污泥的超声波预处理

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1、污泥的超声波预处理[摘要]超声波处理是一种新兴的、有效的用以加强污泥的可生化性的机械预处理方法，并且对于所有污水处理设施中污泥的处理和处置都十分有效果。超声波处理是通过扰乱污泥原有的物理、化学和生理性质来提高其可消化能力。崩解的程度取决于声处理的参数以及污泥的特性，因此，最佳参数的评价因声处理设备和受处理污泥的不同而有所区别。超声波处理的试验设施表明，生物气体的产量提高了50%，此外能量衡算显示获得的净能量与超声波装置的电耗的平均比率是2.5。这篇综述总结了超声波处理污泥的优点、超声波处理参数对处理效果的作用、污

2、泥特性对于污泥裂解的影响及由此带来的厌氧消化器中生物气体产量的提高。由于许多研究者对于计量单位的表达的不确定以及数据的不可利用，对这些研究结果进行比较是非常复杂的。为了评价污泥处理处置的最经济可行和环境可行的预处理方法，将超声波处理和其他预处理的选择进行比较是很有必要的。超声波处理的最佳参数随污泥特性的不同而变化。1.引言21世纪工业化与城市化的快速发展导致了污水处理系统的污泥产量达到了不可管理的数量。污泥的管理是污水处理系统的主要问题，它占了系统运行总费用的60%而且关于污泥处置的法律法规变得越来越严格。随着全

3、球变暖和气候变化的加剧，来自废弃物处理领域的温室气体排放获得了更多的关注。在加拿大，废弃物处理领域的温室气体排放从1990年到2006年提高了15%。加拿大现有的污水处理系统产生的干污泥量是670,000Mg/y，并预计产率在将来还会继续提高。焚化、海洋投弃、土地利用和堆肥是过去数十年来常见的污泥处置方法。由于经济上的制约和对环境的负面影响，这些常见的污泥处置方法已经不再可靠。鉴于环境上和经济上的制约，我们有需要寻找可持续的经济可行的技术来进行污泥的处理和处置。随着在污泥处理方面的广泛研究，许多研究者提出污泥的厌

4、氧消化是有效的可持续的污泥处理技术。厌氧消化技术的优点是非常巨大的，其中包括物料的减少、臭气的去除、减少致病菌、更少的能耗以及更显著的由甲烷而带来的能量回收。21污泥的厌氧消化是在没有氧元素存在的情况下，将可降解有机物转变成甲烷和二氧化碳的一系列复杂的微生物化学过程。从基质到生物气体的转变途径由三种不同类型细菌的作用将其分为水解、酸化、乙酸化和甲烷化四个阶段。第一类细菌包括水解细菌和酸化细菌，它们将复杂的基质（碳水化合物、脂类和蛋白质等）水解成溶解性的单体（单糖、脂肪酸和氨基酸等）继而水解为CO2、H2、有机酸和

5、酒精。第二类代谢细菌是能够将简单的单体和脂肪酸转变为乙酸，H2和CO2的产氢产酸菌。第三类是产甲烷细菌，它们能利用CO2、H2和乙酸来生产CH4和CO2。这个从基质到CH4和CO2的完整的微生物消化过程是十分缓慢的，需要很长的停留时间。特别地，细胞内生物聚合物的溶解和向低分子量固体可降解有机质的转化（如污泥的水解）是一个速度限制步骤。传统的厌氧消化过程的四个阶段如图1所示。传统厌氧消化处理较低的微生物转化率导致了反应器中很高的水力停留时间和较大的消化器容积，这也是传统厌氧消化技术的关键障碍所在。可生物降解有机物质

6、的不可利用和较低的消化速率常数使得污泥的预处理很有必要。污泥的预处理可以使细菌的细胞壁破裂以促进细胞内物质向液相的释放，以此提高污泥的可生物降解性，并通过降低停留时间和提高生物气体产量来加强厌氧消化的效率。随着各种污泥预处理技术的发展，其中包括热力学的、化学的、机械的、生物性的、物理的和各种结合技术如物理化学的、生物—物化的、机械—化学的和热力学—化学等方面，污泥的可生物降解性可以通过一定的方式得到加强。然而，经济上的制约限制了这些技术在实践试验上的应用。为了建立最佳的经济可行的预处理技术以提高污泥的可消化性，全

7、世界的研究者展开了广泛的研究。超声波处理是一种新兴的有前景的机械式污泥裂解技术。它有许多内在的优点如显著的污泥裂解率（>2195%），生物可降解性的提高，生物固体质量的提升，生物气体中甲烷量的提高，无需添加化学剂，更少的停留时间以及污泥量的减少。此外，单位超声波能量（1kW）的消耗能产生7kW的能量。以甲烷产量提高效果衡量的预处理技术的效率的顺序是，超声波分解>自动窑热处理>水浴热处理>冷冻。本文展现了关于超声波预处理污泥以加强厌氧消化的广泛性的综述，并比较了实验室试验和实践规模试验的结果。1.超声波处理在过去，

8、声波被应用在反潜艇的战争中，导致了许多鱼类被声波所杀死，人们从中想到了用超声波的方法来破坏微生物细胞。Hughes与Nyborg[16]还有Alliger[17]研究了超声波作用于微生物细胞的机理并发现，短暂地暴露在超声波中可以使细胞壁变薄从而导致细胞质向外释放。超声波是频率高于20kHz的周期性声波。不同频率的超声波的应用如图2所示。根据频率的不同，可将其分为三个区域：