污泥脫水研究現(xiàn)狀與新認(rèn)識(shí)
行業(yè)動(dòng)態(tài)
隨著各國(guó)對(duì)污水治理的日益重視和城市污水處理廠不斷新建，污泥的產(chǎn)量不斷地增長(zhǎng)，污泥的快速有效處理已經(jīng)刻不容緩。污泥具有含水率高、含有大量病原體和微生物等有害生物、重金屬及有機(jī)物含量高等特點(diǎn)，若在排放前不經(jīng)處理，則會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。通常情況下，污泥處理所需費(fèi)用高達(dá)整個(gè)污水治理廠建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用的50%～60%，因此，污泥的處理面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
污泥的處理原則是實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化。其中，污泥減量化無疑是污泥后續(xù)處理的關(guān)鍵及污泥處置的重點(diǎn)。污泥減量化可有兩種途徑，一是減少污泥中有機(jī)物的含量，二是降低污泥的含水率。無論從技術(shù)還是資金方面來說，第二個(gè)途徑較第一個(gè)途徑簡(jiǎn)單易行，容易實(shí)現(xiàn)。污泥脫水的目的是除去污泥中大量的水分，從而縮小其體積，減輕其重量，以利于污泥的運(yùn)輸和進(jìn)一步處理。有研究顯示，如果將污泥含水率從99.3%左右降到60%～80%，其體積可降至原體積的1/10～1/15，大大地減少了污泥外運(yùn)的費(fèi)用及進(jìn)一步處理時(shí)產(chǎn)生的滲濾液量。時(shí)至今日，雖然污泥脫水理論和技術(shù)都取得了較大發(fā)展，但污泥脫水仍然是污水治理工程所面臨的一大技術(shù)性難題。
本文從理論和技術(shù)2個(gè)方面歸納總結(jié)污泥脫水的發(fā)展特點(diǎn)和存在的問題，從排水通道的角度重點(diǎn)分析了污泥脫水的微觀過程，認(rèn)為污泥脫水的微觀研究不能將污泥固體顆粒與水分割開來，而應(yīng)該以排水通道為“紐帶”將之視為一個(gè)整體，污泥脫水的微觀研究應(yīng)該注重從排水通道的角度去分析其淤堵機(jī)理。隨后著重介紹了國(guó)內(nèi)外污水處理廠的污泥脫水現(xiàn)狀，并基于多場(chǎng)聯(lián)合作用闡明污泥脫水的本質(zhì)、理論核心及技術(shù)核心，總結(jié)了污泥脫水現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上指出未來的研究與發(fā)展方向。
1 污泥脫水理論及技術(shù)研究
污泥的脫水是一個(gè)固-液分離過程，其基礎(chǔ)理論是在過濾、滲透、沉積等理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。污泥脫水的理論研究始于20世紀(jì)30年代。20世紀(jì)30-60年代，污泥脫水的理論研究主要在于基本理論的創(chuàng)立，具體表現(xiàn)為基本概念的提出、脫水模型的建立和修正。Cogger和Merker意識(shí)到只依靠機(jī)械外力脫水污泥難度大且效果不理想，提出了助濾的概念。后來出現(xiàn)的絮凝脫水、超聲波脫水、電滲析脫水等技術(shù)，本質(zhì)上都屬于助濾的范疇。
20世紀(jì)70-90年代，學(xué)者們逐漸將研究焦點(diǎn)從脫水模型轉(zhuǎn)向污泥的物理化學(xué)性質(zhì)，并在物性分析的基礎(chǔ)上探討污泥脫水性能的影響因素，同時(shí)污泥調(diào)理改性技術(shù)開始發(fā)展。污泥的物理化學(xué)性質(zhì)如固體顆粒的尺寸、形狀、成分等受到了廣泛關(guān)注。在污泥物性研究基礎(chǔ)上，基于物理、化學(xué)及生物的污泥調(diào)理改性技術(shù)開始發(fā)展。但該時(shí)期的污泥調(diào)理改性研究停留在追求污泥脫水性能及效率在宏觀上的改善，缺乏微觀尺度上的調(diào)理改性機(jī)理分析。
20世紀(jì)90年代開始，在污泥調(diào)理改性技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，電滲技術(shù)、絮凝技術(shù)和超聲波技術(shù)等受到關(guān)注。機(jī)械脫水替代自然干化成為污水治理廠的主要脫水技術(shù)，但由于傳統(tǒng)的機(jī)械脫水方法效果不理想，新技術(shù)又有諸多缺陷不能及時(shí)克服，不少學(xué)者試圖從微觀尺度去解決難題，污泥中水的研究越發(fā)受到重視。
實(shí)際上，早在1956年，Heukele Kian和Weinberg就提出將污泥中的水分成自由水和結(jié)合水2種，但這樣簡(jiǎn)單的分類顯然不能滿足污泥脫水的研究。Tsang等人根據(jù)污泥固體顆粒與水的接觸關(guān)系將污泥中的水分成自由水、間隙水、吸附水和結(jié)合水4類。
在接下來的20年中，許多學(xué)者對(duì)污泥中的水進(jìn)行了一系列理論及測(cè)試手段的研究，取得了大量成果，概況為幾個(gè)方面：污泥中水的分布特性，結(jié)合水含量測(cè)試技術(shù)，結(jié)合水對(duì)污泥脫水性能影響?；谇叭岁P(guān)于污泥中結(jié)合水的研究，一些學(xué)者以結(jié)合水為“橋梁”來改善污泥脫水性能，取得了良好效果。
污泥的脫水與軟土的固結(jié)排水在本質(zhì)上有異曲同工之處，已有人關(guān)注到軟土固結(jié)排水過程中其微觀結(jié)果的變化特征，而在污泥中此類研究還處于空白，從而導(dǎo)致對(duì)污泥脫水及其淤堵機(jī)理理解不夠深入，這也是真空預(yù)壓法廣泛應(yīng)用于軟土地基處理，而極少用于污泥脫水的原因。實(shí)際上，污泥脫水是一個(gè)污泥中的水在外力驅(qū)動(dòng)下克服淤堵從排水通道排出的過程。
隨污泥脫水的進(jìn)行（階段1→階段2→階段3），自由水不斷排出，同時(shí)排水通道也在不斷變化，相應(yīng)地，每個(gè)階段的淤堵機(jī)制也不一樣。階段1：排出的水主要為自由水，顆粒之間呈連通狀態(tài)的自由水作為排水通道；階段2：顆粒之間的自由水不再相互連通，排水通道的形成需要突破結(jié)合水的束縛，脫水難度較階段1增大，該階段有少量的結(jié)合水隨自由水排出；階段3：污泥中只剩下結(jié)合水，結(jié)合水的排出不僅要克服自身的束縛，還受固體顆粒的影響。雖然實(shí)際情況并不能完全由上述的簡(jiǎn)化模型說明，但該模型表明污泥脫水的微觀研究不能將固體顆粒和水分隔開來，而應(yīng)該以排水通道為“紐帶”將之視為一個(gè)整體。
目前，研究者們往往將焦點(diǎn)集中在污泥絮體的特征、水的分布特征及含量測(cè)試、通過污泥調(diào)理改性手段降低結(jié)合水的含量等，缺乏對(duì)污泥脫水過程中污泥顆粒和水（尤其是結(jié)合水）的整體微觀分析及脫水機(jī)理探討，如脫水過程中排水通道的變化、脫水過程中的淤堵機(jī)理及改善途徑等。導(dǎo)致許多學(xué)者在研發(fā)新型脫水技術(shù)或設(shè)備時(shí)，往往只注重宏觀上的脫水程度和脫水效率，缺乏基于污泥中固體顆粒與水微觀分析的淤堵機(jī)理研究，沒有從本質(zhì)上解決污泥脫水難的問題。
進(jìn)入21世紀(jì)后，圍繞“污泥深度脫水”這一主題，機(jī)械脫水技術(shù)得到不斷完善和改進(jìn)，電滲脫水技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，基于物理、化學(xué)及生物技術(shù)的污泥調(diào)理改性手段成為研究熱點(diǎn)。在該時(shí)期，多技術(shù)的聯(lián)合使用受到關(guān)注，形成了許多以機(jī)械脫水為核心的多手段聯(lián)合技術(shù)。
Mahmoud等人在室內(nèi)污泥機(jī)械脫水裝置上施加電場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于電場(chǎng)的作用，污泥中水分的去除率提高了10%～24%。Marcin和Bien等人研究了電磁場(chǎng)和化學(xué)調(diào)理后污泥的脫水性能，結(jié)果表明，二者聯(lián)合調(diào)理污泥的效果要優(yōu)于單獨(dú)調(diào)理，說明磁場(chǎng)對(duì)污泥脫水性能有改善。Stolarski等人則利用濾餅?zāi)Ｐ蛷睦碚撋戏治隽舜艌?chǎng)和壓濾改善固-液分離效果的機(jī)理，并指出磁場(chǎng)增強(qiáng)壓濾這一技術(shù)具有很大的應(yīng)用潛力。
國(guó)內(nèi)一些學(xué)者研究了不同污泥調(diào)理改性技術(shù)的聯(lián)合使用，如超聲波與絮凝劑、冷融調(diào)理與化學(xué)調(diào)理等。鄧立新利用真空桶對(duì)污泥進(jìn)行脫水，并在污泥周圍和中部分別安置放電電極以形成環(huán)形電場(chǎng)，初步論證了真空預(yù)壓聯(lián)合電滲脫水污泥的優(yōu)勢(shì)。
湯連生等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)出真空預(yù)壓聯(lián)合電滲的雙池式脫水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“內(nèi)池脫水，外池排水”。整個(gè)脫水裝置分為內(nèi)池和外池2個(gè)部分，外池底部設(shè)有排水口用于連接真空泵和排水，高出內(nèi)池的部分用作系統(tǒng)密封，在內(nèi)池底部和側(cè)壁安置網(wǎng)狀放電電極，同時(shí)在4個(gè)側(cè)壁上設(shè)計(jì)“上大下小”的脫水口（其位置和大小與放電電極相對(duì)應(yīng)），該系統(tǒng)通過改變放電電極的接入方式，實(shí)現(xiàn)電流場(chǎng)和滲流場(chǎng)的改變，從而使得污泥脫水更徹底。再者，側(cè)壁脫水口“上大下小”的設(shè)計(jì)方式充分利用了污泥的自重濃縮脫水，同時(shí)避免脫水口處濾布受力不均的情況。
隨后湯連生及其研究團(tuán)隊(duì)將熱水解脫水和閃蒸技術(shù)聯(lián)合，也取得了不錯(cuò)的效果。但在脫水設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化上存在不足。總體上講，污泥脫水的多技術(shù)聯(lián)合使用本質(zhì)上屬于多場(chǎng)的聯(lián)合作用，已取得突破性進(jìn)展，但是，其脫水系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)方面目前還處于進(jìn)一步探索和優(yōu)化階段。
概括來說，污泥脫水理論及技術(shù)的研究大致經(jīng)歷這樣的發(fā)展趨勢(shì)：從理論脫水模型到實(shí)際脫水設(shè)備、從宏觀脫水效率到微觀機(jī)理分析、從污泥物性影響脫水性能分析到污泥調(diào)理改性研究、從單一技術(shù)到多技術(shù)的聯(lián)合。雖然取得了可觀的理論成果，但缺乏與污泥的脫水實(shí)踐聯(lián)系，污水處理廠廣泛采用的機(jī)械脫水方式已經(jīng)無法滿足更有效的污泥處置方式，新型技術(shù)雖然具有很好的應(yīng)用前景，由于種種原因還未能得到廣泛應(yīng)用。
2 污水處理廠污泥脫水現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代以前，各國(guó)都不太注重污泥的處理，污泥脫水主要采用自然干化。隨著城市化的發(fā)展，污泥產(chǎn)量劇增，各國(guó)開始重視污泥的脫水處理，機(jī)械脫水逐漸代替自然干化成為主要的污泥脫水方式。近年來，污泥處理與處置過程中環(huán)境問題的凸顯和對(duì)低成本低能耗的追求，各國(guó)愈發(fā)注重污泥的減量化和穩(wěn)定化，這無疑對(duì)污泥脫水提出了更高的要求。
然而，污泥脫水實(shí)踐遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論研究，進(jìn)入21世紀(jì)以后，這種現(xiàn)象異常明顯。雖然各國(guó)的污水處理廠均設(shè)置了較為完善的污泥脫水設(shè)施，擺脫了初期的干化場(chǎng)和干化塘，但機(jī)械脫水仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，污泥的成分、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接進(jìn)行機(jī)械脫水往往達(dá)不到預(yù)期的處理效果。雖然電滲脫水、超聲波脫水和絮凝脫水等新技術(shù)已經(jīng)得到論證，但是由于造價(jià)和實(shí)施不便等原因沒能廣泛推廣運(yùn)用，并且我國(guó)污泥處置起步較晚，無論是制度還是技術(shù)都落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。
在國(guó)內(nèi)，污泥脫水主要存在以下問題：
（1）重水輕泥。我國(guó)污水工程發(fā)展過程中長(zhǎng)期存在“重水輕泥”的情況。大部分污水處理廠缺乏快速有效的污泥脫水設(shè)備，僅僅將污泥進(jìn)行簡(jiǎn)單濃縮處理后便外運(yùn)，并未達(dá)到減量化、穩(wěn)定化要求。
（2）脫水效率低，深度脫水工藝過于復(fù)雜。工程實(shí)踐已經(jīng)表明，傳統(tǒng)的機(jī)械脫水已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足脫水要求，新型脫水技術(shù)（熱水解、超聲波、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等）的引進(jìn)有需要污水處理廠支付高昂的費(fèi)用，且操作復(fù)雜。然而，企業(yè)化經(jīng)營(yíng)模式導(dǎo)致追求較大的經(jīng)濟(jì)效益成為污水處理廠的根本目的。污泥脫水現(xiàn)狀與污泥脫水要求之間存在很大差距，所以利用低成本、廣泛運(yùn)用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效脫水污泥將是未來城市污泥脫水的有效出路。
（3）污水處理分布化與污泥處理集約化矛盾加深，實(shí)現(xiàn)污泥的快速有效脫水迫在眉睫。
胡維杰從工藝銜接的角度指出污泥處理與污水處理應(yīng)為一個(gè)有機(jī)的整體。實(shí)際上，無論在效率還是模式上都應(yīng)該注重污泥處理與污水處理的有效銜接。首先，污水處理效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于污泥處理，通常情況下，污水處理只需要短短數(shù)小時(shí)，而污泥處理則耗時(shí)幾天，甚至幾個(gè)星期。所以，污水處理和污泥處理是隔離開的。其次，隨著污水處理廠的小型化和分布化，單個(gè)污水處理廠產(chǎn)生的污泥將相應(yīng)減少，污泥集約化處理模式成為首要選擇。這就需要在污水處理廠引入快速有效的脫水技術(shù)，以達(dá)到降低污水處理廠運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)又滿足污泥減量化、穩(wěn)定化的要求。
縱觀國(guó)內(nèi)外污水處理廠的污泥脫水現(xiàn)狀，可以得知污泥脫水的生產(chǎn)實(shí)踐遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論研究，主要由以下2個(gè)原因?qū)е拢?/span>
（1）理論研究往往集中在脫水效率、環(huán)保等方面，缺乏考慮技術(shù)成本和能耗，而污水處理廠的企業(yè)化運(yùn)作模式導(dǎo)致許多企業(yè)忽視污泥治理，更別說污泥脫水了，導(dǎo)致一些看似完美的技術(shù)淪為空談。
（2）許多污泥脫水技術(shù)雖然可行，但大多局限于理論分析和模型實(shí)驗(yàn)論證，很少結(jié)合污水處理廠的污泥脫水需求開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。
3 多場(chǎng)聯(lián)合作用
污水處理廠處理污泥的典型流程是：污泥→預(yù)濃縮池→機(jī)械濃縮→機(jī)械脫水→泥餅。無論選用何種脫水技術(shù)，污泥脫水的本質(zhì)就是通過特定的脫水設(shè)備實(shí)現(xiàn)固-液分離，在高含水率的濃縮污泥上施加作用場(chǎng)以得到低含水率的目標(biāo)污泥。
污泥脫水的理論核心是作用場(chǎng)之間以及作用場(chǎng)與污泥之間的相互作用，其技術(shù)核心是合理高效的脫水設(shè)備。從上述污泥脫水研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)理論核心的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過技術(shù)核心。
目前，用于污泥脫水的作用場(chǎng)主要包括應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)和磁場(chǎng)等。在以上作用場(chǎng)中，應(yīng)力場(chǎng)在現(xiàn)有污泥脫水技術(shù)中處于核心地位，而溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)及磁場(chǎng)多處于輔助地位，其中化學(xué)場(chǎng)和磁場(chǎng)常應(yīng)用于污泥深度脫水的預(yù)處理階段。應(yīng)力場(chǎng)具有獲取容易、實(shí)施簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，也是人們?cè)嫉拿撍k法，例如污泥在自重下排水固結(jié)（重力濃縮）、機(jī)械脫水等屬于應(yīng)力場(chǎng)的作用，而污泥自然干化則屬于溫度場(chǎng)的作用，電場(chǎng)作用脫水則是過去20年研究較多的技術(shù)。但在單一場(chǎng)作用下污泥的脫水效率太低，無論是脫水時(shí)間還是脫水效果，往往不能滿足污水處理廠的實(shí)際生產(chǎn)需求，這就需要應(yīng)力場(chǎng)與其他作用場(chǎng)的聯(lián)合作用。
然而，現(xiàn)有理論、實(shí)驗(yàn)研究多集中于不同技術(shù)的聯(lián)合使用，而對(duì)場(chǎng)與場(chǎng)的相互作用缺乏更透徹的理解，污泥脫水過程中多場(chǎng)的耦合作用研究幾乎處于空白，所以未來污泥脫水研究的關(guān)鍵在于如何創(chuàng)新脫水設(shè)備以充分發(fā)揮各個(gè)作用場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。并且許多研究成果還停留在理論上的可行性，缺乏與污泥脫水實(shí)踐結(jié)合，也很少注重基于理論的污泥脫水設(shè)備研發(fā)與創(chuàng)新。
4 結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過不斷發(fā)展，污泥脫水已經(jīng)擺脫了早期的自然干化，在理論及技術(shù)上都取得了較大的進(jìn)步，機(jī)械脫水不斷完善，電滲技術(shù)、絮凝技術(shù)、超聲波技術(shù)及其他污泥調(diào)理改性手段受到廣泛關(guān)注和研究。由于成本、施工等因素，目前國(guó)內(nèi)外污水處理廠的污泥脫水方式仍以機(jī)械脫水為主。但機(jī)械脫水無法滿足更有效的污泥處置。所以，污泥脫水研究的重要內(nèi)容就是要改變“脫水實(shí)踐嚴(yán)重落后于理論研究”這一現(xiàn)狀。
無論選取何種脫水技術(shù)和設(shè)備，污泥脫水的目的是實(shí)現(xiàn)污泥的減量化，其本質(zhì)是通過特定的脫水設(shè)備實(shí)現(xiàn)固-液分離，在高含水率的濃縮污泥上施加作用場(chǎng)以得到低含水率的目標(biāo)污泥。脫水過程的理論核心是作用場(chǎng)之間以及作用場(chǎng)與污泥之間的相互作用，其技術(shù)核心是合理高效的脫水設(shè)備。已有的污泥脫水理論和實(shí)驗(yàn)研究多集中在多技術(shù)的聯(lián)合使用，而缺乏對(duì)污泥脫水過程中多場(chǎng)的相互作用進(jìn)行透徹的分析，并且現(xiàn)有研究對(duì)污泥脫水理論研究的重視程度遠(yuǎn)超過脫水設(shè)備的研發(fā)。所以未來污泥脫水的關(guān)鍵是基于多場(chǎng)聯(lián)合理論創(chuàng)新污泥脫水設(shè)備以充分發(fā)揮各個(gè)作用場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)有污泥脫水理論研究多集中于追求宏觀上的脫水效率，而對(duì)污泥脫水的微觀機(jī)理分析不夠透徹，從而導(dǎo)致不能從本質(zhì)上解決污泥脫水難的問題。實(shí)際上，污泥脫水是水在外力驅(qū)動(dòng)下克服淤堵從排水通道排出的過程，隨著脫水過程的進(jìn)行，排水通過及相應(yīng)的淤堵機(jī)制都會(huì)發(fā)生變化，所以污泥脫水的微觀研究應(yīng)該注重從排水通道的角度分析其淤堵機(jī)理，這也是污泥脫水未來的重要研究方向。
污泥脫水理論及技術(shù)經(jīng)歷了從理論脫水模型到實(shí)際脫水設(shè)備、宏觀脫水效率到微觀機(jī)理分析、污泥物性影響脫水性能分析到污泥調(diào)理改性研究、單一技術(shù)到多技術(shù)聯(lián)合使用的發(fā)展，取得了大量研究成果。實(shí)踐已經(jīng)證明，單一技術(shù)或設(shè)備無法滿足生產(chǎn)的要求，多技術(shù)的聯(lián)合使用已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)?？傮w上講，多技術(shù)聯(lián)合使用本質(zhì)上屬于多場(chǎng)的聯(lián)合作用，已取得突破性進(jìn)展，但是，其脫水系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)方面目前還處于進(jìn)一步探索和優(yōu)化階段。
由于成本、施工等因素，因此污水處理廠的污泥脫水實(shí)踐嚴(yán)重落后于理論研究，還存在“重水輕泥”、脫水效率低下等問題。從而導(dǎo)致許多新型污泥脫水技術(shù)淪為空談，所以利用低成本的、廣泛運(yùn)用的技術(shù)高效脫水污泥將是城市污泥脫水實(shí)踐的有效出路，而如何實(shí)現(xiàn)新型技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化成為未來污泥脫水研究的重中之重。
污水處理分布化與污泥處理集約化矛盾日益加深，如何在污水處理廠引入快速有效的污泥脫水技術(shù)亟待解決。
