1996年，德国率先提出废物减量化、资源化和无害化的优先顺序。至此之后，研究和开发新的污泥减量方法逐渐成为世界各国面临的共同任务与重大挑战。
一般来说，污泥减量化可分为后续减量化和过程减量化——
◎ 污泥后续减量化主要是在污泥产生后通过一定的物理、化学、生物或联合工艺等手段，减少已产生的污泥量；
◎ 而污泥过程减量化是指在污水处理过程中，通过改变工艺的运行过程，或者采用一定的技术手段，在保证不影响污水出水水质的前提下，使剩余污泥的产量达到最小化，从根本上减少污泥产率。
因此，污泥的过程减量化技术可以从源头上削减污泥，有效避免后续污泥处理负荷，是一种更为理想的污泥减量技术。
01
污泥减量技术新趋势？
这些国家都看好「超声波技术」
目前污泥过程减量化技术可分为三类：
一是增强微生物内源呼吸代谢的溶胞技术；二是降低细菌合成量的解偶联技术；三是利用食物链作用强化微型动物对细菌的生物捕食技术。
超声波作为一种“绿色、高效”的溶胞技术已在德国、英国、美国、瑞典和澳大利亚等多个国家的污水处理厂运行，分解污泥的效率和生物气体的产生至少提高了20%。
◎ 英国Wesses污水厂就安装了由德国Sonix公司研发生产的大型超声波污泥处理装置。
据了解，该系统用来处理市政与工业废水混合污泥，并且处理效果非常好。未经超声预处理的污泥TS与VS减少量分别为40%和50%，经过超声波作用后，减少量可达60%和70%。
◎ 目前，德国已全面使用超声波技术处理废水污泥，其中应用最成功的当属德国的巴姆堡市污水厂。
下图为巴姆堡市污水厂中污泥经超声处理之后污泥的实际效果。从图中可以发现：
同未经超声处理的污泥相比，经30s超声处理后的污泥较分散，颜色较浅，90s超声处理后的污泥分散性更好，水分更少，污泥的脱水效果较好。
德国巴姆堡市污水厂原设计能力为30000m3/d，包括近一半的工业废水。由于管道扩充和改造等原因，处理水量已达40000m3/d，每天的污泥量迅速增加，直接导致原先的3个污泥罐融容积不够（发酵时间25天）。
对此，有相关机构建议新建造一个容积为3000立方米的污泥罐，以保证无你的停留时间。但考虑到建造污泥罐的成本需要330万欧元（不包含安装费用），最终厂方决定购买三台超声波污泥反应器对污泥进行预处理。
一期两台运行三个月后，沼气产量增加30% ，污泥停留时间由25天降到18天，处理效果良好，从而满足了在不建造新污泥罐的情况下保证消化深度的要求。
德国巴姆堡市污水厂污泥超声波处理流程
需要特别说明的是，我国自主研发超声波污泥减量技术的首个工程应用案例诞生于2019年，2022年进入市场化应用。
02
超声波技术“魅力”何在？
减泥、灭菌、回收重金属......
下面小编将详细地为大家介绍超声波技术的原理、优势以及影响因素。看完这些，或许你也就能明白为什么这一污泥减量技术能在世界范围内备受关注。
1、超声波破解污泥的作用机理
超声波是指频率在20kHz到10MkHz 范围内的声波。超声波作用时，存在于液体中的微小气泡（以下简称空化泡）会发生一系列振荡、扩大、收缩乃至崩溃的动力学过程。
当超声强度较低时，空化泡保持稳定的径向振荡（稳态空化）；而当超声超过一定强度时，空化泡继续增长并随之被压缩至崩溃（瞬态空化），崩溃的瞬间可产生高温高压并引发液体紊流和强烈的剪切力。
因此，超声波可在瞬态空化作用下对污泥进行破解，通过将破解后的污泥回流至生物反应器，作为底物供其他微生物重复代谢，可使得污泥总体产量下降。
图片
超声波过程减量化工艺示意图
2、利用超声波技术处理污泥的3大优势
1）改善污泥脱水性能，减少污泥量
超声可以降解污泥、释放有机物、改善污泥的膨胀特性、提高污泥的沉淀特性和脱水能力、促进污泥脱水，达到减量化的目的。
国外研究者采用超声波技术调理污泥后，污泥总固体含量增加16.2%，絮体平均尺寸在22.3μm左右，体积减小了60.9%，同时污泥粘度降低，导致污泥过滤性能提高，说明超声波调理促进污泥的脱水性。
2）消毒灭菌，提高金属浸出和回收率
超声可有效破坏污泥中的丝状菌，杀灭病原微生物，提高重金属的浸出和回收率等。
◎ 高强度（超声密度为0.33W/ml）条件下，超声处理40min后，异养菌减少82%，大肠杆菌总生存率不超过1%。
国外研究人员发现高强度的超声可杀死污泥中部分大肠杆菌，达到部分灭菌的效果，在0.43W/cm3超声强度下处理120min，64% 的大肠杆菌被杀死。
同时，超声还能提高生物活性，促进有机质进入细胞和生物新陈代谢进程，这种促进效应可持续几小时。
◎ 利用超声可将电镀污泥中价值较高的重金属 ( 铜、镍、锌) 同价值较低的重金属 ( 铬、铁) 进行有效分离，超声强化酸浸出技术对重金属的分离比传统酸浸出技术更为有效。
此外，两级超声强化酸浸出技术可使电镀污泥中重金属的回收率达98%以上。
3）提高污泥消化性能，促进污泥中氮磷量的释放
超声调理污泥会破坏细胞的胞外聚合物，促进难降解有机物的分解以及有机物、 氮、磷等的释放，改善有机物的生物可利用性，从而提高污泥生物消化效率。
国外研究人员，通过超声调理污后发现，TSS和VSS的减少比率分别为52.6%和55.2%，比未超声调理的减少比率大，说明超声调理可改善污泥的厌氧消化性能。
此外，需要特别说明的是，超声调理后的污泥在生产过程中产生更多的沼气。
3、超声波促进污泥减量化的6大影响因素
从上文我们可以了解到，超声波促进污泥过程减量化主要是因为溶胞性能。因此，影响超声溶胞的主要因素包括超声频率、超声强度、污泥辐射比例、辐射间隔及辐射时间等。
1）超声频率的影响
大量实践表明，随着频率升高，声空化过程变得难以发生。
因此，为了提高污泥的破解程度，应采用较低的频率，多采用18～40kHz。
2）超声强度的影响
由于超声波促进污泥的过程减量化主要是基于其强大的破解能力，因此对超声强度有较高的要求，但过高强度的超声又会引起污泥活性下降，污水处理效率降低。
因此，在利用超声波进行污泥过程减量技术中，应针对不同的水质和出水要求，通过实验选择适宜的超声强度。
有研究人员采用SBＲ反应器和实际生活污水进行实验。结果表明：
在不影响生物系统正常运行的前提下，当分别采用超声Es为13.3，20.0，26.7kW·h/kg时，剩余污泥削减率分别为31.6%、55.2%和60.5%，结合超声能耗问题，确定最佳超声Es为20.0kW·h/kg。
3）超声辐射污泥比例的影响
在超声强化污泥隐性生长系统中，只能对部分污泥进行破解，否则将会造成污泥失活而导致生物处理系统崩溃。
超声辐射处理污泥比例的大小决定着超声破解的效果、超声能耗、超声反应器的体积等。
过低的比例会导致溶胞不佳; 过高的比例不仅导致能耗升高，而且还有可能降低污泥活性，影响生物系统的稳定运行。
有人采用20% ～60%的污泥比例进行超声辐射试验，污泥削减率呈线性上升，当辐射比例为60%时污泥削减率可达97%，但与此同时，COD去除率急剧下降。
为了能够使出水满足当地排放标准，建议最佳辐射污泥比例为30%。
4）超声辐射时间的影响
较长的辐射时间可以增强超声破解效果。实践表明：
在相同Es下，超声辐射时间对污泥减量效果的影响较超声功率更为显著，且较高的功率和较短的辐射时间对污泥的溶解和 COD 的处理效果不利。
因此，在相同Es下，可采用相对较小的超声功率和较长的辐射时间。
5）超声辐射频次的影响
一般来说，超声辐射会造成污泥失活，并且过于频繁的溶胞处理所释放的有机物也增加了COD处理负荷，因此会对污水净化过程造成一定影响。
有实验结果表明，随着超声频次的增加，污泥减量效果出现线性下降，而COD的去除却没有规律性变化。
6）反应器结构等其他因素的影响
利用超声波破解污泥还受到温度、溶解性气体、反应器结构和微生物特性等多方面因素的影响。
这里再提一下超声波反应器。常见的超声波反应器主要有连续式与脉冲式两大类。其中脉冲式包括槽式、探头式等类型，连续式包括平行板近场式、管道式等类型。槽式和探头式是实验室比较常用的超声波反应器。
需要别注意的是，由于污泥中总是存在一定比例的无机物，因此采用超声波强化污泥隐性生长的方法无法实现剩余污泥100%的减量化。
03
强强联袂！超声波与其他技术的联合
降低成本、提高效率、减少二次污染
任何一种技术都不是十全十美的，采用超声技术调理污泥也有一定的局限性，比如单独采用超声技术调理污泥的能量耗损就比较大。
针对单一调理剂和技术手段存在的缺点以及无法实现的预期效果，很多污水厂采用联合技术调理污泥，充分发挥各自优势，降低成本，减少二次污染，提高污泥处理效率。
1、碱处理联合超声波技术
已有研究表明，将碱处理与超声波处理相结合对污泥进行预处理已经达到了较好的效果。
同时采用超声波和碱处理，最初的水解速率明显要大于单独采用其中一种方式进行处理，污泥预处理时间明显缩短。
将二沉池出来的部分污泥（每日处理污泥量为整个系统污泥总量的11.6%）浓缩沉淀后，首先投加剂量为66.0g/kg的NaOH，混合均匀后连续流经3个槽式超声波反应器进行溶胞处理，超声强度约为0.5kW·h/kg ; 最后再经水解酸化提高溶胞污泥的可生化性。
连续运行的结果表明：污泥的表观产率系数可降至0.27kg/kg去除，污泥减量率达56.45%，且对整个系统的污泥活性和沉淀效果无明显影响。
同时从据成本角度分析，该工艺可降低系统运行费用（包括污水和污泥）11.5%，具有经济上的可行性。
2、AB法联合超声波技术
针对AB法A段工艺剩余污泥产量大的问题，有研究人员采用超声波技术对A段污泥减量效果进行研究。
试验装置分为两部分，一部分为A段曝气-沉淀一体化反应器，另一部分为超声波接触反应池，污水在超声波接触反应池中反应。
超声波试验装置图
结果表明，经额定功率900W，频率28kHz的超声波作用0.5h后，大部分SS都已破碎，SS降低了71.7%，污泥减量效果明显。
3、臭氧联合超声波技术
超声波和臭氧相结合虽然增加了超声波部分的费用，但是明显提高了臭氧的利用率，要比单独使用臭氧效果好，总体的处理成本要低于单独使用臭氧进行处理。
4、微波联合超声波技术
实践表明，微波（2450MHz，800W，3min）与超声波（0.4W/mL，10min）联合调理对污泥厌氧消化效果优于单独采用微波或超声。主要表现在：
1）相同的污泥停留时间里，联合调理后的厌氧消化污泥产生的沼气量明显高于单独采用微波或超声;
2）超声与微波联合调理可使污泥总固体量、挥发性固体量明显减小；
3）超声波与微波联合可以改善污泥的脱水性能，污泥经联合调理后CST要远低于微波与超声单独处理的。
5、农业废弃物联合超声波技术
当超声频率为28kHz时，向经超声调理后的污泥中添加小麦秸秆粉末和玉米秸秆粉末均能很好的改善污泥脱水效果，在相同的条件下添加稻壳粉末却不能达到相同的效果。
此外，污泥经联合调理后，溶解性蛋白质和多糖也得到很好地改善，还可以降低污泥的热值。
