城市污水污泥脫水的研究進(jìn)展
行業(yè)動態(tài)
截至2014年3月底，全國累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠3622座，污水處理能力約1.53億m3/d，較2013年底增加約430萬m3/d。污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量也逐年攀升。據(jù)報道，2010年我國污泥（含水率80%）產(chǎn)生量約為2076萬t，2011年超過3000萬t，其中75%～85%未被妥善處理。大多數(shù)污水處理廠利用絮凝劑降低污泥含水率實現(xiàn)初步減容，但未穩(wěn)定化，“重水輕泥”現(xiàn)象嚴(yán)重，對環(huán)境造成二次污染。為了防止剩余污泥污染環(huán)境，必須對剩余污泥進(jìn)行妥善的處置。目前剩余污泥的處置有多種方式，如填埋、焚燒和堆肥等，但無論采用何種方式處置污泥，都必須對污泥進(jìn)行脫水處理，以減小它的體積，便于儲存和運(yùn)輸。污泥脫水已成為污泥處理工藝中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，決定了污泥處理的成本。本文主要介紹了自2006年以來，國內(nèi)外有關(guān)城市污水污泥脫水的研究進(jìn)展。
1 物理方法脫水
1.1 超聲協(xié)同脫水
呂凱等采用超聲波和臭氧處理石化污水處理廠的剩余活性污泥，實驗結(jié)果表明，較佳超聲條件：輸出電壓70V，超聲時間2min；較佳臭氧投加量為0.05g/gSS。在較佳處理條件下，經(jīng)超聲處理過的臭氧化污泥含水率比未超聲處理降低約1%。在傳統(tǒng)的絮凝方法下，再加上超聲和臭氧處理可以使污泥含水率再降低2%以上，絮凝劑用量減少近40%，污泥減量約25%。任占強(qiáng)的研究表明，44W的超聲波對污泥的脫水效果較好，在此頻率超聲波下，當(dāng)超聲時間為90s時，污泥含水率為85%。馬守貴等對3000kg/d含水率在99%以上的剩余活性污泥進(jìn)行了超聲波協(xié)同處理中試研究，結(jié)果表明，經(jīng)超聲波處理后污泥濾餅含水率比未經(jīng)超聲波處理時降低12%，體積減量達(dá)8%，同時減少絮凝劑用量1/3。沈勁鋒等采用超聲波與CPAM聯(lián)合作用的方法處理剩余活性污泥，結(jié)果表明，添加相同比例的CPAM，經(jīng)超聲處理的污泥濾餅含水率要比未經(jīng)超聲處理低約2%，并且使污泥對CPAM的吸附量降至0.5%，節(jié)約CPAM約30%。沈壯志研究了處理時間、電功率、pH和絮凝劑用量對剩余污泥超聲脫水的影響。結(jié)果表明，污泥的脫水應(yīng)在低功率、短時間內(nèi)完成。Jianguo JIang等的研究表明，在體系pH=3的條件下，與相同污泥脫水率的Fenton試劑（Fe2+和H2O2）用量及反應(yīng)時間。當(dāng)超聲頻率為25kHz，能量密度為100W/L時，F(xiàn)e2+、H2O2用量及反應(yīng)時間可分別降低66.7%、75.0%。P . Zhang等的研究表明，155J/g的超聲能量能將污泥沉降時間縮短12h，使污泥沉降效率與添加30mg/L聚丙烯酰胺等效；而大于680J/g的超聲能量會惡化污泥沉降性能。
超聲有助于污泥脫水，主要是因為超聲波的空化效應(yīng)可形成極端的物理和力學(xué)條件，局部可達(dá)5000℃高溫、50MPa高壓以及強(qiáng)大的剪切力。空化泡“內(nèi)爆”產(chǎn)生的所謂“熱點”，能迅速殺死污泥微生物，將微生物細(xì)胞壁擊破，釋放出胞內(nèi)物，使細(xì)胞內(nèi)水分釋放出來。但僅低頻率超聲能改善污泥的脫水性能，高頻率超聲反而會使污泥的脫水性能惡化。
1.2 微波輻射協(xié)同脫水
田禹等在研究微波輻射對污泥脫水性能的影響中發(fā)現(xiàn)，在微波輻射作用下，當(dāng)胞外糖含量介于15.8～16.5mg/gMLSS時，污泥的沉降性及過濾性較好。適宜的微波輻射可明顯改善污泥結(jié)構(gòu)和脫水性，但過量的微波輻射能引起微生物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)大量溢出，進(jìn)而破壞污泥的脫水性能。肖朝倫等分別采用500、400、300W的微波加熱城市污水廠含水率為81.97%的剩余污泥14、18、22min，污泥含水率均降到5%，而污泥在烘箱中連續(xù)加熱30min，含水率仍為76.51%。楊國友等采用生石灰與微波協(xié)同作用對污泥進(jìn)行脫水處理，結(jié)果表明，單獨投加40g/L的生石灰，污泥比阻（SRF）可由原來的4.72×1013m/kg降至1.9×1012m/kg，降低96%；單獨使用微波調(diào)理污泥，在800W功率下輻射100s，SRF由原來的4.72×1013m/kg降至1.28×1013m/kg，降低72.9%；采用生石灰與微波協(xié)同作用，SRF可由原來的4.72×1013m/kg降至9.8×1010m/kg，降低99.8%。微波作用可使污泥中易分解的有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱解，致使污泥完全干化，將生石灰與微波協(xié)同作用，可以強(qiáng)化污泥脫水，并減少了生石灰的用量。
1.3 微波與超聲聯(lián)合脫水
A.M.Yeneneh等對250mL的污泥首先用2450MHz、800W的微波處理3min，再用0.4W/mL的超聲波處理10min，當(dāng)停留時間為17d時，甲烷產(chǎn)量為147mL，明顯高于單獨超聲處理或微波處理的30mL和16mL，總固體含量和揮發(fā)性固體含量分別減少了56.8%和66.8%。A.M.Yeneneh等采用微波（2450MHz，0～1250W，25～260℃）和超聲（20kHz，1W/mL，15～90min）聯(lián)合處理2個消化池污泥（池1：由75%濃縮污泥和25%初沉污泥組成；池2：由25%濃縮污泥和75%初沉污泥組成），結(jié)果表明，總固體去除率分別為25%和20%，揮發(fā)性總固體去除率分別為57.8%和76%，COD去除率分別為37.5%和16.8%，毛細(xì)吸水時間（CST）明顯降低，污泥脫水性能明顯高于單獨微波處理或超聲處理。V.K.Tyagi等在pH=12的強(qiáng)堿性條件下，采用超聲（110204kJ，60min）與微波（0.75W/mL，175℃）聯(lián)合處理剩余污泥，結(jié)果表明，與非強(qiáng)堿性條件相比，CST明顯降低。
2 化學(xué)藥劑調(diào)理脫水
2.1 無機(jī)絮凝劑協(xié)同調(diào)理脫水
劉秉濤等研究了殼聚糖（CTS）與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)合絮凝劑對污泥的脫水效果，結(jié)果表明，PAC復(fù)合CTS對污泥具有非常好的脫水效果，1mL的CTS復(fù)合一定量PAC可使污泥比阻（SRF）降低74.15%，而單獨加入CTS，SRF降低60.8%。鄧偉等研究了PAM-Fe2（SO4）3復(fù)合調(diào)理劑對活性污泥脫水性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合調(diào)理劑對污泥的脫水效果比單一調(diào)理劑要好，且達(dá)到相同脫水效果時，PAM和Fe2（SO4）3復(fù)配時的用量比單獨使用時減少一半以上。復(fù)合調(diào)理劑的較佳用量：PAM1000mg/L，F(xiàn)e2（SO4）3500mg/L。劉鵬等分別以FeCl3、Fenton試劑和骨架構(gòu)建體生石灰、褐煤煤粉（CF）為原料制備污泥調(diào)理劑，研究了其對污泥脫水及干化性能的影響。結(jié)果表明，以FeCl3+CaO和H2SO4+FeSO4+H2O2+CaO作為調(diào)理劑的污泥干化效果明顯優(yōu)于以FeCl3+CaO+CF和H2SO4+FeSO4+H2O2+CaO+CF作為污泥調(diào)理劑。冀海壯等研究了高鐵酸鉀預(yù)處理對活性污泥脫水性能的影響，研究表明，當(dāng)高鐵酸鉀投加量＞0.004g/gSS時，隨著高鐵酸鉀投加量的增加，污泥的SVI隨之下降，泥餅含固率隨之增加。王彩霞等進(jìn)行了過氧乙酰（PAA）和亞鐵聯(lián)用調(diào)質(zhì)強(qiáng)化活性污泥過濾脫水性能的研究。結(jié)果表明，加入的Fe2+會與PAA解離后產(chǎn)生的H2O2形成Fenton氧化體系，從而可有效氧化裂解污泥，降解EPS中的蛋白質(zhì)和多糖，促使其中結(jié)合水的釋放。當(dāng)n（Fe2+）：n（H2O2）=2:1，PAA投加量為0.1g/gTSS時，污泥脫水性能達(dá)到較佳。
Kun Luo等研究發(fā)現(xiàn)，酶促厭氧消化后污泥脫水性能顯著惡化，CST可由原污泥的33.4s增加至80.0s。但若在厭氧消化前加入0.10g/gTS的CaCl2，CST可由原污泥的83.9s降至27.6s，污泥脫水性能得到明顯改善。Danhui Xin等采用鈣鋁石（12CaO·7Al2O3）與硫鋁酸鹽（Ca3Al6O12·CaSO4）合成黏結(jié)劑對剩余污泥進(jìn)行填埋前的深度脫水研究。研究表明，當(dāng)鈣鋁石與硫鋁酸鹽的質(zhì)量比為2:3時，其對SBR和A2O工藝污泥均具有較好的脫水效果，可使污泥試樣的含水率分別由73.64%和72.49%降至36%和40%。周宏倉等采用生石灰處理活性污泥，結(jié)果表明，當(dāng)CaO和污泥的質(zhì)量比達(dá)到1:5時，污泥可以達(dá)到完全脫水。Li Yu等研究發(fā)現(xiàn)，CaO能夠改善污泥脫水性能是因為CaO溶解不僅能釋放熱量，而且可使pH升高至8.85±0.06，破壞了污泥的絮凝結(jié)構(gòu)，同時污泥可壓縮性也得到提高。J.E.Lee等的研究表明，當(dāng)添加污泥干重30%的飛灰時，泥餅含水率和SRF分別為66.2%和1.3×1014m/kg；當(dāng)添加污泥干重50%的飛灰時，泥餅含水率和SRF分別可達(dá)29.4%和4.2×1013m/kg。
盡管無機(jī)絮凝劑能降低污泥的含水率，但無機(jī)絮凝劑會產(chǎn)生二次污染，毒害水生生物、植物和微生物，鐵系絮凝劑還會腐蝕金屬，使其應(yīng)用受到很大限制。生石灰的加入，不但可提高污泥的固體含量，而且可提高污泥的溫度，同時可增加污泥的堿度，使致病菌和微生物減少，從而實現(xiàn)了污泥的無害化處理。但有待解決石灰的適宜用量范圍，以使剩余污泥更利于資源化利用。
2.2 有機(jī)絮凝劑協(xié)同調(diào)理脫水
吳幼權(quán)等以自制的殼聚糖衍生物（CAM）與陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）為原料制備了復(fù)合絮凝劑CAM-CPAM，并考察了該復(fù)合絮凝劑對污泥的脫水性能。結(jié)果表明，當(dāng)其投加量為30mg/L時，污泥脫水率可達(dá)90%以上，沉降速率可達(dá)0.55cm/s，濾液濁度＜8NTU，透光率＞85%。李婷等通過研究發(fā)現(xiàn)，CPAM的投加量對污泥的脫水性能和理化性質(zhì)均可產(chǎn)生明顯的影響，CPAM的較佳用量為4.28～7.13g/kg，此條件下，CST與SRF值分別為（12.62±1.39）s、5.6×1011m/kg，污泥離心上清液中膠體的Zeta電位為正值。劉宏偉等采用PAC+CPAM復(fù)合調(diào)理劑對煉油廠剩余活性污泥進(jìn)行脫水處理，結(jié)果表明，當(dāng)PAC、CAPM投加量分別為200、25mg/L，溫度為40℃，污泥初始pH為8～10時，在一定的攪拌強(qiáng)度和時間下，泥餅含水率可達(dá)到低于81.63%。牛禮躍等的研究表明，PAC與陰離子PAM復(fù)配使用可使污泥SV30小于只投加PAC時的SV30，但仍大于原液的SV30，且PAC投加量越大，SV30越大，污泥沉降性能越差。趙旭德等研究了PAC、陽離子PAM、陰離子PAM和非離子PAM等4種高分子絮凝劑用量對污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)絮凝劑投加量在90～110mg/L時，污泥含水率均可降至70%。鄭立慶等以丙烯酰胺為有機(jī)單體、過硫酸鉀為引發(fā)劑合成了改性PAM，并考察了改性PAM對污泥的調(diào)理效果。結(jié)果表明，在每1000kg干污泥投加216kg改性PAM的條件下，污泥含水率可由94.13%降至80.11%，SRF可由1.24×1013m/kg降至1.05×1011m/kg。
Huan Li等的研究表明，當(dāng)CPAM投加量為10～30mg/L時，含水率為95%～98%的剩余污泥的濁度和泥餅含水率顯著下降，有機(jī)物含量僅為40%，與未處理剩余污泥相比，真空過濾后的污泥脫水性能明顯改善。J.Kim等的研究表明，當(dāng)剩余污泥中分別加入1.6mgAl2（SO4）3/gTS和0.01mgPAM/gTS時，CST可由138s降至118s，污泥脫水性能得到改善，且泥餅中揮發(fā)性有機(jī)硫顯著降低。Hong Chen等向經(jīng)酸/堿處理后的濃縮污泥中加入表面活性劑十二烷基二甲基芐基氯化銨（DDBAC）進(jìn)行脫水處理。結(jié)果表明，當(dāng)pH=4.84，DDBAC投加量為75mg/g，攪拌時間為20min時，脫水污泥的含水率低至58.12%，SRF為5.15×1012m/kg。Ying Huang等開發(fā)了以FeCl3·6H2O、Ca（OH）2、Fe2（SO4）3和PAM為主要成分的復(fù)合調(diào)理劑，并考察了該復(fù)合調(diào)理劑對污泥的調(diào)理效果。結(jié)果表明，當(dāng)Fe2（SO4）3投加量為9%DS，PAM投加量為0.2%DS時，污泥含水率低至53.5%。而單獨加入0.2%DS的PAM時，污泥含水率高達(dá)76.2%。Junyuan Guo等研究了MBFGA1和P（AM-DMC）復(fù)合調(diào)理劑的污泥脫水性能。結(jié)果表明，當(dāng)MBFGA1投加量為1.4g/L，P（AM-DMC）投加量為0.13g/L，CaCl2投加量為56.1mg/L，pH為7.5，攪拌速度為149r/min時，DS和SRF分別為29.9%和2.2×1012m/kg，污泥脫水性能優(yōu)于使用FeCl3、Al2（SO4）3和PAC。黃振等制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的CPAM水分散乳液，并將其用于污泥的脫水處理。結(jié)果表明，當(dāng)其投加量為濕泥總量的0.005%～0.01%時，上清液濁度去除率達(dá)96%，濾餅含水率降至68%。
PAM系有機(jī)高分子絮凝劑，其在對污泥進(jìn)行脫水處理過程中會部分水解成丙烯酸和有機(jī)胺等有毒單體，產(chǎn)生二次污染，而且絮凝后污泥中含有的PAM有機(jī)高分子不利于污泥的處置和污泥堆肥資源化利用。
3 微生物絮凝劑調(diào)理脫水
劉杰偉等研究了克雷伯氏菌M-C11生物絮凝劑的污泥脫水性能。結(jié)果表明，當(dāng)污泥pH=6時，向25mL待測污泥中加入3mLM-C11和4mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CaCl2調(diào)理后，SRF和污泥含水率分別由原泥的1.164×1013m/kg、98.86%降至4.66×1012m/kg、83.74%，污泥脫水效果明顯優(yōu)于Al2（SO4）3、PAC等無機(jī)絮凝劑。楊麒等考察了生物表面活性劑鼠李糖脂與溴化十六烷基三甲銨（CTAB）復(fù)配對活性污泥的脫水效果。研究表明，與原污泥相比，當(dāng)鼠李糖脂投加量為0.1g/g時，離心脫水污泥和過濾泥餅的含水率分別下降了2.4%和10.8%。Chaohong Shi等用天然酸性礦山排水（AMD）富集和馴化菌群，并將6種菌群接種于新鮮城市污水污泥。結(jié)果表明，由于AMD中土著鐵細(xì)菌/硫細(xì)菌的協(xié)同作用導(dǎo)致污泥絮體結(jié)構(gòu)改變，Cu、Zn和Cd的生物浸出率（12d）分別為81%～91%、87%～93%和81%～89%，離心污泥脫水率（12d）從73%增加至90%。
朱建平等在自然條件（-19～-13℃）下分別對Ca（OH）2和NaOH作為堿試劑的發(fā)酵污泥進(jìn)行了凍融處理。結(jié)果表明，凍融對堿性發(fā)酵污泥能起到較好的調(diào)理效果。對Ca（OH）2作為堿試劑的發(fā)酵污泥，在自然條件下經(jīng)6h凍融，CST由101.5s下降至21.4s，下降約80%；對NaOH作為堿試劑的發(fā)酵污泥，在自然條件下凍融24h，CST由1058.6s下降至84.7s，下降約91.99%，均取得了良好的脫水效果。A.H.Molla等采用從IWK污水污泥泥餅中分離出來的絲狀真菌凍土毛霉屬，在適宜條件下制備了真菌肉湯制劑用于處理IWK污水污泥。結(jié)果表明，當(dāng)處理時間為4～5d時，污泥的總固體（TS）、總懸浮固體（TSS）和濁度均有顯著降低。
王學(xué)川等研究發(fā)現(xiàn)，采用陽離子膠原蛋白絮凝劑（PCDMC）調(diào)理污泥，PCDMC的投加量、攪拌速度以及污泥溫度和污泥酸堿度等對污泥絮凝脫水效果均有影響。在一定條件下，經(jīng)PCDMC調(diào)質(zhì)后污泥含水率可由98.72%降低至75.63%。張磊等采用中性纖維素酶和中性蛋白酶對污泥進(jìn)行預(yù)調(diào)理，結(jié)果表明，當(dāng)生物酶用量為1%DS時，CST和污泥抽濾后的含水率均變化明顯。張娜等采用醬油曲霉產(chǎn)生的微生物絮凝劑（MBF）作為污泥絮凝脫水劑，對城市污水處理廠濃縮污泥進(jìn)行調(diào)理脫水。結(jié)果表明，當(dāng)MBF投加體積分?jǐn)?shù)為6%～8%，污泥溫度為28～32℃，pH為6～7時，污泥離心脫水率為82.7%，濾餅含水率為77.3%，污泥脫水后體積減至1/5。
微生物絮凝劑是由微生物產(chǎn)生的具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物，主要成分為蛋白質(zhì)、多糖類、酮酸聚合物等，其可使水中不易沉降的懸浮微粒、菌體細(xì)胞等凝聚成高分子物質(zhì)而沉降。但溫度、pH、營養(yǎng)等因素會影響微生物的活性，進(jìn)而影響其對污泥的脫水性能。
4 結(jié)語
剩余污泥的減量化和資源化是目前急需解決的關(guān)鍵問題，大部分無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑對環(huán)境均會產(chǎn)生二次污染，限制了污泥的資源化利用。生石灰和粉煤灰雖然能降低剩余污泥中的含水率，且不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，但是投加量往往太高，容易造成泥餅增容。而無毒無害的微生物絮凝劑的使用受溫度、pH等環(huán)境因素的影響較大。采用超聲或微波等物理方法脫水雖然污泥脫水率明顯降低，但操作條件苛刻。因此，尋找對環(huán)境無二次污染、不造成泥餅增容、有利于資源化利用且易于操作的污泥脫水調(diào)理劑是未來的研究方向。
