進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的迅速發(fā)展，城市污水處理廠中的污泥的產(chǎn)量越來(lái)越大。由于處理成本高昂，幾乎到了污水處理廠成本的60%左右，加之國(guó)家對(duì)污泥處理的相關(guān)法規(guī)日漸嚴(yán)格，污泥的處理問(wèn)題已經(jīng)成為污水處理廠面臨的頭等難題。同時(shí)，近年來(lái)，隨著人們對(duì)全球變暖和氣候變化的關(guān)注不斷提升，污水處理廠的溫室氣體排放問(wèn)題也備受人們的關(guān)注。由于成本原因和環(huán)境的負(fù)面影響太大，一些傳統(tǒng)的污泥處理方法如焚燒、填埋等已經(jīng)變得越來(lái)越不可取。

一些研究者提出了污泥的厭氧消化處理方法。這種方法在無(wú)氧的條件下，由兼性菌及專性厭氧細(xì)菌降解有機(jī)物，最終產(chǎn)物是二氧化碳和甲烷氣體（biogas），使污泥得到穩(wěn)定。由于它在實(shí)現(xiàn)了污泥減量的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了除臭、去除細(xì)菌及生成沼氣的效果，故被稱為是一種可持續(xù)的處理污泥的方法。但是傳統(tǒng)的厭氧消化技術(shù)由于污泥發(fā)酵周期長(zhǎng)，可達(dá)25d甚至一個(gè)月，由此產(chǎn)生的污泥的滯留需要建造大容積污泥罐，大大增加了污水廠的建造成本，制約了這種技術(shù)的應(yīng)用。

隨后研究者們發(fā)現(xiàn)對(duì)污泥做前處理能夠有效克服厭氧消化的這一缺點(diǎn)。熱處理、化學(xué)處理、機(jī)械處理及物理處理等多種前處理方法相繼出現(xiàn)。大量的研究和實(shí)踐表明：將超聲波用于污泥的前處理實(shí)現(xiàn)了污泥的消化效率高、生物降解能力增強(qiáng)及產(chǎn)沼量大等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于其他前處理方法。

本文通過(guò)文獻(xiàn)研究法，對(duì)近幾年來(lái)國(guó)外超聲波前處理用于污泥減量的理論研究和實(shí)踐進(jìn)行分析，并對(duì)國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)析，為我國(guó)超聲波污泥減量的研究和實(shí)踐找出發(fā)展方向。

1超聲波處理污泥的原理

超聲波是指頻率從20kHz到10MHz范圍內(nèi)的聲波，具有頻率高、方向性恒定、穿透力強(qiáng)、能量集中的特點(diǎn)。用超聲波技術(shù)處理污泥，其原理是選擇一定頻率和振幅的超聲波，利用其在液體中產(chǎn)生的“空穴”（cavitation）作用，形成極端的物理和力學(xué)條件，局部可達(dá)5000℃高溫，50000Pa高壓，以及剪切力。這就是空穴“內(nèi)爆”（implosion）產(chǎn)生的所謂“熱點(diǎn)”（hotspot），將微生物細(xì)胞壁擊破，同時(shí)釋放出酶。酶的作用使其余未被擊破的微生物細(xì)胞失去對(duì)污泥罐中發(fā)酵環(huán)境的適應(yīng)能力，迅速成為厭氧微生物的營(yíng)養(yǎng)物而被消耗，從而大大加速發(fā)酵過(guò)程。

2超聲波處理污泥研究

國(guó)外超聲波污泥減量技術(shù)的發(fā)展早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外就有學(xué)者用超聲波來(lái)提取細(xì)胞壁上的聚合物進(jìn)而研究污泥中微生物的表面特性[3]。經(jīng)過(guò)近20a的努力，將超聲波用于污泥處理的技術(shù)問(wèn)題逐步得到解決，到90年代初，有關(guān)超聲波污泥減量的研究已轉(zhuǎn)向技術(shù)實(shí)驗(yàn)階段。由于其無(wú)污染、能量密度高、分解污泥速度快的特點(diǎn)，該技術(shù)受到污泥處理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。美國(guó)、英國(guó)及德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相開始相關(guān)的研究。然而，這一技術(shù)在上世紀(jì)結(jié)束前一直未能投入到實(shí)際的運(yùn)營(yíng)當(dāng)中。因?yàn)樽畛醯某暡ㄌ幚砑夹g(shù)存在高耗能、低產(chǎn)出的致命問(wèn)題，使其難以投入到商業(yè)化的運(yùn)營(yíng)當(dāng)中。從1998年開始，在以德國(guó)漢堡工業(yè)大學(xué)的奈斯教授為首的一批研究人員的努力下，經(jīng)過(guò)5a的研究，改進(jìn)了原有的污泥減量技術(shù)，使得能量的投入產(chǎn)出比得到顯著下降[4]。此后，超聲波污泥減量技術(shù)得以走出實(shí)驗(yàn)室，投入商業(yè)化的運(yùn)用中。

近兩年國(guó)外關(guān)于污泥減量主要集中在以下一些研究上：

2.1對(duì)超聲波作用下污泥資源化利用的研究

污泥中含有的有機(jī)質(zhì)成分及一些金屬元素如重金屬等，通過(guò)發(fā)酵、添加劑置換等方法可以轉(zhuǎn)化為可利用的資源。在探索超聲波污泥減量的實(shí)驗(yàn)中，超聲波的前處理作用可以促進(jìn)污泥的厭氧消化的效率，同時(shí)增加沼氣的產(chǎn)出量。國(guó)外最近的研究還探索了超聲波對(duì)污泥中除沼氣之外其他成分的資源利用。

在此領(lǐng)域上，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家走在前列，如奧地利格拉茲大學(xué)的C. Angerbauer等首次通過(guò)斯達(dá)氏油脂酵母將污泥轉(zhuǎn)化為脂類以用于生物柴油的生產(chǎn)的研究，該研究發(fā)現(xiàn)對(duì)污泥進(jìn)行超聲處理比直接用原污泥進(jìn)行脂類轉(zhuǎn)化的效率要高。Sang Hyoun Kim等人研究了消化污泥的超聲前處理對(duì)蔗糖厭氧發(fā)酵的制氫產(chǎn)量的影響，研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到了超聲前處理中，使得制氫量最大化的超聲時(shí)間和強(qiáng)度。

2.2影響超聲波空穴作用與污泥降解因素的研究

影響超聲波空穴作用與污泥降解的因素，以及各因素之間的相關(guān)聯(lián)系也成為近兩年各國(guó)研究者的研究熱點(diǎn)。因?yàn)槲勰嘀写嬖诘臍怏w或氣體分子的量、污泥的外部壓力、污泥的粘度、污泥中的水汽壓力、超聲波的應(yīng)用頻率、超聲密度、聲強(qiáng)等因素都會(huì)對(duì)超聲波在污泥中的空穴作用產(chǎn)生影響。如：由馬拉西亞、新加坡與臺(tái)灣聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，研究了超聲波密度對(duì)超聲波污泥破解效率上的影響，并提出了效率方程PA=21/2IqC。方程中將聲音密度、聲強(qiáng)、聲速及強(qiáng)度之間的相關(guān)性體現(xiàn)出來(lái)。M. D. L. D. Castro等人研究了污泥的外部壓力、污泥內(nèi)的水汽壓力以及超聲波空穴作用的不同類型對(duì)污泥減量作用的影響，并分析這些因素之間的相關(guān)性[8]。這些研究對(duì)超聲波污泥處理的相關(guān)因素作了詳盡細(xì)致的分析，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中超聲波的各種參數(shù)的控制提出了參考 。

2.3超聲波污泥減量機(jī)理的進(jìn)一步的深入研究

污泥減量的前處理技術(shù)對(duì)菌體細(xì)胞的滲透性和分解的影響使其實(shí)現(xiàn)了污泥的減量。污泥減量前處理技術(shù)中細(xì)胞破碎的機(jī)理的研究已比較全面，但其對(duì)細(xì)胞溶解的效應(yīng)尚未得到深入的研究，這也成為了國(guó)外近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。如P. Foladori等人的實(shí)驗(yàn)通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)對(duì)幾種前處理技術(shù)對(duì)污泥中菌細(xì)胞的分解結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。Julien Laurent等人研究了分解活性污泥的重金屬的生物吸附等。結(jié)果顯示，物理的和機(jī)械的前處理技術(shù)，包括超聲波和高壓，對(duì)菌體細(xì)胞分解的只有很溫和的影響，且需要一個(gè)很高的能量級(jí)，而熱處理和臭氧處理的效果更好[。此外，活性污泥經(jīng)過(guò)超聲處理等前處理之后，大部分有機(jī)質(zhì)會(huì)被溶解，這使得傳統(tǒng)的吸附模型不再適用于對(duì)經(jīng)過(guò)超聲處理的活性污泥中提取的重金屬的平衡的描述。因此，此類研究提出了一種新的模型。這些研究為超聲波處理技術(shù)應(yīng)用能量的消耗與產(chǎn)出的平衡提供了借鑒的思路。

2.4超聲處理產(chǎn)沼的最優(yōu)條件的研究

對(duì)于不同的超聲波參數(shù)和污泥的不同特性，除了超聲污泥減量的效果也各不相同之外，其產(chǎn)生沼氣的條件也會(huì)有所變化。國(guó)外對(duì)這方面的研究已有數(shù)10a的歷史。近兩年的研究主要是關(guān)注不同研究之間結(jié)果的比較及各種影響因素之間的相關(guān)性分析。如國(guó)外相關(guān)研究主要集中在超聲波處理的最優(yōu)條件的研究，以及堿和超聲波前處理的結(jié)合對(duì)產(chǎn)沼影響進(jìn)行研究上。

如Sridhar Pilli等人對(duì)歷年來(lái)在超聲波處理的最優(yōu)條件的研究進(jìn)行總結(jié)，并將采用相同研究方法的研究進(jìn)行了歸類比較；Dong-Hoon Kim等人對(duì)堿和超聲波前處理的結(jié)合對(duì)污泥分解的影響進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)采用中央組合設(shè)計(jì)的方法，結(jié)果表明堿和超聲處理的結(jié)合對(duì)污泥的減量的效果優(yōu)于單獨(dú)一種方法[；Christophe Dagot也做了類似的研究，并對(duì)兩種前處理方法的不同序列的效果進(jìn)行了分析（simultaneous treatment>NaOH treatment followed by ultrasonic treatment>ultrasonic treatment followed by NaOH treatment）。此外，在超聲波污泥減量技術(shù)的應(yīng)用上，國(guó)外尤其是英美德等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)比較成熟。早在上世紀(jì)90年代，德國(guó)和英國(guó)的很多大型的污水處理廠都已安裝并使用該技術(shù)。這種應(yīng)用也為國(guó)外開展污泥減量技術(shù)的應(yīng)用研究提供了條件。近年來(lái)在歐美國(guó)家，大量的研究都是基于污水處理廠的真實(shí)條件下的研究。Barber等人以德國(guó)的賓得污水廠的超聲處理設(shè)施為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，探索了在全應(yīng)用條件下超聲處理對(duì)污泥的生物化學(xué)特性的影響，結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)超聲處理污泥消化的沼氣的生成量有了顯著的提供，污泥粘度的降低增加了20%到50%，污泥的水解性能提高了3%到7%。這些立足于應(yīng)用的研究探索了超聲污泥減量技術(shù)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，并能直接用于污水廠對(duì)這一技術(shù)的改進(jìn)上。

3超聲波污泥減量技術(shù)在我國(guó)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國(guó)，將超聲波用于污泥減量的研究雖然在上個(gè)世紀(jì)末就已經(jīng)開始，但大量的研究還是在近幾年才出現(xiàn)。雖然起步晚，但發(fā)展速度非常快，尤其是近3a來(lái)，中國(guó)對(duì)超聲波污泥減量技術(shù)的研究已經(jīng)占到總體研究的一半以上。然而，我國(guó)的超聲波污泥減量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，將超聲波用于污泥處理的案例目前在我國(guó)還比較少見。

目前我國(guó)的研究和實(shí)踐主要集中在以下幾個(gè)方面：

3.1污泥的超聲預(yù)處理

污泥往往是含水量大、穩(wěn)定性差，傳統(tǒng)的預(yù)處理方法是進(jìn)行重力沉降、調(diào)節(jié)或機(jī)械脫水。傳統(tǒng)的方法往往占地面積大，耗時(shí)長(zhǎng)。采用超聲波預(yù)處理，可以通過(guò)提高改變污泥的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)達(dá)到縮短處理時(shí)間的效果。我國(guó)對(duì)超聲波處理污泥的絕大部分研究都集中在此方面。如國(guó)內(nèi)的學(xué)者曾曉嵐等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度超聲波輻射對(duì)污泥活性有顯著提高，采用50W/L的功率密度輻射10min后，污泥的OUR值較作用前提高了129%，蛋白酶活性提高了23.7%，脫氫酶活性提高24.6%。王曉霞等通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)探索了不同的超聲波強(qiáng)度和實(shí)踐對(duì)污泥中有機(jī)質(zhì)、氮和磷的性狀改變的影響。此外，徐桂華[19]、邵黎明及盛宇星等人都通過(guò)實(shí)驗(yàn)從不同角度探索了超聲波的時(shí)間和強(qiáng)度對(duì)污泥的生物化學(xué)特性方面的影響。

類似的研究在我國(guó)的相關(guān)文獻(xiàn)中占到較大的比例。

3.2超聲波強(qiáng)化一次污泥沉降與脫水性能

未處理一次污泥含水率高達(dá)95％以上，經(jīng)傳統(tǒng)濃縮、脫水處理后含水量仍然很高，后續(xù)處理處置問(wèn)題突出，它們散發(fā)臭氣，嚴(yán)重影響環(huán)境衛(wèi)生；對(duì)其進(jìn)行填埋會(huì)占用大量土地，滲濾液會(huì)嚴(yán)重污染地下水；而污泥焚燒的費(fèi)用比較昂貴，污泥問(wèn)題將成為今后城市一大環(huán)境問(wèn)題。超聲波預(yù)處理作為一種新型技術(shù)，可以較好地破壞污泥絮狀物結(jié)構(gòu)，提高脫水率，縮短厭氧發(fā)酵時(shí)間，因此成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究熱點(diǎn)，近年來(lái)的研究文獻(xiàn)在此方面有較大的提升。如：王關(guān)照等人研究超聲波預(yù)處理對(duì)常溫厭氧消化中污泥脫水能力和胞外復(fù)合物質(zhì)分解的影響。研究結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)超聲預(yù)處理的污泥在厭氧消化中毛細(xì)管吸收時(shí)間從44.4s/L降到11.1s/L，污泥的水解性能有了極大的提高。楊元元等人研究了在pH值為10的條件下超聲波對(duì)活性污泥的水解及揮發(fā)性脂肪酸的積累的加強(qiáng)。研究指出，在污泥處理中，揮發(fā)性脂肪酸的積累往往因?yàn)槲勰嗨膺^(guò)程中酸化的影響而受限，超聲波能夠加快活性污泥的水解，而pH值的調(diào)節(jié)能夠避免酸化的受限，二者結(jié)合就能夠既加速水解又加速揮發(fā)性脂肪酸的積累。

3.3不同的前處理作用的結(jié)合對(duì)污泥減量的效果的研究

在超聲波用于污泥減量研究的最初階段，能量的出入平衡即超聲波作用的能耗問(wèn)題一直成為阻礙超聲波在污泥減量上的一個(gè)限制性因素，在進(jìn)行超聲波的參數(shù)對(duì)污泥減量的影響的研究的同時(shí)，研究人員也發(fā)現(xiàn)將不同的處理方法結(jié)合將優(yōu)于單純的超聲物理的減量效果。這也成為近期的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如：劉曉玲等研究了經(jīng)過(guò)前處理的活性污泥的溶解和酸化的增加，研究運(yùn)用超聲波-堿、超聲波-酸等前處理方式的結(jié)合對(duì)增加活性污泥的溶解和酸化的影響；李春玲等進(jìn)行了堿與超聲波結(jié)合的前處理的污泥分解的動(dòng)力模型研究。研究探索了不同的污泥酸堿度及不同的超聲波密度和強(qiáng)度對(duì)污泥分解的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)線性回顧得出了其動(dòng)力學(xué)模型，模型顯示：酸堿度對(duì)超聲波作用下污泥分解的影響最大。將不同的處理方式與超聲波處理相結(jié)合的研究，為解決超聲波處理的能量消耗問(wèn)題提供了解決辦法。

3.4超聲波處理污泥的實(shí)際運(yùn)用

在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)還處在積極探索的階段。一些污水處理廠進(jìn)行小規(guī)模的超聲波污泥減量技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。例如廣州市污水公司在大坦沙污水處理廠進(jìn)行了污泥的超聲波減量實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)購(gòu)置國(guó)外的大型超聲波發(fā)聲設(shè)備，研究靜態(tài)狀況下經(jīng)超聲波裝置處理后污泥主要水質(zhì)指標(biāo)的變化，并將超聲波裝置作用于剩余污泥，探討了污泥的超聲波減量化效果。研究結(jié)果表明，經(jīng)超聲波裝置處理后，污泥SS、VSS、含水率值變化不大，TN、TP略有增加，溫度明顯增加。超聲波裝置處理后回流的污泥并未對(duì)原有生化反應(yīng)系統(tǒng)造成任何影響，超聲波污泥減量化效率為20.56%。此外，在北京、上海等地的污水處理廠也有類似的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)為超聲污泥減量技術(shù)的應(yīng)用作了有益的嘗試。

但總體而言，我國(guó)在超聲波處置污泥的實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)驗(yàn)尚淺，并無(wú)太多實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，理論研究主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室中理想狀態(tài)下進(jìn)行操作。

4我國(guó)超聲污泥減量技術(shù)研究發(fā)展的特點(diǎn)

比較國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲波污泥減量技術(shù)的研究，可以總結(jié)出我國(guó)在這一領(lǐng)域研究的一些特點(diǎn)：

（1）全面但不夠深入。我國(guó)在超聲污泥減量技術(shù)上的研究涉及了超聲預(yù)處理的最優(yōu)條件、超聲波對(duì)污泥物理、化學(xué)和生物特性的影響等各個(gè)方面，但這些研究都還處于較為基礎(chǔ)的層面。以超聲處理的最優(yōu)參數(shù)的研究為例，在這方面我國(guó)的研究非常豐富，但研究方法和條件上缺乏一致性，使得不同的研究之間的結(jié)果難以進(jìn)行比較，這在很大程度上限制了研究的進(jìn)一步深入。而對(duì)不同參數(shù)和影響因素之間的相關(guān)性的分析也很少見。此外，對(duì)于超聲波污泥減量的機(jī)理的認(rèn)識(shí)多是根據(jù)前人或國(guó)外的研究，對(duì)其進(jìn)一步的深入和細(xì)化的研究很少見。相比之下，國(guó)外雖然很早就開始了相關(guān)的研究，但至今仍沒有間斷。

（2）重理論，輕實(shí)踐。我國(guó)在超聲污泥減量技術(shù)上的研究多是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，研究的結(jié)果往往是在很多條件都很理想的情況下得出的，這些結(jié)果在真正應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)往往受到很多限制。國(guó)外對(duì)超聲波污泥減量技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，如德國(guó)Sonix公司生產(chǎn)的大型超聲波污泥處理裝置已在德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)和澳大利亞的多個(gè)污水處理廠運(yùn)行。這些污水處理廠利用自身?xiàng)l件，與研究機(jī)構(gòu)合作，不斷進(jìn)行超聲波技術(shù)的應(yīng)用研究。目前我國(guó)還沒有自主產(chǎn)權(quán)的大型的可用于污泥處理的超聲發(fā)聲裝置，這在一定程度上也限制了相關(guān)的實(shí)踐研究的進(jìn)行。

5結(jié)論與建議

污泥處理不僅是解決污水處理廠成本問(wèn)題的重中之重，更是從根本上解決污水處理中環(huán)境保護(hù)的基本途徑。歐美的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該技術(shù)在節(jié)省建造成本上具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，將促進(jìn)實(shí)現(xiàn)污泥罐小型化、污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的統(tǒng)一。

針對(duì)我國(guó)目前的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出以下建議：首先，在理論研究方面，要注重對(duì)超聲污泥減量的深入研究。①探索在超聲產(chǎn)沼處理最優(yōu)條件實(shí)驗(yàn)中方法和實(shí)驗(yàn)條件標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，使不同的實(shí)驗(yàn)之間的比較成為可能，為進(jìn)一步的深入研究打下基礎(chǔ)；②有必要開展污泥資源化利用研究；③超聲波處理污泥的基礎(chǔ)作用是空穴作用，影響空穴作用的因素都會(huì)對(duì)污泥的降解產(chǎn)生影響，有必要更加深入開展相關(guān)的研究，并分析不同因素的相關(guān)性；③有必要研究超聲處理的程度對(duì)消化控制和表現(xiàn)提高的每個(gè)降解步驟的影響。

其次，在實(shí)際應(yīng)用方面，一方面應(yīng)鼓勵(lì)污水廠與研究機(jī)構(gòu)合作，通過(guò)購(gòu)置超聲設(shè)備，在污水處理廠的真實(shí)環(huán)境下，進(jìn)行超聲處理的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。另一方面，應(yīng)加大投資力度，盡快研制出自主產(chǎn)權(quán)的用于污泥處理的大型超聲發(fā)聲設(shè)備，加快超聲波污泥減量技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。

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