PPT分享|超声波污泥处理——源头减量 强化脱水 高级厌氧消化三部分
张光明：谢谢主持人郝老师，非常高兴今天有这样一个机会到这个会场来跟各位同行汇报一下我的课题组在污泥领域做的一些工作。我这个报告题目是《超声波污泥处理——源头减量、强化脱水、高级厌氧消化三部分》，我来自中国人民大学。
首先非常简单说一下背景，因为是污泥会议，来的各位都是行家，所以特别细的地方我就不讲了。
现在城市污水处理厂整体来说面临三大问题：第一是大量剩余污泥无处可去，它的处理处置成本非常高。第二是总氮难以达标，总氮难以达标的一个根本问题是进水的COD太低、碳源不足。第三个是问题我们的能耗过高。在城市污水处理厂面临的三大问题中，我们的超声波技术都能找到自己的用武之地。
剩余污泥的特点，大家都知道，产量非常高，含水率非常高，同时也含有大量有机物，就是它的内含碳很高，从另一个角度来说，它可以作为我们污水厂反硝化时候的一个内生碳源使用。
针对这三个问题我刚才说到超声波都有用武之地，分别是什么呢?针对污泥剩余产量高的问题可以从两个角度来看，一个是它产生太多，就让它少产生一点。这就是我接下来要汇报的，超声波污泥溶胞隐性生长、从而实现源头减量这样一个方式。这就是让剩余污泥少出厂，整个产生就要变少。第二是大家都很熟悉的强化脱水，就是把它的体积给减下来。总氮不达标这一块，刚才我们也分析到，这个污泥是可以作为内碳源用的，我们用超声波把它内在的碳给释放出来作为碳源使用。能耗高这一部分能做的就是以超声波做污泥预处理，从而促进高级厌氧消化，可以回收部分的能源。有个非常类似的技术，就是昨天天大的季民教授说到的超声解耦合，而我这里是没有耦合，是一个纯粹的超声。
说的半天超声波能干这个、能干那个，我们来看一下超声波是怎么回事?从定义来看，就是功率超过16kHz咱们的耳朵听不见，超声波是一个纵波，它的传递就是在水里或者是污泥里面是这样一个传递的方式，我们所利用的是功率超声。超声波有两种，一种叫做检测超声，比如说家里女同志怀孕去做B超，那叫检测超声。我们用的是功率超声。功率超声顾名思义就是它的功率比较大，在水中就可以带来一系列的作用。首先是一个直接强化传质，因为它快速压、张，16千赫兹，也就是每秒钟有1.6万次，带来一个非常大的加速度。在功率达到一定的功率之后，就会产生一个空化这样一个现象，我们就叫做超声空化现象。这个现象非常常见，空化泡瞬间破裂，会带来一个强烈的冲击波。这个冲击波和空化现象就可以用污泥的絮体打破，也就是后面说的一系列它在污泥里面应用的基础，就来自这样一个工作原理。
超声设备有很多种，这几种是比较常见的，槽式、探头式和浸没式的，功率超声，这三种设备在污泥处理中都可以找到自己的用处。
(详见PPT) 首先我讲一下剩余污泥源头减量，就是超声波污泥溶胞耦合隐性生长，这个技术原理非常简单，大家看就是我们在二沉池出来有一个回流污泥，有这样一条线，我们在这条线把一部分的回流污泥进行超声溶胞，大家注意这是部分回流污泥进行超声溶胞。超声溶胞的第一步是絮体的破坏，细胞的破壁。左边这几张图是我们放大的照片，大家可以清楚地看到，随着超声波作用它整个絮体结构被打破了，里面的物质被释放出来。污泥首先变小了，粒径大概从平均100个微米可以平均降到10个微米，变小之后架桥离子被释放，直接带来的结果就是，我们固相的物质被释放到水里面去，变成一个溶解态的COD。固态的SS相应就减少了，VSS也相应减少。
(详见PPT)释放的物质里面有多糖、蛋白质，尤其注意最后一张DNA。因为DNA是细胞遗传物质，它的释放就说明里面的微生物被彻底破坏掉、被释放出来了，这里非常典型的就是溶解性COD，就是SCOD，就是水里面的COD，不过在污泥里面另外起来一个名字叫SCOD，就有一个极大地提高。
其实这个就跟昨天的季老师的图很像，就是一个溶胞，我们做了一些溶胞机理的分析，里面更多是来自胞外聚合物EPS剥离的贡献。
(详见PPT)在这张ppt里面，我们做了一个光谱学的研究，就发现蛋白质、多糖是被剥离下来了，但是它的基本性质不变，什么意思呢?说明我们这是一个机械和物理的作用，没有发生化学作用。所以它整个的光谱学的特性是没有变化，就是一个纯机械和物理的作用。
(详见PPT)这是我们测的剥离下来的物质里面荧光光谱的一些图，结论和上一张图是一样的，所以就不细讲了。
(详见PPT) 这样一个溶胞过程受很多因素影响，首先是污泥本身的特性，总固含量是多少，VSS的含量是多少，超声的时间、超声的强度等等都会影响到这样一个超声溶胞的效率。
(详见PPT)我们刚说的技术原理是部分回流污泥给溶胞，还是要回到水里面，运行一段时间之后我们看一下运行的效果是怎么样?首先要关注不能干扰我们的水处理，整个过程一共做了半年，这里是给了3个月的数据。可以看到，对水处理来说，我们这个污泥浓度、COD和总氮都没有什么大的变化，但是剩余污泥的产量有了一个显著的下降。
(详见PPT)我们做了半年连续的工作之后就可以得到一个结论，我们在不影响污水处理效果前提下，可以实现大约1/3到2/3剩余污泥的减量，我排出来的污泥可以减少1/3到2/3。如果我们一味追求把污泥VSS彻底消灭掉，也可以，但是这时候水处理系统就不稳定了，我们是用SBR、AO两个系统都做过，得到的效果是相当的。有一个地方需要说明，这里面说的是COD和氮的去除，总磷的去除是要恶化的。因为大家都知道，生物处磷就靠把这个泥排掉，所以泥排的少，生物除磷肯定就没那么好了。所以这个地方是一个必然的负作用，我们稍微说一下。
在这个工艺里面，我们特别需要注意的几个参数，就是污泥溶胞比例非常重要，大家可能还记得我刚才说的那张图是部分回流污泥，这里说的部分就是这个比例非常重要。如果我们回流多了，整个系统就会变得不太稳定，所以我们基本是推荐1/7左右，回流污泥中大概是15%左右来进行这样一个破解。
(详见PPT)顺便做了一个重金属，发现出水重金属的含量基本不变，但是污泥中的重金属，存在形式由于施加了超声波这样一个影响之后，它的存在形式更加稳定。对于含重金属的水来说是一个有利的。
(详见PPT) 微生物的菌种，菌群的多样性有所提升，也是在超声波刺激下的一个必然反应。
预计成本，因为我们只做了一个小型的中试，没有生产实验，这是一个预计成本。而且我提醒大家，这个地方我们说的是彻底的减量，就是不让它产生，所以不是处理的一个成本，而是彻底把它消灭掉的一个成本的估算。
小结：这个超声波可以非常有效地破坏絮体的结构，让部分回流污泥进行溶胞，再回到水里去之后，我们可以实现一个有效的剩余污泥减量的效果。特别是需要注意，不能过度溶胞，过渡溶胞会把整个污泥的活性降低，这是一个不利的事情。
接下来汇报一下强化污泥脱水，就是减容的效果，这是非常大家熟悉的，就是剩余污泥，已经出来的泥，机械脱水之前加了一个超声调理的过程，所以大家注意我们这里的目的是超声调理，而不是溶胞。这个地方要溶胞就麻烦了，如果还是溶胞它的脱水性能是恶化的。这个地方要做到的是调理。调理的时候，实际上就是对污泥里面的水分分布进行一个改动。
(详见PPT)这张图应该大家都很熟悉，污泥里面的大部分是自由水，自由水不用管，真正需要关注的是毛细水和表面吸附水是可以除掉的，内部水我们基本上不动它。调理的过程主要是要解决10%-20%的毛细水的分布过程。
(详见PPT)这几张图比较清楚，这个部分超声波调理的要素就是低强度、损蚀，如果强度高、时间长絮体反而会再次分散，吸附水会再度上升，脱水反而会恶化。我们损蚀的时候可以看到絮体会更加紧密，絮体紧密之后就把毛细水挤出来，就成功实现了我们对毛细水调理的一个过程。我们测了一些微观指标，架桥例子、分布和粘度的变化。刚才已经讲了对毛细水有一个改变，对污泥的黏度会有一个改变。
(详见PPT)我们用了两个设备，一个是离心机，一个隔膜式的板框压滤。首先看一下超声波-离心的组合，我们可以看到瞬时低强度对脱水是有利的，如果时间长了反而会恶化。刚才已经说过。
(详见PPT)这张图是跟PAM，就是聚丙烯胺联合使用的时候发现很有趣的现象，就是它对不同的污泥效果不一样，对有的污泥提升改进不大。什么意思呢?加不加PAM，就是有的污泥在经过超声调理之后可以不加PAM，对有的污泥超声调理之后仍然需要加PAM，这跟污泥自己的特性是有关系的。刚才这个是我们跟离心机组合的。这个是板块压滤组合的，我们买了一个最小型的板框压滤机，这个效果非常好，不需要再加PAM，任何混凝剂都不需要加了。为什么跟板框效果这么好、跟离心效果没有这么好，我们也不知道，反正做出来就是这个样子。
接下来分析了泥饼的形成，就发现超声波加药，泥饼的含水率可以进一步的降低。但是里面的干重就会增加，如果超声波不加药出来跟只加药不加超声是一样的效果。
这里提醒一下大家，这个必须做实验，因为调理非常的微妙，调理的强度和时间，对不同的泥都是不一样的，必须要做实验，稍微做的不好就会有恶化的效果。
第三简单给大家汇报一下我们作为内碳源的使用，这个技术原理是在剩余污泥，我们把一部分剩余污泥做一个选择性的破解，然后作为内碳源使用。这是在剩余污泥做了，但是只做了一部分，是选择性的破解，不是无差别溶胞。这是跟第一个工艺不一样的。
为什么要进行选择性破解?因为我们在超声波污泥破坏的时候，里面的碳、氮、磷都要往外释放，如果控制好它的条件，它不是成比例释放，释放的碳远远高于氮和磷的释放。(详见PPT)这时候可以看一下氮释放出来、磷释放出来的，大概是几百到几十。这是COD是在几千。所以释放出来的碳氮磷比例就非常高，这个就可以作为碳源使用。如果控制不好，碳氮磷同步释放出来，回到水里去也一样要脱氮除磷，就没有意义了。
(详见PPT)这里面不同的污泥释放出来的碳氮磷比是不一样的，我们做过十几种不同来源的污泥，到不同的厂去拉。大的趋势一样的碳氮磷在你控制好超声条件远远高于进水，也就是说是可以作为一个内碳源使用。
这里我们也简单的分析了一下它的成分，发现主要是来自EPS里面的多糖。(详见PPT)部分选择性破解作为内碳源放回去，放回去之后做了一下它的效果，发现它对脱氮是有一个明显的提升，对COD和磷没什么影响。对微生物的改变是可以检测到一个改变，就是脱氮除磷菌丰度上升，这个也很容易理解，因为碳源多了，肯定微生物会活得更舒服一点。
最后一部分是超声溶胞高级厌氧消化，这块会讲的非常简单，因为跟昨天季老师的技术原理非常相似。
它的位置，就是剩余污泥里面做一个超声溶胞，后面进行一个厌氧消化，就类似于热水解，预处理的位置是一样的。因为超声有一个消毒的效果，所以这是一个附送的效果，意义不是特别大。
(详见PPT)这一块的效果图跟前面是一样的。
(详见PPT)污泥为什么可以促进厌氧消化?因为我们这个污泥破解液可生化性跟我们没有破解的时候污泥的可生化性是有一个巨大的改善，我们可以看到这个曲线要陡很多，就是它的生化性要改善很多。一个相应的效果，我们可以把厌氧消化时间缩短，产甲烷量早期提高，早期的甲烷含量也能够提高，所以产甲烷量可以有一个很大的提升。VSS去除率也改善了。但这里面大家注意一点，它有一个负作用，做完这个超声预处理之后沼液里面的氨氮的浓度有一个比较明显的上升。
最后总结一下：超声波在污泥处理和污泥减量有什么用途：
1.剩余污泥源头减量，我们需要对部分回流污泥进行一个溶胞处理，耦合隐性生长。
2.剩余污泥的强化脱水，是全部剩余污泥我们用弱超声的方式进行一个调理。
3.作为内碳源使用，这是部分剩余污泥要进行一个选择性的破解。
4.促进厌氧消化，是全部的污泥进行一个溶胞。
这是我个人的一个工作经验，我做超声波水处理二十多年，在污泥处理方面也做了十几年的工作，得到了一些经验，如果在座的各位同行、各位朋友，愿意跟我们共同开发的话，欢迎大家合作、欢迎批评指正。谢谢大家!
郝晓地：谢谢张教授把超声波，主要是在污水处理方面的应用，非常详细的介绍了一下分别在各种场合的作用、应用给大家介绍了一下。如果感兴趣下面可以跟她联系。
