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。

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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

超声波技术的作用机理

超声波技术的发展可以追溯到20世纪初，当时发现了压电效应的现象。这个现象是后来研制超声波传感器的一个重要基础。

1917年美国物理学家保罗·朱利斯·克拉伯里(Paul Julius Czerny)首次在实验室使用超声波进行检测，打开了利用超声波进行探测和诊断的大门。

1929年德国科学家卡尔·迈耶(Karl Meyer)在实验中观察到了超声波的衍射现象，并提出用超声波照射物体来研究物体内部结构的方法。

20世纪50年代起，随着电子技术的快速发展，超声波技术开始进入高速发展阶段，并积极应用于医学、工业、环保等领域，成为一项重要的检测技术。

目前，随着人类社会的不断发展和科技的不断创新，超声波技术仍然在不断拓展新的应用领域。

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。

超声波过程减量化工艺示意图

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超声波技术的四大优势

利用超声波对剩余污泥进行预处理可改变污泥性质，提高污泥的稳定性，从而提高污泥的脱水性能，并促进污泥吸收氮磷，以实现污泥资源化。

1、改变污泥结构和提高污泥活性

超声波能够改变污泥絮体结构，使胞内物质释放出来，增加污泥的可降解性。研究人员分析了超声波对细胞分解的程度，结果表明，声能密度为0.5W/mL的超声处理后污泥性质发生变化，污泥絮体被分解，胞内物质被释放出来，污泥上清液中的溶解性化学需氧量（SCOD）、N、P等大幅上升，同时胞内释放物质具有良好的生化降解性能。

另外，利用超声与碱耦合的方法结合破解污泥，可能进一步破坏污泥絮体结构，使污泥胞内外物质进入水相，从而取得比单独使用超声波更好的效果。超声波对污泥活性的作用与超声波的辐照时间有关。在对污泥进行短时间的超声波辐照中，由于超声波所引起的机械切应力对细胞造成了微伤，使其自身产生本能的防御效应，表现为酶的分泌增多，细胞繁殖加快，于是微生物的新陈代谢活性增强。超声波辐照8h后污泥活性达到最大，24h后逐渐降低到对照水平。

2、提高污泥稳定性

未经处理的污泥很不稳定，在放置过程中会产生物理和化学方面的变化，细菌和藻类繁殖快，出现污泥上浮，变黑等现象。

高强度的超声波可以杀死污泥中的细菌，消除病毒，分解产生臭气的物质，从而消除臭气的根源，杀死藻类，消除悬浮物，提高COD 的可溶解性。与化学法消毒相比，不但可以避免化学累积效应，同时还提高污泥长时间放置的稳定性，而且可以有效地防止病原菌的传播。

业内人士认为，在0.11W/mL和0.33W/mL之间存在一个阈值，超过此阈值，超声波可以把细菌分解，并使相当一部分固态COD转变为溶解态。通过试验发现，在0.33W/mL声能密度下，经40分钟超声波处理后，异养菌和大肠杆菌分别减少了82%、99%，并且溶解性COD经1h作用后提高了12倍，而在0.11W/mL声能密度下，作用时间较短时，异养菌和大肠杆菌变化不大，只有在1h以上才有明显减少, 而且不管作用时间长短，溶解性COD几乎保持不变。

超声波声能密度为0.11W/mL时经1h后，异养菌和大肠杆菌分别减少了30%、59%，2h分别减少了40%、64%；声能密度为0.33W/mL时，仅仅经20min后，异养菌和大肠杆菌分别减少了56%、97%。同时他们也对细菌分解释放出的有机物进行了考察，原始污泥中BOD/COD=0.66，而且SCOD/TCOD不足1%。当声能密度为0.11W/mL时，经超声波作用2h后SCOD增加了40倍，而且BOD/COD 在0.66～0.8之间，这说明细菌分解释放出的COD 绝大部分是可生物降解的。

3、改变污泥流变性和提高污泥脱水性能

超声作用可改变污泥的流变性，其影响程度与超声条件有关。低声能密度、短时间超声处理可降低污泥比阻，增强污泥的流变性和脱水性能。但高声能密度、长时间处理反而使污泥比阻增大，流变性变差。

污泥流变性反映了污泥的脱水性能，流变性的改变为污泥脱水率的增加提供了一条便捷的途径。高强度、短时间处理的污泥颗粒粒径约80μm左右, 污泥脱水性能提高, 沉淀性好。

较小声强的超声波（600W/m2以下）处理较短时间有利于减少污泥的结合水含量，有利于促进污泥脱水，但是加大声强及延长处理时间效果变差；超声波频率在20kHz，平均声强为400W/m2 左右，超声处理2～4min，可以使污泥的结合含水量由原来的16.7g/g干基降到2.0g/g干基以下。殷绚等超声处理使污泥结合水含量大大降低,污泥的脱水能力提高, 含泥率提高5%～10%, 最终污泥量减少。

利用超声结合絮凝剂处理污泥的方法，进行污泥板框压滤实验，结果表明，超声可使污泥含水率从近98%减少到81%，污泥的体积减少为最初的1/10，超声声强为410W/m2，超声处理2.5 min为较优处理条件，同时絮凝剂的使用量从0.7%干基降低到0.6%干基。杨金美等的研究显示，超声处理7s后滤饼含水率降低2.9%，超声10s时粘度和比阻值最小，比原污泥分别减少29.4%和24.2%，15s后污泥沉降速率是原污泥的3.7倍；超声与絮凝剂联用可以改善污泥脱水性能和沉降性能，减少絮凝剂的量达一半以上。

4、促进污泥中氮、磷量的增加

随着超声波作用时间的延长，污泥清液中的有机氮含量提高迅速，原因在于超声空化产生的剪切力使细胞破碎，释放出胞内的蛋白质和氨基酸。而氨氮和硝态氮的含量也随超声时间的延长而提高，应该是由于超声空化使一部分有机氮转化为氨氮与硝态氮。

上述研究还发现，污泥在超声波作用下，磷化合物的含量与氮也有相似的变化，氮磷含量的增加有利于污泥资源化。城市土壤与自然形成的土壤相比，有机质含量低、有效养分含量低。超声波处理后的污泥可用于农林耕地和牧业草地的增肥。污泥施于土地表面一年后，土壤上表面20cm中的全氮、速效氮、全磷的含量都明显增加，土壤的容重、持水量和孔隙度也有一定程度改善。如果能将经超声波无害化处理的污泥用于干旱、半干旱、盐碱地、矿山废弃地或沙漠地区的改良，更是保护生态、造福当代之举。

采用超声波技术处理污泥，有利于污泥减量化、无害化、资源化，具有重大的社会、环境、经济意义。低频率低剂量的超声波处理污泥能够加强污泥的活性，改变污泥絮体结构，使污泥菌胶团中的结合水释放出来，提高污泥的脱水性能；高强度的超声波可以杀死污泥中的细菌，消除病毒, 提高COD的可溶解性。目前，国内外关于污泥超声减量化的研究主要在于超声条件对促进污泥厌氧和好氧减量化的影响，以及超声对污泥的物理、化学和生物性质的影响。

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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。