)化成機(jī)械能（震動(dòng)）。在壓電技術(shù)中，電能通過(guò)連接著震動(dòng)片的壓電晶體轉(zhuǎn)變成高頻率的電動(dòng)能。將電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲波的轉(zhuǎn)換器是一個(gè)能增強(qiáng)震動(dòng)的機(jī)械放大器。喇叭將超聲波傳遞到液體中，所以u(píng)ndefined轉(zhuǎn)換器、擴(kuò)充器和喇叭是超聲波設(shè)備的主要部件。
轉(zhuǎn)換器、擴(kuò)充器和喇叭在節(jié)點(diǎn)處被夾緊并結(jié)合在一起，在轉(zhuǎn)換器和擴(kuò)充器上是最常見的結(jié)合點(diǎn)。此外，喇叭常被設(shè)計(jì)成半個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，不過(guò)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用也有設(shè)計(jì)成一個(gè)波長(zhǎng)的。超聲波的強(qiáng)度可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓的方式進(jìn)行控制，這是超聲波處理中非常重要的一項(xiàng)參數(shù)，它能決定震動(dòng)擴(kuò)增的大小。聲能轉(zhuǎn)化為熱能的轉(zhuǎn)化效率可以通過(guò)式（1）—（3）計(jì)算。
2.3.1 污泥的破解
污泥破解的輸入功率有許多表達(dá)方式，（a）破解度，（b）超聲波劑量，（c）超聲波密度和（d）超聲波強(qiáng)度。各表達(dá)式見表2。
我們所推測(cè)的污泥的超聲波破解機(jī)理是，（a）水的機(jī)械剪切力；（b）在超聲輻射下產(chǎn)生的OH、H、N和O等自由基的氧化作用；（c）污泥中揮發(fā)性疏水物質(zhì)的熱分解；（d）活性污泥破解過(guò)程中溫度的升高。
超聲處理中產(chǎn)生的空穴導(dǎo)致了大量微氣泡的破裂，使得氣泡周圍的液相中產(chǎn)生了巨大的機(jī)械剪切力。氣泡破裂所產(chǎn)生的高溫使水分解為性質(zhì)活躍的氫離子和氫氧自由基，在低溫區(qū)域這些粒子會(huì)重新結(jié)合成過(guò)氧化氫和氫氣。由于揮發(fā)性疏水物質(zhì)在污泥中的含量非常低，因此其作用也？珊雎浴？紤]到溫度對(duì)于溶解的影響，污泥在高溫下的溶解速度非常緩慢。因此，我們可以認(rèn)為，污泥的破解主要通過(guò)兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)，水的機(jī)械剪切力和氫氧自由基的氧化作用。
Wang[49]等人對(duì)氫氧自由基和水力機(jī)械剪切力對(duì)污泥破解的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在超聲處理之前加入undefinedNaHCO3 來(lái)測(cè)定氫氧自由基的影響。NaHCO3的加入能使污泥中氫氧離子的氧化效率有略微的提升，但也導(dǎo)致了污泥pH值的升高。這表明了氫氧自由基對(duì)污泥溶解的促進(jìn)作用是微弱的。因此，污泥的破解主要是依靠空穴氣泡產(chǎn)生的機(jī)械剪切力實(shí)現(xiàn)的。此過(guò)程遵從于一階反應(yīng)式？偟姆磻(yīng)常數(shù)u可以通過(guò)（4）式計(jì)算。
2.4 超聲波破解的評(píng)價(jià)
超聲波能使微生物絮體分散并將大顆粒的有機(jī)物分解為更小尺度的顆粒。高壓力波產(chǎn)生的剪切力能破壞細(xì)胞壁以使胞內(nèi)物質(zhì)釋放到液相中，這個(gè)過(guò)程使得污泥的物理、化學(xué)、生物等性質(zhì)在超聲波預(yù)處理中發(fā)生了改變。因此，污泥的破解程度是根據(jù)污泥的物理、化學(xué)、生物等性質(zhì)的變化確定的。
2.4.1 物理性質(zhì)變化
污泥的物理性質(zhì)參數(shù)對(duì)厭氧消化有重要的影響，所以聲處理后物理參數(shù)的測(cè)定對(duì)于厭氧消化的操作至關(guān)重要。此外，物理性質(zhì)指標(biāo)是污泥破解效率的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。判定超聲破解程度的技術(shù)主要有顆粒粒徑分析，污泥沉降性測(cè)定，物質(zhì)組成測(cè)定，顯微鏡成像，濁度測(cè)定以及污泥的脫水性能。顆粒粒徑分析根據(jù)顆粒的大小有不同的方法，主要有篩分法、沉降法、電臭氧感應(yīng)法、顯微鏡法和激光衍射法等。超聲波能將污泥顆粒破解至非常小的尺寸，而激光衍射法常被用來(lái)分析顆粒粒徑。污泥的濁度隨著聲處理參數(shù)的升高而變化，并通過(guò)濁度儀測(cè)量，以NTU計(jì)量。污泥的脫水能力根據(jù)其毛細(xì)管上升時(shí)間和污泥比阻測(cè)定。
2.4.1.1 顆粒尺寸
顆粒的溶解率是由污水中顆粒的大小尺寸確定的，顆粒的溶解率影響著消化過(guò)程中甲烷的產(chǎn)量。超生預(yù)處理能顯著地減小污泥中顆粒的粒度，而影響其效率的因素有處理時(shí)間，聲波密度，聲波功率，污泥體積和污泥性質(zhì)等。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)顆粒的粒徑逐漸減小，如經(jīng)過(guò)0.49min和1.6min的聲處理顆粒大小從165undefinedundefinedμm分別減小為135μm和85undefinedundefinedμm。相似的，Biggs和Lant[68]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)5分鐘的聲處理微粒的粒徑從125mm減小到10mm。Gonze等一開始也觀察到相似的減小趨勢(shì)，但他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)聲處理超過(guò)10分鐘后，顆粒大小隨著處理時(shí)間的推移而逐漸變大。
在高處理時(shí)間下顆粒大小的增大是由顆粒的重絮凝造成的。隨著處理時(shí)間的增加，由于細(xì)胞溶解而釋放的胞內(nèi)聚合物逐漸增多，這些物質(zhì)對(duì)于絮凝十分有利。這些生物聚合物像膠水一樣將生物絮體粘合在一起，并形成羥基和羧基基團(tuán)。undefinedundefined微粒平均尺寸的減小作用也會(huì)隨著聲波強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)。在強(qiáng)度為0.52W/mL和0.33W/mL的條件下，顆粒平均尺寸從51μm分別減小為15μm和19μm。低功率水平對(duì)絮體尺寸的減小沒(méi)有影響，而提高功率水平，絮體尺寸的減小作用會(huì)隨著聲波強(qiáng)度和處理時(shí)間的增大而增強(qiáng)。顯微鏡檢測(cè)表明，經(jīng)過(guò)60分鐘的聲處理，絮體的結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，此后不管如何提高處理時(shí)間和功率水平都無(wú)法破解絮體。由此可見污泥的破解存在著一個(gè)最佳的功率水平和處理時(shí)間。
Chu等[71]研究了聲處理對(duì)普通污泥和絮凝化污泥的作用效果。經(jīng)過(guò)聲處理，絮凝化污泥的顆粒減小效果較之普通污泥強(qiáng)50%。聲處理會(huì)使污泥的平均表面電荷減少。聲處理會(huì)將絮體顆粒分割成許多帶負(fù)電的小粒子。例如，通過(guò)絮凝作用污泥的zeta電位從-14mV提高到18mV，接著聲處理又使zeta電位降低至+4mV。Mao等[12]研究了聲處理對(duì)初沉污泥和二沉池污泥顆粒粒徑減小的效果。經(jīng)過(guò)20分鐘的處理，二沉池污泥粒徑減小了85%而初沉污泥減小了71%，這是由于二沉池污泥含有更多的生物質(zhì)，初沉污泥含有的可降解性細(xì)胞物質(zhì)更少。
提高聲波密度同樣可以提高破解效率。在高聲波密度下更多的顆粒被破解（undefined4W/mL時(shí)為73%，2W/mL時(shí)為60%）。Bougrier等[47]研究了粒徑范圍為0.4μm到1000μm的活性污泥顆粒經(jīng)超聲波處理的效果。他們觀察到，粒徑小于1μm的顆粒隨著比能的升高所占的比例也增加了。然而，粒徑大于100undefinedμm的顆粒占的比例由于重絮凝作用也有所增加。Akin等[66]研究了不同總固體濃度（TS）下的污泥中超聲波處理對(duì)顆粒尺寸的影響。在低TS污泥中顆粒尺寸減小的效果更明顯，若要在高TS污泥中達(dá)到相似的效果則需要更高的超聲波密度。
聲處理對(duì)顆粒大小的作用可以通過(guò)均勻系數(shù)（dp60/dp10）和undefineddp10來(lái)進(jìn)行比較。有資料表明，超聲波處理能提高污泥的均勻系數(shù)并隨著比能的提高以逐漸減小顆粒的尺寸。例如，在比能為7200kJ/L的情況下污泥的均勻系數(shù)與dp10分別從3.3和30.5μm變?yōu)?7和1.2μm。大顆粒絮體（>4.4μm）比小顆粒絮體更易受聲波的影響作用，這是由于大顆粒絮體暴露在聲波中的表面積更大，而小顆粒的粘附力更強(qiáng)。El-Hadj等[64]觀察到隨著輸入比能的增加，小尺寸顆粒所占體積的比例超過(guò)了90%。粒徑大于4.4μm的大顆粒表現(xiàn)得更易破解。Jin等[79]和Feng等[65]研究了顆粒粒徑分布對(duì)CST和SRF的影響，他們推導(dǎo)出顆粒粒徑與CST/SRF間有很強(qiáng)的相互關(guān)系。dp90與CST之間的相關(guān)系數(shù)在0.8248與0.9436之間。超聲波處理對(duì)小顆粒的破解更有效果。
2.4.1.2 污泥的脫水能力
超聲波處理對(duì)污泥的脫水能力既有積極的作用也有消極的作用。在低功率水平和短作用時(shí)間的條件下能提高污泥的脫水能力，但由于缺乏細(xì)胞的溶解，也就降低了污泥破解的程度。FitzGerald等[80]研究了不同聲波強(qiáng)度對(duì)污泥脫水性能的影響發(fā)現(xiàn)了聲處理與CST之間的相關(guān)性。Quarmby等[60]觀測(cè)到污泥的脫水性能隨著超聲波強(qiáng)度的升高而降低，但是污泥的厭氧消化對(duì)其脫水性能有著積極的影響，也就是消化后的污泥的脫水性能因聲處理而提高。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥的脫水性能逐漸降低（CST上升）。這是因?yàn)槁曁幚砗螽a(chǎn)生了更多的小顆粒物質(zhì)，從而增加了總體的表面積以吸附更多的水。Gonze等[69]總結(jié)出隨功率水平的降低及處理時(shí)間的縮短，污泥的CST是減少的（即污泥的脫水性能增強(qiáng)），但是在相同的功率水平下提高聲處理時(shí)間，CST的值會(huì)上升。這是因?yàn)樵诘凸β屎投套饔脮r(shí)間的條件下，絮體并不會(huì)變?yōu)楦〉念w粒，而在低功率的情況下更有利于污泥的脫水。
由于細(xì)胞溶解向液相中釋放胞外聚合物（EPS）等生物聚合物，使得污泥的脫水性能隨著超聲波強(qiáng)度的增強(qiáng)而惡化。研究表明EPS會(huì)降低污泥的脫水性能。在聲處理之前加入絮凝劑能提高污泥的脫水性能；絮凝劑的投加能使污泥的含水率降低80%。因此，聲處理能在降低絮凝劑投加量20%—50%的同時(shí)提高污泥的脫水性能。對(duì)比了上述個(gè)人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，undefinedundefinedNa等[63]發(fā)現(xiàn)CST在比能為0—800kJ/L范圍內(nèi)會(huì)線性上升，而之后隨著比能的增加CST則逐漸下降。出了輸入比能外，CST的降低還受聲處理時(shí)間和污泥體積的影響。由于前述研究者們所使用的比能低于Na等[63]所使用的，或許在高比能的條件下，污泥的脫水性能隨其升高而增強(qiáng)。
CST小于20秒的條件是有利于污泥的脫水的。污泥的脫水性能可以從結(jié)合水的方面進(jìn)行表達(dá)，即污泥中結(jié)合水的組分升高則表明其脫水性能下降了。提高輸入功率能使污泥的結(jié)合水成分提高。比如，在0.33undefinedW/mL的功率下，污泥的結(jié)合水組分提高了4倍并因此使污泥的脫水性能下降。原污泥的結(jié)合水比例為3.8kg/kg DS，在0.11 W/mL的功率條件下，結(jié)合水比例上升為5.9 kg/kg DS；當(dāng)輸入功率為0.33W/mL時(shí),結(jié)合水的量提高到11.7 kg/kg DS。在高輸入功率的條件下，污泥顆粒被破解為粒徑更小的微粒，由于表面積的增大使得對(duì)水的吸附能力增強(qiáng)，因而提高了污泥中結(jié)合水的含量。
許多研究者研究了污泥脫水性能與破解度之間的關(guān)系。污泥的破解度在2%到5%之間能提高其脫水性能。當(dāng)破解度小于2%時(shí)，污泥絮體結(jié)構(gòu)的變化十分有限，而當(dāng)破解度高于5%時(shí)小尺寸微粒的增多會(huì)導(dǎo)致結(jié)合水成分的增加。undefinedFeng等[65]研究了胞外聚合物濃度對(duì)污泥脫水性能影響。獲得良好的污泥脫水性能的最佳操作條件是輸入功率為undefined800 kJ/kg TS，胞外聚合物濃度為400–500 mg/L顆粒尺寸范圍為80—90μm。當(dāng)輸入功率在undefinedundefined4400 kJ/kg TS以下時(shí)，污泥的脫水性能有微弱的提高，而功率超過(guò)undefined4400 kJ/kg TS后脫水性能顯著下降。有報(bào)道指出，EPS與CST的相關(guān)系數(shù)為0.9576，EPS與SRF的的相關(guān)系數(shù)為0.8314。相似的，Wang等[62]也發(fā)現(xiàn)了EPS與CST間的相關(guān)系數(shù)為0.9233.Houghton和Stephenson[89]指出EPS與CST之間是二階相關(guān)的，其相關(guān)系數(shù)為0.9687。
Feng等[65]研究了比能對(duì)EPS釋放的影響發(fā)現(xiàn)提高比能可以增加EPS在溶液中的釋放。污泥中EPS濃度的上升會(huì)提高污泥的粘度。此外，EPS會(huì)在過(guò)濾介質(zhì)表面形成一層很薄的阻隔層，導(dǎo)致污泥脫水性能的下降。
2.4.1.3 污泥的沉降性能
污泥的沉降性能隨比能的升高而變化。Feng等[46]提出提高活性污泥沉降性能的最佳輸入功率為1000 kJ/kg TS。當(dāng)功率超過(guò)5000 kJ/kg TS時(shí)，由于絮體的完全破壞以及EPS濃度的上升，污泥的沉降性能開始惡化。活性污泥絮體的沉降速率一般為5m/h到30m/h。Chu等[61]總結(jié)出超聲波處理對(duì)污泥的沉降性能沒(méi)有明顯的影響，這與超聲波處理能改變顆粒尺寸等已有的理論相違背。Feng等[46]研究了物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的變化并總結(jié)出單位輸入功率與TDS之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。Show等[41]給出了獲得良好污泥沉降性能的最佳固體濃度條件，其最佳條件為固體成分比例為2.3%到3.2%。
2.4.1.4 污泥的顯微鏡檢測(cè)
超聲波處理能破解污泥絮體并溶解微生物的細(xì)胞壁。對(duì)污泥破解前后的微生物進(jìn)行顯微鏡成像分析能夠用來(lái)估計(jì)污泥的破解程度。顯微鏡成像分析能夠提供經(jīng)超聲波破解后的污泥在細(xì)胞級(jí)大小的信息。我們可以測(cè)定在不同超聲作用時(shí)間下絮體結(jié)構(gòu)的變化以及微生物細(xì)胞壁的破壞情況。提高作用時(shí)間會(huì)使絮體及細(xì)胞壁完全被破壞。例如，2min的作用時(shí)間能使絮體的結(jié)構(gòu)顯著的破壞但并沒(méi)對(duì)微生物細(xì)胞造成破壞；10min的作用時(shí)間下絮體被完全破解為絲狀結(jié)構(gòu)；經(jīng)過(guò)30min的超聲處理，可以觀察到許多細(xì)胞壁被破壞。Dewil等[85]總結(jié)指出超聲波處理能夠減小絮體的平均尺寸并產(chǎn)生豐富的分離的細(xì)胞。與上述許多研究相反地，F(xiàn)eng等[46]觀察到即使在很高的功率26000 kJ/kg TS條件下，絮體結(jié)構(gòu)和微生物細(xì)胞都沒(méi)有被完全破壞。這表明，超聲波處理對(duì)分裂微生物有很明顯的作用，但分裂的效率如何并不清楚。在這方面的許多研究還有待進(jìn)行。
2.4.1.5 濁度的變化
污泥的濁度隨比能的升高而升高。在低頻率的條件下有較高的污泥破解效率，此時(shí)微粒尺寸的減小會(huì)導(dǎo)致污泥濁度的升高。El-Hadj等[64]指出，在5000 kJ/kg TS以下的條件中，污泥懸浮液的濁度有所下降，當(dāng)功率條件大于5000 kJ/kg TS時(shí)，濁度會(huì)劇烈升高。輸入功率小于1000 kJ/kg TS時(shí)由于不能得到大量的微粒，因此污泥的濁度并沒(méi)有升高，這表明破解污泥的最小輸入功率應(yīng)該是1000 kJ/kg TS。
物理參數(shù)的分析能夠間接的反映出污泥破解的效率。然而，超聲處理參數(shù)以及它們所影響的污泥物理參數(shù)之間的關(guān)系仍有待研究。在實(shí)際應(yīng)用中，物理參數(shù)的改變是評(píng)價(jià)污泥破解效率的最主要因素。超聲波處理對(duì)污泥物理性參數(shù)的影響的研究總結(jié)如表3所示。
2.4.2 化學(xué)評(píng)價(jià)法
污泥是包含了各種微生物的復(fù)雜基質(zhì)，這些微生物的細(xì)胞壁的強(qiáng)度各不相同；瘜W(xué)評(píng)價(jià)主要是在數(shù)量上關(guān)注于污泥破解的效率。“破解度”這個(gè)參數(shù)是由Kunz和Wagner[94]為了定量表達(dá)污泥的破解效率而提出的。其公式如（5）（6）所示。
2.4.2.1 溶解性COD評(píng)價(jià)法
超聲波處理能夠粉碎細(xì)胞和胞外物質(zhì)，有機(jī)碎片和污泥中的EPS。污泥中的SCOD濃度由于固體相的溶解及液相中有機(jī)物和EPS濃度的升高而升高。因此，SCOD能作為污泥破解效率的評(píng)價(jià)參數(shù)。除此之外，氨氮、硝氮和EPS的濃度也是污泥聲處理的重要的化學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù)。幾乎所有研究者都使用了SCOD來(lái)作為評(píng)價(jià)污泥破解效率的參數(shù)。但是，由于影響污泥破解效率的因素有很多，要對(duì)這些研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比是很困難的。超聲波處理對(duì)于污泥中的總COD沒(méi)有影響，所以可以用SCOD/TCOD來(lái)表達(dá)超聲波處理后有機(jī)物質(zhì)從固相釋放到液相的情況。Tiehm等[33]，Rai等[98]，Bougrier等[47]使用了經(jīng)Muller修正的破解度開評(píng)價(jià)破解效率。
Shimizu等[6]分析了不同作用時(shí)間下活性污泥的溶解性。要獲得75—80%的溶解率，需要超聲波處理90分鐘，最少需要30到40分鐘的處理時(shí)間才能獲得50%的溶解率。Tiehm等[13]指出，經(jīng)過(guò)96秒的超聲波處理，破解度提高了30%。隨著聲波強(qiáng)度的提高，污泥中SCOD的濃度有所升高。有研究顯示，破解度和聲波強(qiáng)度之間存在著線性關(guān)系。高強(qiáng)度下產(chǎn)生更強(qiáng)的機(jī)械剪切力使得微生物細(xì)胞壁破裂，從而提高了COD的溶解，這也就提高了破解度。
進(jìn)一步地，Wang等[31]研究了作用時(shí)間對(duì)污泥破解度影響并發(fā)現(xiàn)污泥中溶解性COD，蛋白質(zhì)，碳水化合物的濃度隨著處理時(shí)間的增加而升高。由于超聲波處理能使絮體及細(xì)胞壁破裂而釋放出各種有機(jī)物質(zhì)，因此會(huì)導(dǎo)致COD，蛋白質(zhì)，碳水化合物等濃度的上升。蛋白質(zhì)占了細(xì)菌干重的50%到60%。與蛋白質(zhì)增加相比，觀察到的COD和碳水化合物濃度的升高是相對(duì)較小的。污泥的溶解率是由預(yù)處理前后懸浮液中蛋白質(zhì)，碳水化合物和COD的有機(jī)物質(zhì)的濃度來(lái)定義的。
破解效率還可以用釋放出的成分如蛋白質(zhì)，多糖和DNA的進(jìn)行評(píng)價(jià)。超聲波處理可以粉碎絮體，溶解微生物細(xì)胞而導(dǎo)致EPS和其他物質(zhì)的釋出。這些物質(zhì)的釋出效率在超聲處理過(guò)程中并不是始終如一的。蛋白質(zhì)的釋出高于多糖和DNA。在20分鐘的處理時(shí)間內(nèi)，其釋出的效率增大，在此之后蛋白質(zhì)的釋放減慢。多糖和DNA的釋出也有相似的規(guī)律。此外，提高聲波強(qiáng)度會(huì)使使出的DNA改性。
對(duì)于污泥破解的效果，最佳的輸入功率為50kJ/kg TS。更高的功率有可能會(huì)減緩蛋白質(zhì)，多糖和DNA的釋出。有報(bào)道指出污泥的超聲波處理會(huì)提高液相中鈣離子和鎂離子的濃度。升高的效率剛開始增大，隨著時(shí)間慢慢減小。污泥粉碎產(chǎn)生的小顆粒吸收了鈣和鎂離子從而降低了二者在液相中的濃度。處理過(guò)程中釋出的鈣鎂離子與生物聚合物（蛋白質(zhì)）有關(guān)。
Nels等[48]評(píng)價(jià)了總固體濃度對(duì)破解度的影響。升高TS的濃度，SCOD的溶解會(huì)導(dǎo)致一個(gè)最佳條件的出現(xiàn)。液體中更高的固體量會(huì)產(chǎn)生更多的空穴位以及機(jī)械剪切力，當(dāng)超過(guò)了最佳濃度時(shí)聲波會(huì)因吸收作用而減弱。在較高的輸入功率下獲得的破解度較低，所以，與之相比超聲波密度的影響更為顯著。
在不同的TS濃度條件下，懸浮液中蛋白質(zhì)的濃度均隨輸入功率的升高而升高。其濃度升高趨勢(shì)也是一開始很快，隨著處理時(shí)間推移而慢慢減緩。在高TS情況下，污泥中空穴作用的減弱不利于蛋白質(zhì)的釋出。隨著超聲波密度的升高，懸浮液中SCOD的釋出增加。在恒定的輸入功率下，最佳TS濃度為2.3%到3.2%。為了評(píng)價(jià)此范圍，提出了指數(shù)D，其計(jì)算如式（7）；
有文獻(xiàn)提供了一個(gè)用來(lái)評(píng)價(jià)破解度的新參數(shù)，kW h/kg SCOD，它考慮到了污泥特性和溶解效率。使用這一新參數(shù)對(duì)污泥的超聲波處理進(jìn)行評(píng)價(jià)，最佳的操作參數(shù)分別是TS在20到30g/L之間，聲波強(qiáng)度為158—251W/cm2以及作用時(shí)間為5到15分鐘。Feng等[46]發(fā)現(xiàn)SCOD與輸入功率間是正相關(guān)的。
Tiehm等[33]研究了超聲波頻率、單位輸入功率及理論空穴氣泡尺寸對(duì)污泥粉碎度的影響。隨著頻率的升高，破解度逐漸降低。當(dāng)氣泡半徑大于4μm時(shí)，破解度成對(duì)數(shù)性增加。
Chu等[61]研究了輸入功率和溶液溫度上升的影響作用，他們觀察到當(dāng)輸入功率分別為0.11W/mL和undefined0.33W/mL時(shí)，其相應(yīng)溶解的COD分別占懸浮液的2%和20%。在0.33W/mL的條件下，BOD/TCOD的值從66%上升至80%。
超聲波處理對(duì)溫度的影響并沒(méi)有一個(gè)確定的結(jié)果。高溫會(huì)使飽和蒸汽壓升高導(dǎo)致氣泡更難破裂因而降低了空穴的強(qiáng)度，便降低了破解效率。Huan等[88]分析了溫度對(duì)污泥超聲處理的影響作用。通過(guò)延長(zhǎng)處理時(shí)間來(lái)提高污泥的溫度能夠提高超聲波的效率。
在不同的功率水平下對(duì)溶液相溫度的影響作用進(jìn)行分析表明，隨著功率水平和處理時(shí)間的增加，溶液相溫度逐漸升高并導(dǎo)致SCOD/COD比值的升高。分析超聲波密度對(duì)污泥粉碎的影響可以觀察到，SCOD的溶解率隨聲處理時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。
Gronroos等[97]分析了高電壓短停留時(shí)間和低電壓長(zhǎng)停留時(shí)間兩種條件對(duì)污泥粉碎的影響作用并發(fā)現(xiàn)，SCOD的釋出在二者中并沒(méi)有區(qū)別。污泥中干固體含量的升高能提高破解度，這是因?yàn)橛懈邼舛鹊奈⑸锟梢员环鬯。影響獲得最大DS值的因素有反應(yīng)器尺寸，轉(zhuǎn)換器型號(hào)，污泥的粘度，污泥的溫度和聚合物濃度等。根據(jù)變電壓函數(shù)模型，可以總結(jié)出功率和處理時(shí)間的影響大于其與能量密度的影響，也就是說(shuō)，低密度低處理時(shí)間比高密度長(zhǎng)時(shí)間更為有效。通過(guò)假設(shè)超聲波處理污泥的破解度的升高隨著處理時(shí)間和超生密度的增加而逐漸減緩，可以推導(dǎo)出這一函數(shù)模型：
有人對(duì)初沉污泥和二沉污泥在超聲處理中其溶解性的影響進(jìn)行了分析。SCOD在二沉污泥中有更好的溶解，同時(shí)還觀察到在初沉污泥和二沉污泥中SCOD與處理時(shí)間存在著線性相關(guān)性。在相同的輸入功率條件下，隨著超聲波密度增大，SCOD的濃度也隨之升高。Bougrier等[47]分析了比能對(duì)COD溶解性的影響。當(dāng)比能在0到8000undefinedkJ/kg TS的范圍內(nèi)，溶解率有所上升，此后提高比能溶解率反而下降。其中最佳溶解性出現(xiàn)在10000undefinedkJ/kg TS的條件下。
2.4.2.1.1 污泥超聲波粉碎的動(dòng)力學(xué)模型
通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)模型，可以研究聲處理參數(shù)和污泥特性對(duì)于SCOD溶解性的影響。假設(shè)SCOD是因變量，而自變量為污泥濃度，pH，超聲波強(qiáng)度，處理時(shí)間和超聲波密度。那么，SCOD的溶解度和粉碎率可通過(guò)式（9）（10）計(jì)算。
磁動(dòng)力學(xué)模型可以利用多元線性回歸法進(jìn)行分析。Wang等[49]表示，各個(gè)參數(shù)對(duì)于SCOD溶解性的權(quán)重關(guān)系順序?yàn)椋簆H > 污泥濃度 > 超聲波強(qiáng)度 > 超聲波密度。
聲處理時(shí)間對(duì)生物質(zhì)的鈍化作用有很大的影響。有研究表明，生物質(zhì)的鈍化發(fā)生在10分鐘的聲處理后。相似的，Chu等[61]指出在低聲波密度的條件下處理20分鐘會(huì)出現(xiàn)生物質(zhì)的鈍化。上述兩個(gè)研究都可以說(shuō)明，污泥的鈍化取決于超聲波密度。此外，Zhang等[56]觀察發(fā)現(xiàn)，在0.1到1.5W/mL的范圍內(nèi)污泥的粉碎度和細(xì)胞的溶解與超聲波密度之間存在著線性關(guān)系。
污泥的超聲粉碎導(dǎo)致SCOD，蛋白質(zhì)和核酸濃度的升高。這些物質(zhì)濃度的升高可以通過(guò)下式表示：
Zhang等[56]在評(píng)價(jià)粉碎度和溶解性固體的減少的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)二者重疊了，這暗示了這兩個(gè)參數(shù)可以相互替代。VS和COD代表了污泥中的有機(jī)物質(zhì)，所以懸浮有機(jī)物的增加與VS的減少是有關(guān)聯(lián)的。粉碎度隨著比能的升高而升高。Nels等[63]觀察到在比能為undefined12000kJ/kg TS，DS比例為34.4 g/kg of WAS的條件下粉碎度可以得到最大32%的提升。
2.4.2.2 蛋白質(zhì)評(píng)定法
蛋白質(zhì)是細(xì)菌體的重要組成物質(zhì)，其在活細(xì)胞中有著各種不同的功能，例如作為生化反應(yīng)的催化劑。在污水活性污泥中，70—80%的胞外有機(jī)碳以蛋白質(zhì)或糖類的形式存在。Wang等[62]通過(guò)蛋白質(zhì)的測(cè)定已進(jìn)行污泥粉碎度的定量分析。Akin等[66]測(cè)定了評(píng)價(jià)計(jì)算污泥粉碎度所需的各系數(shù)的值。
Wang等[81]測(cè)量了不同聲處理時(shí)間下液相中蛋白質(zhì)的釋出量。他們發(fā)現(xiàn)在經(jīng)超聲波降解的污泥的液相中，蛋白質(zhì)濃度與DNA和多糖相比占主要部分。在處理的錢20分鐘內(nèi)蛋白質(zhì)的釋出率非常高，20分鐘的處理后DNA和多糖的濃度開始下降。Feng等[46]觀察到提高能量輸入可以使蛋白質(zhì)濃度升高。然而，蛋白質(zhì)的測(cè)量還不普及，以蛋白質(zhì)的測(cè)量來(lái)計(jì)算污泥，超聲波粉碎效率的方法還沒(méi)有被很好地接受。所以，COD測(cè)量由于其操作的簡(jiǎn)單易行，仍將繼續(xù)作為評(píng)定超聲波粉碎效率的方法。
2.4.2.3 NH3評(píng)定法
超聲波處理能夠提高污泥樣品中有機(jī)氮和氨氮的濃度。所以，NH3評(píng)定法同樣可以用來(lái)評(píng)價(jià)粉碎度。Bougrier等[47]分析了聲處理對(duì)有機(jī)氮溶解的影響。在比能為1undefinedundefined5000kJ/kg TS的條件下，有機(jī)氮的溶解率為40%而最大溶解率出現(xiàn)在比能為1000undefinedundefined0kJ/kg TS的情況里。隨著輸入比能和污泥中TS組分的升高，氨氮濃度隨之升高。氨氮濃度的升高是因?yàn)榧?xì)菌細(xì)胞的破碎使得細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)氮釋放到液相中，繼而被水解為氨。
Feng等[46]發(fā)現(xiàn)了在不同輸入功率條件下經(jīng)超聲處理后銨氮和氮濃度的變化。當(dāng)超聲波的功率大于5000kJ/kg TS時(shí)硝氮的濃度上升，而由于空穴產(chǎn)生的羥基自由基使得在相同條件下氨氮濃度的升高比硝氮更大。我們需要了解氮數(shù)據(jù)和其后的厭氧消化測(cè)試的相關(guān)性來(lái)弄明白超聲波處理的影響及氨在液相中的釋出。當(dāng)前，還沒(méi)有具有說(shuō)服力的結(jié)論來(lái)評(píng)定超聲波處理污泥的粉碎效率。眾多研究者對(duì)各化學(xué)參數(shù)的定量計(jì)算列舉在表4中。
2.4.2.4 生物學(xué)評(píng)定法
超聲波處理能使絮體破碎并破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁。細(xì)胞壁的破壞可以通過(guò)生物學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)定。大量的活性污泥包含了好氧和兼性細(xì)菌。好氧速率（OUR）可以用來(lái)描述微生物活動(dòng)。例如，如果OUR = 0，那么所有的細(xì)胞都被粉碎了即粉碎度是100%。所以，超聲處理污泥的粉碎效率可以通過(guò)OUR來(lái)測(cè)定。Rai等[98]提出了不活躍度（undefinedDDOUR）來(lái)評(píng)價(jià)粉碎度。undefinedDDOUR 的表達(dá)式見式（17）：
有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入功率提高到40kJ/kg TS時(shí)，DDOUR 十分快速地升高，此后輸入功率的升高減緩了DDOUR 的升高速率。Chu等[61]利用異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)和OUR共同評(píng)價(jià)超聲波粉碎效率。隨著聲處理時(shí)間的增長(zhǎng)，異養(yǎng)菌的存活率降低。隨著輸入比功率的升高，比耗氧速率隨之升高并達(dá)到最優(yōu)值。此后隨著微生物的鈍化，比耗氧速率反而下降。
在低的超聲波密度下，絮體破碎了但細(xì)胞并沒(méi)有溶解，所以SOUR一開始是上升的。Akin研究發(fā)現(xiàn)最大的不活躍度是65%，而在10kW/g TS的比功率及2%TS比例的條件下，該不活躍度下降為60%。Huan等[88]在污泥微生物活性和粉碎度之間進(jìn)行了評(píng)價(jià)。其研究表明，在微生物活性升高前有些細(xì)菌的細(xì)胞壁已經(jīng)遭到破壞，當(dāng)粉碎度達(dá)到40%或以上時(shí)細(xì)胞開始出現(xiàn)溶解并導(dǎo)致了微生物活性的下降。SOUR與粉碎度之間的近似關(guān)系可以表達(dá)為DDSOUR = -3.75DD2COD + 0.75DDCOD + 0.21 。
3. 超聲波處理對(duì)厭氧消化中污泥的可降解性及產(chǎn)甲烷量的影響
超聲波處理的主要目的是提高污泥在厭氧消化中的可降解性以及在低HRT條件下增加其產(chǎn)甲烷量。數(shù)十年來(lái)，許多研究者都在評(píng)價(jià)超聲波處理參數(shù)對(duì)污泥可降解性及提高產(chǎn)甲烷量的作用。對(duì)于提高產(chǎn)甲烷量的預(yù)處理效率的順序是超聲溶解 > 自動(dòng)窯熱預(yù)處理 > 水浴熱預(yù)處理 > 冷凍.污泥中細(xì)胞內(nèi)聚合物的溶解和水解轉(zhuǎn)化為更低分子量物質(zhì)的過(guò)程是一個(gè)速率限制步驟，通常地，復(fù)雜有機(jī)物的水解是通過(guò)胞外酶的催化實(shí)現(xiàn)的。超聲波處理會(huì)誘發(fā)空穴，空穴能夠使細(xì)胞壁溶解并向液相中釋出胞內(nèi)物質(zhì)。所以影響空穴形成的聲處理參數(shù)將會(huì)影響到污泥的消化。在厭氧消化過(guò)程中提高VS的減少量可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)甲烷量的提高。
3.1 對(duì)污泥可消化能力和甲烷的影響
許多人研究了聲波密度、強(qiáng)度和處理時(shí)間對(duì)污泥粉碎及可消化能力提高的影響作用。Shimizu等[6]在研究超聲波處理對(duì)于連續(xù)式消化反應(yīng)器中厭氧消化污泥的影響作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在較短的HRT條件下經(jīng)超聲波處理的污泥的產(chǎn)氣率提高了。在2.5天的停留時(shí)間條件下，可消解性提高到60%，氣體轉(zhuǎn)化效率提高到40%。活性污泥的消化速率和聚合物的水解速率都遵循一階動(dòng)力學(xué)，其速率常數(shù)分別是0.16/天和1.2/天。與單相厭氧消化系統(tǒng)相比，兩相厭氧消化中活性污泥轉(zhuǎn)化為甲烷氣體的效率更高。
Tiehm等利用不同HRT（22天，26天，12天和8天）條件下的批式實(shí)驗(yàn)研究超聲波處理對(duì)厭氧消化污泥的影響。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，厭氧消化中的VS減少百分比較之未經(jīng)預(yù)處理的要高出不少，分別為50.3%和45.8%。出水中VS濃度比傳統(tǒng)的厭氧消化出水要低10%左右。有研究發(fā)現(xiàn)污泥經(jīng)超聲波處理后，可以提高其VS的減少量和厭氧消化中的產(chǎn)氣量。超聲波處理能夠提高污泥的可降解性，也就縮短了停留時(shí)間。Nels等研究發(fā)現(xiàn)可以講停留時(shí)間從16天縮短為4天。與參照組相比較發(fā)現(xiàn)，4天停留時(shí)間的VS降解率提高了30%。
Tiehm等[33]分析了處理時(shí)間和超聲波頻率的影響作用指出，隨著二者在預(yù)處理中的增加，消化污泥的VS減少量也逐漸增加。例如，空白組樣品的VS減少量為21.5%，而經(jīng)30分鐘超聲處理的樣品中此數(shù)據(jù)提高到27.3%，相對(duì)于空白組提高了27%。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥的產(chǎn)氣量和氣體中甲烷的含量同時(shí)上升。提高聲波頻率會(huì)使得粉碎度降低并降低VS的可降解性。
Wang等[31]也研究了超聲處理時(shí)間對(duì)污泥粉碎及隨后的厭氧消化的影響作用。通過(guò)提高處理時(shí)間可以使甲烷的含量上升。當(dāng)處理時(shí)間分別為10分鐘，20分鐘，30分鐘和40分鐘時(shí)，甲烷含量分別提高了12%，31%，64%和69%。所以，提高活性污泥厭氧消化效率的最佳預(yù)處理時(shí)間應(yīng)該是30分鐘。蛋白質(zhì)，碳水化合物和不飽和脂肪酸等在厭氧消化中的降解遵循著相同的趨勢(shì)。這些有機(jī)物質(zhì)的濃度在最初的24小時(shí)內(nèi)升高，隨后其濃度逐漸降低。污泥的產(chǎn)甲烷能力與其不飽和脂肪酸濃度直接相關(guān)。隨著HRT的升高，甲烷的單位產(chǎn)量是下降的。單位產(chǎn)甲烷量的上升是由于微粒凈表面積和復(fù)雜有機(jī)物的溶解的增加。通過(guò)研究超聲波密度對(duì)污泥產(chǎn)甲烷量的影響發(fā)現(xiàn)，在19天的厭氧消化后，經(jīng)超聲處理的污泥的產(chǎn)甲烷量是空白組的8到17倍。
Bougrier等[47]研究了單位輸入功率對(duì)產(chǎn)氣量的影響。隨著單位輸入功率的升高，生物氣體產(chǎn)量也隨之升高。然而，對(duì)于更高的輸入功率條件（7000和15000 kJ/kg TS）下，二者的產(chǎn)氣量幾乎是相同的。對(duì)于未處理的污泥，其97%的生物氣體產(chǎn)量來(lái)自于微粒物質(zhì)，而在超聲處理污泥中此比例僅為60%。生物氣總量的增加是由于污泥中的固體微粒在超聲波的作用下溶解，更便于細(xì)菌的利用。
Mao和Show[73]研究了超聲波處理對(duì)于水解，酸化和甲烷化及其關(guān)系的影響。超聲波處理與酸化反應(yīng)速率并沒(méi)有什么關(guān)系，但是它可以為酸化反應(yīng)提供緩沖作用。經(jīng)過(guò)不同聲波密度處理的污泥其水解速率分別提高19—75%。所以，超聲波處理對(duì)于水解酸化的促進(jìn)作用主要是表現(xiàn)在其對(duì)于水解復(fù)雜有機(jī)物的促進(jìn)上。這一促進(jìn)作用可以增加消化過(guò)程中可產(chǎn)甲烷的生物質(zhì)量，從而減輕在反應(yīng)初期對(duì)產(chǎn)甲烷化的限制。
3.2 實(shí)際應(yīng)用
由于在實(shí)際應(yīng)用中其尺寸從實(shí)驗(yàn)大小到實(shí)際大小的變化，污泥的超聲波處理對(duì)于污泥在厭氧消化中COD減少量的促進(jìn)作用受到了制約。Sonic公司身纏了一套能夠加強(qiáng)厭氧消化的實(shí)際應(yīng)用尺寸的超聲波系統(tǒng)。在世界各地都有該系統(tǒng)的測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用。在英國(guó)的Wessex，安裝了一套超聲波處理系統(tǒng)用以處理市政與工業(yè)混合污泥。未預(yù)處理污泥的TS和VS減少量分別為40%和50%，而處理后可達(dá)到60%和70%。相似的，在英國(guó)、美國(guó)和澳大利亞的許多地方都安裝了SonixTM系統(tǒng)。在這些裝置上觀測(cè)到的生物氣體產(chǎn)率均提升了40—50%，VS的金絲減少量提高了30—50%。表5總結(jié)了超聲波處理對(duì)于污泥可消解性的提高作用的眾多研究。
Barber[11]展示了分流式超聲波設(shè)備的細(xì)節(jié)，此設(shè)備能使生物氣產(chǎn)量提高20—50%，VS減少量提高20—50%，并提高污泥的脫水性能。通過(guò)對(duì)一個(gè)典型的實(shí)際尺寸超聲波設(shè)備進(jìn)行能量和物料衡算后顯示，能量的獲得多于能量的消耗，也就是說(shuō)，在考慮了能量損失的情況下，消耗1kW的超聲波可以產(chǎn)生7kW的電能。Xie等[115]評(píng)價(jià)了實(shí)際尺寸超聲波設(shè)備處理混合污泥的效果。在嚴(yán)格控制造作條件的情況下，生物氣體產(chǎn)量提高了15—58%，其平均升幅為45%。能量衡算表明，超聲波設(shè)備中能量的平均凈獲得與電能消耗的比率是2.5。
4. 未來(lái)展望
污泥的超聲波降解對(duì)污泥的物理、化學(xué)和生物性能有很大影響。我們可以通過(guò)評(píng)價(jià)物理、化學(xué)和生物因素得出超聲波降解的效率。物理因素包括污泥的顆粒大小、渾濁度和脫水性能。這些都會(huì)受到超聲波和超聲波因素的影響。在超聲波降解過(guò)程中污泥的顆粒大小會(huì)逐漸減小，但到達(dá)某個(gè)點(diǎn)后，由于重新絮凝，顆粒的大小反而會(huì)增大。污泥特性和超聲波降解因素的不同會(huì)導(dǎo)致污泥顆粒大小的減小程度不同。因此，超聲波降解因素和污泥特性的最優(yōu)選擇應(yīng)該針對(duì)具體的案例進(jìn)行。這可以通過(guò)系統(tǒng)的物料和能量守恒計(jì)算得到。
化學(xué)因素的評(píng)估更加定量化。在實(shí)際應(yīng)用中，化學(xué)因素在超聲波降解效率的評(píng)估中是最重要的。隨著超聲波降解的進(jìn)行，污泥的SCOD、蛋白質(zhì)和氨濃度會(huì)增加。增長(zhǎng)到一定程度后，超聲波降解再進(jìn)行下去，對(duì)這些溶解作用因素也幾乎沒(méi)有影響。在短時(shí)間內(nèi)使用高強(qiáng)度超聲波與在長(zhǎng)保留時(shí)間下使用低強(qiáng)度超聲波所達(dá)到的效果是一樣的。對(duì)于來(lái)源不同的污泥，應(yīng)該在短時(shí)間內(nèi)用高強(qiáng)度的超聲波，而對(duì)同一來(lái)源的污泥，用低強(qiáng)度超聲波進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的作用效果會(huì)比較好。
超聲波降解是一種新興的污泥前處理技術(shù)，可以提高污泥的可生化降解性。但要實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用，還需要更多深入的研究以提高甲烷的產(chǎn)率。雖然這個(gè)領(lǐng)域有超過(guò)50份的出版物，但是仍然沒(méi)有通用的方法來(lái)評(píng)估這種預(yù)處理工藝的效率。許多作者已經(jīng)表達(dá)出在不同的單元中超聲波降解因素的作用。我們需要對(duì)評(píng)估的方法進(jìn)行規(guī)范，才能比較不同作者給出的結(jié)果。因?yàn)闅庋ㄊ浅暡ń到猱a(chǎn)生的一個(gè)基本現(xiàn)象，所以影響氣穴的因素對(duì)超聲波降解也會(huì)有很大影響。我們需要對(duì)超聲波降解過(guò)程中每個(gè)因素所占的影響地位進(jìn)行評(píng)估，包括它們對(duì)瓦解程度的影響。作者們已經(jīng)根據(jù)COD增溶和污泥瓦解的程度來(lái)評(píng)估超聲波降解效率的作用，但對(duì)COD增溶和具體的能量輸入以及超聲波降解密度和超聲波降解這幾方面的作用還沒(méi)有清楚的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，我們也需要評(píng)估這些因素之間的相互關(guān)系。研究者們已經(jīng)根據(jù)VS的減少量和甲烷產(chǎn)量的增加來(lái)評(píng)估超聲波降解的作用，但對(duì)效率的評(píng)價(jià)仍然不可靠。超聲波降解引起的污泥粘性的增加以及它對(duì)AD的影響也必須進(jìn)行評(píng)估。
我們需要更深入地探究短暫氣穴和穩(wěn)定氣穴對(duì)于污泥的可生化降解性能和甲烷含量增長(zhǎng)的影響。AD最主要的一個(gè)缺點(diǎn)就是會(huì)導(dǎo)致堿度增加。因此超聲波降解過(guò)程中鈣離子和鎂離子的釋放有很大的影響。從污泥絮凝物釋放出來(lái)的鈣離子和鎂離子數(shù)量之間的相互關(guān)系以及它們對(duì)AD的影響也是評(píng)估AD效率的一個(gè)因素。超聲波降解過(guò)程和AD中生物聚合物的添加以及與污泥消化性的相互關(guān)系也需要進(jìn)行評(píng)估。超聲波降解處理對(duì)消化控制每一個(gè)步驟的影響和效果改善同樣也非常重要。污泥pH對(duì)污泥瓦解效率有很大影響。所以污泥pH對(duì)污泥瓦解和AD的影響也需要進(jìn)行記載。污泥pH和超聲波降解因素和AD效率之間的相互關(guān)系在實(shí)際應(yīng)用中是需要弄清楚的。評(píng)價(jià)任何預(yù)處理工藝效率的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法是評(píng)估工藝的凈能量平衡和計(jì)算凈的碳節(jié)約量。
5. 結(jié)論
污泥的超聲波降解預(yù)處理對(duì)污泥在厭氧消化過(guò)程中的可生化降解性能具有很大的意義。它提高了生物氣的產(chǎn)量以及甲烷在生物氣中的含量。實(shí)驗(yàn)顯示在AD中超聲波降解能使污泥減量和生物氣產(chǎn)量得到很大的提高，在實(shí)際應(yīng)用中能顯現(xiàn)31%的污泥減量，同時(shí)還能提高污泥的脫水性能。污泥的超聲波降解加速?gòu)?fù)合有機(jī)物向可降解物質(zhì)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，同時(shí)促進(jìn)產(chǎn)氫細(xì)菌的生長(zhǎng)。大多數(shù)研究者都認(rèn)為超聲波的密度比超聲波降解時(shí)間更為重要。動(dòng)力學(xué)模型研究表明各因素影響作用排序如下：pH>污泥濃度>超聲波降解強(qiáng)度>超聲波密度。物料和能量平衡計(jì)算顯示，使用1kW的超聲波能量能夠產(chǎn)生大概7kW的電能。因此，通過(guò)減少消化器的規(guī)模以及在較少的停留時(shí)間下運(yùn)行，我們可以彌補(bǔ)更大數(shù)量的投資和運(yùn)行費(fèi)用。這對(duì)污水處理廠的污泥管理具有重大意義。
生物氣的產(chǎn)率與COD的溶液化凈比率直接成比例關(guān)系。COD溶液化增加，甲烷產(chǎn)量也隨著增加。這同時(shí)要求減少反應(yīng)器的停留時(shí)間，也就大大減小了反應(yīng)器的規(guī)模。超聲波降解可以會(huì)增加揮發(fā)性固體的減少量，也就提高了AD中污泥的降解效率。根據(jù)物料和能量平衡優(yōu)化操作運(yùn)行因素，對(duì)證明超聲波降解應(yīng)用可行性至關(guān)重要。
