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            超聲波污泥減量工藝

            來源:http://www.madelainejordan.com/ 作者:余氯檢測儀 時間:2019-03-19

              [摘要]超聲波處理是一種新興的、有效的用以加強污泥的可生化性的機械預處理方法,并且對于所有污水處理設施中污泥的處理和處置都十分有效果。超聲波處理是通過擾亂污泥原有的物理、化學和生理性質來提高其可消化能力。崩解的程度取決于聲處理的參數以及污泥的特性,因此,最佳參數的評價因聲處理設備和受處理污泥的不同而有所區別。超聲波處理的試驗設施表明,生物氣體的產量提高了50%,此外能量衡算顯示獲得的凈能量與超聲波裝置的電耗的平均比率是2.5。這篇綜述總結了超聲波處理污泥的優點、超聲波處理參數對處理效果的作用、污泥特性對于污泥裂解的影響及由此帶來的厭氧消化器中生物氣體產量的提高。由于許多研究者對于計量單位的表達的不確定以及數據的不可利用,對這些研究結果進行比較是非常復雜的。為了評價污泥處理處置的最經濟可行和環境可行的預處理方法,將超聲波處理和其他預處理的選擇進行比較是很有必要的。超聲波處理的最佳參數隨污泥特性的不同而變化。

              1. 引言

              21世紀工業化與城市化的快速發展導致了污水處理系統的污泥產量達到了不可管理的數量。污泥的管理是污水處理系統的主要問題,它占了系統運行總費用的60%而且關于污泥處置的法律法規變得越來越嚴格。隨著全球變暖和氣候變化的加劇,來自廢棄物處理領域的溫室氣體排放獲得了更多的關注。在加拿大,廢棄物處理領域的溫室氣體排放從1990年到2006年提高了15%。加拿大現有的污水處理系統產生的干污泥量是670,000 Mg/y,并預計產率在將來還會繼續提高。焚化、海洋投棄、土地利用和堆肥是過去數十年來常見的污泥處置方法。由于經濟上的制約和對環境的負面影響,這些常見的污泥處置方法已經不再可靠。鑒于環境上和經濟上的制約,我們有需要尋找可持續的經濟可行的技術來進行污泥的處理和處置。隨著在污泥處理方面的廣泛研究,許多研究者提出污泥的厭氧消化是有效的可持續的污泥處理技術。厭氧消化技術的優點是非常巨大的,其中包括物料的減少、臭氣的去除、減少致病菌、更少的能耗以及更顯著的由甲烷而帶來的能量回收。

              污泥的厭氧消化是在沒有氧元素存在的情況下,將可降解有機物轉變成甲烷和二氧化碳的一系列復雜的微生物化學過程。從基質到生物氣體的轉變途徑由三種不同類型細菌的作用將其分為水解、酸化、乙酸化和甲烷化四個階段。第一類細菌包括水解細菌和酸化細菌,它們將復雜的基質(碳水化合物、脂類和蛋白質等)水解成溶解性的單體(單糖、脂肪酸和氨基酸等)繼而水解為CO2 、H2、有機酸和酒精。第二類代謝細菌是能夠將簡單的單體和脂肪酸轉變為乙酸,H2和CO2的產氫產酸菌。第三類是產甲烷細菌,它們能利用CO2 、H2和乙酸來生產CH4和CO2。這個從基質到CH4和CO2的完整的微生物消化過程是十分緩慢的,需要很長的停留時間。特別地,細胞內生物聚合物的溶解和向低分子量固體可降解有機質的轉化(如污泥的水解)是一個速度限制步驟。傳統的厭氧消化過程的四個階段如圖1所示。

              傳統厭氧消化處理較低的微生物轉化率導致了反應器中很高的水力停留時間和較大的消化器容積,這也是傳統厭氧消化技術的關鍵障礙所在??缮锝到庥袡C物質的不可利用和較低的消化速率常數使得污泥的預處理很有必要。污泥的預處理可以使細菌的細胞壁破裂以促進細胞內物質向液相的釋放,以此提高污泥的可生物降解性,并通過降低停留時間和提高生物氣體產量來加強厭氧消化的效率。隨著各種污泥預處理技術的發展,其中包括熱力學的、化學的、機械的、生物性的、物理的和各種結合技術如物理化學的、生物—物化的、機械—化學的和熱力學—化學等方面,污泥的可生物降解性可以通過一定的方式得到加強。然而,經濟上的制約限制了這些技術在實踐試驗上的應用。

              為了建立最佳的經濟可行的預處理技術以提高污泥的可消化性,全世界的研究者展開了廣泛的研究。超聲波處理是一種新興的有前景的機械式污泥裂解技術。它有許多內在的優點如顯著的污泥裂解率(> 95%),生物可降解性的提高,生物固體質量的提升,生物氣體中甲烷量的提高,無需添加化學劑,更少的停留時間以及污泥量的減少。此外,單位超聲波能量(1kW)的消耗能產生7kW的能量。以甲烷產量提高效果衡量的預處理技術的效率的順序是,超聲波分解 >自動窯熱處理 > 水浴熱處理 > 冷凍。本文展現了關于超聲波預處理污泥以加強厭氧消化的廣泛性的綜述,并比較了實驗室試驗和實踐規模試驗的結果。

              2. 超聲波處理

              在過去,聲波被應用在反潛艇的戰爭中,導致了許多魚類被聲波所殺死,人們從中想到了用超聲波的方法來破壞微生物細胞。Hughes與Nyborg[16]還有Alliger[17]研究了超聲波作用于微生物細胞的機理并發現,短暫地暴露在超聲波中可以使細胞壁變薄從而導致細胞質向外釋放。超聲波是頻率高于20kHz的周期性聲波。不同頻率的超聲波的應用如圖2所示。

              根據頻率的不同,可將其分為三個區域:功率超聲(20—100kHz),高頻超聲(100kHz—1MHz)和超聲診斷(1—500MHz)。超聲波在醫學上的應用最早出現在二戰中,超聲波被用于代替人手對骨折的病人進行按摩[18]。隨著技術的進步,超聲波(>20Hz)被應用于各種領域。頻率在20kHz到100kHz之間的超聲波被應用于要求發生各種化學、物理變化的重要的化學系統中。在動物導航與通行,固體內部裂痕的探測,水底定位,胎兒掃描,骨盆畸形檢測,良性與惡性腫瘤治療等方面,1MHz到10MHz頻率范圍的超聲波均有廣泛的應用。通過超聲波處理使微生物細胞破裂可獲得細胞內的物質[22-24]。Hogan等[25]還對超聲波應用于市政污泥的裂解進行了進一步的評估。在20Hz與20kHz之間的聲波是可以聽得見的,而聽覺隨著個人和年齡的不同而有所差別。低于20Hz到0.001Hz的聲波用于地震學[26],醫學和追蹤地殼中巖石和石油的形成。

              2.1 超聲波引發的空洞現象

              超聲波技術的基本目的是破壞微生物細胞的細胞壁,使細胞內的物質能夠在厭氧消化中不斷地被利用以降解為CH4和CO2。當超聲波在污泥相中傳播時,能產生壓力和拉力,壓力使微粒聚集而拉力則使離子分離,由于負壓的持續存在在拉力區域會出現微小的氣泡(即空穴)。這些小氣泡不斷變大達到了不穩定的尺寸便會破裂,并產生沖擊波(在幾微秒內達到5000℃和500個大氣壓)。這些氣泡產生到破裂的過程就是所謂的空穴現象??昭馀莸漠a生和破裂如圖3所示。

              2.2 影響空穴現象的因素

              污泥的裂解效率主要取決于空穴現象,而影響空穴現象的因素可見表1。

              2.3 超聲波產生與裂解機理

              超聲波是靠磁致伸縮和壓電兩種技術產生的。在磁致伸縮技術中,電能通過連接著震動片的磁線圈轉化成機械能(震動)。在壓電技術中,電能通過連接著震動片的壓電晶體轉變成高頻率的電動能。將電能或機械能轉化為聲波的轉換器是一個能增強震動的機械放大器。喇叭將超聲波傳遞到液體中,所以undefined轉換器、擴充器和喇叭是超聲波設備的主要部件。

              轉換器、擴充器和喇叭在節點處被夾緊并結合在一起,在轉換器和擴充器上是最常見的結合點。此外,喇叭常被設計成半個波長的長度,不過根據實際應用也有設計成一個波長的。超聲波的強度可以通過調節輸入電壓的方式進行控制,這是超聲波處理中非常重要的一項參數,它能決定震動擴增的大小。聲能轉化為熱能的轉化效率可以通過式(1)—(3)計算。

              2.3.1 污泥的破解

              污泥破解的輸入功率有許多表達方式,(a)破解度,(b)超聲波劑量,(c)超聲波密度和(d)超聲波強度。各表達式見表2。

              我們所推測的污泥的超聲波破解機理是,(a)水的機械剪切力;(b)在超聲輻射下產生的OH、H、N和O等自由基的氧化作用;(c)污泥中揮發性疏水物質的熱分解;(d)活性污泥破解過程中溫度的升高。

              超聲處理中產生的空穴導致了大量微氣泡的破裂,使得氣泡周圍的液相中產生了巨大的機械剪切力。氣泡破裂所產生的高溫使水分解為性質活躍的氫離子和氫氧自由基,在低溫區域這些粒子會重新結合成過氧化氫和氫氣。由于揮發性疏水物質在污泥中的含量非常低,因此其作用也??珊雎???紤]到溫度對于溶解的影響,污泥在高溫下的溶解速度非常緩慢。因此,我們可以認為,污泥的破解主要通過兩個途徑實現,水的機械剪切力和氫氧自由基的氧化作用。

              Wang[49]等人對氫氧自由基和水力機械剪切力對污泥破解的影響進行了評價。在超聲處理之前加入undefinedNaHCO3 來測定氫氧自由基的影響。NaHCO3的加入能使污泥中氫氧離子的氧化效率有略微的提升,但也導致了污泥pH值的升高。這表明了氫氧自由基對污泥溶解的促進作用是微弱的。因此,污泥的破解主要是依靠空穴氣泡產生的機械剪切力實現的。此過程遵從于一階反應式??偟姆磻祏可以通過(4)式計算。

              2.4 超聲波破解的評價

              超聲波能使微生物絮體分散并將大顆粒的有機物分解為更小尺度的顆粒。高壓力波產生的剪切力能破壞細胞壁以使胞內物質釋放到液相中,這個過程使得污泥的物理、化學、生物等性質在超聲波預處理中發生了改變。因此,污泥的破解程度是根據污泥的物理、化學、生物等性質的變化確定的。

              2.4.1 物理性質變化

              污泥的物理性質參數對厭氧消化有重要的影響,所以聲處理后物理參數的測定對于厭氧消化的操作至關重要。此外,物理性質指標是污泥破解效率的評定標準。判定超聲破解程度的技術主要有顆粒粒徑分析,污泥沉降性測定,物質組成測定,顯微鏡成像,濁度測定以及污泥的脫水性能。顆粒粒徑分析根據顆粒的大小有不同的方法,主要有篩分法、沉降法、電臭氧感應法、顯微鏡法和激光衍射法等。超聲波能將污泥顆粒破解至非常小的尺寸,而激光衍射法常被用來分析顆粒粒徑。污泥的濁度隨著聲處理參數的升高而變化,并通過濁度儀測量,以NTU計量。污泥的脫水能力根據其毛細管上升時間和污泥比阻測定。

              2.4.1.1 顆粒尺寸

              顆粒的溶解率是由污水中顆粒的大小尺寸確定的,顆粒的溶解率影響著消化過程中甲烷的產量。超生預處理能顯著地減小污泥中顆粒的粒度,而影響其效率的因素有處理時間,聲波密度,聲波功率,污泥體積和污泥性質等。隨著處理時間的延長顆粒的粒徑逐漸減小,如經過0.49min和1.6min的聲處理顆粒大小從165undefinedundefinedμm分別減小為135μm和85undefinedundefinedμm。相似的,Biggs和Lant[68]發現經過5分鐘的聲處理微粒的粒徑從125mm減小到10mm。Gonze等一開始也觀察到相似的減小趨勢,但他們發現經聲處理超過10分鐘后,顆粒大小隨著處理時間的推移而逐漸變大。

              在高處理時間下顆粒大小的增大是由顆粒的重絮凝造成的。隨著處理時間的增加,由于細胞溶解而釋放的胞內聚合物逐漸增多,這些物質對于絮凝十分有利。這些生物聚合物像膠水一樣將生物絮體粘合在一起,并形成羥基和羧基基團。undefinedundefined微粒平均尺寸的減小作用也會隨著聲波強度的增大而增強。在強度為0.52W/mL和0.33W/mL的條件下,顆粒平均尺寸從51μm分別減小為15μm和19μm。低功率水平對絮體尺寸的減小沒有影響,而提高功率水平,絮體尺寸的減小作用會隨著聲波強度和處理時間的增大而增強。顯微鏡檢測表明,經過60分鐘的聲處理,絮體的結構完整性遭到破壞,此后不管如何提高處理時間和功率水平都無法破解絮體。由此可見污泥的破解存在著一個最佳的功率水平和處理時間。

              Chu等[71]研究了聲處理對普通污泥和絮凝化污泥的作用效果。經過聲處理,絮凝化污泥的顆粒減小效果較之普通污泥強50%。聲處理會使污泥的平均表面電荷減少。聲處理會將絮體顆粒分割成許多帶負電的小粒子。例如,通過絮凝作用污泥的zeta電位從-14mV提高到18mV,接著聲處理又使zeta電位降低至+4mV。Mao等[12]研究了聲處理對初沉污泥和二沉池污泥顆粒粒徑減小的效果。經過20分鐘的處理,二沉池污泥粒徑減小了85%而初沉污泥減小了71%,這是由于二沉池污泥含有更多的生物質,初沉污泥含有的可降解性細胞物質更少。

              提高聲波密度同樣可以提高破解效率。在高聲波密度下更多的顆粒被破解(undefined4W/mL時為73%,2W/mL時為60%)。Bougrier等[47]研究了粒徑范圍為0.4μm到1000μm的活性污泥顆粒經超聲波處理的效果。他們觀察到,粒徑小于1μm的顆粒隨著比能的升高所占的比例也增加了。然而,粒徑大于100undefinedμm的顆粒占的比例由于重絮凝作用也有所增加。Akin等[66]研究了不同總固體濃度(TS)下的污泥中超聲波處理對顆粒尺寸的影響。在低TS污泥中顆粒尺寸減小的效果更明顯,若要在高TS污泥中達到相似的效果則需要更高的超聲波密度。

              聲處理對顆粒大小的作用可以通過均勻系數(dp60/dp10)和undefineddp10來進行比較。有資料表明,超聲波處理能提高污泥的均勻系數并隨著比能的提高以逐漸減小顆粒的尺寸。例如,在比能為7200kJ/L的情況下污泥的均勻系數與dp10分別從3.3和30.5μm變為17和1.2μm。大顆粒絮體(>4.4μm)比小顆粒絮體更易受聲波的影響作用,這是由于大顆粒絮體暴露在聲波中的表面積更大,而小顆粒的粘附力更強。El-Hadj等[64]觀察到隨著輸入比能的增加,小尺寸顆粒所占體積的比例超過了90%。粒徑大于4.4μm的大顆粒表現得更易破解。Jin等[79]和Feng等[65]研究了顆粒粒徑分布對CST和SRF的影響,他們推導出顆粒粒徑與CST/SRF間有很強的相互關系。dp90與CST之間的相關系數在0.8248與0.9436之間。超聲波處理對小顆粒的破解更有效果。

              2.4.1.2 污泥的脫水能力

              超聲波處理對污泥的脫水能力既有積極的作用也有消極的作用。在低功率水平和短作用時間的條件下能提高污泥的脫水能力,但由于缺乏細胞的溶解,也就降低了污泥破解的程度。FitzGerald等[80]研究了不同聲波強度對污泥脫水性能的影響發現了聲處理與CST之間的相關性。Quarmby等[60]觀測到污泥的脫水性能隨著超聲波強度的升高而降低,但是污泥的厭氧消化對其脫水性能有著積極的影響,也就是消化后的污泥的脫水性能因聲處理而提高。隨著處理時間的延長,污泥的脫水性能逐漸降低(CST上升)。這是因為聲處理后產生了更多的小顆粒物質,從而增加了總體的表面積以吸附更多的水。Gonze等[69]總結出隨功率水平的降低及處理時間的縮短,污泥的CST是減少的(即污泥的脫水性能增強),但是在相同的功率水平下提高聲處理時間,CST的值會上升。這是因為在低功率和短作用時間的條件下,絮體并不會變為更小的顆粒,而在低功率的情況下更有利于污泥的脫水。

              由于細胞溶解向液相中釋放胞外聚合物(EPS)等生物聚合物,使得污泥的脫水性能隨著超聲波強度的增強而惡化。研究表明EPS會降低污泥的脫水性能。在聲處理之前加入絮凝劑能提高污泥的脫水性能;絮凝劑的投加能使污泥的含水率降低80%。因此,聲處理能在降低絮凝劑投加量20%—50%的同時提高污泥的脫水性能。對比了上述個人的實驗結果,undefinedundefinedNa等[63]發現CST在比能為0—800kJ/L范圍內會線性上升,而之后隨著比能的增加CST則逐漸下降。出了輸入比能外,CST的降低還受聲處理時間和污泥體積的影響。由于前述研究者們所使用的比能低于Na等[63]所使用的,或許在高比能的條件下,污泥的脫水性能隨其升高而增強。

              CST小于20秒的條件是有利于污泥的脫水的。污泥的脫水性能可以從結合水的方面進行表達,即污泥中結合水的組分升高則表明其脫水性能下降了。提高輸入功率能使污泥的結合水成分提高。比如,在0.33undefinedW/mL的功率下,污泥的結合水組分提高了4倍并因此使污泥的脫水性能下降。原污泥的結合水比例為3.8kg/kg DS,在0.11 W/mL的功率條件下,結合水比例上升為5.9 kg/kg DS;當輸入功率為0.33W/mL時,結合水的量提高到11.7 kg/kg DS。在高輸入功率的條件下,污泥顆粒被破解為粒徑更小的微粒,由于表面積的增大使得對水的吸附能力增強,因而提高了污泥中結合水的含量。

              許多研究者研究了污泥脫水性能與破解度之間的關系。污泥的破解度在2%到5%之間能提高其脫水性能。當破解度小于2%時,污泥絮體結構的變化十分有限,而當破解度高于5%時小尺寸微粒的增多會導致結合水成分的增加。undefinedFeng等[65]研究了胞外聚合物濃度對污泥脫水性能影響。獲得良好的污泥脫水性能的最佳操作條件是輸入功率為undefined800 kJ/kg TS,胞外聚合物濃度為400–500 mg/L顆粒尺寸范圍為80—90μm。當輸入功率在undefinedundefined4400 kJ/kg TS以下時,污泥的脫水性能有微弱的提高,而功率超過undefined4400 kJ/kg TS后脫水性能顯著下降。有報道指出,EPS與CST的相關系數為0.9576,EPS與SRF的的相關系數為0.8314。相似的,Wang等[62]也發現了EPS與CST間的相關系數為0.9233.Houghton和Stephenson[89]指出EPS與CST之間是二階相關的,其相關系數為0.9687。

              Feng等[65]研究了比能對EPS釋放的影響發現提高比能可以增加EPS在溶液中的釋放。污泥中EPS濃度的上升會提高污泥的粘度。此外,EPS會在過濾介質表面形成一層很薄的阻隔層,導致污泥脫水性能的下降。

              2.4.1.3 污泥的沉降性能

              污泥的沉降性能隨比能的升高而變化。Feng等[46]提出提高活性污泥沉降性能的最佳輸入功率為1000 kJ/kg TS。當功率超過5000 kJ/kg TS時,由于絮體的完全破壞以及EPS濃度的上升,污泥的沉降性能開始惡化?;钚晕勰嘈躞w的沉降速率一般為5m/h到30m/h。Chu等[61]總結出超聲波處理對污泥的沉降性能沒有明顯的影響,這與超聲波處理能改變顆粒尺寸等已有的理論相違背。Feng等[46]研究了物質組成結構的變化并總結出單位輸入功率與TDS之間有很強的相關性。Show等[41]給出了獲得良好污泥沉降性能的最佳固體濃度條件,其最佳條件為固體成分比例為2.3%到3.2%。

              2.4.1.4 污泥的顯微鏡檢測

              超聲波處理能破解污泥絮體并溶解微生物的細胞壁。對污泥破解前后的微生物進行顯微鏡成像分析能夠用來估計污泥的破解程度。顯微鏡成像分析能夠提供經超聲波破解后的污泥在細胞級大小的信息。我們可以測定在不同超聲作用時間下絮體結構的變化以及微生物細胞壁的破壞情況。提高作用時間會使絮體及細胞壁完全被破壞。例如,2min的作用時間能使絮體的結構顯著的破壞但并沒對微生物細胞造成破壞;10min的作用時間下絮體被完全破解為絲狀結構;經過30min的超聲處理,可以觀察到許多細胞壁被破壞。Dewil等[85]總結指出超聲波處理能夠減小絮體的平均尺寸并產生豐富的分離的細胞。與上述許多研究相反地,Feng等[46]觀察到即使在很高的功率26000 kJ/kg TS條件下,絮體結構和微生物細胞都沒有被完全破壞。這表明,超聲波處理對分裂微生物有很明顯的作用,但分裂的效率如何并不清楚。在這方面的許多研究還有待進行。

              2.4.1.5 濁度的變化

              污泥的濁度隨比能的升高而升高。在低頻率的條件下有較高的污泥破解效率,此時微粒尺寸的減小會導致污泥濁度的升高。El-Hadj等[64]指出,在5000 kJ/kg TS以下的條件中,污泥懸浮液的濁度有所下降,當功率條件大于5000 kJ/kg TS時,濁度會劇烈升高。輸入功率小于1000 kJ/kg TS時由于不能得到大量的微粒,因此污泥的濁度并沒有升高,這表明破解污泥的最小輸入功率應該是1000 kJ/kg TS。

              物理參數的分析能夠間接的反映出污泥破解的效率。然而,超聲處理參數以及它們所影響的污泥物理參數之間的關系仍有待研究。在實際應用中,物理參數的改變是評價污泥破解效率的最主要因素。超聲波處理對污泥物理性參數的影響的研究總結如表3所示。

              2.4.2 化學評價法

              污泥是包含了各種微生物的復雜基質,這些微生物的細胞壁的強度各不相同?;瘜W評價主要是在數量上關注于污泥破解的效率。“破解度”這個參數是由Kunz和Wagner[94]為了定量表達污泥的破解效率而提出的。其公式如(5)(6)所示。

              2.4.2.1 溶解性COD評價法

              超聲波處理能夠粉碎細胞和胞外物質,有機碎片和污泥中的EPS。污泥中的SCOD濃度由于固體相的溶解及液相中有機物和EPS濃度的升高而升高。因此,SCOD能作為污泥破解效率的評價參數。除此之外,氨氮、硝氮和EPS的濃度也是污泥聲處理的重要的化學評價參數。幾乎所有研究者都使用了SCOD來作為評價污泥破解效率的參數。但是,由于影響污泥破解效率的因素有很多,要對這些研究結果進行對比是很困難的。超聲波處理對于污泥中的總COD沒有影響,所以可以用SCOD/TCOD來表達超聲波處理后有機物質從固相釋放到液相的情況。Tiehm等[33],Rai等[98],Bougrier等[47]使用了經Muller修正的破解度開評價破解效率。

              Shimizu等[6]分析了不同作用時間下活性污泥的溶解性。要獲得75—80%的溶解率,需要超聲波處理90分鐘,最少需要30到40分鐘的處理時間才能獲得50%的溶解率。Tiehm等[13]指出,經過96秒的超聲波處理,破解度提高了30%。隨著聲波強度的提高,污泥中SCOD的濃度有所升高。有研究顯示,破解度和聲波強度之間存在著線性關系。高強度下產生更強的機械剪切力使得微生物細胞壁破裂,從而提高了COD的溶解,這也就提高了破解度。

              進一步地,Wang等[31]研究了作用時間對污泥破解度影響并發現污泥中溶解性COD,蛋白質,碳水化合物的濃度隨著處理時間的增加而升高。由于超聲波處理能使絮體及細胞壁破裂而釋放出各種有機物質,因此會導致COD,蛋白質,碳水化合物等濃度的上升。蛋白質占了細菌干重的50%到60%。與蛋白質增加相比,觀察到的COD和碳水化合物濃度的升高是相對較小的。污泥的溶解率是由預處理前后懸浮液中蛋白質,碳水化合物和COD的有機物質的濃度來定義的。

              破解效率還可以用釋放出的成分如蛋白質,多糖和DNA的進行評價。超聲波處理可以粉碎絮體,溶解微生物細胞而導致EPS和其他物質的釋出。這些物質的釋出效率在超聲處理過程中并不是始終如一的。蛋白質的釋出高于多糖和DNA。在20分鐘的處理時間內,其釋出的效率增大,在此之后蛋白質的釋放減慢。多糖和DNA的釋出也有相似的規律。此外,提高聲波強度會使使出的DNA改性。

              對于污泥破解的效果,最佳的輸入功率為50kJ/kg TS。更高的功率有可能會減緩蛋白質,多糖和DNA的釋出。有報道指出污泥的超聲波處理會提高液相中鈣離子和鎂離子的濃度。升高的效率剛開始增大,隨著時間慢慢減小。污泥粉碎產生的小顆粒吸收了鈣和鎂離子從而降低了二者在液相中的濃度。處理過程中釋出的鈣鎂離子與生物聚合物(蛋白質)有關。

              Nels等[48]評價了總固體濃度對破解度的影響。升高TS的濃度,SCOD的溶解會導致一個最佳條件的出現。液體中更高的固體量會產生更多的空穴位以及機械剪切力,當超過了最佳濃度時聲波會因吸收作用而減弱。在較高的輸入功率下獲得的破解度較低,所以,與之相比超聲波密度的影響更為顯著。

              在不同的TS濃度條件下,懸浮液中蛋白質的濃度均隨輸入功率的升高而升高。其濃度升高趨勢也是一開始很快,隨著處理時間推移而慢慢減緩。在高TS情況下,污泥中空穴作用的減弱不利于蛋白質的釋出。隨著超聲波密度的升高,懸浮液中SCOD的釋出增加。在恒定的輸入功率下,最佳TS濃度為2.3%到3.2%。為了評價此范圍,提出了指數D,其計算如式(7);

              有文獻提供了一個用來評價破解度的新參數,kW h/kg SCOD,它考慮到了污泥特性和溶解效率。使用這一新參數對污泥的超聲波處理進行評價,最佳的操作參數分別是TS在20到30g/L之間,聲波強度為158—251W/cm2以及作用時間為5到15分鐘。Feng等[46]發現SCOD與輸入功率間是正相關的。

              Tiehm等[33]研究了超聲波頻率、單位輸入功率及理論空穴氣泡尺寸對污泥粉碎度的影響。隨著頻率的升高,破解度逐漸降低。當氣泡半徑大于4μm時,破解度成對數性增加。

              Chu等[61]研究了輸入功率和溶液溫度上升的影響作用,他們觀察到當輸入功率分別為0.11W/mL和undefined0.33W/mL時,其相應溶解的COD分別占懸浮液的2%和20%。在0.33W/mL的條件下,BOD/TCOD的值從66%上升至80%。

              超聲波處理對溫度的影響并沒有一個確定的結果。高溫會使飽和蒸汽壓升高導致氣泡更難破裂因而降低了空穴的強度,便降低了破解效率。Huan等[88]分析了溫度對污泥超聲處理的影響作用。通過延長處理時間來提高污泥的溫度能夠提高超聲波的效率。

              在不同的功率水平下對溶液相溫度的影響作用進行分析表明,隨著功率水平和處理時間的增加,溶液相溫度逐漸升高并導致SCOD/COD比值的升高。分析超聲波密度對污泥粉碎的影響可以觀察到,SCOD的溶解率隨聲處理時間的增長而降低。

              Gronroos等[97]分析了高電壓短停留時間和低電壓長停留時間兩種條件對污泥粉碎的影響作用并發現,SCOD的釋出在二者中并沒有區別。污泥中干固體含量的升高能提高破解度,這是因為有更高濃度的微生物可以被粉碎。影響獲得最大DS值的因素有反應器尺寸,轉換器型號,污泥的粘度,污泥的溫度和聚合物濃度等。根據變電壓函數模型,可以總結出功率和處理時間的影響大于其與能量密度的影響,也就是說,低密度低處理時間比高密度長時間更為有效。通過假設超聲波處理污泥的破解度的升高隨著處理時間和超生密度的增加而逐漸減緩,可以推導出這一函數模型:

              有人對初沉污泥和二沉污泥在超聲處理中其溶解性的影響進行了分析。SCOD在二沉污泥中有更好的溶解,同時還觀察到在初沉污泥和二沉污泥中SCOD與處理時間存在著線性相關性。在相同的輸入功率條件下,隨著超聲波密度增大,SCOD的濃度也隨之升高。Bougrier等[47]分析了比能對COD溶解性的影響。當比能在0到8000undefinedkJ/kg TS的范圍內,溶解率有所上升,此后提高比能溶解率反而下降。其中最佳溶解性出現在10000undefinedkJ/kg TS的條件下。

              2.4.2.1.1 污泥超聲波粉碎的動力學模型

              通過建立動力學模型,可以研究聲處理參數和污泥特性對于SCOD溶解性的影響。假設SCOD是因變量,而自變量為污泥濃度,pH,超聲波強度,處理時間和超聲波密度。那么,SCOD的溶解度和粉碎率可通過式(9)(10)計算。

              磁動力學模型可以利用多元線性回歸法進行分析。Wang等[49]表示,各個參數對于SCOD溶解性的權重關系順序為:pH > 污泥濃度 > 超聲波強度 > 超聲波密度。

              聲處理時間對生物質的鈍化作用有很大的影響。有研究表明,生物質的鈍化發生在10分鐘的聲處理后。相似的,Chu等[61]指出在低聲波密度的條件下處理20分鐘會出現生物質的鈍化。上述兩個研究都可以說明,污泥的鈍化取決于超聲波密度。此外,Zhang等[56]觀察發現,在0.1到1.5W/mL的范圍內污泥的粉碎度和細胞的溶解與超聲波密度之間存在著線性關系。

              污泥的超聲粉碎導致SCOD,蛋白質和核酸濃度的升高。這些物質濃度的升高可以通過下式表示:

              Zhang等[56]在評價粉碎度和溶解性固體的減少的影響時發現二者重疊了,這暗示了這兩個參數可以相互替代。VS和COD代表了污泥中的有機物質,所以懸浮有機物的增加與VS的減少是有關聯的。粉碎度隨著比能的升高而升高。Nels等[63]觀察到在比能為undefined12000kJ/kg TS,DS比例為34.4 g/kg of WAS的條件下粉碎度可以得到最大32%的提升。

              2.4.2.2 蛋白質評定法

              蛋白質是細菌體的重要組成物質,其在活細胞中有著各種不同的功能,例如作為生化反應的催化劑。在污水活性污泥中,70—80%的胞外有機碳以蛋白質或糖類的形式存在。Wang等[62]通過蛋白質的測定已進行污泥粉碎度的定量分析。Akin等[66]測定了評價計算污泥粉碎度所需的各系數的值。

              Wang等[81]測量了不同聲處理時間下液相中蛋白質的釋出量。他們發現在經超聲波降解的污泥的液相中,蛋白質濃度與DNA和多糖相比占主要部分。在處理的錢20分鐘內蛋白質的釋出率非常高,20分鐘的處理后DNA和多糖的濃度開始下降。Feng等[46]觀察到提高能量輸入可以使蛋白質濃度升高。然而,蛋白質的測量還不普及,以蛋白質的測量來計算污泥,超聲波粉碎效率的方法還沒有被很好地接受。所以,COD測量由于其操作的簡單易行,仍將繼續作為評定超聲波粉碎效率的方法。

              2.4.2.3 NH3評定法

              超聲波處理能夠提高污泥樣品中有機氮和氨氮的濃度。所以,NH3評定法同樣可以用來評價粉碎度。Bougrier等[47]分析了聲處理對有機氮溶解的影響。在比能為1undefinedundefined5000kJ/kg TS的條件下,有機氮的溶解率為40%而最大溶解率出現在比能為1000undefinedundefined0kJ/kg TS的情況里。隨著輸入比能和污泥中TS組分的升高,氨氮濃度隨之升高。氨氮濃度的升高是因為細菌細胞的破碎使得細胞內的有機氮釋放到液相中,繼而被水解為氨。

              Feng等[46]發現了在不同輸入功率條件下經超聲處理后銨氮和氮濃度的變化。當超聲波的功率大于5000kJ/kg TS時硝氮的濃度上升,而由于空穴產生的羥基自由基使得在相同條件下氨氮濃度的升高比硝氮更大。我們需要了解氮數據和其后的厭氧消化測試的相關性來弄明白超聲波處理的影響及氨在液相中的釋出。當前,還沒有具有說服力的結論來評定超聲波處理污泥的粉碎效率。眾多研究者對各化學參數的定量計算列舉在表4中。

              2.4.2.4 生物學評定法

              超聲波處理能使絮體破碎并破壞細菌的細胞壁。細胞壁的破壞可以通過生物學的方法來進行測定。大量的活性污泥包含了好氧和兼性細菌。好氧速率(OUR)可以用來描述微生物活動。例如,如果OUR=0,那么所有的細胞都被粉碎了即粉碎度是100%。所以,超聲處理污泥的粉碎效率可以通過OUR來測定。Rai等[98]提出了不活躍度(undefinedDDOUR)來評價粉碎度。undefinedDDOUR 的表達式見式(17):

              有研究發現,當輸入功率提高到40kJ/kg TS時,DDOUR 十分快速地升高,此后輸入功率的升高減緩了DDOUR 的升高速率。Chu等[61]利用異養菌平板計數和OUR共同評價超聲波粉碎效率。隨著聲處理時間的增長,異養菌的存活率降低。隨著輸入比功率的升高,比耗氧速率隨之升高并達到最優值。此后隨著微生物的鈍化,比耗氧速率反而下降。

              在低的超聲波密度下,絮體破碎了但細胞并沒有溶解,所以SOUR一開始是上升的。Akin研究發現最大的不活躍度是65%,而在10kW/g TS的比功率及2%TS比例的條件下,該不活躍度下降為60%。Huan等[88]在污泥微生物活性和粉碎度之間進行了評價。其研究表明,在微生物活性升高前有些細菌的細胞壁已經遭到破壞,當粉碎度達到40%或以上時細胞開始出現溶解并導致了微生物活性的下降。SOUR與粉碎度之間的近似關系可以表達為DDSOUR=-3.75DD2COD + 0.75DDCOD + 0.21 。

              3. 超聲波處理對厭氧消化中污泥的可降解性及產甲烷量的影響

              超聲波處理的主要目的是提高污泥在厭氧消化中的可降解性以及在低HRT條件下增加其產甲烷量。數十年來,許多研究者都在評價超聲波處理參數對污泥可降解性及提高產甲烷量的作用。對于提高產甲烷量的預處理效率的順序是超聲溶解 > 自動窯熱預處理 > 水浴熱預處理 > 冷凍.污泥中細胞內聚合物的溶解和水解轉化為更低分子量物質的過程是一個速率限制步驟,通常地,復雜有機物的水解是通過胞外酶的催化實現的。超聲波處理會誘發空穴,空穴能夠使細胞壁溶解并向液相中釋出胞內物質。所以影響空穴形成的聲處理參數將會影響到污泥的消化。在厭氧消化過程中提高VS的減少量可以直接轉變為產甲烷量的提高。

              3.1 對污泥可消化能力和甲烷的影響

              許多人研究了聲波密度、強度和處理時間對污泥粉碎及可消化能力提高的影響作用。Shimizu等[6]在研究超聲波處理對于連續式消化反應器中厭氧消化污泥的影響作用時發現,在較短的HRT條件下經超聲波處理的污泥的產氣率提高了。在2.5天的停留時間條件下,可消解性提高到60%,氣體轉化效率提高到40%?;钚晕勰嗟南俾屎途酆衔锏乃馑俾识甲裱浑A動力學,其速率常數分別是0.16/天和1.2/天。與單相厭氧消化系統相比,兩相厭氧消化中活性污泥轉化為甲烷氣體的效率更高。

              Tiehm等利用不同HRT(22天,26天,12天和8天)條件下的批式實驗研究超聲波處理對厭氧消化污泥的影響。經過預處理后,厭氧消化中的VS減少百分比較之未經預處理的要高出不少,分別為50.3%和45.8%。出水中VS濃度比傳統的厭氧消化出水要低10%左右。有研究發現污泥經超聲波處理后,可以提高其VS的減少量和厭氧消化中的產氣量。超聲波處理能夠提高污泥的可降解性,也就縮短了停留時間。Nels等研究發現可以講停留時間從16天縮短為4天。與參照組相比較發現,4天停留時間的VS降解率提高了30%。

              Tiehm等[33]分析了處理時間和超聲波頻率的影響作用指出,隨著二者在預處理中的增加,消化污泥的VS減少量也逐漸增加。例如,空白組樣品的VS減少量為21.5%,而經30分鐘超聲處理的樣品中此數據提高到27.3%,相對于空白組提高了27%。隨著處理時間的延長,污泥的產氣量和氣體中甲烷的含量同時上升。提高聲波頻率會使得粉碎度降低并降低VS的可降解性。

              Wang等[31]也研究了超聲處理時間對污泥粉碎及隨后的厭氧消化的影響作用。通過提高處理時間可以使甲烷的含量上升。當處理時間分別為10分鐘,20分鐘,30分鐘和40分鐘時,甲烷含量分別提高了12%,31%,64%和69%。所以,提高活性污泥厭氧消化效率的最佳預處理時間應該是30分鐘。蛋白質,碳水化合物和不飽和脂肪酸等在厭氧消化中的降解遵循著相同的趨勢。這些有機物質的濃度在最初的24小時內升高,隨后其濃度逐漸降低。污泥的產甲烷能力與其不飽和脂肪酸濃度直接相關。隨著HRT的升高,甲烷的單位產量是下降的。單位產甲烷量的上升是由于微粒凈表面積和復雜有機物的溶解的增加。通過研究超聲波密度對污泥產甲烷量的影響發現,在19天的厭氧消化后,經超聲處理的污泥的產甲烷量是空白組的8到17倍。

              Bougrier等[47]研究了單位輸入功率對產氣量的影響。隨著單位輸入功率的升高,生物氣體產量也隨之升高。然而,對于更高的輸入功率條件(7000和15000 kJ/kg TS)下,二者的產氣量幾乎是相同的。對于未處理的污泥,其97%的生物氣體產量來自于微粒物質,而在超聲處理污泥中此比例僅為60%。生物氣總量的增加是由于污泥中的固體微粒在超聲波的作用下溶解,更便于細菌的利用。

              Mao和Show[73]研究了超聲波處理對于水解,酸化和甲烷化及其關系的影響。超聲波處理與酸化反應速率并沒有什么關系,但是它可以為酸化反應提供緩沖作用。經過不同聲波密度處理的污泥其水解速率分別提高19—75%。所以,超聲波處理對于水解酸化的促進作用主要是表現在其對于水解復雜有機物的促進上。這一促進作用可以增加消化過程中可產甲烷的生物質量,從而減輕在反應初期對產甲烷化的限制。

              3.2 實際應用

              由于在實際應用中其尺寸從實驗大小到實際大小的變化,污泥的超聲波處理對于污泥在厭氧消化中COD減少量的促進作用受到了制約。Sonic公司身纏了一套能夠加強厭氧消化的實際應用尺寸的超聲波系統。在世界各地都有該系統的測試和實際應用。在英國的Wessex,安裝了一套超聲波處理系統用以處理市政與工業混合污泥。未預處理污泥的TS和VS減少量分別為40%和50%,而處理后可達到60%和70%。相似的,在英國、美國和澳大利亞的許多地方都安裝了SonixTM系統。在這些裝置上觀測到的生物氣體產率均提升了40—50%,VS的金絲減少量提高了30—50%。表5總結了超聲波處理對于污泥可消解性的提高作用的眾多研究。

              Barber[11]展示了分流式超聲波設備的細節,此設備能使生物氣產量提高20—50%,VS減少量提高20—50%,并提高污泥的脫水性能。通過對一個典型的實際尺寸超聲波設備進行能量和物料衡算后顯示,能量的獲得多于能量的消耗,也就是說,在考慮了能量損失的情況下,消耗1kW的超聲波可以產生7kW的電能。Xie等[115]評價了實際尺寸超聲波設備處理混合污泥的效果。在嚴格控制造作條件的情況下,生物氣體產量提高了15—58%,其平均升幅為45%。能量衡算表明,超聲波設備中能量的平均凈獲得與電能消耗的比率是2.5。

              4. 未來展望

              污泥的超聲波降解對污泥的物理、化學和生物性能有很大影響。我們可以通過評價物理、化學和生物因素得出超聲波降解的效率。物理因素包括污泥的顆粒大小、渾濁度和脫水性能。這些都會受到超聲波和超聲波因素的影響。在超聲波降解過程中污泥的顆粒大小會逐漸減小,但到達某個點后,由于重新絮凝,顆粒的大小反而會增大。污泥特性和超聲波降解因素的不同會導致污泥顆粒大小的減小程度不同。因此,超聲波降解因素和污泥特性的最優選擇應該針對具體的案例進行。這可以通過系統的物料和能量守恒計算得到。

              化學因素的評估更加定量化。在實際應用中,化學因素在超聲波降解效率的評估中是最重要的。隨著超聲波降解的進行,污泥的SCOD、蛋白質和氨濃度會增加。增長到一定程度后,超聲波降解再進行下去,對這些溶解作用因素也幾乎沒有影響。在短時間內使用高強度超聲波與在長保留時間下使用低強度超聲波所達到的效果是一樣的。對于來源不同的污泥,應該在短時間內用高強度的超聲波,而對同一來源的污泥,用低強度超聲波進行長時間的作用效果會比較好。

              超聲波降解是一種新興的污泥前處理技術,可以提高污泥的可生化降解性。但要實現大范圍的應用,還需要更多深入的研究以提高甲烷的產率。雖然這個領域有超過50份的出版物,但是仍然沒有通用的方法來評估這種預處理工藝的效率。許多作者已經表達出在不同的單元中超聲波降解因素的作用。我們需要對評估的方法進行規范,才能比較不同作者給出的結果。因為氣穴是超聲波降解產生的一個基本現象,所以影響氣穴的因素對超聲波降解也會有很大影響。我們需要對超聲波降解過程中每個因素所占的影響地位進行評估,包括它們對瓦解程度的影響。作者們已經根據COD增溶和污泥瓦解的程度來評估超聲波降解效率的作用,但對COD增溶和具體的能量輸入以及超聲波降解密度和超聲波降解這幾方面的作用還沒有清楚的認識。同時,我們也需要評估這些因素之間的相互關系。研究者們已經根據VS的減少量和甲烷產量的增加來評估超聲波降解的作用,但對效率的評價仍然不可靠。超聲波降解引起的污泥粘性的增加以及它對AD的影響也必須進行評估。

              我們需要更深入地探究短暫氣穴和穩定氣穴對于污泥的可生化降解性能和甲烷含量增長的影響。AD最主要的一個缺點就是會導致堿度增加。因此超聲波降解過程中鈣離子和鎂離子的釋放有很大的影響。從污泥絮凝物釋放出來的鈣離子和鎂離子數量之間的相互關系以及它們對AD的影響也是評估AD效率的一個因素。超聲波降解過程和AD中生物聚合物的添加以及與污泥消化性的相互關系也需要進行評估。超聲波降解處理對消化控制每一個步驟的影響和效果改善同樣也非常重要。污泥pH對污泥瓦解效率有很大影響。所以污泥pH對污泥瓦解和AD的影響也需要進行記載。污泥pH和超聲波降解因素和AD效率之間的相互關系在實際應用中是需要弄清楚的。評價任何預處理工藝效率的一個標準方法是評估工藝的凈能量平衡和計算凈的碳節約量。

              5. 結論

              污泥的超聲波降解預處理對污泥在厭氧消化過程中的可生化降解性能具有很大的意義。它提高了生物氣的產量以及甲烷在生物氣中的含量。實驗顯示在AD中超聲波降解能使污泥減量和生物氣產量得到很大的提高,在實際應用中能顯現31%的污泥減量,同時還能提高污泥的脫水性能。污泥的超聲波降解加速復合有機物向可降解物質轉變的過程,同時促進產氫細菌的生長。大多數研究者都認為超聲波的密度比超聲波降解時間更為重要。動力學模型研究表明各因素影響作用排序如下:pH>污泥濃度>超聲波降解強度>超聲波密度。物料和能量平衡計算顯示,使用1kW的超聲波能量能夠產生大概7kW的電能。因此,通過減少消化器的規模以及在較少的停留時間下運行,我們可以彌補更大數量的投資和運行費用。這對污水處理廠的污泥管理具有重大意義。

              生物氣的產率與COD的溶液化凈比率直接成比例關系。COD溶液化增加,甲烷產量也隨著增加。這同時要求減少反應器的停留時間,也就大大減小了反應器的規模。超聲波降解可以會增加揮發性固體的減少量,也就提高了AD中污泥的降解效率。根據物料和能量平衡優化操作運行因素,對證明超聲波降解應用可行性至關重要。

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