污泥不同脫水方法的實(shí)驗(yàn)分析及脫水機(jī)理探討
行業(yè)動態(tài)
污泥脫水是污泥減量化的關(guān)鍵與重點(diǎn)，有效地降低污泥含水率有助于污泥的后續(xù)處理。污泥脫水工藝主要包括自然干化和機(jī)械脫水兩方面。目前，污水處理廠廣泛采用機(jī)械脫水，脫水后污泥含水率高達(dá)80%，仍不滿足后續(xù)處置要求，所以出現(xiàn)了很多輔助的手段與技術(shù)，如超聲波、電場、電解、冷凍等，可顯著提高污泥脫水性能，但仍有占地面積大、建設(shè)費(fèi)用及能耗高等問題。
污泥的成分十分復(fù)雜，含有大量有機(jī)質(zhì)、微生物、重金屬等物質(zhì)，污泥中水分脫出的難易程度與污泥的性質(zhì)密切相關(guān)，因此導(dǎo)致污泥中水分很難脫除。影響污泥脫水的因素很多，包括胞外聚合物（EPS）、結(jié)合水含量、污泥顆粒粒徑、有機(jī)質(zhì)含量等。實(shí)際上，無論是何種原因?qū)е铝宋勰嗝撍y，其本質(zhì)都是這些因素的存在改變了污泥中水的存在形式，而污泥脫水的目標(biāo)也是改變污泥中水的存在形式，從而改善污泥脫水性能。但現(xiàn)有研究關(guān)于污泥中水分難以脫除的原因沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。20世紀(jì)60年代，HEUKELEKIAN等提出將污泥中的水分成自由水和結(jié)合水，但這樣簡單的分類顯然難以滿足污泥脫水的研究。TSANG等根據(jù)污泥固體顆粒與水的接觸關(guān)系將污泥中的水分成4類：自由水、間隙水、吸附水、結(jié)合水。但在實(shí)際研究中，缺乏多種水分定量方法，只能采用簡單區(qū)分自由水、結(jié)合水的“二分法”。以上研究對象的雙重標(biāo)準(zhǔn)，造成理論與實(shí)際測量的脫節(jié)。目前對于污泥中水分的存在形式還無法形成統(tǒng)一的認(rèn)識，總體來說，關(guān)于污泥脫水難原因的研究雖然取得了可觀的理論成果。但關(guān)于污泥脫水的微觀機(jī)理分析還不夠深入。湯連生等在前人的基礎(chǔ)上依據(jù)污泥中的水分與固體顆粒、污泥中氣體的接觸關(guān)系和水分脫除難易程度而把污泥中水分重新劃分為4種類型：重力水、封閉水、包裹水和內(nèi)質(zhì)結(jié)合水。
本研究從污泥中水分的存在形式入手，分析污泥中水分的組成，在此基礎(chǔ)上開展理論和宏觀微觀實(shí)驗(yàn)研究，分析污泥脫水特性，并借助光學(xué)顯微鏡和掃面電鏡（SEM），通過對幾種典型脫水后污泥試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察及定量分析，結(jié)合所得結(jié)果分析污泥的脫水特性，探討污泥中水分難以脫除的原因，為解決污泥脫水的問題提供新的思路。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器
實(shí)驗(yàn)所用污泥均取自廣東省廣州市海珠區(qū)瀝滘污水處理廠，呈深黑色，且伴有濃烈的惡臭。實(shí)驗(yàn)所用儀器為：低速大容量離心機(jī)、電子天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱等；實(shí)驗(yàn)所用材料為：美國VISKASE生產(chǎn)的截留分子質(zhì)量為14000Da滲析袋、西隴科學(xué)公司生產(chǎn)的相對分子質(zhì)量20000的聚乙二醇固體顆粒。
1.2 實(shí)驗(yàn)方案
1.2.1 自重脫水實(shí)驗(yàn)
（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備1個塑料管，底面積為6c㎡，塑料管下部包裹1層濾布，倒入25g污泥樣品。塑料管上部和燒杯口均覆塑料膜，分別留1個小孔，既可以減小蒸發(fā)誤差，又可避免水分脫出后塑料管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，影響定量測量。
（2）實(shí)驗(yàn)開始后，每隔15min記錄天平數(shù)值，直至天平數(shù)值維持穩(wěn)定，自重脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄天平結(jié)果。
（3）該實(shí)驗(yàn)共重復(fù)4次，每個時間點(diǎn)的含水率取平均值作為該時間點(diǎn)的含水率。
1.2.2 離心脫水實(shí)驗(yàn)
（1）實(shí)驗(yàn)采用離心管底面積為6c㎡，每個離心管裝入樣品25g，實(shí)驗(yàn)樣品平均離心半徑為20cm。
（2）離心機(jī)轉(zhuǎn)速分別為500、1000、2000、3000、3500、4000、4500、5000r/min，每組共4個樣品，取其平均值作為該組結(jié)果，每次實(shí)驗(yàn)離心時間均采用10min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測定不同轉(zhuǎn)速下污泥的殘余含水率。
1.2.3 鹽溶液滲析脫水實(shí)驗(yàn)
鹽溶液滲析脫水實(shí)際上是一種正滲透過程（FO），是一種常見的物理現(xiàn)象。FO過程實(shí)質(zhì)上就是水分子透過半透膜的過程，即水透過半透膜從滲透壓較低的區(qū)域自發(fā)地出傳遞到滲透壓較高的區(qū)域。
（1）實(shí)驗(yàn)前分別在4個2000mL燒杯中倒入等質(zhì)量的水，根據(jù)TRIPATHY等研究得出的鹽溶液濃度與滲析力關(guān)系，分別加入不同質(zhì)量聚乙二醇固體顆粒，攪拌溶解，配置成吸力值s為0.1、1、4、8MPa的聚乙二醇溶液。
（2）裁剪28個長10cm的滲析袋，加熱煮沸10min，再用蒸餾水清洗表面，消除滲析膜保護(hù)層對實(shí)驗(yàn)影響。
（3）每隔滲析袋中裝25g污泥，趕出滲析袋內(nèi)氣泡，兩端用滲析夾夾緊。平均分為4組，每組7個樣品，浸在4種不同濃度鹽溶液中滲析脫水。
（4）為防止由于水分被析出，導(dǎo)致鹽溶液濃度下降，需要不定時調(diào)節(jié)鹽溶液濃度，確保滲析力始終維持在濃度初始值。實(shí)驗(yàn)開始后每隔2天從每組中取出1個污泥實(shí)樣，取中間部位測定殘余含水率并記錄，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行14天后結(jié)束。該實(shí)驗(yàn)共重復(fù)4次，每個時間點(diǎn)的4個污泥樣品含水率取平均值作為該時間點(diǎn)的含水率，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。
1.2.4 光學(xué)顯微鏡實(shí)驗(yàn)
本次實(shí)驗(yàn)采用的是Olympus生產(chǎn)的BX51P透反偏光顯微鏡。樣品采用原狀污泥及經(jīng)過自重、離心、鹽溶液滲析脫水后的污泥樣品。采用涂片法將污泥樣品均勻地涂布在載玻片上，先后對4種污泥進(jìn)行整體及局部形貌觀察，分析其微觀結(jié)構(gòu)變化，探討污泥在不同脫水方式下的脫水機(jī)理。
1.2.5 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)
本次實(shí)驗(yàn)在ΣIGMATM型掃面電鏡下進(jìn)行，分辨率為1.3nm，放大倍數(shù)為100萬倍。為了對比不同含水率下污泥的微觀結(jié)構(gòu)變化，本次樣品采用原狀污泥及經(jīng)過自重、離心、鹽溶液滲析脫水后污泥的原狀樣品。包括4個步驟。
（1）含水率較低的污泥直接在脫水后的污泥中間取原狀試樣，放入塑料管中，緩慢滑落到底部，放入液氮中冷凍至完全凍結(jié)。
（2）去除冷凍后的污泥，放入凍干儀中抽真空凍干土樣。凍干儀內(nèi)溫度保持-50℃以下，凍干時間24h。使土中水分變成冰后快速升華，完整保留樣品結(jié)構(gòu)，所使用儀器為ALPHA1-2LDplus冷凍干燥機(jī)。
（3）取出凍干污泥后選擇平整斷面作為試樣觀察表面，試樣編號后，用導(dǎo)電膠按順序粘貼在金屬托盤上，再對試樣噴金處理，增大試樣整體導(dǎo)電性。
（4）將處理好的樣品放入掃描電鏡樣品室中，開啟儀器，對污泥樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，放大倍數(shù)為2000倍。
2 結(jié)果與討論
2.1 自重脫水實(shí)驗(yàn)
由污泥的自重脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，污泥的殘余含水率隨著時間增大而不斷下降，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行6h后，基本再無水滴滴落，天平數(shù)值維持穩(wěn)定，此時實(shí)驗(yàn)完成，污泥的殘余含水率由94.50%下降至89.40%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從實(shí)驗(yàn)開始至實(shí)驗(yàn)1h，這段時間內(nèi)斜率趨于直線，下降幅度大；從實(shí)驗(yàn)開始1～3h，污泥殘余含水率下降速度由快變慢，斜率隨時間增加而大幅度減??；從3～6h只有很少的水分流出，污泥含水率變化不明顯。
2.2 離心脫水實(shí)驗(yàn)
總體來看，污泥殘余含水率隨轉(zhuǎn)速增加而大幅度下降，但其下降趨勢逐漸減緩，趨于平穩(wěn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3500r/min后，污泥脫水效率逐漸降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速為4000r/min、5000r/min時，污泥殘余含水率分別為78.15%、77.80%，增加1000r/min的轉(zhuǎn)速，污泥殘余含水率僅僅只降低0.35%。相較于低轉(zhuǎn)速（3500r/min以下），此時提升轉(zhuǎn)速對污泥脫水效果的影響較小。
2.3 鹽溶液滲析脫水實(shí)驗(yàn)
由污泥的鹽溶液滲析脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著鹽溶液濃度和滲析時間的增加，污泥的含水率不斷下降，其中前2天污泥含水率下降快，污泥含水率快速降低至60%左右。但從第3天開始，污泥脫水速率開始緩慢降低，脫水效果已經(jīng)不明顯。從第6天開始至第14天，污泥脫水幾乎停止，達(dá)到滲析脫水的極限，此時鹽溶液滲析脫水實(shí)驗(yàn)完成。常規(guī)的脫水方法大多是利用細(xì)胞破壁技術(shù)，打破污泥絮團(tuán)，改變顆粒大小，進(jìn)而增加排水通道，使水分更容易排水。但在細(xì)胞破壁過程中，大量細(xì)胞質(zhì)及EPS流出，污泥黏滯力增加，致脫水難度也相應(yīng)增加。而鹽溶液滲析法是通過2種溶液的濃度差，使水分由濃度低的一側(cè)穿過透析膜流入濃度高的一側(cè)。實(shí)驗(yàn)過程中，水分平緩轉(zhuǎn)移，污泥顆粒不發(fā)生劇烈化學(xué)變化和破碎分解，因此，污泥的黏度也不斷增加，從而可脫除更多水分，實(shí)現(xiàn)污泥的深度脫水。
2.4 光學(xué)顯微鏡實(shí)驗(yàn)
2.4.1 整體樣貌觀察
原狀污泥中顆粒周圍都是水分，這些水分是具有流動性的，是污泥脫水過程中容易被脫除的，我們稱為重力水。經(jīng)過自重脫水后的污泥表面會有明顯水分，這些水分相對于原狀污泥中重力水總量較少，但仍具有一定流動性，只是排水通道被堵住，無法有效脫除，我們稱為封閉水。經(jīng)過離心脫水后的污泥中能夠明顯看見微裂縫和孔隙，較大孔徑的孔隙形成裂隙。經(jīng)過鹽溶液滲析脫水后的污泥表面沒有自由流動的水分，說明此時重力水和封閉水都已經(jīng)被脫除。并且從表面微生物皺縮形態(tài)可以看出，細(xì)胞內(nèi)部也有部分水分脫出，包裹水可以通過這種脫水方式有效脫出，而離心脫水法不能將其有效地脫出。原因在于：污泥在滲析脫水過程中，整體包在滲析膜內(nèi)后放入鹽溶液中，分布在污泥四周的鹽溶液對污泥顆粒施加擠壓力，促使原本被水分填充的孔隙被壓縮，污泥中的裂隙也由于擠壓力作用重新閉合，包裹水得以排出，水分通過排水通道穿過滲析膜排出后，污泥固體顆粒間距離縮小，因此整體結(jié)構(gòu)被壓密。
2.4.2 局部樣貌觀察
絮團(tuán)和微生物體內(nèi)會保留一部分的水分，這部分水分很難被脫除。污泥由于有機(jī)質(zhì)和微生物這2種物質(zhì)的大量存在，有很大一部分的水分被包裹在絮團(tuán)和微生物體內(nèi)，導(dǎo)致脫水后污泥仍存在大量水分，我們將這部分水分成為包裹水，這也是導(dǎo)致污泥中水分難以脫除的主要原因之一。
污泥在脫水干化過程中，固體顆粒的形狀在不斷發(fā)生改變，造成污泥表面和內(nèi)部原有的排水通道路徑、寬度也在不斷變化，形成了褶皺。這些褶皺是污泥中水分排出的主要路徑，但由于排水通道縱橫交錯連接復(fù)雜，污泥滲流路徑被延長甚至淤堵，污泥中的大量水分不能及時有效地脫除，導(dǎo)致脫水效率下降。
污泥在重力水、封閉水脫除過程中，顆粒間距逐漸靠近，但當(dāng)含水率越來越低后，污泥內(nèi)部會產(chǎn)生大量裂隙，這些裂隙會對污泥原始排水通道產(chǎn)生較大影響。裂隙的出現(xiàn)可能導(dǎo)致排水通道的排水方向發(fā)生改變，延長滲流路徑，使水分更不容易脫除，同時裂隙的產(chǎn)生可能導(dǎo)致排水通道被截?cái)啵直粩r截在裂隙一側(cè)；另一方面，由于污泥中含有大量的有機(jī)微生物、絮團(tuán)等物質(zhì)，部分匯聚儲存在裂隙中的水分會與裂隙周圍的污泥相結(jié)合，被污泥中的有機(jī)質(zhì)包裹吸收，轉(zhuǎn)化成為包裹水。此部分水分由于被包裹在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，不具有有效的排水通道，不能通過自重或者離心脫水而脫除。
2.5 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)
實(shí)際上，土體具備統(tǒng)計(jì)意義上自相似的分形結(jié)構(gòu)特征，所以可采用自相似的方法定量描述復(fù)雜土體的分形特征，從本質(zhì)上展現(xiàn)土體的力學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)對SEM圖像進(jìn)行二值化、去噪等處理，從而將污泥分為白色的顆粒部分和黑色的孔隙部分，采用Scion Image圖像分析軟件對污泥的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量化統(tǒng)計(jì)和分析。圖像的二值化處理采用全局二值化的方法，灰度閾值選擇，根據(jù)能夠清晰反映圖像顆粒、孔隙等結(jié)構(gòu)特征作為標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)SEM圖像及典型的二值化圖像可以看出，原狀污泥的結(jié)構(gòu)十分松散，且孔隙含量、孔徑明顯高于其他3種脫水污泥，而在不同的脫水手段下，污泥結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，不同類型污泥的松散程度是不同的，污泥的結(jié)構(gòu)緊密程度也有所不同。為進(jìn)一步分析污泥結(jié)構(gòu)松散程度與脫水效果的關(guān)系，本研究通過二值化處理后圖像對污泥的孔隙率、孔隙等效直徑進(jìn)行計(jì)算分析。由于孔隙大都呈現(xiàn)形狀不規(guī)則、大小各異的狀態(tài)，在定量分析中，孔隙直徑并不能直接測量，而是通過取相當(dāng)于孔隙面積的圓的直徑，即為等效直徑。
污泥的含水率越低，其孔隙率也隨之下降。不同脫水方式下的污泥孔隙率是不同的，水分脫除越多，污泥的孔隙率也越低，污泥的結(jié)構(gòu)也越緊密。污泥的含水率高低對污泥中孔隙的等效直徑也有一定的影響，主要影響范圍是大于10μm等效直徑的孔隙，污泥中的水分越多，大孔徑百分比越高，污泥脫水的過程也是孔隙粒徑改變的過程，尤其是使用鹽溶液滲析的方法，可以有效將土中直徑大于10μm的孔隙全部轉(zhuǎn)化為更小的孔隙。不同的脫水手段會直接影響污泥中孔隙的大小和形狀，脫水程度越高的脫水手段，脫水后污泥的孔隙率明顯更低、孔徑更小。在脫水過程中，土體的孔隙含量與大小也不同，這說明了污泥的含水率與其孔隙率、孔徑大小等方面存在密不可分的關(guān)系，污泥結(jié)構(gòu)的松散程度是影響其脫水性能的一個重要原因。
因此，隨著水分的排出，污泥整體的體積在不斷下降，排水通道的體積也在不斷壓縮。而較大孔徑的孔隙形成裂隙，將污泥中水分保留在裂隙中，不能有效脫除。此外，裂隙可能阻斷或延長原有排水通道，進(jìn)一步降低污泥脫水效果。這與顯微鏡下觀察到的結(jié)果相一致。相較于常規(guī)的脫水方法，鹽溶液滲析脫水法能降低污泥的孔隙率，使污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，且能有效將污泥中直徑大于10μm的孔隙轉(zhuǎn)化為更小的孔隙，實(shí)現(xiàn)深度脫水的目的。
3 結(jié)論
（1）污泥中水分難以脫除的原因是由污泥自身的物質(zhì)組成、顆粒特征及其與水相互作用導(dǎo)致的，并且與水的存在形式相對應(yīng)。污泥脫水淤堵機(jī)理與污泥的含水率有關(guān)，在不同的脫水階段，水分的存在形式不同，污泥脫水的難易程度也不同。
（2）污泥中絮團(tuán)、微生物、褶皺、裂隙及物質(zhì)成分都會對污泥脫水產(chǎn)生負(fù)面影響。污泥在脫水過程中，結(jié)構(gòu)會變得松散，污泥整體的體積在不斷下降，排水通道的體積也在不斷壓縮。較大孔徑的孔隙形成裂隙，產(chǎn)生的裂隙不僅會延長甚至阻斷污泥原有排水通道，而且會使水分保留在裂隙中，進(jìn)一步降低脫水效率。
（3）不同的脫水方式會影響污泥的微觀結(jié)構(gòu)，包括污泥孔隙大小及形狀等。脫水程度越高的方法，污泥的結(jié)構(gòu)越緊密。相較于常規(guī)的脫水方法，鹽溶液滲析脫水法的脫水效果更好，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)的研究成果，可通過減小污泥內(nèi)部孔隙的方法進(jìn)一步提高污泥的脫水效率，為今后污泥的脫水研究提供一個新的思路。
