超声波破解污泥机理超声波泛指频率在15kHz～10MHz的声波

　 在污泥厌氧消化的3个阶段中，有机物的水解是限速步骤，由于微生物的细胞壁对水解速度的遏制作用，它可以在发酵环境下长时间坚持不被突破，从而成为时间上的控制因素。

　　1.2污泥的破解原理污泥中的大多数有机物质存在于微生物细胞内，微生物细胞的细胞壁是一种稳定的半刚性结构，较难生物降解，从而导致厌氧污泥消化过程需要较长的停留时间。为缩短污泥厌氧消化时间，减少污泥量和消化池体积，在污泥厌氧消化前进行污泥破解，以提高消化速率。污泥破解的原理就是破坏污泥的结构及微生物细胞壁，使污泥絮体结构发生变化，细胞内的内含物流出，同时释放出酶，酶的作用使其余未被破解的微生物细胞失去环境适应能力，易被厌氧微生物消耗，变难降解的固体性物质为易降解的溶解性物质。破解污泥后，水相中的有机物含量会在较短时间内大大增加，从而缩短厌氧消化的停留时间，另外，还会大大提高沼气的产生量。

　　2超声波促进污泥厌氧消化在欧美，对于如何促进污泥厌氧消化这一热点课题已研究多年，经过对生物法、化学法、热解、氧化等技术研究后，发现了超声波促进污泥厌氧消化的技术优势。

　　2.1超声波破解污泥机理超声波泛指频率在15kHz～10MHz的声波，是物质介质中的一种弹性机械波。超声波辐射污泥时会产生超声空化现象，即液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩及气泡崩溃等一系列动力学过程。当气泡瞬间破灭时，将产生短暂的强压力脉冲，并在气泡周围微小空间形成局部热点，产生瞬间的局部高温（5000K）和高压（500×10 4 kPa），并伴有超高速射流（400km／h）发生［3］。高温、高压和超高速射流产生的剪切力和冲击波能够破坏污泥絮体结构与污泥中微生物细胞壁，使酶和其它有机质从细胞中溶出，改善污泥的水解环境，使未被击破的微生物细胞对消化环境失去承受能力，很快被厌氧微生物消耗掉，从而大大加速污泥的消化过程。

　　通常用A COD表示击破率，表示污泥中被超声波破解的微生物细胞所占的比例。研究认为5％左右的击破率所产生的综合效果最好［4］。

　　A COD计算公式：A COD＝［△COD US／△COD NaOH］×100％式中：△COD US 超声波处理后溶解性COD（SCOD）的增加值。测定方法是：将超声波处理后的污泥样本在离心机上高速旋转30min，其离心加速度达到10000～40000g（g为重力加速度），然后过滤（孔径0.45μm），再测定COD值。

　　△COD NaOH 击破率的参照值。确定方法是：向200ml污泥样本加入0.5mol烧碱，在20℃的环境里静置22h，然后测定COD值。

　　2.2超声波破解技术的研究及应用现状超声波破解污泥是通过超声空化作用实现的，影响超声空化的因素主要有超声场（声强、声能密度、频率等），液体介质的性质（张力、粘度、蒸汽压等），环境因素（温度、压力等）等［5］。

　　早在20世纪70年代Brown和Lester［6］就开始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。在利用超声波促进污泥的厌氧消化这方面，德国走在了世界前列。

　　NickelK等利用31kHz，3.6kW超声波处理污泥64s后发现，污泥中溶解性COD（SCOD）从630mg／L提高到2270mg／L［7］。空化过程释放的能量以热的形式被污泥吸收，使处理后污泥的温度从15℃上升至45℃。后续中温厌氧消化试验表明厌氧消化的停留时间从22d下降至8d，产气量也有显著提高。

　　与破解质量分数为0.5％的污泥结果相比，较低声能密度下（小于1.44W／ml），两者结果相差不大。

　　但是，在声能密度为1.44W／ml时，破解质量分数为0.5％污泥30min后，SCOD溶出率只有60％。

　　图1为破解两种含固率污泥的SCOD产率比较，图2为比能耗与SCOD增加值关系比较。

　　德国巴姆堡市污水厂采用超声波技术预处理浓缩污泥，该厂日产浓缩污泥200m 3，使用两台超声波设备预处理其中的80m 3，运行3个月后，沼气产量增加30％，污泥停留时间从25d降到18 d。平均每方被处理的浓缩污泥耗能3kWh，工程应用效果较好［4］。

　　2.3超声波破解技术的其它效应超声波产生的空化效应不但能够改变污泥结构，而且还能起到杀菌消毒的效果。研究表明，在0.44W／ml的超声波作用下处理污泥120min后，其中64％的大肠杆菌被杀死，细胞内酶的释放对杀灭结核菌等病菌也有较好的作用，在污泥处理中这是一个有益的副效应。此外超声波处理可以改变污泥表面电位，从而影响机械脱水中添加剂的投加量［10］。

　　3超声波促进污泥厌氧消化的应用前景由于污泥中有机质含量高，是典型的生物质能源，所以具有很高的资源化利用空间。目前，我国污泥资源化利用有两大“瓶颈”。一是污泥处理系统建设费用很高，可占到污水厂总投资的1／5￣1／3；二是沼气产生率低、沼气利用设备稳定性较差。利用超声波促进污泥厌氧消化可较好地突破这两大“瓶颈”。浓缩污泥经超声波预处理破解后，其后续消化工艺周期缩短，由20～30d可缩短至10～15d，这样消化池的体积可缩小一半，其附属设备也相应减少，从而可大大减少建设的投资费用。对于已经建设消化池处理污泥的污水厂，利用此技术后，可以腾出很大一部分消化池转做它用。经超声波破解后的污泥在厌氧消化时，产沼气量提高很快，产气量稳定，利用可靠，如发电利用，可减少对电网的依赖，大大节省污水厂运行成本，同时减轻对电网的压力。按照《可再生能源法》规定，沼气发电如果上网，只要电力质量合格，电网就可以接收，这样就为污水厂开辟了新的财源。

　　此外，经厌氧消化后的熟污泥，由于更多的有机质被转化为沼气，熟污泥减量25％以上，处理成本下降。熟污泥有机质含量下降，相应矿物质比例增加，有利于其后续资源化利用。

　　4结论超声波促进污泥厌氧消化技术能够较大地降低污泥的处理成本，使污泥作为一种生物质可再生能源得到更充分的利用，进一步为污泥的减量化、无害化、资源化开辟道路，同时创造更大的社会、环境、经济效益。我国应结合本国国情，同时借鉴欧美的成熟工程经验，开辟一条适合国情的污泥综合处理利用道路。

　　研究与试验RENEWABLEENERGYNo.52006（129IssueinAll）（3）塑料组分开始分解的温度较高，但分解速度最快；橡胶组分开始分解反应的温度相对较低，且分解速度相对较慢。果皮、织物和纸板类以纤维和木质类物质为主要成分，所以其热解特性较为相似。建议在工业设计时，将城市固体废弃物的热解温度控制在760℃，即可以有效实现垃圾的减容减量处理。

　　（4）在本实验条件下，橡胶组分的热解活化能最高，最难分解，热解符合二维扩散机理；塑料的热解相对较容易，符合一维扩散机理。而果皮、织物和纸板类的活化能较低，它们的热解均符合体积缩小机理。