中國(guó)人民大學(xué) 張光明 教授

張光明：謝謝主持人郝老師，非常高興今天有這樣一個(gè)機(jī)會(huì)到這個(gè)會(huì)場(chǎng)來(lái)跟各位同行匯報(bào)一下我的課題組在污泥領(lǐng)域做的一些工作。我這個(gè)報(bào)告題目是《超聲波污泥處理——源頭減量、強(qiáng)化脫水、高級(jí)厭氧消化三部分》，我來(lái)自中國(guó)人民大學(xué)。

首先非常簡(jiǎn)單說(shuō)一下背景，因?yàn)槭俏勰鄷?huì)議，來(lái)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(lái)說(shuō)面臨三大問(wèn)題：第一是大量剩余污泥無(wú)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(gè)根本問(wèn)題是進(jìn)水的COD太低、碳源不足。第三個(gè)是問(wèn)題我們的能耗過(guò)高。在城市污水處理廠面臨的三大問(wèn)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(diǎn)，大家都知道，產(chǎn)量非常高，含水率非常高，同時(shí)也含有大量有機(jī)物，就是它的內(nèi)含碳很高，從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，它可以作為我們污水廠反硝化時(shí)候的一個(gè)內(nèi)生碳源使用。

針對(duì)這三個(gè)問(wèn)題我剛才說(shuō)到超聲波都有用武之地，分別是什么呢？針對(duì)污泥剩余產(chǎn)量高的問(wèn)題可以從兩個(gè)角度來(lái)看，一個(gè)是它產(chǎn)生太多，就讓它少產(chǎn)生一點(diǎn)。這就是我接下來(lái)要匯報(bào)的，超聲波污泥溶胞隱性生長(zhǎng)、從而實(shí)現(xiàn)源頭減量這樣一個(gè)方式。這就是讓剩余污泥少出廠，整個(gè)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(lái)?？偟贿_(dá)標(biāo)這一塊，剛才我們也分析到，這個(gè)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(lái)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(jí)厭氧消化，可以回收部分的能源。有個(gè)非常類(lèi)似的技術(shù)，就是昨天天大的季民教授說(shuō)到的超聲解耦合，而我這里是沒(méi)有耦合，是一個(gè)純粹的超聲。

說(shuō)的半天超聲波能干這個(gè)、能干那個(gè)，我們來(lái)看一下超聲波是怎么回事？從定義來(lái)看，就是功率超過(guò)16kHz咱們的耳朵聽(tīng)不見(jiàn)，超聲波是一個(gè)縱波，它的傳遞就是在水里或者是污泥里面是這樣一個(gè)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(cè)超聲，比如說(shuō)家里女同志懷孕去做B超，那叫檢測(cè)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(lái)一系列的作用。首先是一個(gè)直接強(qiáng)化傳質(zhì)，因?yàn)樗焖賶骸垼?6千赫茲，也就是每秒鐘有1.6萬(wàn)次，帶來(lái)一個(gè)非常大的加速度。在功率達(dá)到一定的功率之后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空化這樣一個(gè)現(xiàn)象，我們就叫做超聲空化現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象非常常見(jiàn)，空化泡瞬間破裂，會(huì)帶來(lái)一個(gè)強(qiáng)烈的沖擊波。這個(gè)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(shuō)的一系列它在污泥里面應(yīng)用的基礎(chǔ)，就來(lái)自這樣一個(gè)工作原理。

超聲設(shè)備有很多種，這幾種是比較常見(jiàn)的，槽式、探頭式和浸沒(méi)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(jiàn)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(zhǎng)，這個(gè)技術(shù)原理非常簡(jiǎn)單，大家看就是我們?cè)诙脸爻鰜?lái)有一個(gè)回流污泥，有這樣一條線，我們?cè)谶@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(gè)絮體結(jié)構(gòu)被打破了，里面的物質(zhì)被釋放出來(lái)。污泥首先變小了，粒徑大概從平均100個(gè)微米可以平均降到10個(gè)微米，變小之后架橋離子被釋放，直接帶來(lái)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(gè)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(jiàn)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?yàn)镈NA是細(xì)胞遺傳物質(zhì)，它的釋放就說(shuō)明里面的微生物被徹底破壞掉、被釋放出來(lái)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(guò)在污泥里面另外起來(lái)一個(gè)名字叫SCOD，就有一個(gè)極大地提高。

其實(shí)這個(gè)就跟昨天的季老師的圖很像，就是一個(gè)溶胞，我們做了一些溶胞機(jī)理的分析，里面更多是來(lái)自胞外聚合物EPS剝離的貢獻(xiàn)。

（詳見(jiàn)PPT）在這張ppt里面，我們做了一個(gè)光譜學(xué)的研究，就發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)、多糖是被剝離下來(lái)了，但是它的基本性質(zhì)不變，什么意思呢？說(shuō)明我們這是一個(gè)機(jī)械和物理的作用，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)作用。所以它整個(gè)的光譜學(xué)的特性是沒(méi)有變化，就是一個(gè)純機(jī)械和物理的作用。

（詳見(jiàn)PPT）這是我們測(cè)的剝離下來(lái)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(jiàn)PPT） 這樣一個(gè)溶胞過(guò)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(shí)間、超聲的強(qiáng)度等等都會(huì)影響到這樣一個(gè)超聲溶胞的效率。

（詳見(jiàn)PPT）我們剛說(shuō)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(yùn)行一段時(shí)間之后我們看一下運(yùn)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(gè)過(guò)程一共做了半年，這里是給了3個(gè)月的數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，對(duì)水處理來(lái)說(shuō)，我們這個(gè)污泥濃度、COD和總氮都沒(méi)有什么大的變化，但是剩余污泥的產(chǎn)量有了一個(gè)顯著的下降。

（詳見(jiàn)PPT）我們做了半年連續(xù)的工作之后就可以得到一個(gè)結(jié)論，我們?cè)诓挥绊懳鬯幚硇Ч疤嵯?，可以?shí)現(xiàn)大約1/3到2/3剩余污泥的減量，我排出來(lái)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(shí)候水處理系統(tǒng)就不穩(wěn)定了，我們是用SBR、AO兩個(gè)系統(tǒng)都做過(guò)，得到的效果是相當(dāng)?shù)?。有一個(gè)地方需要說(shuō)明，這里面說(shuō)的是COD和氮的去除，總磷的去除是要惡化的。因?yàn)榇蠹叶贾溃锾幜拙涂堪堰@個(gè)泥排掉，所以泥排的少，生物除磷肯定就沒(méi)那么好了。所以這個(gè)地方是一個(gè)必然的負(fù)作用，我們稍微說(shuō)一下。

在這個(gè)工藝?yán)锩?，我們特別需要注意的幾個(gè)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(shuō)的那張圖是部分回流污泥，這里說(shuō)的部分就是這個(gè)比例非常重要。如果我們回流多了，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)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(lái)進(jìn)行這樣一個(gè)破解。

（詳見(jiàn)PPT）順便做了一個(gè)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(gè)影響之后，它的存在形式更加穩(wěn)定。對(duì)于含重金屬的水來(lái)說(shuō)是一個(gè)有利的。

（詳見(jiàn)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(gè)必然反應(yīng)。

預(yù)計(jì)成本，因?yàn)槲覀冎蛔隽艘粋€(gè)小型的中試，沒(méi)有生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)預(yù)計(jì)成本。而且我提醒大家，這個(gè)地方我們說(shuō)的是徹底的減量，就是不讓它產(chǎn)生，所以不是處理的一個(gè)成本，而是徹底把它消滅掉的一個(gè)成本的估算。

小結(jié)：這個(gè)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(shí)現(xiàn)一個(gè)有效的剩余污泥減量的效果。特別是需要注意，不能過(guò)度溶胞，過(guò)渡溶胞會(huì)把整個(gè)污泥的活性降低，這是一個(gè)不利的事情。

接下來(lái)匯報(bào)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(lái)的泥，機(jī)械脫水之前加了一個(gè)超聲調(diào)理的過(guò)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(gè)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(gè)地方要做到的是調(diào)理。調(diào)理的時(shí)候，實(shí)際上就是對(duì)污泥里面的水分分布進(jìn)行一個(gè)改動(dòng)。

（詳見(jiàn)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(dòng)它。調(diào)理的過(guò)程主要是要解決10%-20%的毛細(xì)水的分布過(guò)程。

（詳見(jiàn)PPT）這幾張圖比較清楚，這個(gè)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(shí)間長(zhǎng)絮體反而會(huì)再次分散，吸附水會(huì)再度上升，脫水反而會(huì)惡化。我們損蝕的時(shí)候可以看到絮體會(huì)更加緊密，絮體緊密之后就把毛細(xì)水?dāng)D出來(lái)，就成功實(shí)現(xiàn)了我們對(duì)毛細(xì)水調(diào)理的一個(gè)過(guò)程。我們測(cè)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(duì)毛細(xì)水有一個(gè)改變，對(duì)污泥的黏度會(huì)有一個(gè)改變。

（詳見(jiàn)PPT）我們用了兩個(gè)設(shè)備，一個(gè)是離心機(jī)，一個(gè)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(shí)低強(qiáng)度對(duì)脫水是有利的，如果時(shí)間長(zhǎng)了反而會(huì)惡化。剛才已經(jīng)說(shuō)過(guò)。

（詳見(jiàn)PPT）這張圖是跟PAM，就是聚丙烯胺聯(lián)合使用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)很有趣的現(xiàn)象，就是它對(duì)不同的污泥效果不一樣，對(duì)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(guò)超聲調(diào)理之后可以不加PAM，對(duì)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(gè)是我們跟離心機(jī)組合的。這個(gè)是板塊壓濾組合的，我們買(mǎi)了一個(gè)最小型的板框壓濾機(jī)，這個(gè)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(méi)有這么好，我們也不知道，反正做出來(lái)就是這個(gè)樣子。

接下來(lái)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(huì)增加，如果超聲波不加藥出來(lái)跟只加藥不加超聲是一樣的效果。

這里提醒一下大家，這個(gè)必須做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檎{(diào)理非常的微妙，調(diào)理的強(qiáng)度和時(shí)間，對(duì)不同的泥都是不一樣的，必須要做實(shí)驗(yàn)，稍微做的不好就會(huì)有惡化的效果。

第三簡(jiǎn)單給大家匯報(bào)一下我們作為內(nèi)碳源的使用，這個(gè)技術(shù)原理是在剩余污泥，我們把一部分剩余污泥做一個(gè)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(wú)差別溶胞。這是跟第一個(gè)工藝不一樣的。

為什么要進(jìn)行選擇性破解？因?yàn)槲覀冊(cè)诔暡ㄎ勰嗥茐牡臅r(shí)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(jiàn)PPT）這時(shí)候可以看一下氮釋放出來(lái)、磷釋放出來(lái)的，大概是幾百到幾十。這是COD是在幾千。所以釋放出來(lái)的碳氮磷比例就非常高，這個(gè)就可以作為碳源使用。如果控制不好，碳氮磷同步釋放出來(lái)，回到水里去也一樣要脫氮除磷，就沒(méi)有意義了。

（詳見(jiàn)PPT）這里面不同的污泥釋放出來(lái)的碳氮磷比是不一樣的，我們做過(guò)十幾種不同來(lái)源的污泥，到不同的廠去拉。大的趨勢(shì)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(shuō)是可以作為一個(gè)內(nèi)碳源使用。

這里我們也簡(jiǎn)單的分析了一下它的成分，發(fā)現(xiàn)主要是來(lái)自EPS里面的多糖。（詳見(jiàn)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(duì)脫氮是有一個(gè)明顯的提升，對(duì)COD和磷沒(méi)什么影響。對(duì)微生物的改變是可以檢測(cè)到一個(gè)改變，就是脫氮除磷菌豐度上升，這個(gè)也很容易理解，因?yàn)樘荚炊嗔?，肯定微生物?huì)活得更舒服一點(diǎn)。

最后一部分是超聲溶胞高級(jí)厭氧消化，這塊會(huì)講的非常簡(jiǎn)單，因?yàn)楦蛱旒纠蠋煹募夹g(shù)原理非常相似。

它的位置，就是剩余污泥里面做一個(gè)超聲溶胞，后面進(jìn)行一個(gè)厭氧消化，就類(lèi)似于熱水解，預(yù)處理的位置是一樣的。因?yàn)槌曈幸粋€(gè)消毒的效果，所以這是一個(gè)附送的效果，意義不是特別大。

（詳見(jiàn)PPT）這一塊的效果圖跟前面是一樣的。

（詳見(jiàn)PPT）污泥為什么可以促進(jìn)厭氧消化？因?yàn)槲覀冞@個(gè)污泥破解液可生化性跟我們沒(méi)有破解的時(shí)候污泥的可生化性是有一個(gè)巨大的改善，我們可以看到這個(gè)曲線要陡很多，就是它的生化性要改善很多。一個(gè)相應(yīng)的效果，我們可以把厭氧消化時(shí)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(gè)很大的提升。VSS去除率也改善了。但這里面大家注意一點(diǎn)，它有一個(gè)負(fù)作用，做完這個(gè)超聲預(yù)處理之后沼液里面的氨氮的濃度有一個(gè)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(duì)部分回流污泥進(jìn)行一個(gè)溶胞處理，耦合隱性生長(zhǎng)。

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(gè)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(gè)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(gè)溶胞。

這是我個(gè)人的一個(gè)工作經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)，如果在座的各位同行、各位朋友，愿意跟我們共同開(kāi)發(fā)的話，歡迎大家合作、歡迎批評(píng)指正。謝謝大家！

主持人  郝曉地（北京建筑大學(xué) 北京未來(lái)城市高精尖創(chuàng)新中心   中—荷未來(lái)污水處理技術(shù)研發(fā)中心   教授 ）

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(chǎng)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。