北排探索：大功率超声波技术提升污泥产气的研究
研究采用大功率一体式超声设备，分别测试不同功率、不同反应时间下超声处理后污泥泥质及产气情况变化。工程测试结果表明，超声协同处理后的消化池产气量在300 m³/tDS的基础上提升6.78%，硫化氢浓度降低30%，产甲烷菌丰度有所提升。
北京市某再生水厂投产于2016年，处理规模为60万m³/d，水区主体工艺采用AAO-MBR工艺，污泥处理单元采用热水解-厌氧消化-板框脱水工艺，处理规模1 220t/d（含水率80%），吨干泥产气率为300m³，工艺流程见图1。通过对该水厂热水解-厌氧消化工艺进行超声系统改造，结合泥质检测、小试、工程改造、经济性评估等多种手段，开展该污泥处理工艺超声协同处理研究工作的探索与实践，可为同类型污泥工艺运行提供参考。
图1 某水厂污泥处理工艺流程
01、材料与方法
1.1 试验装置
本试验采用平均运行功率3~5 kW、频率为23 kHz、有效反应直径1m的一体式大功率超声波反应设备。
厌氧消化反小试：试验采用体积为10L的密闭玻璃反应器，配备搅拌器、水浴控温系统、气袋及湿式气体流量计，模拟厌氧消化池运行工况。
工程试验：对某水厂3#厌氧消化池中部循环管线进行改造，将大功率超声设备与中部污泥循环管线进行耦合安装，采用连续运行方式，通过控制前端循环泵流量控制超声时间为3min、循环比例为10%。
1.2 污泥来源及性质
本试验所用污泥取自于北京市某再生水厂厌氧消化池污泥，经不同超声参数处理后接种至小试装置内。厌氧消化污泥基本性质见表1。
表1 污泥原料理化性质
1.3 试验方法
小试：选用4组10L厌氧消化反应装置，控制消化HRT为20d，1#~4#消化罐均每天进料0.5L热水解污泥，出料0.5L消化污泥。4#消化罐为空白对照组，1#~3#消化罐为试验组。根据某水厂消化池实际10%循环比例和产甲烷菌长世代周期特点，按照10%循环比例进行试验，即每天进1L超声后消化污泥，出1L消化污泥。每日检测气袋中的产气量，并定期检测泥质指标和气体组分。
工程试验：选用某水厂3#消化池作为试验对象，4#消化池作为空白对照，控制2座消化池温度为42℃、进泥负荷为340m³/d，每日统计沼气产量，定期检测气体组分及污泥性质。
02、超声小试
2.1 不同超声参数下SCOD及VFAs变化情况
SCOD及VFAs代表了易被微生物降解和利用的有机成分，是评价污泥水解酸化程度和产气潜力的重要指标。在超声时间0、1、2、3、5、7min，频率23 kHz，超声功率分别为3.5、4、4.5 kW下对厌氧消化污泥进行超声处理，分析污泥SCOD、VFAs变化及絮体破碎情况。
结果表明（图2），不同超声功率参数控制下，随着时间的增加，SCOD和VFAs浓度呈现先升高后降低的趋势。超声3min、3.5 kW处理条件下，SCOD和VFAs达到最大，分别增加13.5%和21.99%。出现这种现象的主要原因为，超声可以破坏微生物细胞壁，释放胞内物质为厌氧消化细菌提供反应底物，但过长的超声时间可能会产生大量的羟基自由基，氧化部分VFAs及SCOD，导致有机物浓度下降。
图2 不同超声波参数下污泥泥质变化情况
2.2 超声对污泥絮体的破坏情况
扫描电镜结果（图3）显示，随着超声时间增加，污泥絮体破碎效果逐渐变强，污泥絮体粒径逐渐变小并被破碎为许多细小颗粒。污泥絮体由超声前大面积的絮体抱团状，破碎为细小的颗粒态，表明超声对释放胞内有机物有正向作用。考虑到超声设备能耗及实际工程可行性，后续试验选用3min作为超声控制时间。
图3 不同超声时间下污泥SEM图
2.3 小试产气情况
根据超声前后泥质变化结果，在超声时间3min、温度42℃、停留时间为20 d条件下，分别对3.5、4、4.5 kW下超声处理的厌氧消化污泥进行厌氧消化产气小试测试。测试期间，每日统计反应器产气量，并在稳定运行后分析各反应器污泥泥质变化情况。
结果表明：在接种初期，4组厌氧消化反应器产气量在接种前7天呈现快速上升趋势，最高日产气量达到17.22L，随后逐渐下降并趋于稳定（图4a）。从厌氧消化产气结果来看，超声处理后厌氧消化反应器的产气量较未超声空白组分别提升10%、5%及6%，表明超声协同处理后，对提高污泥厌氧消化产气有促进作用。且从总多糖、总蛋白、VS、TCOD等指标变化情况来看（图4b），超声处理后有机物分解率均有所提升。VS去除率在实际生产中作为评估消化池运行效果的主要指标，变化情况为：3.5 kW＞4 kW=4.5 kW＞空白，表明超声1#反应器运行情况更好，有机物分解率更高，与产气变化情况一致。超声处理后污泥VFAs和SCOD浓度升高，为厌氧消化产气提供基础。
图4 厌氧消化反应器产气量及有机物分解率情况
厌氧消化回收能源主要以甲烷的形式回收，因此有必要对厌氧消化产气中甲烷组分变化情况进行分析，结果如表3所示。从检测结果来看，在连续运行一段时间后，沼气中CH4组分占比没有明显变化，说明在产气量提升的情况下可以获得更大的能源回收率。沼气中H2S浓度有明显降低现象，超声后沼气中H2S浓度由54 mg/L降低至5 mg/L左右，主要是由于超声空化产生的—OH等具有氧化性的官能团对H2S有一定的氧化作用，使得其浓度明显降低，对于提高沼气利用效率、降低环境负面影响有正向作用。
表2 不同反应器产气情况
表3 不同反应器产气组分变化情况
2.4 不同超声参数下微生物种群变化情况
对连续运行的厌氧消化反应器进行门水平及属水平微生物组分变化分析，结果如图5所示。
图5 高通量测序结果
古广菌门（Halobacterota）作为严格的厌氧菌，是主要的产甲烷菌门之一，对驱动地球生物碳元素循环具有非常重要的作用，其丰度代表厌氧消化系统的产甲烷能力。高通量测序结果显示，空白及超声3.5、4、4.5 kW处理下的厌氧消化反应器Halobacterota比例分别为7.98%、16.06%、13.36%、17.87%，说明超声组别的产甲烷能力优于空白组别。其次，厚壁菌门（Firmicutes）及拟杆菌门（Bacteroidota）厌氧环境中常见的消化产酸菌群，能将大分子有机物分解为小分子有机物。4 kW和4.5 kW处理下的超声组产酸菌丰度明显高于空白组，说明超声对厌氧消化酸化进程起到了一定的促进作用。
甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）作为古广菌门最重要的种群之一，是乙酸型和氢营养型产甲烷菌属，能够代谢乙酸、CO2、甲醇产生甲烷，超声处理后试验组该菌种丰度均高于为空白组。表明超声处理后的系统产甲烷能力增强，与产气表现一致。主要由于超声处理后，厌氧消化系统内VFAs浓度升高，为产甲烷菌提供更加良好的生长环境，有助于提高系统内产甲烷菌丰度，进而提升系统产甲烷能力。
不动杆菌属（Acetomicrobium）大都为革兰氏阴性致病菌，常见于人体呼吸道感染等疾病，经过超声后，此类菌种的比例减少，说明超声后厌氧消化的污泥处理方式更有助于降低致病菌的传染风险。
表4 不同反应器产气组分变化情况
2.5 污泥脱水性能变化
超声功率、频率和作用时间均可对污泥脱水性能产生不同程度的影响，破碎污泥絮体和微生物的细胞结构，使污泥絮体的间隙水和吸附水释放为自由水，以便污泥脱水。本试验分别测试4组厌氧反应罐污泥脱水性能变化，通过检测污泥毛细吸水时间（CST）变化，开展污泥调理试验，评估不同超声处理后厌氧消化污泥脱水性能变化。
结果表明：随着超声功率增加，污泥脱水性能逐渐变差，板框调理剂投配率逐渐增加。超声3.5、4、4.5 kW处理下的厌氧消化污泥CST分别较空白组提高0.46%、4.54%和9.24%。CST是表征污泥脱水性能的重要指标之一，其值越大，污泥在滤纸上渗透1cm所需的时间越长，也就说明污泥脱水性能越差。随着超声功率的增加，污泥脱水性能逐渐变差，主要是由于本试验中使用的为大功率超声设备，污泥絮体尺寸破碎过小，导致污泥颗粒表面张力变大，吸附了大量的水分，导致污泥脱水性能变差。因此，在实际应用过程中，选择3.5 kW作为最佳运行功率。
03、消化池实际运行情况评估
前期泥质分析及小试结果表明，超声对于提升厌氧消化系统产气表现有促进作用。为了更好的将小试与工程结果相结合，本实验选用大功率一体式超声反应器作为试验装置，以3#消化池为试验组，以4#消化池为空白对照，控制各消化池进泥负荷在340m³/d，温度为42℃，开展工程测试工作。
如图6结果所示，随着超声时间延长，3#消化池日均产气量较4#消化池提高6.78%，主要由于超声处理后系统VFAs及SCOD等可生物利用的有机物浓度升高，为厌氧消化微生物产气提供了反应底物。沼气组分中H2S浓度降低30%，从小试中可知，主要是由于超声空化作用过程中产生—OH氧化了部分H2S，导致其浓度降低。从菌群组分分析来看，3#消化池内古广菌门（Halobacterota）丰度较超声处理前有明显提升，表明经过超声协同处理后，产甲烷菌逐步成为优势菌种，消化池产甲烷能力提升，主要原因可能是由于污泥经过超声处理后，系统内可利用的VFAs浓度增加，导致产甲烷菌逐步占据优势。
图6 消化池产气情况
图7 高通量测序结果
表5 产气组分变化情况
按照消化池产气率提升6.78%核算，某水厂5座消化池全部完成改造后，产气量可提升约为126万m³/a，折算发电量约为252万kW·h/年。超声设备平均运行功率为3.5 kW，连续运行状态下年耗电量为15万kW·h。综合评估可节约电费约166万元/年，减少碳排放量1 431 t/年，具有良好的经济和社会效益。
04、结论
（1）在一定功率和时间超声处理下，污泥SCOD及VFAs有明显上升趋势。但随着时间的增加，污泥絮体破碎效果逐渐变强，SCOD和VFAs浓度逐渐降低。超声3min、3.5 kW处理条件下，SCOD和VFAs分别增加13.5%和21.99%，表明超声对释放胞内有机物有促进作用。
（2）从厌氧消化小试结果来看，超声处理后厌氧消化反应器的产气量较未超声空白组分别提升10%、5%及6%，VS去除率变化情况为：3.5 kW＞4 kW=4.5 kW＞空白，沼气中CH4组分占比没有明显变化，超声后沼气中H2S浓度由54ppm降低至5ppm左右。随着超声功率增加，污泥脱水性能逐渐变差，超声3.5、4、4.5 kW处理下的厌氧消化污泥CST分别较空白组提高0.46%、4.54%和9.24%。
（3）选择消化池中部循环管线作为项目改造方案，对3#消化池进行改造，并实现连续稳定运行。3#消化池日均产气率在原有产气率300m³/tDs的基础上进一步提升6.78%，预计该污水处理厂5座消化池全部改造完成后产气量可提升126万m³/a，碳排放量降低约1 522 t/a，节约电费约176万元/年。大功率超声设备协同处理高级厌氧消化污泥，对于进一步提高沼气产量、实现碳中和目标提供了支撑。
