污泥脫水技術工藝

　　剩余污泥是污水處理過程中不可避免的副產物，其含有大量含有重金屬和難降解有機物。近幾十年來由于工業(yè)化發(fā)展、人口快速增長以及更嚴格的污水排放標準，剩余污泥的數量快速增長。據統(tǒng)計2016年我國的污泥產量已達4000萬噸左右(以含水率80%計)，預計2020年剩余污泥產量將達到6000萬噸左右。目前城市污水廠的剩余污泥的含水率在99%以上，經過濃縮或機械脫水工藝處理后，其含水率仍在80%以上，高含水率導致污泥體積龐大，統(tǒng)計數據表明我國處理剩余污泥所需的基建與運行成本占城市污水處理廠總基建與總運行成本的30%~40%與20%~50%，因此導致城市污水處理廠運行中易產生經濟和環(huán)境問題。如何改善剩余污泥脫水性能、提高污泥脫水效率已成為剩余污泥處理領域的重要課題。因此本綜述歸納總結近年來傳統(tǒng)、常用、新型的污泥脫水技術工藝的研究現狀及進展，為剩余污泥高效脫水提供參考。

　　1、剩余污泥的水分類型

　　根據剩余污泥中水分子與污泥固體顆粒的相互作用可將剩余污泥中的水分分為兩種類型，分別為自由水分與束縛水分，而束縛水分又可細分為間隙水分、表面吸附水分與化學結合水分，如表1。目前限制剩余污泥脫水性能的主要原因是由于污泥中的表面吸附水分與化學結合水分不能通過機械脫水工藝去除。

　　2、污泥脫水技術研究進展

　　污泥脫水流程主要分為四個部分(圖2)。

　　2.1 傳統(tǒng)污泥脫水工藝

　　2.1.1 自然干化工藝

　　有污泥池法、沙層干燥床、楔水干燥床與冷凍脫水等。且該工藝只適用于氣候干燥地區(qū)。中小型污水處理廠主要采用的傳統(tǒng)污泥脫水工藝為砂床脫水工藝，其優(yōu)點為成本低，操作簡單，但具有脫水不徹底、周期長與二次污染等缺點。近年來丹麥科學家研究采用傳統(tǒng)砂床脫水工藝與垂直流人工濕地相結合的污泥干燥蘆葦床系統(tǒng)(SludgeDryingReedBedSystems,SDRB)比單獨采用砂床脫水工藝用于污泥脫水的效果好很多，并且SDRB系統(tǒng)比機械脫水工藝成本更低，能耗也更少，因為污泥脫水的能量來源來自自身重力、太陽輻射以及生物過程。SDRB系統(tǒng)通過在沙床中種植蘆葦等植物，改善傳統(tǒng)沙層干燥床的性能，延長干燥床的工作壽命(5~10年)。蘆葦等植物在其根部區(qū)域形成一個豐富的微生物系統(tǒng)，給污泥的有機物質提供養(yǎng)分，同時植物具有較強的蒸發(fā)蒸騰能力，對不同含水率的污泥具有較強的耐受性。污泥脫水過程中，污泥的干物質含量增加，污泥體積減小，有機物被分解，最后剩余污泥可用作有機肥料。

　　2.1.2 機械脫水

　　機械脫水工藝是最常用的剩余污泥脫水工藝，其按脫水工作原理可分真空過濾脫水工藝、離心脫水工藝與壓濾脫水工藝。早期污水處理廠常采用真空過濾脫水工藝，污泥脫水后泥餅含水率一般高于85%。目前污水處理廠常采用壓濾脫水工藝，壓濾脫水又分為帶式和板框壓濾脫水，帶式壓濾脫水工藝的進料污泥應為不易流淌且含固率高于50%的污泥，若污泥含固率低于50%，則必須采用更換濾布、添加木屑的料頭等措施，出泥含水率一般為82%左右，鎮(zhèn)安污水處理廠采用帶式壓濾脫水工藝，出泥的含水率約為82%。板框壓濾脫水工藝通常能將污泥含水率降低至65%~75%，但存在壓濾壓力低于1.0MPa，濾布上的水膜會阻礙污泥中水分的脫除而降低脫水效率、濾布更換較麻煩、運維成本高等缺點。竹園第二污水處理廠采用板框壓濾脫水工藝，用氧化鈣和聚合氯化鋁等調理劑后泥餅含水率約為75%。上海市白龍港污水處理廠目前采用化學調理法協(xié)同隔膜壓濾脫水工藝，脫水后污泥體積縮減35%以上，泥餅含水率低于60%。離心脫水廣泛應用于很多行業(yè)，出泥含水率一般為75%~80%。環(huán)境保護部于2010年11月26日發(fā)布《關于加強城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知》中規(guī)定污水處理廠以儲存為目的將污泥運出廠界的，必須將污泥脫水至含水率50%以下，因此單純靠污水處理廠現有常規(guī)機械脫水技術顯然不能滿足含水率的要求。

　　2.2 常用污泥脫水工藝

　　2.2.1 酸處理工藝

　　酸處理工藝的機理是研究發(fā)現剩余污泥的含水率隨pH值的變化而變化，在酸性條件下剩余污泥的胞外聚合物(ExtracellularPolymericSubstances,EPS)水解離開污泥表面，改變剩余污泥的水分分布，從而改善剩余污泥的脫水性能，達到降低剩余污泥含水率的效果。研究發(fā)現剩余污泥脫水性能最優(yōu)化的pH值在2.5左右。何文遠等人對比研究發(fā)現硫酸(H2SO4)預處理的污泥的脫水性能比陽離子型聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)預處理的要好很多。謝武明等人研究發(fā)現用硫酸預處理污泥，其脫水性能最高能提高30.8%。刑奕等人研究表明剩余污泥的脫水性能好壞的先后順序是在酸性條件下>在中性條件下>在堿性條件下，當pH值調節(jié)至3.0左右，表面活性劑投加量為94.0mg/g時，剩余污泥的含水率降低至60.8%。

　　2.2.2 高級氧化工藝

　　高級氧化工藝的機理是采用強氧化劑破壞剩余污泥中的絮體結構，釋放束縛水分，改變污泥中的水分分布，從而改善污泥的脫水性能。Fenton法因其高效、對環(huán)境友好等特點，被認為是較有前景的氧化技術。傳統(tǒng)Fenton法包括一系列的自由基鏈式反應，如式1至式8。Fenton法預處理污泥的機理有兩種，一是絮凝作用，Fenton法中產生Fe(Ⅲ)與OH-形成Fe(OH)3，Fe(OH)3具有絮凝作用。二是氧化作用，Fenton法中鏈式反應生成大量羥基(?OH)，其高氧化還原電位能快速氧化胞外聚合物，從而改變污泥內部結構，從而提高污泥的脫水性能。

　　李娟等人采用Fenton法預處理污泥，在pH值為2.5，反應時間90min，n(H2O2)∶n(Fe(Ⅱ))=8∶1，反應溫度為65~70℃，污泥的含水率顯著降低。梁秀娟等人采用Fenton法預處理印染污泥，最佳反應條件為pH值為2.0，反應時間為90min，n(H2O2)∶n(Fe(Ⅱ))=10∶1，反應溫度為80℃，總懸浮固體(TSS)去除率為74.2%，毛細水抽吸時間(CST)從98.6s減少至18.9s，比阻(SRF)由6.0×10¹¹s2/g減少至8.4×10¹⁰s2/g，剩余污泥的平均粒徑從53.8μm減少至20.0μm，減少了62.8%。Liu等采用Fenton法進行污泥調理，在最優(yōu)條件下脫水后泥餅的含水率為49.5%。

　　2.2.3 冷凍凍融工藝

　　冷凍凍融工藝的機理是剩余污泥中的自由水在冷凍時會形成不規(guī)則的冰針，冰針破壞污泥絮體網狀結構，釋放污泥中的內部間隙水，從而提高污泥的脫水性能。Chen等人研究表明釋放剩余污泥的胞內有機物的最佳凍融溫度為-5℃左右，并改善了剩余污泥的生化性。Li等人采用冷凍凍融聯合化學調理工藝改善剩余污泥的脫水性能，研究表明在-15℃的反應溫度協(xié)同表面活性劑CTAC，剩余污泥含水率較常溫降低了6.0%左右，約62.8%。Gao等人發(fā)現當冷凍時間足以使細胞內水分結晶時，細胞結構與胞外聚合物被破壞，污泥顆粒聚集，粒徑增大，有利于污泥脫水性能的改善。

　　2.2.4 化學調理工藝

　　化學調理工藝的機理是在剩余污泥中加入調理劑改善剩余污泥的物化性質，改善污泥顆粒的沉降性能，其憑借高處理效率、經濟性、使用范圍廣等優(yōu)點成為目前最常用的工藝。目前常用的調理劑分為無機調理劑、有機高分子調理劑、表面活性劑等，目前在污水處理廠應用廣泛的是無機調理劑(表2)與有機高分子調理劑。無機調理劑是一種電解質化合物，主要有鐵系和鋁系兩類。無機調理劑的水解產物帶正電荷，中和剩余污泥表面的負電荷，使污泥膠體失去穩(wěn)定性，從而提高剩余污泥的脫水性能，其優(yōu)點為成本低，來源廣，缺點是用量大，處理效率較差。近年來有機高分子調理劑逐漸成為研究熱點，有機高分子調理劑通過吸附架橋作用將剩余污泥中的表面吸附水分轉化成自由水分，增大污泥顆粒粒徑，從而改善污泥的沉降與脫水性能。有機調理劑可分為天然和人工兩種，天然有機調理劑具有經濟、環(huán)保雙重效益，但還在研究階段。人工有機調理劑絮凝能力強、用量少，但成本較高。

　　近年來發(fā)現復配調理劑可達到單獨調理劑所達不到的處理效果。Li等人研究比較使用有機高分子調理劑與使用復配氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)、氯化鋁(AlCl3)等無機調理劑調理污泥的處理效果，結果表明投加復合調理劑的剩余污泥的比阻降低了70.0%，比單獨投加有機高分子調理劑的降低率高33.0%。Deng等人研究聚丙烯酰胺與硫酸鐵(PAM-Fe2(SO4)3)的復配調理劑調理剩余污泥的處理效果，發(fā)現聚丙烯酰胺與硫酸鐵復合調理劑的處理效果明顯好于單獨使用聚丙烯酰胺和硫酸鐵。Xiong等人研究比較紅石膏與陰離子有機聚合物LT25的復合調理劑調理剩余污泥的處理效果，發(fā)現剩余污泥絮體的分形維數由1.38增加至1.71，同時泥餅含水率比不加紅石膏調理的泥餅含水率降低7.1%。

　　2.3 新型污泥脫水工藝

　　2.3.1 超聲波處理工藝

　　超聲波處理工藝的機理主要是利用超聲波的特殊性能，一是超聲波具有聲化學性能，超聲波可在水中產生空穴作用，局部產生高溫高壓與強勁的水剪切力，破壞剩余污泥的細胞結構與菌膠團，釋放出內部結合水，改善剩余污泥的脫水性能。二是超聲波具有海綿效應，超聲波可使水分子更容易借助于超聲波的波面的通道而通過，從而增大剩余污泥粒徑。三是超聲波具有混凝作用，超聲波可促使污泥顆粒之間碰撞而粘結，從而增大剩余污泥粒徑。影響超聲波處理效果的主要技術指標有超聲波頻率、聲能密度與超聲時間，中低的超聲波頻率與較低的超聲時間有利于改善剩余污泥的脫水性能。超聲波處理工藝的缺點是能耗較大，因此限制其在污泥脫水處理處置中的推廣應用。Qiu等人研究超聲波頻率、聲能密度與超聲時間等因素對污泥脫水性能的影響，發(fā)現當超聲波頻率為25.0kHz，聲能密度為0.08W/mL，超聲時間為1min，剩余污泥的比阻降低了67.0%，同時研究發(fā)現聲能密度過高會導致反作用，惡化剩余污泥的脫水性能。Han等人研究表明單獨超聲波處理剩余污泥可降低污泥的含水率，而絮凝劑協(xié)同超聲波處理剩余污泥可進一步提高剩余污泥的脫水性能，污泥脫水性能最佳的超聲條件為超聲時間為10min，聲能密度為0.8W/mL。馬守貴等人研究表明低頻率的超聲波有利于改善剩余污泥的脫水性能。

　　2.3.2 生物淋濾工藝

　　生物淋濾工藝的機理是經過生物淋濾處理后的剩余污泥，其pH值下降，剩余污泥的胞外聚合物水解離開污泥表面，改變剩余污泥的水分分布，從而改善剩余污泥的脫水性能。生物淋濾工藝的優(yōu)點是成本低廉、無二次污染、有效去除污泥中的重金屬離子與殺滅細菌去除惡臭。2004年周立祥最早將生物淋濾技術引入污泥脫水領域，他利用生物淋濾處理制革污泥，發(fā)現生物淋濾具有顯著的污泥脫水效果。Xiao等人研究表明當生物淋濾的pH值在2.0~2.5時，較大改善污泥的脫水性能，污泥從難脫水狀態(tài)轉化為易脫水狀態(tài)。宋永偉等人利用生物淋濾處理剩余污泥，經過生物瀝浸2d后剩余污泥的比阻下降至2.4×10¹²m/kg。孟維舉等人利用生物淋濾處理剩余濃縮污泥，泥餅的含水率下降至65.0%以下。之后研究發(fā)現將生物淋濾協(xié)同其他預處理工藝能取得更好的效果，陳泓等人研究利用生物淋濾協(xié)同Fenton法處理印染污泥，剩余污泥的比阻減少至1.3×10¹¹s2/g，改善了剩余污泥的脫水性能。

　　3、結語

　　目前剩余污泥的減量化和資源化是急需解決的關鍵問題。現在廣泛使用的無機與有機高分子調理劑，大部分會產生二次污染，不利于后續(xù)剩余污泥的資源化利用，因此研究方向應轉向尋找無二次污染、不造成泥餅增容、有利于污泥資源化利用的調理劑。最后單一污泥脫水工藝的效果很有限，今后需研究多種污水脫水工藝的協(xié)同式工藝，既能讓各污泥脫水工藝取長補短，又能達到剩余污泥高效脫水的效果。(來源：上海市建筑科學研究院建材和固廢利用研究所，同濟大學環(huán)境科學與工程學院)