污泥的物理调理技术——超声波调理技术

超声波是指频率为2×10的4次方～10的7次方Hz的声波，20世纪70年代，人们逐渐认识到超声波在污水和污泥处理中的应用潜力，研究人员开始通过利用超声波提取细胞壁上的聚合物来研究污泥中微生物的表面特性。直到20世纪90年代，超声波技术被引人污泥处理研究中。超声波处理反应条件温和，污泥降解速度快，应用范围广，并且工艺简单灵活，可与其他技术结合使用，且对环境几乎无任何负面影响。污泥本身的性质如比阻、含水率等对超声波的作用效果会产生影响。通常情况下，一次污泥比较容易脱水。

超声波调理污泥的机理主要是基于超声波的空化效应，由于空化效应发生时间极短，仅介于几纳秒至微秒之间，因此气泡内的气体受压后会急剧升温，在其周期性震荡特别是崩溃过程中，会产生很强的流体剪切力，气泡中温度和压力分别激增为极大的瞬态高温和高压，而溶液温度却几乎仍然维持在室温。这种极大瞬态高温和高压条件使气泡内气体和液体界面的介质裂解，从而破坏污泥的絮凝结构而释放出有机物质，并可破坏穴气泡内的化合物，同时产生高活性的自由基（·0H和·H等)，自由基的存在又可促进化合物的分解。超声波频率不同，对污泥沉降性能和脱水性能产生影响的程度也不同。

当频率增大时，污泥沉降性能明显下降，滤饼含水率和VFA（指挥发性脂肪酸）浓度都比较高，而上清液COD值有所下降。空化作用随着超声波频率的升高愈加难以发生，一般来说，频率在10的5次方Hz以内的超声波空化效应比较明显，尤其在2×10的4次方～4×10的4次方Hz时发生最为频繁。在高频下，超声波主要发生自由基效应，会使得某些物质发生裂解，可能释放更多的有机酸，所以VFA浓度会变大。而且相对于低频作用，在高频下污泥中有机物从固相中转移到液相的难度增加，从而使得上清液中COD浓度增加。所以，低频时比高频时脱水性能要好，上清液COD值也较低。

超声波调理技术具有能量密度高、分解污泥速度快等特点，但是超声波功率以及作用时间的选择会直接影响调理效果。低功率、短时间的超声波调理可改善脱水性能，而高功率、长时间的超声波调理不仅不会改善污泥的脱水性能，反而会对污泥脱水性能有负面影响。有研究表明，在超声波功率为44W的条件下，处理时间为90s时，污泥脱水效果最好，污泥的含水率可以降至最低，约为85%，当功率小于44W或大于44W时，污泥含水率均上升，脱水效果变差。此外，有研究显示，超声波处理和絮凝剂添加方法的协同作用可以显著改善污泥的沉降性能和脱水性能，大幅降低污泥滤饼的含水率。这是因为超声波的作用导致了聚合电解质内部结构的变化，缩短了空间链结构，这并不改变其分子量，而且这些短链比长的支链更有效，这些变化都加强了电解质对污泥的活性。因此，用超声波可以大大减小絮凝剂的用量，换句话说，加入絮凝剂可以强化超声波处理效果，对污泥脱水有一定的帮助，但在超声波功率为44W时几乎无影响。因此，选用合适功率的超声波，就可以少加或者不加絮凝剂，缩减投入药剂成本。

超声波可以使污泥中的有机物从固相中转移到液相中，这种作用在一定范围内与时间成正比。一般来说，超声作用时间越长，污泥释放的有机物越多，大多数释放的有机物是被污泥絮凝物和隐藏在污泥微生物内的细胞外聚合物吸附的有机胶体。然而吸附后的胞外聚合物的大量损失不利于形成新的絮凝物，悬浮胞外聚合物的增加导致了过滤黏度的上升、上清液中的COD提高、沉降性和过滤性的降低，脱水难度也就越大。可见，上清液COD的逐渐增大往往伴随着污泥脱水性能的下降。VFA的变化趋势与COD一致，这是因为超声波在释放有机物的同时也将有机酸从固相中转移到液相中，因此液相中 VFA基本增加，且与COD趋势一致。当超声作用时间较短时，COD和VFA的增大并不明显。间歇式处理通常可以改善超声波的生物效应，但是延长了总时间，间歇长短和间歇/连续操作时间比的选择应根据具体情况而定。

除了改变污泥性质，研究表明，超声波还能加快微生物生长，提高其对有机物的分解吸收能力，而且促进效应在超声波停止后数小时内依然存在。

虽然，Mohammed Reza Salsabi、Tiehm A、Xin Feng、X.Yin、杨金美等国内外专家都对该技术进行了相关研究，但该技术在超声波与阳离子聚合电解质的联合应用效果等一些方面还未达成一致意见，需要深入的研究。总而言之，超声波调理技术是改善污泥脱水性能的一种有效的预处理方法，因此其在污泥脱水处理领域将会引起人们越来越多的关注。