污泥深度脫水藥劑及其在改善污泥脫水性能中的應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，生活污水和工業(yè)廢水與日俱增，隨著污水處理設(shè)施以及污水處理技術(shù)的日益完善，其副產(chǎn)物污泥的產(chǎn)量也與日俱增。城市污水廠污泥產(chǎn)量大、含水率高（通常達(dá)到95%～99%），即使通過(guò)污泥脫水的常規(guī)處理工藝即濃縮-脫水-干化處理后，污泥含水率仍高達(dá)75%～85%，不僅運(yùn)輸難度大、成本高，后續(xù)堆肥、填埋、焚燒和土地利用等對(duì)污泥的含水量要求通常也在55%～65%之間，因此常規(guī)脫水工藝并無(wú)法達(dá)到相關(guān)要求。
因此尋找合適的污泥深度脫水的處理方法十分必要。目前降低含水率的方法主要有化學(xué)方法、物理方法和生物方法。相比較物理法、生物法，化學(xué)調(diào)理簡(jiǎn)單易行，因?yàn)槠渌巹﹣?lái)源廣泛，價(jià)格較低，研究潛力大。目前已經(jīng)有不少研究表明，脫水藥劑的復(fù)合聯(lián)用可以有效地提高污泥脫水率，然而污泥的來(lái)源廣泛而且情況復(fù)雜，對(duì)于化學(xué)調(diào)理之后的污泥是否具有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，以及在后續(xù)填埋、焚燒等處理過(guò)程中是否仍然具有良好的性能還需進(jìn)一步研究。
1 污泥深度脫水藥劑的脫水機(jī)理
污泥之中其水分分布形態(tài)主要有四種，可將這四種形態(tài)的污泥內(nèi)部水劃分為間隙水（或游離水），毛細(xì)水，吸附水和結(jié)合水四種。其結(jié)合強(qiáng)度依次遞增。因?yàn)槲勰嘀械哪z質(zhì)微粒對(duì)水具有很強(qiáng)的親和力，導(dǎo)致了其含水量高，不易壓縮等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，使其中的結(jié)合水，吸附水和內(nèi)部水釋放出，稱為污泥深度調(diào)理。通過(guò)在污泥中投加化學(xué)調(diào)理劑，使污泥顆粒克服水分子的靜電排斥、水合，改變絮體結(jié)構(gòu)及顆粒大小，使其能夠絮凝沉降改善脫水性能，再經(jīng)高壓壓榨等物理方式使含水率降低至60%以下。
胞外聚合物（EPS）是活性污泥中除微生物和水分之外的第三大組成部分，大量水分包裹于菌膠團(tuán)內(nèi)，給其包圍的污泥微生物提供了良好的生存環(huán)境，這部分水分很難通過(guò)機(jī)械過(guò)濾方法去除，因此EPS含量的增加，將使得污泥濾餅的含水率增大，脫水性能降低。EPS的含量、組成、分布與污泥脫水性質(zhì)緊密相關(guān)，其高度的水合性成為污泥脫水的一大障礙，如何破壞EPS對(duì)污泥脫水效果至關(guān)重要。
雖然污泥各種狀態(tài)下的水分在調(diào)理過(guò)程中的轉(zhuǎn)化機(jī)制不清晰，但是現(xiàn)階段實(shí)踐研究表明結(jié)合水與污泥微生物及其顆粒關(guān)系緊密，相比較于其他調(diào)理方式，化學(xué)調(diào)理可以有效地破壞結(jié)合水與污泥微生物的結(jié)合，從而顯著提高污泥脫水效果。
2 深度脫水藥劑種類及特點(diǎn)
污泥脫水劑又稱污泥調(diào)理劑，主要分為有機(jī)絮凝劑、無(wú)機(jī)絮凝劑、助凝劑和助濾劑、復(fù)合絮凝劑等。
2.1 無(wú)機(jī)調(diào)理劑
無(wú)機(jī)調(diào)理劑主要是利用無(wú)機(jī)絮凝劑中的金屬離子發(fā)生水解和聚合反應(yīng)，之后其水解和聚合產(chǎn)物與水體顆粒進(jìn)行絮凝作用包括電中和脫穩(wěn)、壓縮雙電層、吸附架橋或沉淀網(wǎng)捕等，進(jìn)而生產(chǎn)較大絮凝體從而分離去除，主要有鋁鹽和鐵鹽及其高分子聚合產(chǎn)物。由于傳統(tǒng)鋁鹽水解反應(yīng)極為迅速，無(wú)機(jī)高分子混凝劑可在預(yù)制過(guò)程中形成一定水解穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)混凝形態(tài)產(chǎn)物，且其分子鏈更長(zhǎng)、電荷密度更高從而在單位長(zhǎng)度分子鏈上結(jié)合的帶負(fù)電污泥顆粒更多，與污泥的結(jié)合更為緊密，從而受到廣泛關(guān)注。
聚合氯化鋁（PAC）、聚合氯化鐵（PFC）、硅酸類絮凝劑等，是現(xiàn)階段常用的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑，和傳統(tǒng)無(wú)機(jī)絮凝劑一樣其缺點(diǎn)是絮凝效果差，投加量大。
2.2 有機(jī)調(diào)理劑
有機(jī)調(diào)理劑根據(jù)其帶電性質(zhì)分別有陽(yáng)離子型，陰離子型和非離子型以及兩性離子型。其主要脫水機(jī)理是通過(guò)分子鏈變性，拉長(zhǎng)分子鏈，對(duì)污水中凝聚的顆粒起到吸附架橋的效果，使顆粒與水易于分離。具有投加量少，絮凝能力強(qiáng)，絮體粗大且沉降性能好的特點(diǎn)，但相對(duì)生物毒性高，能致癌、致畸變，且難以生物降解，應(yīng)用范圍受限。
目前常用的有機(jī)調(diào)理劑主要是高聚合度的聚丙烯酰胺系列產(chǎn)品，因?yàn)槲勰嗄z體表面帶負(fù)電荷，因此陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）的表現(xiàn)要優(yōu)于其他離子型，而被廣泛使用。
2.3 復(fù)合調(diào)理劑與助凝劑
助凝劑主要是提高或改善混凝劑的效果的化學(xué)藥劑，在污泥脫水過(guò)程中，助凝劑主要作用是作為在污泥中形成堅(jiān)硬的網(wǎng)絡(luò)骨架使污泥絮體具有持久堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。常用的助凝劑有石灰，粉煤灰等。
復(fù)合調(diào)理劑是在單一絮凝劑和助凝劑基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)多種有機(jī)無(wú)機(jī)絮凝劑和助凝劑的復(fù)合作用彌補(bǔ)單一絮凝劑的不足。在大多數(shù)情況下復(fù)合型絮凝劑的脫水率優(yōu)于單一絮凝劑，且由于助凝劑的存在大大的節(jié)約了調(diào)理劑的投加量。但是，復(fù)合型絮凝劑從工藝上來(lái)說(shuō)相對(duì)其他試劑復(fù)雜，反應(yīng)條件苛刻，制備成本上可能增加。
2.4 Fenton試劑系列
Fenton試劑作為強(qiáng)氧化劑越來(lái)越多地被用于氧化有機(jī)物，其機(jī)理主要是其強(qiáng)氧化性破壞了EPS，使細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)合水析出變成表面吸附水，從而改善污泥脫水性能，但單獨(dú)使用時(shí)面臨投加量大、成本過(guò)高、泥餅壓縮性強(qiáng)等問(wèn)題。
因此從改善污泥脫水性，改善污泥脫水工藝，提高城市污泥的脫水效果，降低污泥的含水率角度來(lái)說(shuō)，研究污泥深度脫水藥劑優(yōu)化，以及高效的脫水劑組合有著重要的意義。
3 深度脫水藥劑在改善城市污泥脫水性能中的應(yīng)用
3.1 有機(jī)混凝劑在改善污泥脫水性能中的應(yīng)用
張梅杰等人對(duì)比研究了5種有機(jī)絮凝劑陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPMA）在污泥脫水過(guò)程中污泥比阻（SRF）與毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值明顯線性相關(guān)，因此提出了可使用CST代替SRF確定投藥量的觀點(diǎn)，同時(shí)SRF、CST也分別與泥餅含水率之間有明顯的線性關(guān)系，因此可為污水處理廠篩選調(diào)理劑和調(diào)理方案提供技術(shù)支持。
丁紹蘭等的研究表明PAM和石灰作為單一調(diào)理劑的情況下也具有良好的效果，表明了有機(jī)混凝劑在改善污泥脫水性能中也具有良好的表現(xiàn)，同時(shí)在污泥深度脫水過(guò)程中，藥劑的投加順序的改變對(duì)泥餅含水率影響不大。
3.2 無(wú)機(jī)混凝劑在改善污泥脫水性能中的應(yīng)用
王馨悅、周志等研究了單一調(diào)理劑聚合氯化鋁（PAC）和氯化鐵（FC）對(duì)污泥脫水的效果，這兩種常用的無(wú)機(jī)混凝劑皆可大幅改善污泥脫水性能，且前者效果好于后者。
龍國(guó)兵等人進(jìn)行了包括PAC和鐵鹽對(duì)污泥深度脫水性能改善的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)聚合氯化鐵（PFC）和FC處理污泥效果略優(yōu)于PAC和聚合硫酸鐵（PFS），也從側(cè)面表現(xiàn)無(wú)機(jī)混凝劑在污泥深度脫水中的良好表現(xiàn)。
3.3 復(fù)合混凝劑和助凝劑在改善污泥脫水性能中的應(yīng)用
劉力榮研究了有機(jī)絮凝劑（PAM）、無(wú)機(jī)絮凝劑(PAC、BAC、FeCl3）、助凝劑（生石灰、粉煤灰）單獨(dú)使用及聯(lián)用對(duì)污泥脫水性能的影響，結(jié)果表明單獨(dú)使用一種調(diào)理劑，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（PAM）脫水效果較好。摻雜粉煤灰和石灰的復(fù)合型調(diào)理劑后，可顯著提高污泥脫水性能，并能大幅降低絮凝劑投加量。
姜惠民等分別研究了石灰，粉煤灰，工業(yè)石灰，硅藻土，十二烷基硫酸鈉和飛灰單獨(dú)使用的污泥脫水效果，結(jié)果表明單獨(dú)投加脫水效果較好的是石灰，復(fù)合投加時(shí)脫水效果較好的是石灰+粉煤灰。
3.4 Fenton試劑系列在改善污泥脫水性能中的應(yīng)用
梁柱等人研究了Fenton復(fù)合調(diào)理劑對(duì)污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)Fenton法能有效破解污泥中的EPS，且其與表面活性劑、生石灰聯(lián)用比單獨(dú)使用脫水性能好，其中Fenton-生石灰聯(lián)用對(duì)污泥比阻降低效果顯著。
以上研究中均表明污泥的含水率隨著深度脫水藥劑投加量的增加而降低，但是隨著投加量的增加，單位質(zhì)量藥劑對(duì)含水率的貢獻(xiàn)也會(huì)逐漸降低，甚至有可能使污泥脫水性能惡化。
4 結(jié)論
（1）相對(duì)于單一絮凝劑，復(fù)合絮凝劑在不同的絮凝機(jī)理下都表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的效果，然而對(duì)于不同性質(zhì)的污泥，絮凝劑的投加量以及優(yōu)化組合需要通過(guò)泥餅的含水率來(lái)測(cè)出，因此建立有效的數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)污水廠優(yōu)化深度脫水藥劑十分必要。
（2）目前化學(xué)調(diào)理后的脫水污泥性能研究較少，在污泥進(jìn)一步處置過(guò)程中，調(diào)理劑種類、投加量是否具有潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)尚不明確，化學(xué)調(diào)理后的污泥是否能具有更好的資源化特性仍有待進(jìn)一步研究。
（3）隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展、污染類型的多元化，研究新型的絮凝劑仍然具有現(xiàn)實(shí)意義。
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