本文在闡述污泥脫水性能影響因素的基礎(chǔ)上，介紹了近十年來有關(guān)城市污泥傳統(tǒng)、常用及新型的污泥脫水技術(shù)，并基于當(dāng)下最新技術(shù)研究成果，對未來研究方向進(jìn)行了展望。
隨著社會的發(fā)展以及人們生活水平的提高，我國的污水處理技術(shù)迅猛發(fā)展。截至2016年9月，全國共有污水處理廠3 976座，污泥年產(chǎn)量超過3×107 t，是全球最大的污泥產(chǎn)生國。污泥的大量產(chǎn)生對污泥的運(yùn)輸及處理造成了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境負(fù)擔(dān)。污泥的組分復(fù)雜，性質(zhì)不穩(wěn)定，如果直接排到自然環(huán)境中，將會對周邊土壤、水體、空氣造成嚴(yán)重污染，并且散發(fā)惡臭氣體，影響人類生活。因此如何科學(xué)、妥善處理污泥，使其減量化、資源化、無害化、穩(wěn)定化已經(jīng)成為環(huán)保界的焦點(diǎn)問題。
1 污泥的特性和分類
污泥含水率極高，可以達(dá)到99%，甚至更高。其中還包含重金屬、有機(jī)質(zhì)、氮和磷等植物性營養(yǎng)元素以及有毒有害有機(jī)物等。污泥絮體呈膠狀態(tài)，易腐化變質(zhì)甚至引起流行病，極易造成二次污染。一般來說污泥按污水來源特性的不同可將污泥分為生活污泥及工業(yè)污泥。污泥中水分的存在形式有四種：間隙水、毛細(xì)管結(jié)合水、表面吸附水以及內(nèi)部結(jié)合水。
表1 污泥中的水分分布
2 影響污泥脫水的因素
2.1
胞外聚合物(EPS)胞外聚合物(EPS)是一種高分子有機(jī)聚合體，主要聚集在污泥膠體微生物細(xì)胞外，一般認(rèn)為EPS占活性污泥總有機(jī)質(zhì)的50%～90%。由于存在親水性官能團(tuán)(如羥基)和具有復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的菌膠團(tuán)，EPS可改變污泥顆粒的表面特性，增加其親水性和黏度。
例如劉軼等的實(shí)驗(yàn)研究表明，胞外聚合物對污泥脫水的性能影響顯著，胞外蛋白質(zhì)含量、胞外多糖含量以及EPS的總含量對污泥脫水性能的影響性能并不顯著。然而眾多學(xué)者的研究并沒有達(dá)成一致，如Feng等認(rèn)為低含量S-EPS(溶解性胞外聚合物)能促進(jìn)細(xì)小顆粒污泥的絮凝沉降，有助于提高污泥的混凝效應(yīng)，從而提高脫水性能，并提出最優(yōu)的S-EPS含量約為400~500 mg/L。而Yuan 等也發(fā)表了類似的結(jié)論，但其得出最優(yōu)的S-EPS含量僅為15~18 mg/L。對EPS的作用機(jī)理的研究仍需不斷的深入。
2.2
粒徑分布在污泥中，細(xì)小污泥顆粒所占比例越大，污泥的脫水性能就越差。因?yàn)樵绞羌?xì)小的污泥其水合程度越高，從而影響污泥的脫水性能。
眾多的研究表明污泥脫水的關(guān)鍵在于釋放內(nèi)部結(jié)合水，僅僅去除毛細(xì)結(jié)合水和表面吸附水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到污泥脫水的目的。Feng等指出，污泥的最佳粒徑在80~90 μm之間，污泥的比阻與毛細(xì)水時間同時達(dá)到最小值，此時增大或縮小污泥粒徑都將使污泥脫水性能惡化。而yang得出的最佳粒徑為129.87 μm，造成這種不同的結(jié)論可能是由于污泥種類與性質(zhì)的不同。
2.3
Zeta電位污泥顆粒具有雙電層結(jié)構(gòu)，由帶負(fù)電的微生物菌膠團(tuán)粒子組成。Zeta電位的高低對污泥膠體顆粒的凝聚和沉降性能有著決定性的影響，進(jìn)而影響污泥的脫水性能。
一般來說Zeta電位在-5~0 mV時可以獲得較好的混凝效果。李敏在研究中發(fā)現(xiàn)pH值與介質(zhì)性質(zhì)也會影響Zeta電位。Wilén等試驗(yàn)研究進(jìn)一步指出，污泥顆粒表面帶電的重要影響因素是EPS，且EPS中PN和HS對Zeta電位的貢獻(xiàn)最大。
2.4
黏度污泥為非牛頓流體，具有粘度和彈性兩種特性，因此黏度是評價污泥流變特性、化學(xué)調(diào)理效率和脫水性能的重要參數(shù)。
Li的研究發(fā)現(xiàn)污泥的粘度受LB-EPS(疏松型胞外聚合物)的影響顯著，并且污泥的粘度越大脫水性能越差。Chen的研究表明，污泥黏度和濾餅含水率呈正相關(guān)性(R=0.84)，但濾餅含水率隨黏度增加呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，污泥的脫水最佳黏度為20~25 mPa˙s。
近年來，邢奕等研究表明pH的波動也會影響污泥的脫水性能。在Ph值為3.03的條件下， CST和污泥濾餅含水率均降至最低，污泥脫水性能達(dá)到最優(yōu)。
3 污泥脫水技術(shù)
污泥脫水流程主要分為四個部分：1) 污泥濃縮，對污泥進(jìn)行初步脫水;2)污泥調(diào)質(zhì)，改變污泥的絮體結(jié)構(gòu);3) 污泥脫水，減少污泥體積;4) 污泥最終處置。
3.1傳統(tǒng)污泥脫水工藝
3.1.1
干化傳統(tǒng)的污泥脫水方式是自然干化，主要方法有污泥池法、沙地干化床和冷凍脫水等。雖然自然干化成本低，操作簡單，但其也具有時耗長、有毒有害物質(zhì)殘留、脫水不徹底等缺點(diǎn)。自然干化通常需要4~5周的時間，第一周可以將污泥的含水率降低至60%左右，4~5周后污泥的含水率通常低于10%，但為了保證脫水效果，該工藝只能在氣候干燥的地區(qū)使用。
為避免造成二次污染和降低成本，很多技術(shù)都是建立在微生物的基礎(chǔ)上。污泥生物干化法是快速散發(fā)污泥中的水分降低其含水率，并使物料保持較高的熱值，便于焚燒或作為肥料等后續(xù)再利用，該技術(shù)雖未能推廣運(yùn)用，但具有極高的開發(fā)價值和廣闊的運(yùn)用前景。
3.1.2
機(jī)械脫水機(jī)械脫水是污泥最常見的脫水方式，常見的脫水機(jī)有離心分離機(jī)、壓濾、機(jī)真空過濾機(jī)等。主要是依靠過濾介質(zhì)兩面的壓力差作為推動力，使污泥泥水強(qiáng)制分離。
但是，直接通過機(jī)械脫水，污泥的含水率并不能有效的降低。李華等試驗(yàn)研究表明，某石油化工企業(yè)污水處理廠的污泥，經(jīng)過濃縮作用和機(jī)械脫水后, 污泥的含水率仍高達(dá)85 %左右。而且也沒有解決污泥干化時成本高的問題。
目前，國家提倡把污泥的含水率降低到60%以下。南京某污水處理廠所采用的高壓雙膜片壓濾機(jī)系統(tǒng)。與現(xiàn)普遍使用的帶式脫水機(jī)和離心脫水機(jī)相比，高壓雙膜片污泥壓濾機(jī)的脫水效果得到極大的提高，脫水后污泥含水率最低可達(dá)到45%。
3.2 常見的脫水工藝
3.2.1
酸處理工藝酸處理污泥的作用機(jī)理是在酸性條件下，活性污泥的胞外聚合物受到破壞水解，改變污泥的水分分布，使部分間隙水從污泥絮體或細(xì)胞中釋放出來，從而達(dá)到提高污泥脫水性能的效果。
將酸處理與絮凝劑相結(jié)合能有效的降低藥劑的投加量，如何文遠(yuǎn)等使用H2SO4對污泥進(jìn)行預(yù)處理，并與僅使用陽離子型PAM處理的污泥進(jìn)行對照，H2SO4預(yù)處理之后，板框壓濾30 min后，泥餅含水率降低了5.9%(從76.14%降低到70.24%)，提高了脫水性能。同樣的洪晨等的研究也表明，酸性條件下表面活性劑的作用效果較好，污泥濾餅含水率明顯降低。當(dāng)pH值為3、表面活性劑投加量為93.75 mg/g時含水率和比阻可分別降至60.12%、0.59×1013 m/kg。
3.2.2
氧化法工藝氧化法是利用強(qiáng)氧化性的藥劑，破壞污泥顆粒中的細(xì)胞組織及膠體結(jié)構(gòu)，釋放內(nèi)部結(jié)合水，從而提高污泥的脫水性能。
常用的工藝為Fenton，在實(shí)際操作中也有良好的效果。如梁秀娟等采用Fenton氧化法對印染污泥進(jìn)行處理，當(dāng)pH值為2.0，H2O2和Fe2+投加量分別為428 mg˙g-1 (干泥)和42.8 mg˙g-1(干泥)，反應(yīng)時間1.5 h、反應(yīng)溫度80 ℃時,TSS 由18.66 g/L下降至4.82 g/L。毛細(xì)水時間和比阻分別由98.6 s和6.03×1011 s2/g下降至18.9 s和8.42×1010 s2/g。
3.2.3
冷凍凍融技術(shù)冷凍凍融技術(shù)，通過有效地壓縮污泥絮體結(jié)構(gòu)來提高污泥的脫水性能。污泥中的水分子在冷凍時會形成不規(guī)則的冰針，這些冰針不斷凝結(jié)污泥絮體中的自由水，絮體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，釋放大部分的間隙水。
例如陳悅佳等的研究表明，在相對較高的溫度(-5 ℃)下凍融，可以更加完全的破解污泥，最大限度的釋放胞內(nèi)有機(jī)物。污泥在-5 ℃下完全冷凍后(約5 h)，轉(zhuǎn)移到相對較低的溫度下繼續(xù)固化，可以獲得更好的凍融效果。而李愷等研究了冷融技術(shù)與化學(xué)調(diào)理聯(lián)合對污泥脫水的影響，得出在-15 ℃，表面活性劑CTAC投加量為7.38 g/L 時，將污泥含水率降至62%左右。對于冷凍溫度的差異，可能是由于整體調(diào)理方式的不同導(dǎo)致的。
3.2.4
污泥調(diào)理技術(shù)目前運(yùn)用最為廣泛的污泥脫水方式是調(diào)理劑與機(jī)械脫水相結(jié)合的工藝。調(diào)理劑分為化學(xué)調(diào)理劑和生物調(diào)理劑兩大類，化學(xué)調(diào)理劑又分為助凝劑和絮凝劑。目前在污水處理廠應(yīng)用廣泛的是無機(jī)絮凝劑及有機(jī)高分子絮凝劑。無機(jī)絮凝劑是一種電解質(zhì)化合物，主要有鐵系和鋁系兩類。雖然無機(jī)絮凝劑廉價易得，但是用量大，處理效果不理想。所以近些年漸漸的開始被有機(jī)高分子絮凝劑替代。天然生物高分子絮凝劑具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境雙重效益，但是還處于研究階段。
近年來，研究者發(fā)現(xiàn)調(diào)理劑的復(fù)配使用往往可以達(dá)到單一調(diào)理劑所不達(dá)到的效果。如酈光梅等比較了有機(jī)高分子絮凝劑調(diào)理污泥與氯化鐵、硫酸鋁、氯化鋁復(fù)配使用的效果：結(jié)果表明投加混凝劑調(diào)理后污泥比阻降低了70%，比單獨(dú)投加有機(jī)高分子絮凝劑的污泥比阻降低率高33%。鄧偉研究了聚丙烯酰胺—硫酸鐵復(fù)合調(diào)理劑對活性污泥的脫水性能的影響，達(dá)到相同脫水效果，PAM和Fe2(SO4)3復(fù)配時的用量比單獨(dú)使用時減少一半以上。熊唯試驗(yàn)表明：紅石膏與陰離子有機(jī)聚合物L(fēng)T25(有機(jī)高分子絮凝劑)，使污泥絮體分型維數(shù)由1.38增加到1.71，復(fù)配后泥餅含水率比不加石膏調(diào)理的泥餅含水率降低了7.1%。
表2 常見的無機(jī)絮凝劑
3.3近年來發(fā)展的新型污泥脫水技術(shù)
3.3.1
超聲處理工藝超聲波處理污泥主要是利用聲波的能量。超聲波可以在液體中產(chǎn)生“空穴作用”，形成極端的條件，局部產(chǎn)生高溫高壓，并產(chǎn)生強(qiáng)勁的水剪切力，破壞污泥中的菌膠團(tuán)，釋放出胞內(nèi)結(jié)合水，從而提高污泥的脫水性能。
超聲處理主要的技術(shù)指標(biāo)是超聲波的頻率和超聲的時間，如邱高順的研究結(jié)果表明，超聲波頻率為25 kHz，聲能密度為0.08 W/mL，超聲時間為60 s的情況下，污泥的比阻相較于原泥降低了67.0%。并認(rèn)為過高的聲能密度不利于提高污泥的脫水性能。而韓青青等得出研究結(jié)果表明,最佳的超聲時間10 min，超聲聲能密度0.8 W/mL。這種差異有可能是污泥的來源與泥質(zhì)不同導(dǎo)致的。
3.3.2
生物淋濾工藝生物淋濾工藝由于其成本低廉、不會造成二次污染并能有效的去除污泥中的重金屬離子，近年來成為研究的熱門。生物淋濾是通過氧化硫桿菌直接氧化硫單質(zhì)或間接氧化亞鐵離子產(chǎn)生酸化作用，能有效去除污泥中的重金屬離子、殺滅細(xì)菌去除惡臭。有文獻(xiàn)表明，生物淋濾還可以改善污泥的脫水性能。
如肖凌鵬等的研究表明，當(dāng)生物淋濾的pH值在2.0~2.5時污泥脫水性能得到較大改善，當(dāng)pH值低于2.0時污泥的脫水性能惡化。淋濾污泥比阻由1.26×1014 m/kg降低到8.14×1012 m/kg，降低了93.54%。淋濾污泥pH值回調(diào)至6.0后，污泥比阻持續(xù)降低到8.27×1011 m/kg，共降低99.34%，污泥從難脫水狀態(tài)轉(zhuǎn)化為易脫水狀態(tài)。也有學(xué)者將生物淋濾與其他預(yù)處理技術(shù)聯(lián)合使用，如陳泓等將生物淋濾與Fenton工藝相結(jié)合，將污泥的比阻和濾餅含水率分別由5.89×1011 s2/g和88.75%降低至1.26×1011s2/g和82.85%。
3.3.3
電滲透工藝固體顆粒和液體在電場的作用下作定向運(yùn)動，并通過多孔固體濾膜進(jìn)行過濾，從而實(shí)現(xiàn)的固液分離。如李亞林等的試驗(yàn)結(jié)果表明，電滲透技術(shù)可以改善污泥的脫水性能，機(jī)械壓力為18.83 kPa，污泥厚度為1.13 cm，電壓梯度為60 V/cm，初始含水率為87.45%，污泥含水率可降至49.14%。李亞林還將鐵鹽及過硫酸鹽與電滲透相結(jié)合,將污泥的含水率降低到60%以下。相對于單獨(dú)使用電滲透技術(shù)，泥餅更加均勻，有利于之后的處置。
表3 污泥脫水技術(shù)對比
4 污泥脫水技術(shù)的應(yīng)用
4.1
污泥干化技術(shù)的應(yīng)用目前污泥干化焚燒是污泥的重要處置方式，該方法具有污染物分解徹底、尾氣不易造成二次污染。但需增加臭氣處理及與污泥焚燒相關(guān)設(shè)施。
深圳鹽田垃圾焚燒廠的爐排垃圾焚燒是國內(nèi)首創(chuàng)，摻燒污泥約40 t/d，煙塵排放等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了歐共體標(biāo)準(zhǔn)。華電滕州新源熱電公司于2008年年末成功運(yùn)行150 MW的城市污泥干化焚燒系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用電廠鍋爐煙氣，對城市污泥(含水率75%~80%)進(jìn)行干化，干化后的污泥摻入(占比約為5%)電廠輸煤系統(tǒng)，送入鍋爐進(jìn)行燃燒。
4.2
污泥深度脫水技術(shù)的應(yīng)用污泥機(jī)械脫水的難點(diǎn)在于脫水后的污泥的含水率仍然在70%~80%，并且能耗較大。田禹等通過真空過濾法測量比阻發(fā)現(xiàn), 當(dāng)污泥的含水率小于97 %后, 污泥的比阻顯著增大。由此可見，當(dāng)污泥的含水率較低時, 污泥中的固體物質(zhì)可能會吸附在一起, 使其中的內(nèi)部結(jié)合水的量變多, 從而影響污泥脫水的效果。而桑德集團(tuán)開發(fā)的電滲透污泥高干脫水技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，同時具有投資少并節(jié)能的雙重效果。
該公司將“電滲透”與“板框壓濾”相結(jié)合，可將污泥含水率由80%~85%降低至60%~40%，并且在不添加任何藥劑的情況下，總耗電約為80~120 k˙Wh/t。2014年建成25 t/d的示范工程，在一年的運(yùn)行時間里，脫水后的泥餅的含水率低于40%，低位熱值達(dá)到4 186~5 443 kJ，可回收部分熱能。
同樣的位于上海市白龍港污水處理廠旁，采用“添加FeCl3及CaO化學(xué)調(diào)理+ 隔膜壓濾”工藝，調(diào)理劑投加量分別為干泥量8% 的FeCl3和20%的CaO;工程主體設(shè)備板框隔膜壓濾機(jī)共26臺，過濾壓力一般在1.0 MPa 以上。在為期4個月的試運(yùn)行中泥餅含水率穩(wěn)定在60%以下，并穩(wěn)定運(yùn)行至今。但是投加20%的CaO，將會使污泥增容20%以上，給后續(xù)的處理處置帶來困難，該問題亟待解決。
當(dāng)污泥脫水處理廠污泥中重金屬含量符合《城鎮(zhèn)污水廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》的要求，可考慮將污泥經(jīng)“化學(xué)改性+機(jī)械脫水”后，按20%的比例加入到燒結(jié)磚原料的頁巖、粘土或煤渣中進(jìn)行制磚.不會影響磚的成型和含水率、此種方式實(shí)現(xiàn)對污泥的減量化、無害化處理，并進(jìn)行資源化利用，既經(jīng)濟(jì)又達(dá)到了最終處置的目的。
4.3
超聲波技術(shù)在污泥脫水中的應(yīng)用超聲波脫水技術(shù)是近年來興起的一種主要的污泥脫水技術(shù)，目前我國基本上還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，而在國外己將該項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于污泥的減量處理中，應(yīng)用最成功的是德國的巴姆堡市污水廠。
該污水處理廠的原設(shè)計(jì)能力為30 000 m3/d，利用超聲波對污泥進(jìn)行預(yù)處理。一期兩臺運(yùn)行3個月后，沼氣產(chǎn)量增加30%，污泥停留時間從25 d降到18 d，滿足了后續(xù)污泥脫水處理處置的要求。并且不是所有的污泥都需要進(jìn)行超聲處理，處理量一般取剩余污泥的30%左右。從投資角度來看，利用超聲處理每方污泥脫水的用電量為3度左右，其設(shè)備投資只需建罐費(fèi)用的一部分。
同其他技術(shù)相比，利用超聲波技術(shù)對污泥進(jìn)行脫水處理具有許多優(yōu)勢，如二次污染、分解速度快、設(shè)備簡單等，超聲波的頻率并非越高越好，馬守貴等的研究表明，低頻超聲(28.7 KHz) 對污泥的脫水效果優(yōu)于高頻超聲(40 KHz) ;但超聲波技術(shù)在使用過程中能耗較大，限制了其在污泥脫水處理處置中的推廣應(yīng)用，若對超聲波加以改進(jìn)，降低能耗，則可以將該技術(shù)大范圍的應(yīng)用污泥的處理處置中，變廢為寶，使污泥資源化。
表4 常見污泥處置方式比較
5 污泥脫水存在的問題與展望
目前我國污泥的穩(wěn)定化、無害化程度較低，并存在嚴(yán)重的“重水輕泥”的現(xiàn)象，所以需要加大在污泥脫水科研方面的投入，建立健全相關(guān)的法律法規(guī)，增加政策支持和監(jiān)管體系?，F(xiàn)在污水處理廠廣泛使用的無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑，其中大部分會對環(huán)境會產(chǎn)生二次污染，也不利于污泥的資源化利用。所以無二次污染且性能優(yōu)異的生物絮凝劑成為人們未來研究的方向。并且，往往單一種類的脫水方式的脫水效果是有限的，難以達(dá)到人們的預(yù)期。污泥脫水技術(shù)今后還需要大力發(fā)展多種處理技術(shù)聯(lián)合的組合式技術(shù)，如Fenton試劑與CPAM聯(lián)合調(diào)理污泥、無機(jī)混凝劑與殼聚糖聯(lián)合調(diào)理污泥、優(yōu)化超聲波聯(lián)合絮凝劑強(qiáng)化污泥脫水等，這樣可以發(fā)揮單一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，相互之間取長補(bǔ)短，從而達(dá)到高效脫水的效果。總的來說,提高污泥的調(diào)理效果,降低成本,減少其對環(huán)境的危害是污泥調(diào)理技術(shù)今后發(fā)展的主要方向。近年出現(xiàn)的污泥調(diào)理技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)階段,今后應(yīng)加快其研究步伐,盡快應(yīng)用于實(shí)際同時應(yīng)致力于對其機(jī)理的研究,為其應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。
來源:《凈水技術(shù)》 作者:徐振佳，張雪英等
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