活性污泥法是目前全球污水處理廠應用非常普遍的污水處理工藝，其作為一種經濟高效的百年工藝，具有良好的運行效果，但存在剩余污泥產量大等缺點。相關研究表明，處置污泥的經濟成本占污水處理廠運營總成本的25%~65%。同時我國城鎮生活污水的低碳氮比特性嚴重影響了污水的生物脫氮效果，需要投加碳源來滿足微生物的需要。
而剩余污泥中含有許多有機物，污泥的厭氧消化過程可以使這些有機物被降解為易于生物降解的揮發性脂肪酸（VFAs），生成的VFAs可作為外加碳源強化生物脫氮。厭氧消化是對剩余污泥進行處理的主要方法。研究表明，顆粒狀有機物降解為可溶性物質是限制污泥厭氧消化速度的關鍵。為了提高污泥的水解率，進而縮短厭氧消化過程，通常對污泥進行預處理。
近年來，超聲作為一種污泥預處理方法，已經成為污泥處理領域的研究熱點。Gayathri等推斷，反絮凝和超聲波能夠提升厭氧微生物的降解能力。低聲能密度的超聲能夠提升微生物酶的活性，有助于生物細胞的生長代謝。超聲波預處理污泥相對于傳統方法有很大優勢，如處理時間短、不需要添加化學物質，以及不產生副產品等。張博等指出，超聲破解污泥與時間和污泥濃度有關。王曉燕認為，超聲有助于生物酶加強污泥厭氧發酵產生VFAs。Roebuck等的結果表明，超聲預處理能顯著提高產甲烷量。Rasapoor等的研究表明，超聲預處理在中試規模內也能有效改善產甲烷量。可見，超聲預處理可以強化污泥厭氧消化效果，然而超聲與厭氧工藝之間的耦合協同機制，以及協同作用下的耦合參數尚不明確，工藝參數對污泥破解及胞內物質釋放的影響尚需進一步分析研究。
筆者采用超聲聯合厭氧消化的方法對剩余污泥進行處理，系統分析協同作用下超聲的聲能密度、處理時間和厭氧消化時間等耦合工藝參數，采用溶解性化學需氧量（SCOD）、溶胞率（DDCOD）、VFAs、蛋白質和多糖等指標分析耦合協同機制，探究超聲與厭氧消化協同作用下的最佳耦合參數，以及污泥破解和胞內物質的溶出效果，旨在為解決污水處理工藝中碳源不足、脫氮效能低等問題，以及實現污泥減量化和污泥作為碳源回用提供參考。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置
超聲設備采用探頭式超聲波細胞粉碎機，頻率為20kHz，功率為250W。連續式常壓操作，通過操作超聲裝置，使超聲波變幅桿于反應容器中產生超聲作用，容器選用玻璃燒杯（1L），置于磁力攪拌裝置上。厭氧消化裝置采用1L的錐形瓶，錐形瓶放置于恒溫水浴鍋中并插有氣體收集管，氣體收集管與水箱中的量筒相連。
1.2 剩余污泥的來源及性質
實驗所用剩余污泥來自于山東濟南光大水務某污水處理廠A2/O工藝的回流泵房。污泥取回來以后采用篩網過篩，然后將污泥靜置24h，靜置完以后去除上層清液。濃縮后的污泥使用純水對其沖洗2次，并去除污泥上清液。一部分濃縮污泥放于4℃保溫箱中，剩余的濃縮污泥進行一天兩個周期的培養馴化。
剩余活性污泥的基本性質：污泥粒徑為260~300μm，SS為（19800±100）mg/L，VSS為（14500±100）mg/L，SCOD為（170±3）mg/L，蛋白質為（35±1）mg/L，多糖為（11±0.2）mg/L。
1.3 實驗方法
剩余污泥超聲溶胞實驗：超聲實驗分為六組，將600mL接種污泥放入燒杯中，各燒杯中放入轉子后將燒杯置于磁力攪拌器上。將超聲探頭置于污泥液面下1cm處，調節聲能密度和作用時間，控制液相溫度為25℃，聲能密度控制為0、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0W/mL，超聲時間為60min，每隔5min取10mL污泥放于保溫箱中臨時保存。將超聲預處理之后的污泥分為兩批，第一批進行離心（12000r/min，5min），離心后檢測上清液中SCOD、蛋白質、DDCOD等指標，第二批測定污泥粒徑。
剩余污泥厭氧消化實驗：將400mL剩余污泥放入燒杯中進行超聲預處理，聲能密度為1.5W/mL，超聲時間為30min，預處理后的污泥置于錐形瓶中，向錐形瓶內加入400mL原始污泥進行厭氧消化實驗。裝置內添加填充比為40%的聚乙烯復合填料（載體填料可以附著活性污泥形成良好的生物膜，降低混合液中懸浮污泥濃度，從而降低剩余污泥產量）。將錐形瓶放入25℃的恒溫水浴鍋內，反應周期為10d，每天取20mL污泥儲存在恒溫箱中。反應結束后將污泥進行離心（12000r/min，5min），然后檢測污泥上清液溶出的基質濃度。
1.4 檢測項目及方法
SCOD按照《水和廢水監測分析方法》（第4版）進行測定；蛋白質濃度采用Lorry法測定；多糖濃度采用蒽酮-硫酸法測定；VFAs濃度采用氣相色譜法測定；污泥粒徑采用激光粒度儀測定；采用熒光光度計分析樣品中的DOM。
采用熱提法提取胞外聚合物（EPS），具體操作步驟：將污泥樣品進行離心（12000r/min，5min），采用去離子水清洗后重新懸浮，然后用80℃水浴加熱30min，4℃冷卻保存，最后進行12000r/min、5min的離心處理。
污泥細胞破解程度用DDCOD來表示，見式（1）。
式中：CODU為對污泥進行超聲預處理及離心后上清液中COD濃度；COD0為未處理污泥經過離心后上清液中COD濃度；CODN為污泥經過NaOH（0.5mol/L）處理1d并離心后的上清液COD濃度。
2、結果與討論
2.1 超聲/厭氧消化處理剩余污泥參數優化
2.1.1 超聲溶胞參數的確定
圖1為上清液中SCOD、DDCOD、蛋白質和多糖濃度的變化。可以看出，隨著聲能密度的增加，污泥液相中SCOD、DDCOD、蛋白質和多糖的濃度也隨之增加。這表明污泥破解率增大，進而使得污泥液相中有機物濃度增加。然而超聲30min后，SCOD、DDCOD、蛋白質和多糖濃度的增長趨勢逐漸變緩。從DDCOD的變化趨勢可知，當聲能密度從0.5W/mL增加到1.5W/mL時，超聲處理60min后，DDCOD從14%增加為54.1%。然而當聲能密度繼續增加到2.0W/mL時，DDCOD僅增加到56.8%。因此，聲能密度過大不會顯著提高污泥的DDCOD。
超聲破解污泥細胞的比能耗（SEC）定義為30min內超聲破解單位質量污泥細胞（以SS計）的能耗。圖2為超聲溶胞過程中SEC與DDCOD的關系。可以看出，在SEC相同的條件下，DDCOD隨聲能密度的增大而增加。聲能密度大，則污泥細胞破解率大。例如，當SEC為100kJ/g時，在聲能密度為0.8W/mL的條件下，DDCOD為15.8%；在SEC相同的條件下，聲能密度為1.5W/mL時，DDCOD為28.5%。在SEC為250kJ/g的條件下，當聲能密度為0.8W/mL時，DDCOD為34.5%；當聲能密度為1.5W/mL時，DDCOD為47.0%；當聲能密度為2.0W/mL，DDCOD僅為47.9%。因此，若不計成本，則高聲能密度超聲的破解效果優于低聲能密度超聲的破解效果。綜上所述，超聲預處理的最優工況確定如下：聲能密度為1.5W/mL，超聲時間為30min。
2.1.2 厭氧消化參數的確定
圖3為上清液中SCOD、蛋白質、多糖和VFAs濃度的變化。可知，隨厭氧消化時間的增加，污泥液相中的SCOD濃度增加。因為污泥細胞及胞外聚合物由于超聲空化作用而破解，細胞質中的基質被釋放到液相中。在厭氧消化時間為7～10d時SCOD濃度保持穩定，這是因為隨著厭氧消化時間的延長，超聲對污泥厭氧消化的促進作用減弱。隨著厭氧消化時間的增加，污泥液相中蛋白質和多糖濃度逐漸降低，最后趨于平穩。這是由于在厭氧消化過程中，蛋白質和多糖等大分子可降解性有機物降解為容易被微生物利用的脂肪酸等小分子物質。超聲預處理后，厭氧消化活性污泥中EPS含量高于未超聲預處理的，即超聲可以強化厭氧消化效果。剩余污泥液相中所含有的VFAs濃度先呈增加然后逐漸降低趨勢。這是因為厭氧環境中的微生物不僅降解了大分子物質，還會利用小分子VFAs作為碳源，當液相中蛋白質等大分子物質逐漸減少時，厭氧微生物會把小分子VFAs甲烷化。
在聲能密度為1.5W/mL、超聲時間為30min、污泥厭氧消化7d的條件下，液相中蛋白質濃度減小至248mg/L，多糖濃度減小至144mg/L，SCOD濃度增大至4754mg/L，VFAs濃度增大至1210mg/L。繼續增加厭氧消化時間SCOD、蛋白質、多糖和VFAs等物質的濃度保持相對穩定，所以確定厭氧消化最佳處理時間為7d。
2.2 超聲/厭氧消化處理剩余污泥的機理
超聲處理過程中，會生成大量的空化微氣泡，當微氣泡破裂時，在高溫高壓條件下會產生空化現象，能產生水力剪切力破壞污泥的胞外聚合物和絮體結構，進而導致污泥粒徑發生變化。厭氧消化是將大分子難降解性有機物降解為小分子物質的過程。其中水解過程主要是破解污泥細胞的細胞壁及胞外聚合物，該過程是整個厭氧消化過程中最耗時的階段；酸化是將污泥液相中的蛋白質、多糖、碳水化合物等大分子復雜有機物降解為VFAs等小分子有機物的過程。本研究通過三維熒光光譜分析，對厭氧消化機理進行剖析。
2.2.1超聲處理對污泥絮體破解的影響
在超聲處理剩余污泥過程中，取不同聲能密度下分別超聲15、30、60min的污泥樣品進行處理，圖4為不同聲能密度下污泥粒徑的變化。
由圖4可知，相較于初始剩余污泥，超聲處理能夠在15min內使液相中的污泥粒徑明顯降低，說明超聲空化作用產生的微氣泡能對污泥絮體進行有效破解。有研究表明，隨著聲能密度的增大，污泥粒徑明顯減小。當超聲時間為30min、聲能密度大于1.0W/mL時，污泥粒徑減小至11~15μm。但是超聲60min時，不同聲能密度條件下污泥粒徑變化不大。可見，超聲作用于液相環境的初期階段可以生成大量的瞬態微氣泡，具有較大的破壞力，可將生物絮體解聚，并使較大的有機顆粒破碎成較小的顆粒。但隨著作用時間的延長，液相中逐漸形成穩態微氣泡，對于初始階段粒徑已經被縮小的污泥，其破壞力相對減弱。
2.2 厭氧消化對污泥胞內物質釋放的影響
污泥破解后會釋放出大量熒光類物質到液相中，因此測定污泥破解液熒光物質的強度同樣可以在一定程度上表征污泥破解的效果。圖5為污泥的三維熒光光譜。污泥經過厭氧消化后，蛋白質峰和多糖峰的熒光強度都呈增大趨勢，但是超聲后厭氧消化污泥的增長趨勢更為明顯。污泥經超聲/厭氧消化后溶出的蛋白質濃度遠高于未處理污泥和單獨厭氧消化污泥，因此超聲/厭氧消化處理剩余污泥的效果要好于單獨厭氧消化，驗證了水解是污泥厭氧消化過程的限速步驟。
由于超聲空化作用，污泥細胞的絮體結構被破壞，污泥細胞中的蛋白質類化合物被釋放到液相中。因此超聲處理能夠促進水解，從而加快厭氧消化進程，有助于揮發酸等小分子物質的積累。
3、結論
①超聲聯合厭氧消化組合工藝的最佳參數是：超聲的聲能密度為1.5W/mL，處理時間為30min，厭氧消化時間為7d。
②增大聲能密度能夠明顯提高污泥破解率，進而增加液相中有機物濃度。超聲30min之后，各物質的濃度增長速度逐漸變緩。通過分析污泥溶胞率與比能耗的關系發現，當聲能密度為1.5W/mL時，在實現相同污泥溶胞率的條件下消耗的能量最低。厭氧消化有助于污泥進一步溶胞，同時還可以有效提升小分子易降解性脂肪酸物質的濃度。
③超聲能夠破解污泥絮體結構，促使細胞中的蛋白質類化合物釋放到液相中，從而加快了水解過程，縮短了厭氧消化時間。（來源：水發規劃設計有限公司，濟南市市政工程設計研究院<集團>有限責任公司，山東建筑大學市政與環境工程學院）
