PPT分享|超聲波污泥處理——源頭減量 強(qiáng)化脫水 高級厭氧消化三部分
張光明：謝謝主持人郝老師，非常高興今天有這樣一個機(jī)會到這個會場來跟各位同行匯報一下我的課題組在污泥領(lǐng)域做的一些工作。我這個報告題目是《超聲波污泥處理——源頭減量、強(qiáng)化脫水、高級厭氧消化三部分》，我來自中國人民大學(xué)。
首先非常簡單說一下背景，因為是污泥會議，來的各位都是行家，所以特別細(xì)的地方我就不講了。
現(xiàn)在城市污水處理廠整體來說面臨三大問題：第一是大量剩余污泥無處可去，它的處理處置成本非常高。第二是總氮難以達(dá)標(biāo)，總氮難以達(dá)標(biāo)的一個根本問題是進(jìn)水的COD太低、碳源不足。第三個是問題我們的能耗過高。在城市污水處理廠面臨的三大問題中，我們的超聲波技術(shù)都能找到自己的用武之地。
剩余污泥的特點，大家都知道，產(chǎn)量非常高，含水率非常高，同時也含有大量有機(jī)物，就是它的內(nèi)含碳很高，從另一個角度來說，它可以作為我們污水廠反硝化時候的一個內(nèi)生碳源使用。
針對這三個問題我剛才說到超聲波都有用武之地，分別是什么呢?針對污泥剩余產(chǎn)量高的問題可以從兩個角度來看，一個是它產(chǎn)生太多，就讓它少產(chǎn)生一點。這就是我接下來要匯報的，超聲波污泥溶胞隱性生長、從而實現(xiàn)源頭減量這樣一個方式。這就是讓剩余污泥少出廠，整個產(chǎn)生就要變少。第二是大家都很熟悉的強(qiáng)化脫水，就是把它的體積給減下來�？偟贿_(dá)標(biāo)這一塊，剛才我們也分析到，這個污泥是可以作為內(nèi)碳源用的，我們用超聲波把它內(nèi)在的碳給釋放出來作為碳源使用。能耗高這一部分能做的就是以超聲波做污泥預(yù)處理，從而促進(jìn)高級厭氧消化，可以回收部分的能源。有個非常類似的技術(shù)，就是昨天天大的季民教授說到的超聲解耦合，而我這里是沒有耦合，是一個純粹的超聲。
說的半天超聲波能干這個、能干那個，我們來看一下超聲波是怎么回事?從定義來看，就是功率超過16kHz咱們的耳朵聽不見，超聲波是一個縱波，它的傳遞就是在水里或者是污泥里面是這樣一個傳遞的方式，我們所利用的是功率超聲。超聲波有兩種，一種叫做檢測超聲，比如說家里女同志懷孕去做B超，那叫檢測超聲。我們用的是功率超聲。功率超聲顧名思義就是它的功率比較大，在水中就可以帶來一系列的作用。首先是一個直接強(qiáng)化傳質(zhì)，因為它快速壓、張，16千赫茲，也就是每秒鐘有1.6萬次，帶來一個非常大的加速度。在功率達(dá)到一定的功率之后，就會產(chǎn)生一個空化這樣一個現(xiàn)象，我們就叫做超聲空化現(xiàn)象。這個現(xiàn)象非常常見，空化泡瞬間破裂，會帶來一個強(qiáng)烈的沖擊波。這個沖擊波和空化現(xiàn)象就可以用污泥的絮體打破，也就是后面說的一系列它在污泥里面應(yīng)用的基礎(chǔ)，就來自這樣一個工作原理。
超聲設(shè)備有很多種，這幾種是比較常見的，槽式、探頭式和浸沒式的，功率超聲，這三種設(shè)備在污泥處理中都可以找到自己的用處。
(詳見PPT) 首先我講一下剩余污泥源頭減量，就是超聲波污泥溶胞耦合隱性生長，這個技術(shù)原理非常簡單，大家看就是我們在二沉池出來有一個回流污泥，有這樣一條線，我們在這條線把一部分的回流污泥進(jìn)行超聲溶胞，大家注意這是部分回流污泥進(jìn)行超聲溶胞。超聲溶胞的第一步是絮體的破壞，細(xì)胞的破壁。左邊這幾張圖是我們放大的照片，大家可以清楚地看到，隨著超聲波作用它整個絮體結(jié)構(gòu)被打破了，里面的物質(zhì)被釋放出來。污泥首先變小了，粒徑大概從平均100個微米可以平均降到10個微米，變小之后架橋離子被釋放，直接帶來的結(jié)果就是，我們固相的物質(zhì)被釋放到水里面去，變成一個溶解態(tài)的COD。固態(tài)的SS相應(yīng)就減少了，VSS也相應(yīng)減少。
(詳見PPT)釋放的物質(zhì)里面有多糖、蛋白質(zhì)，尤其注意最后一張DNA。因為DNA是細(xì)胞遺傳物質(zhì)，它的釋放就說明里面的微生物被徹底破壞掉、被釋放出來了，這里非常典型的就是溶解性COD，就是SCOD，就是水里面的COD，不過在污泥里面另外起來一個名字叫SCOD，就有一個極大地提高。
其實這個就跟昨天的季老師的圖很像，就是一個溶胞，我們做了一些溶胞機(jī)理的分析，里面更多是來自胞外聚合物EPS剝離的貢獻(xiàn)。
(詳見PPT)在這張ppt里面，我們做了一個光譜學(xué)的研究，就發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)、多糖是被剝離下來了，但是它的基本性質(zhì)不變，什么意思呢?說明我們這是一個機(jī)械和物理的作用，沒有發(fā)生化學(xué)作用。所以它整個的光譜學(xué)的特性是沒有變化，就是一個純機(jī)械和物理的作用。
(詳見PPT)這是我們測的剝離下來的物質(zhì)里面熒光光譜的一些圖，結(jié)論和上一張圖是一樣的，所以就不細(xì)講了。
(詳見PPT) 這樣一個溶胞過程受很多因素影響，首先是污泥本身的特性，總固含量是多少，VSS的含量是多少，超聲的時間、超聲的強(qiáng)度等等都會影響到這樣一個超聲溶胞的效率。
(詳見PPT)我們剛說的技術(shù)原理是部分回流污泥給溶胞，還是要回到水里面，運行一段時間之后我們看一下運行的效果是怎么樣?首先要關(guān)注不能干擾我們的水處理，整個過程一共做了半年，這里是給了3個月的數(shù)據(jù)�？梢钥吹�，對水處理來說，我們這個污泥濃度、COD和總氮都沒有什么大的變化，但是剩余污泥的產(chǎn)量有了一個顯著的下降。
(詳見PPT)我們做了半年連續(xù)的工作之后就可以得到一個結(jié)論，我們在不影響污水處理效果前提下，可以實現(xiàn)大約1/3到2/3剩余污泥的減量，我排出來的污泥可以減少1/3到2/3。如果我們一味追求把污泥VSS徹底消滅掉，也可以，但是這時候水處理系統(tǒng)就不穩(wěn)定了，我們是用SBR、AO兩個系統(tǒng)都做過，得到的效果是相當(dāng)?shù)�。有一個地方需要說明，這里面說的是COD和氮的去除，總磷的去除是要惡化的。因為大家都知道，生物處磷就靠把這個泥排掉，所以泥排的少，生物除磷肯定就沒那么好了。所以這個地方是一個必然的負(fù)作用，我們稍微說一下。
在這個工藝?yán)锩妫覀兲貏e需要注意的幾個參數(shù)，就是污泥溶胞比例非常重要，大家可能還記得我剛才說的那張圖是部分回流污泥，這里說的部分就是這個比例非常重要。如果我們回流多了，整個系統(tǒng)就會變得不太穩(wěn)定，所以我們基本是推薦1/7左右，回流污泥中大概是15%左右來進(jìn)行這樣一個破解。
(詳見PPT)順便做了一個重金屬，發(fā)現(xiàn)出水重金屬的含量基本不變，但是污泥中的重金屬，存在形式由于施加了超聲波這樣一個影響之后，它的存在形式更加穩(wěn)定。對于含重金屬的水來說是一個有利的。
(詳見PPT) 微生物的菌種，菌群的多樣性有所提升，也是在超聲波刺激下的一個必然反應(yīng)。
預(yù)計成本，因為我們只做了一個小型的中試，沒有生產(chǎn)實驗，這是一個預(yù)計成本。而且我提醒大家，這個地方我們說的是徹底的減量，就是不讓它產(chǎn)生，所以不是處理的一個成本，而是徹底把它消滅掉的一個成本的估算。
小結(jié)：這個超聲波可以非常有效地破壞絮體的結(jié)構(gòu)，讓部分回流污泥進(jìn)行溶胞，再回到水里去之后，我們可以實現(xiàn)一個有效的剩余污泥減量的效果。特別是需要注意，不能過度溶胞，過渡溶胞會把整個污泥的活性降低，這是一個不利的事情。
接下來匯報一下強(qiáng)化污泥脫水，就是減容的效果，這是非常大家熟悉的，就是剩余污泥，已經(jīng)出來的泥，機(jī)械脫水之前加了一個超聲調(diào)理的過程，所以大家注意我們這里的目的是超聲調(diào)理，而不是溶胞。這個地方要溶胞就麻煩了，如果還是溶胞它的脫水性能是惡化的。這個地方要做到的是調(diào)理。調(diào)理的時候，實際上就是對污泥里面的水分分布進(jìn)行一個改動。
(詳見PPT)這張圖應(yīng)該大家都很熟悉，污泥里面的大部分是自由水，自由水不用管，真正需要關(guān)注的是毛細(xì)水和表面吸附水是可以除掉的，內(nèi)部水我們基本上不動它。調(diào)理的過程主要是要解決10%-20%的毛細(xì)水的分布過程。
(詳見PPT)這幾張圖比較清楚，這個部分超聲波調(diào)理的要素就是低強(qiáng)度、損蝕，如果強(qiáng)度高、時間長絮體反而會再次分散，吸附水會再度上升，脫水反而會惡化。我們損蝕的時候可以看到絮體會更加緊密，絮體緊密之后就把毛細(xì)水?dāng)D出來，就成功實現(xiàn)了我們對毛細(xì)水調(diào)理的一個過程。我們測了一些微觀指標(biāo)，架橋例子、分布和粘度的變化。剛才已經(jīng)講了對毛細(xì)水有一個改變，對污泥的黏度會有一個改變。
(詳見PPT)我們用了兩個設(shè)備，一個是離心機(jī)，一個隔膜式的板框壓濾。首先看一下超聲波-離心的組合，我們可以看到瞬時低強(qiáng)度對脫水是有利的，如果時間長了反而會惡化。剛才已經(jīng)說過。
(詳見PPT)這張圖是跟PAM，就是聚丙烯胺聯(lián)合使用的時候發(fā)現(xiàn)很有趣的現(xiàn)象，就是它對不同的污泥效果不一樣，對有的污泥提升改進(jìn)不大。什么意思呢?加不加PAM，就是有的污泥在經(jīng)過超聲調(diào)理之后可以不加PAM，對有的污泥超聲調(diào)理之后仍然需要加PAM，這跟污泥自己的特性是有關(guān)系的。剛才這個是我們跟離心機(jī)組合的。這個是板塊壓濾組合的，我們買了一個最小型的板框壓濾機(jī)，這個效果非常好，不需要再加PAM，任何混凝劑都不需要加了。為什么跟板框效果這么好、跟離心效果沒有這么好，我們也不知道，反正做出來就是這個樣子。
接下來分析了泥餅的形成，就發(fā)現(xiàn)超聲波加藥，泥餅的含水率可以進(jìn)一步的降低。但是里面的干重就會增加，如果超聲波不加藥出來跟只加藥不加超聲是一樣的效果。
這里提醒一下大家，這個必須做實驗，因為調(diào)理非常的微妙，調(diào)理的強(qiáng)度和時間，對不同的泥都是不一樣的，必須要做實驗，稍微做的不好就會有惡化的效果。
第三簡單給大家匯報一下我們作為內(nèi)碳源的使用，這個技術(shù)原理是在剩余污泥，我們把一部分剩余污泥做一個選擇性的破解，然后作為內(nèi)碳源使用。這是在剩余污泥做了，但是只做了一部分，是選擇性的破解，不是無差別溶胞。這是跟第一個工藝不一樣的。
為什么要進(jìn)行選擇性破解?因為我們在超聲波污泥破壞的時候，里面的碳、氮、磷都要往外釋放，如果控制好它的條件，它不是成比例釋放，釋放的碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮和磷的釋放。(詳見PPT)這時候可以看一下氮釋放出來、磷釋放出來的，大概是幾百到幾十。這是COD是在幾千。所以釋放出來的碳氮磷比例就非常高，這個就可以作為碳源使用。如果控制不好，碳氮磷同步釋放出來，回到水里去也一樣要脫氮除磷，就沒有意義了。
(詳見PPT)這里面不同的污泥釋放出來的碳氮磷比是不一樣的，我們做過十幾種不同來源的污泥，到不同的廠去拉。大的趨勢一樣的碳氮磷在你控制好超聲條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)水，也就是說是可以作為一個內(nèi)碳源使用。
這里我們也簡單的分析了一下它的成分，發(fā)現(xiàn)主要是來自EPS里面的多糖。(詳見PPT)部分選擇性破解作為內(nèi)碳源放回去，放回去之后做了一下它的效果，發(fā)現(xiàn)它對脫氮是有一個明顯的提升，對COD和磷沒什么影響。對微生物的改變是可以檢測到一個改變，就是脫氮除磷菌豐度上升，這個也很容易理解，因為碳源多了，肯定微生物會活得更舒服一點。
最后一部分是超聲溶胞高級厭氧消化，這塊會講的非常簡單，因為跟昨天季老師的技術(shù)原理非常相似。
它的位置，就是剩余污泥里面做一個超聲溶胞，后面進(jìn)行一個厭氧消化，就類似于熱水解，預(yù)處理的位置是一樣的。因為超聲有一個消毒的效果，所以這是一個附送的效果，意義不是特別大。
(詳見PPT)這一塊的效果圖跟前面是一樣的。
(詳見PPT)污泥為什么可以促進(jìn)厭氧消化?因為我們這個污泥破解液可生化性跟我們沒有破解的時候污泥的可生化性是有一個巨大的改善，我們可以看到這個曲線要陡很多，就是它的生化性要改善很多。一個相應(yīng)的效果，我們可以把厭氧消化時間縮短，產(chǎn)甲烷量早期提高，早期的甲烷含量也能夠提高，所以產(chǎn)甲烷量可以有一個很大的提升。VSS去除率也改善了。但這里面大家注意一點，它有一個負(fù)作用，做完這個超聲預(yù)處理之后沼液里面的氨氮的濃度有一個比較明顯的上升。
最后總結(jié)一下：超聲波在污泥處理和污泥減量有什么用途：
1.剩余污泥源頭減量，我們需要對部分回流污泥進(jìn)行一個溶胞處理，耦合隱性生長。
2.剩余污泥的強(qiáng)化脫水，是全部剩余污泥我們用弱超聲的方式進(jìn)行一個調(diào)理。
3.作為內(nèi)碳源使用，這是部分剩余污泥要進(jìn)行一個選擇性的破解。
4.促進(jìn)厭氧消化，是全部的污泥進(jìn)行一個溶胞。
這是我個人的一個工作經(jīng)驗，我做超聲波水處理二十多年，在污泥處理方面也做了十幾年的工作，得到了一些經(jīng)驗，如果在座的各位同行、各位朋友，愿意跟我們共同開發(fā)的話，歡迎大家合作、歡迎批評指正。謝謝大家!
郝曉地：謝謝張教授把超聲波，主要是在污水處理方面的應(yīng)用，非常詳細(xì)的介紹了一下分別在各種場合的作用、應(yīng)用給大家介紹了一下。如果感興趣下面可以跟她聯(lián)系。
