污泥自身特性及主要脫水手段簡(jiǎn)介
行業(yè)動(dòng)態(tài)
近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快及人口的增長(zhǎng)，城市污水處理率逐年提高，污泥產(chǎn)量也急劇增加，對(duì)污泥的處理已經(jīng)成為一個(gè)極大的問(wèn)題，如何迅速恰當(dāng)處置污泥迫在眉睫。污泥的成分非常復(fù)雜，除了含有大量水分外，還含有多種病原體、重金屬、難降解的有機(jī)物等有害物質(zhì)，且伴有惡臭等特點(diǎn)。如果未經(jīng)恰當(dāng)處理去隨意排放污泥，則會(huì)直接給環(huán)境帶來(lái)二次污染，不但會(huì)降低城市污水處理廠處理系統(tǒng)的有效處理能力，而且會(huì)對(duì)人體健康及環(huán)境、資源構(gòu)成嚴(yán)重威脅。一般情況下，處理污泥的成本是十分昂貴的，幾乎可以達(dá)到污水處理廠建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用的50%～60%，因此，污泥的處理面臨著極大的挑戰(zhàn)。
目前為止，我國(guó)對(duì)污泥處置處理的主要方法中，陸地填埋約占31%、污泥農(nóng)用約占44.8%、其他處置約占10.5%、沒(méi)有處置的約占13.7%，雖然這些所謂的“處理”基本上都是在特定的條件下估算的，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)以上數(shù)字將會(huì)有很大變化，但卻側(cè)面證明我國(guó)對(duì)污泥處置處理處于嚴(yán)重滯后狀態(tài)。目前，雖然眾多學(xué)者對(duì)污泥脫水的理論及技術(shù)的研究都有較大的突破，但對(duì)于污泥脫水的實(shí)際操作還存在較大的技術(shù)性難題。
本文將從污泥的自身特性及主要脫水手段兩方面展開(kāi)介紹，其目的也是為污泥脫水這一問(wèn)題服務(wù)的。
1 自身特性
污泥是水處理過(guò)程中形成的以有機(jī)物為主要成分的泥狀物質(zhì)，容易腐化發(fā)臭、顆粒較細(xì)、密度較小、含水率高且不易脫水，呈膠狀結(jié)構(gòu)的親水性物質(zhì)。污泥中有機(jī)質(zhì)、N、P含量很高，重金屬含量也很高，同時(shí)還含有大量的病原微生物。
1.1 微觀結(jié)構(gòu)
對(duì)污泥微觀結(jié)構(gòu)的研究主要是應(yīng)用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行的，掃描電鏡實(shí)驗(yàn)具體步驟在本文不做介紹。
對(duì)于污泥的微觀結(jié)構(gòu)，可使用SEM進(jìn)行更加細(xì)微的觀察和分析，可觀察到大量細(xì)菌存在于污泥中，而球狀細(xì)菌是主要的細(xì)菌類群。除了微生物外，其它物質(zhì)如胞外多聚物、有機(jī)質(zhì)無(wú)機(jī)鹽等分散在細(xì)菌的周圍，與細(xì)菌、真菌等一起構(gòu)成污水處理廠中肉眼可見(jiàn)的活性污泥。其中的細(xì)菌有球狀和桿狀，成群聚集在一起，且表面結(jié)構(gòu)完整。污泥的絮體結(jié)構(gòu)的形成經(jīng)歷四個(gè)階段，即細(xì)菌增殖、絮狀體形成、絮狀體聚合和絮體結(jié)構(gòu)形成。大量增殖的細(xì)菌逐漸附著于污泥顆粒上并形成菌膠團(tuán)，污泥逐漸凝聚形成小的絮狀體，外觀上污泥的顏色由淺灰變?yōu)橥咙S色，小的絮狀體進(jìn)一步凝聚形成較大且結(jié)構(gòu)致密的絮體結(jié)構(gòu)。對(duì)于生活污水處理廠污泥，在微生物類群中球狀菌占據(jù)主導(dǎo)地位。污水中污染物的降解與去除主要是由污泥中的微生物完成，更進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，是由占據(jù)多數(shù)的各類細(xì)菌所完成的。
污泥脫水過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，每一個(gè)污泥脫水的階段，或者通過(guò)不同脫水手段對(duì)污泥進(jìn)行脫水，污泥單個(gè)絮團(tuán)的運(yùn)動(dòng)及絮團(tuán)合并的過(guò)程有可能不同，水分的散失方式也可能不同，污泥的微觀結(jié)構(gòu)變化也會(huì)有所不同。如何證明這一想法，還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
1.2 水分分布
污泥在不同含水率時(shí)，水分分布的形式是不同的，且在脫水過(guò)程中，水分的存在形式也是不斷變化的。
實(shí)際上，早在1956年，有學(xué)者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)單的分類不利于對(duì)污泥脫水的進(jìn)一步研究。
而后來(lái)的學(xué)者對(duì)污泥中的水分進(jìn)行進(jìn)一步研究，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，活性污泥中的水分主要可分為自由水和結(jié)合水兩大類。為了更換的理解污泥的水分分布，通常將污泥中的水分分為4種：
（1）自由水：與固體顆粒之間無(wú)作用力，通過(guò)簡(jiǎn)單重力沉淀可實(shí)現(xiàn)固液分離。
（2）間隙水：絮體或生物體結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙中的水，當(dāng)絮體或生物體結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，空隙水可釋放出來(lái)。
（3）吸附水：與固體顆粒表面之間通過(guò)吸附或黏附結(jié)合的水。
（4）結(jié)合水：與固體顆粒表面通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合的水，結(jié)合水只能通過(guò)固體顆粒的熱化學(xué)破壞而得到釋放。
1.3 力學(xué)性能
力學(xué)性能對(duì)于污泥的處理具有重要意義，國(guó)外對(duì)于污泥填埋有詳細(xì)的參數(shù)指標(biāo)要求，其中主要的是兩類重要參數(shù)：一是污泥力學(xué)性能（承載能力）參數(shù)指標(biāo)；另一類為有機(jī)物含量指標(biāo)。
目前，對(duì)土樣的力學(xué)性能研究較多，而對(duì)于污泥的力學(xué)性能研究較少，對(duì)污泥的填埋、存儲(chǔ)輸送等缺乏理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)。因此，深入分析污泥的力學(xué)性能，建立污泥相關(guān)特性關(guān)系曲線，針對(duì)污泥的性質(zhì)制定適宜的處理工藝，對(duì)污泥的處置具有重要意義。
饒賓期等采用土工試驗(yàn)，對(duì)污泥的密度、含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為深入了解污泥的工程性質(zhì)，解決污泥的填埋、儲(chǔ)存、輸送等提供參考依據(jù)。根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
（1）污泥含水率明顯高于一般的土體。
（2）污泥初始孔隙比遠(yuǎn)高于一般淤泥（e0＞1.5）和淤泥質(zhì)土（1.5＞e0＞1.0）的孔隙比，具有高壓縮性，在某一壓力值（62.5～100KPa）會(huì)出現(xiàn)壓縮系數(shù)的極小值，污泥顆粒結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定?？辜魪?qiáng)度和垂直壓力的關(guān)系明顯分成兩部分，在垂直壓力大于某一壓力值時(shí)，污泥會(huì)出現(xiàn)超固結(jié)現(xiàn)象。
（3）結(jié)實(shí)污泥的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力都明顯高于松散污泥。
用來(lái)表征污泥脫水性能的另一個(gè)很重要的力學(xué)指標(biāo)就是污泥比阻，可通過(guò)污泥比阻測(cè)試測(cè)得。污泥比阻作為脫水性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不很明確。作為衡量污泥脫水性能的參數(shù)，污泥比阻對(duì)生產(chǎn)廢水污泥脫水性能的評(píng)判并沒(méi)有一個(gè)確定的標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為比阻小于1×1011m/kg的污泥易于脫水，大于1×1011m/kg的污泥難以脫水。
2 主要脫水手段
2.1 污泥自然干化法
污泥的自然干化是一種簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的脫水方法，但容易形成二次污染。它適合于有條件的中小規(guī)模的污水處理廠。污泥自然干化主要用到干化場(chǎng)地，干化場(chǎng)即是將污泥對(duì)方進(jìn)行自然脫水的設(shè)施。干化場(chǎng)可分為自然濾層干化場(chǎng)與人工濾層干化場(chǎng)兩種，包括干化床式和砂濾床式。干化床式是利用太陽(yáng)熱量和風(fēng)的作用進(jìn)行自然蒸發(fā)脫水，適用于給水污泥、排水污泥等。砂濾床式是依靠砂層過(guò)濾脫水以及利用太陽(yáng)能和風(fēng)進(jìn)行自然蒸發(fā)脫水，適用于給水污泥、排水污泥，脫色廢水、洗毛廢水、電鍍廢水等處理后的污泥。
其脫水途徑為上部蒸發(fā)、底部滲透、中部放泄。自然干化法的影響因素包括自然條件（溫度、濕度、日照、蒸發(fā)量、風(fēng)速等）和滲水層特征等。干化后污泥的含水率可降至65～75%。
2.2 污泥機(jī)械脫水法
一般的大中型污水處理廠均采用機(jī)械脫水。機(jī)械脫水的基本原理都是以過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差作為推動(dòng)力，使污泥中的水分被強(qiáng)制通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，形成濾液排出，而固體顆粒被截留在過(guò)濾介質(zhì)上成為脫水后的濾餅，從而實(shí)現(xiàn)污泥脫水的目的。目前我國(guó)城市污水處理廠廣泛采用的方法是機(jī)械脫水，但機(jī)械手段對(duì)污泥的脫水程度有限（只能將污泥的含水率降至70%～80%）。
（1）真空過(guò)濾法
真空過(guò)濾法主要用于初沉池污泥和消化污泥的脫水，其特點(diǎn)是連續(xù)運(yùn)行、操作平穩(wěn)、處理量大、能實(shí)現(xiàn)過(guò)程操作自動(dòng)化。缺點(diǎn)是脫水前必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理，附屬設(shè)備多、工序復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高、再生與清洗不充分，易堵塞。真空過(guò)濾脫水目前應(yīng)用較少。
真空過(guò)濾機(jī)是一種利用真空脫水原理的固液分離設(shè)備。真空過(guò)濾機(jī)有轉(zhuǎn)筒式、燒繩式和轉(zhuǎn)盤式三種類型，真空過(guò)濾機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是過(guò)濾機(jī)的產(chǎn)率，即單位面積在單位時(shí)間產(chǎn)生的干固體重量。以轉(zhuǎn)盤式真空過(guò)濾機(jī)為例，過(guò)濾盤由調(diào)速電機(jī)通過(guò)減速器及開(kāi)式齒輪傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)過(guò)濾盤，在裝滿料漿的槽體中以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。真空泵作用于過(guò)濾圓盤的某一濾扇處。在過(guò)濾吸附區(qū)，過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)形成壓力差，使固體物料吸附在濾布上形成濾餅，而濾液則經(jīng)濾液管及分配頭排出。當(dāng)這一濾扇從料漿液位中脫離而進(jìn)入脫水區(qū)后，真空的抽吸力使得濾餅中的水不斷與濾餅分離，進(jìn)一步從濾液管及分配頭排出，濾餅得以干燥。在卸料區(qū)濾餅自濾盤上卸下，落入排料槽，由集料皮帶運(yùn)走。整個(gè)作業(yè)過(guò)程連續(xù)不斷地重復(fù)進(jìn)行。真空過(guò)濾機(jī)可用于經(jīng)預(yù)處理后的初次沉淀污泥、化學(xué)污泥及消化污泥等的脫水。
（2）壓濾法
壓濾法與真空過(guò)濾法的基本理論相同，只是壓濾法推動(dòng)力為正壓，而真空過(guò)濾法為負(fù)壓，常用的壓濾機(jī)械有板框壓濾機(jī)和帶式壓濾機(jī)。壓濾法適用于給水污泥和排水污泥等，由于構(gòu)造復(fù)雜，實(shí)用例子也較少。
帶式壓濾機(jī)是由上下兩條張緊的濾帶夾帶著污泥層，從一連串有規(guī)律排列的輥壓筒中呈S形經(jīng)過(guò)，依靠濾帶本身的張力形式對(duì)污泥層的壓榨和剪切力，把污泥層中的毛細(xì)水?dāng)D壓出來(lái)，獲得含固量較高的泥餅，從而實(shí)現(xiàn)污泥脫水。板框壓濾機(jī)工作時(shí)，靠壓力將一定數(shù)量的濾板加以固定，濾板表面包有濾布，當(dāng)緊壓在一起時(shí)，就形成了一連串相鄰的泥室，泥水進(jìn)入泥室后，在一定壓力的作用下，液體被擠出濾布流走，固體物則被濾布阻擋在泥室內(nèi)，形成含水率很低的泥餅，達(dá)到脫水目的。
（3）離心法
離心就是利用離心機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力，加快液體中顆粒的沉降速度，把樣品中不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開(kāi)。離心脫水機(jī)就是利用離心力作用將泥水分離的一種機(jī)械設(shè)備。
離心過(guò)濾機(jī)分為臥式和立式。離心脫水機(jī)主要由轉(zhuǎn)鼓和帶空心轉(zhuǎn)軸的螺旋輸送器、差速器等組成。污泥由空心轉(zhuǎn)軸送入轉(zhuǎn)筒后，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，立即被甩入轉(zhuǎn)鼓腔內(nèi)。污泥顆粒比重較大，因而產(chǎn)生的離心力也較大，被甩貼在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，形成固體層；水密度小，離心力也小，只在固體層內(nèi)側(cè)產(chǎn)生液體層。固體層的污泥在螺旋輸送器的緩慢推動(dòng)下，被輸送到轉(zhuǎn)鼓的錐端，經(jīng)轉(zhuǎn)鼓周圍的出口連續(xù)排出，液體則由堰口溢流排至轉(zhuǎn)鼓外，匯集后排出脫水機(jī)，達(dá)到泥水分離的目的。
離心脫水中脫水的推動(dòng)力是離心力，推動(dòng)的對(duì)象是固相，離心力的大小可控制，比重力大幾百倍甚至幾萬(wàn)倍，因此脫水的效果也比濃縮好。離心脫水機(jī)可連續(xù)操作，工作場(chǎng)所衛(wèi)生條件好，占地面積小。同時(shí)，離心脫水機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，分離效率高，處理量大，濾餅水分低，附屬設(shè)備少。大型離心脫水機(jī)內(nèi)部磨損較快，而且耗電量大，噪聲大。離心脫水進(jìn)泥含水率要求一般為95%～99.5%，出泥含水率一般為75%～80%。目前，離心脫水機(jī)在處理廠使用比例逐漸增大。
2.3 污泥熱干燥法
目前，許多國(guó)家已在污泥處理中采用熱干燥技術(shù)。按照熱介質(zhì)是否與污泥相接觸，現(xiàn)行的污泥熱干燥技術(shù)可以分為三類：直接熱干燥技術(shù)、間接熱干燥技術(shù)和直接-間接聯(lián)合式干燥技術(shù)。
直接熱干燥技術(shù)又稱對(duì)流熱干燥技術(shù)。對(duì)流熱干燥是通過(guò)熱空氣從污泥表面去除水分。干燥的效率取決于如下兩個(gè)因素：空氣運(yùn)行條件（穩(wěn)點(diǎn)、相對(duì)濕度、速度）和污泥的自身結(jié)構(gòu)及特征。在操作過(guò)程中，熱介質(zhì)（熱空氣、燃?xì)饣蛘羝龋┡c污泥直接接觸，熱介質(zhì)低速流過(guò)污泥層，在此過(guò)程中吸收污泥中的水分，處理后的干污泥需與熱介質(zhì)進(jìn)行分離。排出的廢氣一部分通過(guò)熱量回收系統(tǒng)回到原系統(tǒng)中再用，剩余的部分經(jīng)無(wú)害化后排放。此技術(shù)熱傳輸效率及蒸發(fā)速率較高，可使污泥的含固率從25%提高至85%～95%。但由于與污泥直接接觸，熱介質(zhì)將受到污染，排出的廢水和水蒸氣須經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理后才能排放；同時(shí)，熱介質(zhì)與干污泥需加以分離，給操作和管理帶來(lái)一定的麻煩。閃蒸式干燥器、轉(zhuǎn)筒式干燥器、帶式干燥器等都屬直接熱干燥裝置類型。
在間接熱干燥技術(shù)中，熱介質(zhì)并不直接與污泥相觸，而是通過(guò)熱交換器將熱傳遞給濕污泥，使污泥中的水分得以蒸發(fā)，因而熱介質(zhì)不僅僅限于氣體，也可用熱油等液體，同時(shí)熱介質(zhì)也不會(huì)受到污泥的傳染，省卻了后續(xù)的熱介質(zhì)與干污泥分離的過(guò)程。過(guò)程中蒸發(fā)的水分到冷凝器中加以冷凝。熱介質(zhì)的一部分回到原系統(tǒng)中再用，以節(jié)約能源。由于間接傳熱，該技術(shù)的熱傳輸效率及蒸發(fā)速率均不如直接熱干燥技術(shù)，這種技術(shù)的操作設(shè)備有薄膜熱干燥器，圓盤式熱干燥器等。
直接-間接聯(lián)合式干燥技術(shù)則是對(duì)流-傳導(dǎo)技術(shù)的整合，如高速薄膜干燥器就屬于這種類型。在所有提及的這些干燥器中，閃蒸式干燥器是目前應(yīng)用較廣的一種。
3 結(jié)論及展望
污泥的自身特性與污泥脫水息息相關(guān)，通過(guò)對(duì)污泥自身特性的研究，可以掌握污泥的相關(guān)特性，可為污泥如何脫水提供依據(jù)。對(duì)污泥的微觀結(jié)構(gòu)、水分分布、力學(xué)特性的觀察分析，都是為以后污泥脫水提供一個(gè)可借鑒的基礎(chǔ)。本文還介紹了目前我國(guó)污水處理廠的主要脫水手段，但目前這些脫水手段還存在較大缺陷，比如：脫水程度有限，還不能滿足污泥更有效的處置。
污泥脫水已經(jīng)成為污水治理及污泥處置的難題，污泥成為污水處理廠的重大負(fù)擔(dān)，如何對(duì)實(shí)現(xiàn)污泥的減量化是污泥處理的重點(diǎn)。目前已有學(xué)者對(duì)污泥脫水難的問(wèn)題做了詳細(xì)的研究，污泥脫水理論和技術(shù)都取得較大的進(jìn)展，也提出了一些新的脫水手段來(lái)代替現(xiàn)有的脫水手段，但如何將其研究成果應(yīng)用到實(shí)踐中，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
