高生物气体产量来加强厌氧消化的效率。随着各种污泥预处理技术的发展，其中包括热力学
的、化学的、机械的、生物性的、物理的和各种结合技术如物理化学的、生物

—物化的、机械—

化学的和热力学

—化学等方面，污泥的可生物降解性可以通过一定的方式得到加强。然而，

经济上的制约限制了这些技术在实践试验上的应用。
为了建立最佳的经济可行的预处理技术以提高污泥的可消化性，全世界的研究者展开了广
泛的研究。超声波处理是一种新兴的有前景的机械式污泥裂解技术。它有许多内在的优点如
显著的污泥裂解率（

> 95%），生物可降解性的提高，生物固体质量的提升，生物气体中

甲烷量的提高，无需添加化学剂，更少的停留时间以及污泥量的减少。此外，单位超声波能
量（

1kW）的消耗能产生 7kW 的能量。以甲烷产量提高效果衡量的预处理技术的效率的顺

序是，超声波分解

 >自动窑热处理 > 水浴热处理 > 冷冻。本文展现了关于超声波预处理污泥

以加强厌氧消化的广泛性的综述，并比较了实验室试验和实践规模试验的结果。

2. 超声波处理
在过去，声波被应用在反潜艇的战争中，导致了许多鱼类被声波所杀死，人们从中想

到了用超声波的方法来破坏微生物细胞。

Hughes 与 Nyborg[16]还有 Alliger[17]研究了超声波

作用于微生物细胞的机理并发现，短暂地暴露在超声波中可以使细胞壁变薄从而导致细胞
质向外释放。超声波是频率高于

20kHz 的周期性声波。不同频率的超声波的应用如图 2 所示。

根 据 频 率 的 不 同 ， 可 将 其 分 为 三 个 区 域 ： 功 率 超 声 （

20—100kHz ） ， 高 频 超 声

（

100kHz—1MHz）和超声诊断（1—500MHz）。超声波在医学上的应用最早出现在二战中，

超声波被用于代替人手对骨折的病人进行按摩

[18]。随着技术的进步，超声波（>20Hz）被

应用于各种领域。频率在

20kHz 到 100kHz 之间的超声波被应用于要求发生各种化学、物理

变化的重要的化学系统中。在动物导航与通行，固体内部裂痕的探测，水底定位，胎儿扫描，
骨盆畸形检测，良性与恶性肿瘤治疗等方面，

1MHz 到 10MHz 频率范围的超声波均有广泛

的应用。通过超声波处理使微生物细胞破裂可获得细胞内的物质

[22-24]。Hogan 等[25]还对超

声波应用于市政污泥的裂解进行了进一步的评估。在

20Hz 与 20kHz 之间的声波是可以听得

见的，而听觉随着个人和年龄的不同而有所差别。低于

20Hz 到 0.001Hz 的声波用于地震学

[26]，医学和追踪地壳中岩石和石油的形成。

2.1 超声波引发的空洞现象
超声波技术的基本目的是破坏微生物细胞的细胞壁，使细胞内的物质能够在厌氧消化

中不断地被利用以降解为

CH4 和 CO2。当超声波在污泥相中传播时，能产生压力和拉力，

压力使微粒聚集而拉力则使离子分离，由于负压的持续存在在拉力区域会出现微小的气泡
（即空穴）。这些小气泡不断变大达到了不稳定的尺寸便会破裂，并产生冲击波（在几微秒
内达到

5000

℃和 500 个大气压）。这些气泡产生到破裂的过程就是所谓的空穴现象。空穴气

泡的产生和破裂如图

3 所示。

2.2 影响空穴现象的因素
污泥的裂解效率主要取决于空穴现象，而影响空穴现象的因素可见表

1。

2.3 超声波产生与裂解机理
超声波是靠磁致伸缩和压电两种技术产生的。在磁致伸缩技术中，电能通过连接着震动

片的磁线圈转化成机械能（震动）。在压电技术中，电能通过连接着震动片的压电晶体转变
成高频率的电动能。将电能或机械能转化为声波的转换器是一个能增强震动的机械放大器。
喇叭将超声波传递到液体中，所以

undefined 转换器、扩充器和喇叭是超声波设备的主要部

件。

转换器、扩充器和喇叭在节点处被夹紧并结合在一起，在转换器和扩充器上是最常见的

结合点。此外，喇叭常被设计成半个波长的长度，不过根据实际应用也有设计成一个波长的。
超声波的强度可以通过调节输入电压的方式进行控制，这是超声波处理中非常重要的一项