污泥脫水技術(shù)工藝

　　剩余污泥是污水處理過(guò)程中不可避免的副產(chǎn)物，其含有大量含有重金屬和難降解有機(jī)物。近幾十年來(lái)由于工業(yè)化發(fā)展、人口快速增長(zhǎng)以及更嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，剩余污泥的數(shù)量快速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年我國(guó)的污泥產(chǎn)量已達(dá)4000萬(wàn)噸左右(以含水率80%計(jì))，預(yù)計(jì)2020年剩余污泥產(chǎn)量將達(dá)到6000萬(wàn)噸左右。目前城市污水廠的剩余污泥的含水率在99%以上，經(jīng)過(guò)濃縮或機(jī)械脫水工藝處理后，其含水率仍在80%以上，高含水率導(dǎo)致污泥體積龐大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明我國(guó)處理剩余污泥所需的基建與運(yùn)行成本占城市污水處理廠總基建與總運(yùn)行成本的30%~40%與20%~50%，因此導(dǎo)致城市污水處理廠運(yùn)行中易產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問(wèn)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(lǐng)域的重要課題。因此本綜述歸納總結(jié)近年來(lái)傳統(tǒng)、常用、新型的污泥脫水技術(shù)工藝的研究現(xiàn)狀及進(jìn)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(jù)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(xì)分為間隙水分、表面吸附水分與化學(xué)結(jié)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(xué)結(jié)合水分不能通過(guò)機(jī)械脫水工藝去除。

　　2、污泥脫水技術(shù)研究進(jìn)展

　　污泥脫水流程主要分為四個(gè)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(diǎn)為成本低，操作簡(jiǎn)單，但具有脫水不徹底、周期長(zhǎng)與二次污染等缺點(diǎn)。近年來(lái)丹麥科學(xué)家研究采用傳統(tǒng)砂床脫水工藝與垂直流人工濕地相結(jié)合的污泥干燥蘆葦床系統(tǒng)(SludgeDryingReedBedSystems,SDRB)比單獨(dú)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(jī)械脫水工藝成本更低，能耗也更少，因?yàn)槲勰嗝撍哪芰縼?lái)源來(lái)自自身重力、太陽(yáng)輻射以及生物過(guò)程。SDRB系統(tǒng)通過(guò)在沙床中種植蘆葦?shù)戎参铮纳苽鹘y(tǒng)沙層干燥床的性能，延長(zhǎng)干燥床的工作壽命(5~10年)。蘆葦?shù)戎参镌谄涓繀^(qū)域形成一個(gè)豐富的微生物系統(tǒng)，給污泥的有機(jī)物質(zhì)提供養(yǎng)分，同時(shí)植物具有較強(qiáng)的蒸發(fā)蒸騰能力，對(duì)不同含水率的污泥具有較強(qiáng)的耐受性。污泥脫水過(guò)程中，污泥的干物質(zhì)含量增加，污泥體積減小，有機(jī)物被分解，最后剩余污泥可用作有機(jī)肥料。

　　2.1.2 機(jī)械脫水

　　機(jī)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(guò)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(guò)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(jìn)料污泥應(yīng)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(huì)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(yùn)維成本高等缺點(diǎn)。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(diào)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(xué)調(diào)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(yīng)用于很多行業(yè)，出泥含水率一般為75%~80%。環(huán)境保護(hù)部于2010年11月26日發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)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(chǔ)存為目的將污泥運(yùn)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(xiàn)有常規(guī)機(jī)械脫水技術(shù)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(jī)理是研究發(fā)現(xiàn)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(kāi)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(dá)到降低剩余污泥含水率的效果。研究發(fā)現(xiàn)剩余污泥脫水性能最優(yōu)化的pH值在2.5左右。何文遠(yuǎn)等人對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)硫酸(H2SO4)預(yù)處理的污泥的脫水性能比陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)預(yù)處理的要好很多。謝武明等人研究發(fā)現(xiàn)用硫酸預(yù)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(dāng)pH值調(diào)節(jié)至3.0左右，表面活性劑投加量為94.0mg/g時(shí)，剩余污泥的含水率降低至60.8%。

　　2.2.2 高級(jí)氧化工藝

　　高級(jí)氧化工藝的機(jī)理是采用強(qiáng)氧化劑破壞剩余污泥中的絮體結(jié)構(gòu)，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(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是較有前景的氧化技術(shù)。傳統(tǒng)Fenton法包括一系列的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，如式1至式8。Fenton法預(yù)處理污泥的機(jī)理有兩種，一是絮凝作用，F(xiàn)enton法中產(chǎn)生Fe(Ⅲ)與OH-形成Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3具有絮凝作用。二是氧化作用，F(xiàn)enton法中鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高污泥的脫水性能。

　　李娟等人采用Fenton法預(yù)處理污泥，在pH值為2.5，反應(yīng)時(shí)間90min，n(H2O2)∶n(Fe(Ⅱ))=8∶1，反應(yīng)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(yù)處理印染污泥，最佳反應(yīng)條件為pH值為2.0，反應(yīng)時(shí)間為90min，n(H2O2)∶n(Fe(Ⅱ))=10∶1，反應(yīng)溫度為80℃，總懸浮固體(TSS)去除率為74.2%，毛細(xì)水抽吸時(shí)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(jìn)行污泥調(diào)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(jī)理是剩余污泥中的自由水在冷凍時(shí)會(huì)形成不規(guī)則的冰針，冰針破壞污泥絮體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，釋放污泥中的內(nèi)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(nèi)有機(jī)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(lián)合化學(xué)調(diào)理工藝改善剩余污泥的脫水性能，研究表明在-15℃的反應(yīng)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(xiàn)當(dāng)冷凍時(shí)間足以使細(xì)胞內(nèi)水分結(jié)晶時(shí)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(xué)調(diào)理工藝

　　化學(xué)調(diào)理工藝的機(jī)理是在剩余污泥中加入調(diào)理劑改善剩余污泥的物化性質(zhì)，改善污泥顆粒的沉降性能，其憑借高處理效率、經(jīng)濟(jì)性、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)成為目前最常用的工藝。目前常用的調(diào)理劑分為無(wú)機(jī)調(diào)理劑、有機(jī)高分子調(diào)理劑、表面活性劑等，目前在污水處理廠應(yīng)用廣泛的是無(wú)機(jī)調(diào)理劑(表2)與有機(jī)高分子調(diào)理劑。無(wú)機(jī)調(diào)理劑是一種電解質(zhì)化合物，主要有鐵系和鋁系兩類。無(wú)機(jī)調(diào)理劑的水解產(chǎn)物帶正電荷，中和剩余污泥表面的負(fù)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(diǎn)為成本低，來(lái)源廣，缺點(diǎn)是用量大，處理效率較差。近年來(lái)有機(jī)高分子調(diào)理劑逐漸成為研究熱點(diǎn)，有機(jī)高分子調(diào)理劑通過(guò)吸附架橋作用將剩余污泥中的表面吸附水分轉(zhuǎn)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(jī)調(diào)理劑可分為天然和人工兩種，天然有機(jī)調(diào)理劑具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保雙重效益，但還在研究階段。人工有機(jī)調(diào)理劑絮凝能力強(qiáng)、用量少，但成本較高。

　　近年來(lái)發(fā)現(xiàn)復(fù)配調(diào)理劑可達(dá)到單獨(dú)調(diào)理劑所達(dá)不到的處理效果。Li等人研究比較使用有機(jī)高分子調(diào)理劑與使用復(fù)配氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)、氯化鋁(AlCl3)等無(wú)機(jī)調(diào)理劑調(diào)理污泥的處理效果，結(jié)果表明投加復(fù)合調(diào)理劑的剩余污泥的比阻降低了70.0%，比單獨(dú)投加有機(jī)高分子調(diào)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(fù)配調(diào)理劑調(diào)理剩余污泥的處理效果，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺與硫酸鐵復(fù)合調(diào)理劑的處理效果明顯好于單獨(dú)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(jī)聚合物L(fēng)T25的復(fù)合調(diào)理劑調(diào)理剩余污泥的處理效果，發(fā)現(xiàn)剩余污泥絮體的分形維數(shù)由1.38增加至1.71，同時(shí)泥餅含水率比不加紅石膏調(diào)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(jī)理主要是利用超聲波的特殊性能，一是超聲波具有聲化學(xué)性能，超聲波可在水中產(chǎn)生空穴作用，局部產(chǎn)生高溫高壓與強(qiáng)勁的水剪切力，破壞剩余污泥的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與菌膠團(tuán)，釋放出內(nèi)部結(jié)合水，改善剩余污泥的脫水性能。二是超聲波具有海綿效應(yīng)，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(guò)，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(jié)，從而增大剩余污泥粒徑。影響超聲波處理效果的主要技術(shù)指標(biāo)有超聲波頻率、聲能密度與超聲時(shí)間，中低的超聲波頻率與較低的超聲時(shí)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(diǎn)是能耗較大，因此限制其在污泥脫水處理處置中的推廣應(yīng)用。Qiu等人研究超聲波頻率、聲能密度與超聲時(shí)間等因素對(duì)污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲波頻率為25.0kHz，聲能密度為0.08W/mL，超聲時(shí)間為1min，剩余污泥的比阻降低了67.0%，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)聲能密度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致反作用，惡化剩余污泥的脫水性能。Han等人研究表明單獨(dú)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(jìn)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(shí)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(jī)理是經(jīng)過(guò)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(kāi)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(diǎn)是成本低廉、無(wú)二次污染、有效去除污泥中的重金屬離子與殺滅細(xì)菌去除惡臭。2004年周立祥最早將生物淋濾技術(shù)引入污泥脫水領(lǐng)域，他利用生物淋濾處理制革污泥，發(fā)現(xiàn)生物淋濾具有顯著的污泥脫水效果。Xiao等人研究表明當(dāng)生物淋濾的pH值在2.0~2.5時(shí)，較大改善污泥的脫水性能，污泥從難脫水狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)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(xiàn)將生物淋濾協(xié)同其他預(yù)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F(xiàn)enton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(jié)語(yǔ)

　　目前剩余污泥的減量化和資源化是急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。現(xiàn)在廣泛使用的無(wú)機(jī)與有機(jī)高分子調(diào)理劑，大部分會(huì)產(chǎn)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(yīng)轉(zhuǎn)向?qū)ふ覠o(wú)二次污染、不造成泥餅增容、有利于污泥資源化利用的調(diào)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(zhǎng)補(bǔ)短，又能達(dá)到剩余污泥高效脫水的效果。(來(lái)源：上海市建筑科學(xué)研究院建材和固廢利用研究所，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)