李兆瑞，劉永德

(河南工業(yè)大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 引言

超聲污泥溶胞技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和[6]、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、不會(huì)帶來二次污染等特點(diǎn),在污泥溶胞方面得到了廣泛關(guān)注，但由于其能耗較高未能得到大規(guī)模應(yīng)用。因此，許多學(xué)者對(duì)基于超聲的聯(lián)合處理溶胞技術(shù)進(jìn)行研究，本文綜述了基于超聲的污泥溶胞技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)其在未來的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

2 基于超聲的聯(lián)合溶胞技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 超聲-臭氧聯(lián)合污泥溶胞技術(shù)

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑[7]，在與剩余污泥接觸時(shí)會(huì)部分分解成羥基自由基并與污泥發(fā)生反應(yīng)[8]，其強(qiáng)氧化性可以將菌膠團(tuán)分散并破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，將部分污泥氧化成為無機(jī)物，達(dá)到污泥溶胞的目的。雖然臭氧對(duì)污泥溶胞的作用顯著，但由于臭氧在污水污泥中的溶解度較低，需要較大的臭氧投加量用以實(shí)現(xiàn)較好的污泥溶胞效果，由此會(huì)帶來較高的能耗和處理成本。而在超聲-臭氧聯(lián)合污泥溶胞體系中，超聲的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)[9～11]增強(qiáng)了臭氧的傳質(zhì)和分解速率。污泥菌膠團(tuán)在臭氧的用下結(jié)構(gòu)變得松散，更容易被超聲破壞，從而達(dá)到協(xié)同作用，提高了臭氧的利用效率，降低了臭氧的投加量和超聲的功率。其中臭氧流量和超聲功率選擇對(duì)污泥溶胞效果影響較大。黃慧等[12]研究表明在超聲-臭氧聯(lián)合溶胞作用下，在臭氧流量為7 L/min、超聲功率為800 W的條件下反應(yīng)40 min，SCOD和TP溶出分別比反應(yīng)前提高了925%和1946%。SCOD溶出是在單獨(dú)臭氧條件下的1.58倍，TP的溶出是單獨(dú)超聲處理的2.85倍。因此超聲-臭氧聯(lián)合污泥溶胞可以彌補(bǔ)單獨(dú)臭氧溶胞SCOD溶出較低和單獨(dú)超聲溶胞TP溶出較低的問題，是一種有效的污泥溶胞方法。同時(shí)黃慧等[12]研究指出，在較大的污泥濃度下，聯(lián)合處理的優(yōu)勢更顯著。因此在聯(lián)合處理前增加污泥濃縮池等污泥濃縮設(shè)備提高污泥濃度可以有效降低運(yùn)行成本。Ren等[13]通過響應(yīng)面分析超聲-臭氧聯(lián)合污泥溶胞技術(shù)在A/A/O中的應(yīng)用，研究表明，超聲波改善了臭氧的傳質(zhì)，使臭氧的還原效率達(dá)到68.1%。在臭氧劑量為0.14gO3/gSS，超聲強(qiáng)度為1.61 W/mL的最優(yōu)條件下反應(yīng)30 min，A/A/O中的剩余污泥產(chǎn)率降低了51.3%，有效地減少了剩余污泥的產(chǎn)生。劉亞奇[8]研究發(fā)現(xiàn)，在污泥濃度為21619 mg/L時(shí)超聲-臭氧聯(lián)合污泥溶胞的SCOD釋放率最大，在最優(yōu)的溶胞條件下，剩余污泥MLSS的減少率為31.99%，TOC減少率為76.04%，有效降低了剩余污泥的產(chǎn)量和有機(jī)質(zhì)含量，有利于剩余污泥的后續(xù)處理。

在超聲-臭氧聯(lián)合污泥溶胞體系中，超聲的空化作用改善了臭氧傳質(zhì)，提高了臭氧的利用效率，實(shí)現(xiàn)了較為高效的污泥溶胞。但超聲的聲能密度較高，臭氧的流量較大，臭氧的制備和超聲消耗的能量較多，需要進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件，降低運(yùn)行費(fèi)用。

2.2 超聲-過氧化氫聯(lián)合污泥溶胞技術(shù)

過氧化氫與污泥反應(yīng)后的產(chǎn)物是水，不會(huì)帶來二次污染，是一種理想的污泥溶胞氧化劑，當(dāng)過氧化氫與污泥接觸時(shí)，可以有效破壞污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁，達(dá)到污泥溶胞的效果[14]。同時(shí)過氧化氫通過對(duì)絲狀菌的破壞提高了污泥的脫水率，有利于后續(xù)處理。過氧化氫與超聲聯(lián)用可以對(duì)污泥菌膠團(tuán)進(jìn)行有效破壞，同時(shí)產(chǎn)生更多的羥基自由基，增強(qiáng)污泥溶胞效果。魏金枝等[15]研究發(fā)現(xiàn)在過氧化氫和污泥的比例為1.5%時(shí)，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值為11，持續(xù)反應(yīng)20 min后，釋放到溶液中的SCOD增加到2138.7 mg/L，污泥TSS減少了20%。董慧[14]研究發(fā)現(xiàn)，在超聲-過氧化氫聯(lián)合污泥溶胞體系中，超聲對(duì)污泥細(xì)胞的破壞占主導(dǎo)地位。此外，由于過氧化氫可以氧化部分有機(jī)質(zhì)，隨著過氧化氫濃度的提高，釋放到上清液中的SCOD呈先增大后減小的趨勢。

在超聲-過氧化氫聯(lián)合污泥溶胞體系中，過氧化氫在提高SCOD溶出中作用較小，但是可以提高上清液SCOD中可生化的比例，有利于后期回流到反硝化階段微生物的利用。此外，過氧化氫對(duì)污泥的溶胞效率較低，導(dǎo)致過氧化氫的添加量較高，成本較高。需要對(duì)催化劑尤其是可回收的催化劑在過氧化氫氧化污泥的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2.3 超聲-堿聯(lián)合污泥溶胞技術(shù)

污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁在較強(qiáng)的堿性條件下會(huì)受到很高的膨脹壓而變得容易破裂。堿與胞外聚合物和細(xì)胞膜的皂化反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜破碎。同時(shí)，OH-的增加會(huì)導(dǎo)致污泥細(xì)胞表面的負(fù)電荷增加，在細(xì)胞表面產(chǎn)生靜電排斥力，有利于破碎細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)質(zhì)釋放到溶液中[16～18]。在堿與超聲聯(lián)用中，經(jīng)堿處理后的污泥部分胞外聚合物被破壞，污泥細(xì)胞更容易在超聲的機(jī)械和空化效應(yīng)[9～11]下溶胞。同時(shí)，超聲可以破壞污泥菌膠團(tuán)，增大污泥的比表面積，有利于堿和污泥充分接觸，提高了污泥細(xì)胞的溶胞程度和胞內(nèi)物質(zhì)的釋放程度。其中，超聲能量和pH值是污泥溶胞的主要影響因素。田月臣[19]的研究表明，在聲能密度為0.19 W/mL，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值為12，反應(yīng)60 min時(shí)，溶液中的SCOD增加值為4871 mg/L，同時(shí)提高了污泥的脫水性能。在超聲-堿聯(lián)合污泥溶胞體系中，堿的加入顯著降低超聲的聲能密度，降低了能耗。劉勇等[20]的研宄表明，當(dāng)污泥溶液的pH值為11時(shí)，在60 min的超聲作用中溶液中的SCOD含量與時(shí)間呈線性關(guān)系。Xinbo Tian等[21]的研究表明，超聲-堿聯(lián)合污泥溶胞可以促進(jìn)難分解的有機(jī)質(zhì)分解，提高SCOD的可生化性。Xinbo Tian等[22]研究發(fā)現(xiàn)，NaOH濃度為0.05 g/g TS為超聲-堿聯(lián)合污泥溶胞體系下協(xié)同溶胞效果顯著的最小投加量。在超聲過程中分步加入NaOH可以在達(dá)到相同溶胞效果時(shí)降低20%的堿投加量。X.B.Tian等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在超聲能量為9000 kJ/kg，堿投加量為0.02 mol/L反應(yīng)10 min后，可溶性微生物和腐殖酸類物質(zhì)含量明顯增加，表明聯(lián)合處理使細(xì)胞溶胞程度增大，污泥胞內(nèi)物質(zhì)釋放程度增加。

在超聲-堿聯(lián)合污泥溶胞體系中，堿的加入極大的降低了超聲污泥溶胞的聲能密度，提高了高的SCOD釋放量，同時(shí)使部分難分解的有機(jī)物分解，提高了SCOD的可生化性，有利于后期反硝化階段微生物利用。超聲-堿聯(lián)合污泥溶胞體系運(yùn)行成本較低，是一種比較成熟的污泥溶胞體系。但目前仍然需要對(duì)堿的投加量和投加時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低堿的用量和超聲所需能量。并對(duì)堿投加帶來的較高濃度的陽離子對(duì)微生物的影響做進(jìn)一步的研究。

2.4 超聲-Fenton聯(lián)合污泥溶胞技術(shù)

Fenton氧化體系是在過氧化氫氧化體系中加入酸和Fe2+，從而生成具有強(qiáng)氧化性質(zhì)的羥基自由基(·OH)對(duì)污泥進(jìn)行高效溶胞[24]，其具有效率高、無污染等特性，能夠氧化污泥中的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，使細(xì)胞中的有機(jī)成分更容易轉(zhuǎn)移到溶液中，同時(shí)對(duì)污泥中難降解的有機(jī)物進(jìn)行分解，提高溶出SCOD的可生化性，和剩余污泥的脫水性。但Fenton氧化體系化學(xué)試劑的投入量較高，且不能與污泥菌膠團(tuán)充分接觸，反應(yīng)效率低。在與超聲的聯(lián)用中，超聲的機(jī)械作用和熱效應(yīng)使污泥菌膠團(tuán)破碎與H2O2和Fe2+充分接觸，同時(shí)Fenton氧化體系中的生成的氧氣可以提高污泥溶液中的氧含量，強(qiáng)化超聲的空化效應(yīng)，增強(qiáng)了污泥溶胞效率。宮常修[25]的研究表明，在聲能密度為0.72 W/mL，F(xiàn)e2+和H2O2的投加量分別為為0.2 g/L和0.5 g/L時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行20 min后，SCOD的溶出量是單獨(dú)超聲的8.75倍，是單獨(dú)Fenton氧化的2倍。S. Kavitha[26]通過低劑量的Fenton工藝破壞污泥菌膠團(tuán)和胞外聚合物，在0.2 g/g SS Fe2+和0.8 g/g SS H2O2的投加量下反應(yīng)5 min后，對(duì)污泥混合液進(jìn)行能量為641 kJ/kg TS的超聲處理，污泥中34.4%的COD溶解到上清液中，比單獨(dú)超聲處理達(dá)到相同COD溶出節(jié)約了約96%的能量。

超聲-Fenton聯(lián)合污泥溶胞體系可以釋放出較多的SCOD，同時(shí)改善了Fenton體系的傳質(zhì)效率，降低了H2O2和Fe2+的投加量，也極大地降低了超聲所消耗的能量，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。但目前對(duì)Fenton試劑與超聲的反應(yīng)順序和類芬頓體系不同催化劑對(duì)污泥的作用效果研究較少，需要進(jìn)一步研究以減少化學(xué)試劑的投加量。

2.5 超聲-高鐵酸鹽聯(lián)合污泥溶胞技術(shù)

超聲-高鐵酸鹽聯(lián)合污泥溶胞體系是一個(gè)高效的污泥溶胞體系，得益于高鐵酸鹽的強(qiáng)氧化性，污泥溶胞在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，提高了反應(yīng)效率，減少了超聲所需能量。同時(shí)改善了上清液的可生化性，降低了溶胞后的污泥總量，提高了溶胞后剩余污泥的脫水性能。但高鐵酸鹽的穩(wěn)定性較差，不易長期保存，對(duì)于工程應(yīng)用中高鐵酸鹽的現(xiàn)場制備工藝有待于進(jìn)一步探究。在超聲-高鐵酸鹽聯(lián)合污泥溶胞體系，對(duì)超聲與高鐵酸鹽的反應(yīng)順序和pH值對(duì)SCOD的溶出研究較少，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定最佳的溶胞工藝。

3 展望

污泥溶胞后的上清液回流到反硝化段可以提高污水處理系統(tǒng)的脫氮能力，降低運(yùn)行費(fèi)用，是一種有前景的剩余污泥再利用技術(shù)。超聲的聯(lián)合溶胞技術(shù)改善了單獨(dú)超聲污泥溶胞能耗大，反應(yīng)時(shí)間長等缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高了污泥溶胞后上清液的SCOD濃度，為其作為污水處理反硝化階段碳源的大規(guī)模應(yīng)用提供了可能。其中超聲-堿聯(lián)合污泥溶胞技術(shù)對(duì)污泥的溶胞效果最好，可以將較多的SCOD釋放到溶液中，但存在較多不易被生物利用的有機(jī)物，而超聲聯(lián)合臭氧、過氧化氫、高鐵酸鹽、Fenton等與氧化劑聯(lián)用的方法提高了污泥的可生化性，但由于部分SCOD被氧化，在污泥溶胞程度較高的條件下釋放到溶液中的SCOD較少。其中，高鐵酸鹽和Fenton與超聲聯(lián)用實(shí)現(xiàn)了較高的SCOD釋放，降低了剩余污泥總量。高鐵酸鹽的還原產(chǎn)物還會(huì)生成氫氧化鐵膠體，改善了溶胞后污泥的脫水性能，減少了后續(xù)的運(yùn)輸，填埋或焚化的成本?，F(xiàn)有的基于超聲的聯(lián)合污泥溶胞技術(shù)大部分為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，需要對(duì)其大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)行探索性試驗(yàn)，對(duì)反應(yīng)機(jī)理做進(jìn)一步分析。目前的研究缺乏對(duì)污泥溶胞系統(tǒng)的全生命周期評(píng)價(jià)，對(duì)資源回收和環(huán)境影響等進(jìn)行分析，確定污泥溶胞系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，為污泥溶胞系統(tǒng)的工藝選擇提供科學(xué)依據(jù)[31]。如何針對(duì)不同污水處理廠的污泥特性選擇適當(dāng)?shù)穆?lián)合溶胞方法，還需要結(jié)合污水處理廠的工藝特征和污泥性質(zhì)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)污泥溶胞系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。