摘要:本文对国内外超声污泥减量技术的研究和应用现状进行比较,分析我国在该领域的研究和应用的特点,并对我国的超声污泥减量技术的研究和发展提出:探索在超声处理产沼的最优条件实验中方法和实验条件标准的统一;开展污泥资源化利用研究;加深对空穴作用的影响因素进行分析;研究超声处理的程度对消化控制和表现提高的每个降解步骤的影响;鼓励污水厂与研究机构合作自主研发等5项建议。
关键词:超声波;污泥减量;比较
进入21世纪以来,随着我国工业化和城市化的迅速发展,城市污水处理厂中的污泥的产量越来越大。由于处理成本高昂,几乎到了污水处理厂成本的60%左右,加之国家对污泥处理的相关法规日渐严格,污泥的处理问题已经成为污水处理厂面临的头等难题。同时,近年来,随着人们对全球变暖和气候变化的关注不断提升,污水处理厂的温室气体排放问题也备受人们的关注。由于成本原因和环境的负面影响太大,一些传统的污泥处理方法如焚烧、填埋等已经变得越来越不可取。
一些研究者提出了污泥的厌氧消化处理方法。这种方法在无氧的条件下,由兼性菌及专性厌氧细菌降解有机物,最终产物是二氧化碳和甲烷气体(biogas),使污泥得到稳定。由于它在实现了污泥减量的同时还实现了除臭、去除细菌及生成沼气的效果,故被称为是一种可持续的处理污泥的方法。但是传统的厌氧消化技术由于污泥发酵周期长,可达25d甚至一个月,由此产生的污泥的滞留需要建造大容积污泥罐,大大增加了污水厂的建造成本,制约了这种技术的应用。
随后研究者们发现对污泥做前处理能够有效克服厌氧消化的这一缺点。热处理、化学处理、机械处理及物理处理等多种前处理方法相继出现。大量的研究和实践表明:将超声波用于污泥的前处理实现了污泥的消化效率高、生物降解能力增强及产沼量大等特点,明显优于其他前处理方法[1]。
本文通过文献研究法,对近几年来国外超声波前处理用于污泥减量的理论研究和实践进行分析,并对国内在该领域的研究和应用现状进行评析,为我国超声波污泥减量的研究和实践找出发展方向。
1超声波处理污泥的原理
超声波是指频率从20kHz到10MHz范围内的声波,具有频率高、方向性恒定、穿透力强、能量集中的特点。用超声波技术处理污泥,其原理是选择一定频率和振幅的超声波,利用其在液体中产生的“空穴”(cavitation)作用,形成极端的物理和力学条件,局部可达5000℃高温,50000Pa高压,以及剪切力。这就是空穴“内爆”(implosion)产生的所谓“热点”(hotspot),将微生物细胞壁击破,同时释放出酶。酶的作用使其余未被击破的微生物细胞失去对污泥罐中发酵环境的适应能力,迅速成为厌氧微生物的营养物而被消耗,从而大大加速发酵过程[2]。
2国外超声波污泥减量技术的发展
早在20世纪70年代,国外就有学者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[3]。经过近20a的努力,将超声波用于污泥处理的技术问题逐步得到解决,到90年代初,有关超声波污泥减量的研究已转向技术实验阶段。由于其无污染、能量密度高、分解污泥速度快的特点,该技术受到污泥处理领域的广泛关注。美国、英国及德国等西方发达国家争相开始相关的研究。然而,这一技术在上世纪结束前一直未能投入到实际的运营当中。因为最初的超声波处理技术存在高耗能、低产出的致命问题,使其难以投入到商业化的运营当中。从1998年开始,在以德国汉堡工业大学的奈斯教授为首的一批研究人员的努力下,经过5a的研究,改进了原有的污泥减量技术,使得能量的投入产出比得到显著下降[4]。此后,超声波污泥减量技术得以走出实验室,投入商业化的运用中。
近两年国外关于污泥减量主要集中在以下一些研究上:
2.1对超声波作用下污泥资源化利用的研究
污泥中含有的有机质成分及一些金属元素如重金属等,通过发酵、添加剂置换等方法可以转化为可利用的资源。在探索超声波污泥减量的实验中,超声波的前处理作用可以促进污泥的厌氧消化的效率,同时增加沼气的产出量。国外最近的研究还探索了超声波对污泥中除沼气之外其他成分的资源利用。
在此领域上,欧洲发达国家走在前列,如奥地利格拉兹大学的C. Angerbauer等首次通过斯达氏油脂酵母将污泥转化为脂类以用于生物柴油的生产的研究,该研究发现对污泥进行超声处理比直接用原污泥进行脂类转化的效率要高[5]。Sang Hyoun Kim等人研究了消化污泥的超声前处理对蔗糖厌氧发酵的制氢产量的影响,研究通过实验找到了超声前处理中,使得制氢量最大化的超声时间和强度[6]。
2.2影响超声波空穴作用与污泥降解因素的研究
影响超声波空穴作用与污泥降解的因素,以及各因素之间的相关联系也成为近两年各国研究者的研究热点。因为污泥中存在的气体或气体分子的量、污泥的外部压力、污泥的粘度、污泥中的水汽压力、超声波的应用频率、超声密度、声强等因素都会对超声波在污泥中的空穴作用产生影响。如:由马拉西亚、新加坡与台湾联合研究团队,研究了超声波密度对超声波污泥破解效率上的影响,并提出了效率方程PA=21/2IqC。方程中将声音密度、声强、声速及强度之间的相关性体现出来[7]。M. D. L. D. Castro等人研究了污泥的外部压力、污泥内的水汽压力以及超声波空穴作用的不同类型对污泥减量作用的影响,并分析这些因素之间的相关性[8]。这些研究对超声波污泥处理的相关因素作了详尽细致的分析,对实际应用中超声波的各种参数的控制提出了参考。
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2021-08-03
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