摘 要：污泥既是一种污染物又是一种可利用资源。本文主要介绍了污泥的超声波预处理方法和污泥厌氧消化技术以及超声波技术在污泥厌氧消化处理中的应用研究进展，污泥的预处理可提高污泥的处理处置、资源化效率，具有较好前景。
关键词：超声波；污泥；厌氧消化；资源化
1.引言
随着我国经济的发展，工业废水和生活污水处理量不断增加，污水处理厂数量及规模随之增加和扩大，污泥的产量也迅速增长。据估算，目前我国每年干污泥排放量约為3000万吨，占城市生活垃圾总量的17.4%[1]。污水处理厂产生的污泥中含有病原体、重金属和持久性有机物等有毒有害物质，未经有效处理处置，极易对地下水、土壤等造成二次污染。
2.污泥的预处理
污水处理厂排出的污泥，体积庞大，成分复杂，给污泥的后续处理带来一定的困难。剩余污泥的预处理是通过污泥的稳定、消化、热处理和脱水工艺达到降低固体有机物含量、杀菌及污泥脱水的目的。此外，经过预处理的污泥的成分、性质发生改变，有利于后续能源和资源的再利用。污泥的预处理方法主要有：超声波处理法、热处理法、微波处理法、酸碱处理法、生物预处理法等。在这里主要介绍几种常见方法。
2.1 超声波预处理法
超声波是指频率从20kHz到10MHz波段范围内的声波。不同波段的超声波对污泥产生不同的作用。低频超声波 （20kHz-100kHz）尤其适合处理污泥（以下超声波均指低频超声波）。
污泥在超声波作用下不断被压缩和膨胀，内部产生气穴泡，且不断成长并最终共振“内爆”，内爆产生超高温（5000℃）、高压（500 bar），同时产生的强力水喷射流形成巨大的水力剪切力和羟基自由基，破坏污泥絮体结构和污泥中微生物细胞壁，使细胞质和酶从细胞中溶出。这样为好氧或厌氧反应提供了有利的条件，促进反应速度和反应效率的提高。污泥固体成分中的可降解有机物含量一般在40%，难降解有机物含量一般在20%，矿物质含量在40%。超声波发挥作用的目标主要是前两部分成分。
2.2 热处理法
其原理为通过加热控制剩余污泥处理工艺中的温度，使剩余污泥中的生物细胞壁受热膨胀而破裂，从而使蛋白质和胶质、矿物质以及细胞膜碎片流出，进而在高温的作用下水解、溶化。
2.3 生物酶技术
生物酶技术是指向污泥中投加酶制剂或能够分泌胞外酶的微生物， 通过酶的水解催化作用，达到溶胞的目的，同时这些微生物或酶还可以将高分子有机物分解为小分子物质或无机物，利于厌氧菌对底物的利用，从而提高剩余污泥的生化降解性[2]，促进厌氧消化的进行。
3.污泥的处理处置方法
污泥处置是根据污泥的最终去向，将污泥进行利用或无害化处理，传统上大多采用填埋、投海和弃置堆放、焚烧方式，虽然简单易行，但会带来一系列不良影响，给生态环境埋下安全隐患。为避免污泥对环境的二次污染，人们已认识到污泥处理的优先顺序是减容、利用、废弃。污泥的有效利用可分为土地利用和热能利用，具体方法主要包括污泥填埋、污泥农用、污泥的建材化技术、污泥的厌氧消化（制沼气）技术等。
3.1 污泥厌氧消化技术
厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中有机物质的一种污泥处理工艺。目前对厌氧消化的机理以Bryant提出的三阶段理论为主。三阶段理论认为，整个厌氧消化过程分为水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段。有机物首先通过水解发酵细菌的作用生成挥发性脂肪酸、醇类和乳酸等，接着由产氢产乙酸菌的降解作用而被转化为乙酸、氢气和二氧化碳，然后再被产甲烷菌利用，最终为转化甲烷和二氧化碳。
3.2 污泥填埋
在建有废物填埋场的城市，可将脱水的泥饼及污泥焚烧处理后的灰渣送去填埋场进行处置。这种废物填埋场底部铺有衬层，可防止浸出液渗透漏入土壤污染地下水。这种方法具有成本低廉的优点，但处理不当可能会产生二次污染，浸出液渗漏会污染土壤及地下水，且处理周期长。
3.3 污泥的建材化技术
污泥中含有硅、铁、铝、钙等元素。过去生产建材都以污泥焚烧灰作为原料，近年来为了节约投资，充分利用污泥自身的热值，就直接利用污泥做原料来生产建材，目前相关方面的技术已开发成功，如：污泥制生态水泥、污泥制微晶玻璃等。
4.超声波在污泥厌氧消化技术中的应用
沈劲锋等采用超声波技术分解石化污水厂剩余活性污泥，在2000W/m2 超声声强下处理60 min 的污泥，厌氧消化25d累积产生的气体比未处理污泥产生的气体提高了60%以上。厌氧消化10d，有机物去除率达到40%，比未处理污泥提前约10d完成厌氧消化。
曹冬梅等对污泥厌氧发酵消化产沼气研究，污泥发酵时间与超声波处理时间对沼气产率也有很大影响，值得注意的是有机物释放通常滞后于菌胶团的破坏，因此超声波促进污泥脱水所需时间很短，而促进污泥发酵通常需要较高的声波强度（>0.3W/cm3）和较长的处理时间（>10min）。
扬洁在两种声能密度下，污泥超声破解后进行厌氧消化，研究超声声能密度、作用时间，对污泥厌氧消化过程中产气量、有机物去除率和消化速率的影响研究得出，气产量随破解时间和投配率的增加而增加。与对照组相比，污泥超声破解可以提高有机物的去除率，并且随投配率的增加有机物去除率不降低反而会有所提高。
5.结语
在不同声能密度、不同作用时间下，超声波对其作用后的污泥分解程度、污泥絮体尺寸变化、对污泥中异养菌和大肠杆菌的破坏程度，以及伴随污泥分解，溶解性COD释放情况和相应的温度上升现象等实验研究，为掌握超声波分解污泥的机理提供了研究基础。尤其是经超声作用后的污泥，颗粒态COD转变为溶解态COD，可充分利用这一特点并将其结合到污泥处理工艺中，提高污泥厌氧消化的能力。目前，超声波应用于污泥处理及减量存在的主要问题是超声处理运行参数优化、超声效率有待提高以及超声反应器的合理设计等。而且在进一步研究中应注意与污水处理工艺的合理组合，这样才能发挥超声波的特点，并为其在实际工程的应用打下基础。
[参考文献]
[1]石秀娟，梁文俊，李依丽等.超声波技术在城市污泥处理中的应用进展[J].四川环境，2017，36（1）：157-162.
[2]Zhang L， Zhang Y， Zhang Q， et al. Sludge gas production capabilities under various operational conditions of the sludge thermal hydrolysis pretreatment process [J]. Journal of the Energy Institute， 2014， 87（2）：121- 126.
[3]沈劲锋，殷绚，谷和平，等.超声波促进石化污水厂剩余活性污泥厌氧消化[J].南京工业大学学报， 2006， 28（6）：66- 69.
[4]曹冬梅，刘坤.城市污泥厌氧消化产沼气资源化研究[J].工业安全与环保， 2006， 32（11） ：41-431.
[5]杨洁，季民，韩育宏等.污泥碱解和超声破解预处理的效果研究[J].环境科学，2008，29（4）：1002-1006.
（作者单位：沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110141）
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