污泥脫水的影響因素及預處理技術(shù)
行業(yè)動態(tài)
工業(yè)廢水及城市生活污水的處理造成了大量污泥（含有大量的有機物、病原微生物和重金屬等）堆積，污泥作為一種常見的固體廢棄物，對環(huán)境和動植物健康造成嚴重危害，因此對污泥的無害化處置已成為迫切需求。常規(guī)的污泥處置技術(shù)包括衛(wèi)生填埋、污泥焚燒、土地利用和建材利用等，而污泥脫水工序則是這些處置技術(shù)中所面臨的共同難題。因為污泥本身具有含水率高（含水率95%以上）且膨脹性強等特點，所以對污泥進行脫水處理能夠有效壓縮污泥體積，從而節(jié)約運輸成本及占地空間。
污泥的脫水與其常見的基本單元——絮體直接相關(guān)，因而明確絮體的特征和組成是深入理解污泥脫水的前提。絮體是指尺寸在（129±109）μm范圍內(nèi)且具有分層和多樣性結(jié)構(gòu)的團聚物。污泥中的絮體由微生物（單細胞/絲狀細菌/微菌落）、有機纖維、無機顆粒、胞外聚合物（EPS）和水組成，其中EPS與污泥中水的釋放密切相關(guān)。
污泥中的EPS分為3類：緊密結(jié)合型、松散結(jié)合型和懸浮型，它們主要由多種大分子（如，蛋白質(zhì)、胡敏酸類、多糖、核酸和脂類）組成，其質(zhì)量分數(shù)可占絮體干重的40%～60%。一般情況下的EPS帶負電，其電荷密度為0.1～2meq/g。近期研究還提出，污泥中不同分層結(jié)構(gòu)EPS是親-疏水性存在明顯差異，其中，與蛋白質(zhì)相關(guān)的疏水性EPS常分布在污泥表層，而與多糖相關(guān)的疏水性EPS常分布在污泥表層，而與多糖相關(guān)的親水性EPS常集中在污泥內(nèi)部，當外層疏水性EPS被破壞后，內(nèi)部親水性EPS的暴露并不利于污泥脫水。
污泥中水的種類多樣，包括自由水、間隙水和結(jié)合水（表面水及細胞內(nèi)和化學結(jié)合水），其含水量分別占污泥總含水量的65%～85%、10%～25%和10%（以質(zhì)量分數(shù)計，下同）。污泥中的自由水和間隙水可分別采用重力沉降法和機械脫水法去除，而結(jié)合水的脫水難度相對較大。
現(xiàn)今污水處理廠污泥的脫水工藝是將污泥通入濃縮池進行濃縮處理，然后將生成的濃縮污泥（含水率95%～97%，以質(zhì)量分數(shù)計，下同）泵入調(diào)理池與投加的試劑（如，聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺、生石灰）充分混合，將均勻混合的污泥泵送至機械脫水裝置（如，帶式壓濾脫水機、板框式壓濾機、離心脫水機、疊螺式脫水機和螺壓脫水機），并將分離的泥餅（含水率70%～80%）和濾液水分別進行后續(xù)處理。該脫水工藝主要用于去除污泥中的自由水，然而該方法產(chǎn)生的泥餅中的含水率依舊高達70%，基于污泥中3種水的質(zhì)量分數(shù)可知，自由水的脫失量僅占原自由水總質(zhì)量的17%～28%，說明后續(xù)還需進一步聚焦對污泥中自由水的脫失。
本文綜述了多種因素（包括水的硬度和導電率，濾餅壓縮性及堵塞，污泥pH值、類型、處理系統(tǒng)、儲存條件、泵送和攪拌）對污泥脫水的影響，并總結(jié)了常規(guī)的污泥脫水預處理技術(shù)（包括破解法、化學絮凝法、化學法、生物法、熱水解法和聯(lián)合調(diào)理技術(shù)），為深入理解污泥脫水奠定堅實的理論基礎(chǔ)，并為實現(xiàn)污泥高效脫水提供技術(shù)指導。
1 污泥脫水的影響因素
1.1 水的硬度和導電率
水溶液中的離子類型及其濃度決定了水的硬度和導電率。水的硬度隨體系中二價陽離子D++（如：Ca2+、Mg2+等）的濃度增加而增大。由于D++常采用架橋方式以鹽的形態(tài)存在于絮體內(nèi)部，故增強了絮體結(jié)構(gòu)的強度，從而促進污泥脫水。體系中單價陽離子M+（如K+、Na+等）的濃度與水的導電率呈正相關(guān)。當污泥體系中含有大量M+時，絮體結(jié)構(gòu)中的D++與M+產(chǎn)生離子交換，降低絮體結(jié)構(gòu)的強度，從而抑制污泥脫水。針對不同類型離子濃度的影響，前人提出當M+/D++的濃度比＜2時，污泥脫水性較好，因此在污泥脫水預處理過程中，可通過調(diào)控體系的M+/D++比來促進污泥脫水。
1.2 濾餅壓縮性和堵塞
濾餅的孔隙率和壓縮性受污泥中膠體顆粒的絮凝情況影響，控制污泥的脫水效率。由于污泥普遍具有高壓縮性的特征，所以在濾餅壓縮過程中，污泥中的微結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形、坍塌和遷移，導致排水孔道堵塞。目前常采用添加剛性骨架（如礦物和碳材料等）的方法來提升濾餅滲透性，進而輔助污泥的物理脫水。比如，類-水滑石礦物（Ca/Mg/Al-LDH）作為一種良好的剛性骨架材料，可有效降低污泥比阻（SRF）和毛細吸水時間（CST），促進污泥脫水。此外，還有研究表明，采用剛性骨架材料與其他調(diào)理技術(shù)聯(lián)用的方法均優(yōu)于單一調(diào)理劑的脫水效果。
1.3 污泥pH值
污泥過濾前的pH值也會影響其脫水性能。當污泥pH值較低時，體系中含有較少的膠體顆粒，而這些膠體顆粒的數(shù)量會隨pH值的升高而增多，從而降低污泥的脫水能力。此外，EPS的電荷也受體系pH控制，pH值介于2.6～3.6時絮體中的EPS不帶電，此時污泥中的細胞和EPS更易溶解，促進了污泥脫水。目前，常見的污泥酸處理包括硫酸、鹽酸和草酸酸化，其中草酸對污泥脫水的促進作用較強。與鹽酸和硫酸相比，草酸不僅能夠提供H+，還進一步促進污泥中Fe3+和Al3+的溶出，兩種機制的耦合作用共同促進污泥脫水。
1.4 污泥類型及處理系統(tǒng)
不同類型污泥的脫水性質(zhì)存在較大差異。常見的污泥類型包括活性污泥、膜-生物反應器污泥、中溫厭氧污泥和高溫厭氧污泥，它們的大分子含量、平均絮體尺寸、剪切敏感性和過濾流速（SFF）均不同。通常活性污泥中大分子含量高、平均絮體尺寸和SFF大、剪切靈敏度小，因而也更易脫水。此外，不同污水廠產(chǎn)生相同類型的污泥，因污泥組分存在差異其脫水性質(zhì)也明顯不同。不同污水廠產(chǎn)生污泥的脫水性質(zhì)差異，是大規(guī)模污泥處置的難題。
1.5 污泥儲存條件
污泥儲存條件將影響后期脫水。如果污泥儲存在厭氧環(huán)境中，會伴隨EPS水解、Fe3+被還原為Fe2+、硫還原菌產(chǎn)生的S2-與Fe3+和Fe2+發(fā)生沉淀；同時厭氧儲存會導致污泥中單細胞數(shù)量和導電率增加，造成SFF降低80%。在實際工藝中，污泥厭氧儲存后的脫水負效應可通過曝氣或添加硝酸獲得改善。
1.6 污泥泵送和攪拌
污泥泵送和攪拌會形成剪切力，而高剪切力會破壞絮體尺寸并增加單細胞數(shù)量，從而不利于濾餅脫水。如果污泥中的絮體強度因厭氧儲存而降低，則絮體在高剪切力條件下更易被破壞。因此建議污水廠在進行污泥脫水的過程中，應當緩慢泵送、緩慢混合、避免儲存在儲罐和管道中，以及避免管道急彎。
2 污泥脫水預處理技術(shù)
2.1 破解法
破解法主要是指通過外加能量或應力來改變污泥的性質(zhì)。常見的破解預處理技術(shù)包括凍融處理和機械處理（如，球磨法、高壓噴射法、微波法、超聲波法等）。凍融處理是通過冷凍、溶解的方式破壞污泥原有的絮體結(jié)構(gòu)，降低結(jié)合水的質(zhì)量百分含量，從而改善污泥沉降、過濾和脫水性能。凍融速率、固相濃度和冷凍時間是影響污泥凍融處理的主要因素，其中后兩者的作用更為顯著。機械處理主要通過壓力、正能量和旋轉(zhuǎn)能量來破壞污泥中的細胞。以微波法為例，污泥中帶負電的膠粒在高頻電場作用下發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，使得膠粒與EPS和水的界面形成極強的剪切力，促進膠粒與水的分離。雖然破解法也存在不足，例如，凍融處理受制于地域限制、微波輻射可能對人體有害且運行成本高等，但此類方法簡便易操作，在后續(xù)的工業(yè)化應用中具有較好的發(fā)展前景。
2.2 化學絮凝法
化學絮凝法是指通過添加無機或有機絮凝劑來改善污泥的脫水性能。常見的無機絮凝劑為鋁鹽和鐵鹽體系，其中鋁鹽主要包括硫酸鋁、明礬和三氯化鋁，而鐵鹽主要包括三氯化鐵、氯化亞鐵、綠礬和硫酸鐵。有機絮凝劑按離子類型可劃分為非離子、陰離子和陽離子高分子絮凝劑，它們的離子性能隨溶液pH值變化。因污泥中的膠粒表面帶負電荷，故陽離子高分子絮凝劑對污泥脫水具有較好的效果，目前陽離子聚丙烯酰胺是污泥脫水常用的一種陽離子有機絮凝劑。在污泥脫水的體系中，化學絮凝劑的作用機理包括壓縮雙電層、吸附架橋和網(wǎng)捕作用。但由于實際脫水工藝中絮凝劑的調(diào)理效果不僅與其本身的物化性質(zhì)有關(guān)，還與污泥性質(zhì)及水質(zhì)條件等相關(guān)，因而需要深入研究化學絮凝劑的種類和投加量，故該方法的使用需要堅實的理論研究作為指導，以避免化學絮凝劑（尤其是鋁鹽）投加量過大，造成脫水效果不理想甚至是嚴重的環(huán)境污染問題。
2.3 化學法
化學法是指通過添加芬頓試劑、臭氧、酸堿等改變污泥的性質(zhì)。芬頓試劑主要是構(gòu)建H2O2與Fe2+氧化體系，通過強氧化性破解污泥中的有機物質(zhì)，從而改善污泥脫水性能。芬頓試劑氧化法能有效促進污泥中EPS降解、細胞溶解和結(jié)合水釋放。芬頓試劑處理后的污泥pH值低，需要添加堿性試劑中和，因而成本較高且操作復雜。但芬頓試劑的環(huán)境安全性比高分子聚合物更高，故從可持續(xù)發(fā)展角度考慮，該類方法仍具有廣闊的應用前景。臭氧氧化技術(shù)主要是利用臭氧的強氧化性破壞細胞壁和細胞膜，釋放胞內(nèi)物質(zhì)，將難降解的有機物氧化為可降解的低分子，以提高污泥的可生化性。酸堿法則是利用H+質(zhì)子效應與高價金屬離子的耦合效應，促進污泥中結(jié)合水的釋放及多糖的水解。
2.4 生物法
生物法指直接利用生物細胞或投加生物絮凝劑（包括細胞提取物、細胞代謝物等）實現(xiàn)污泥高效脫水的方法。例如，一種土豆淀粉中的提取物能將原始污泥的SRF降低50%，從而提升污泥的脫水速率。生物絮凝劑具有無毒、無二次污染、可生物降解、污泥絮體密實、對環(huán)境和人類無害等優(yōu)勢，但目前對于生物絮凝劑的研究水平較低且研究成本較高。
2.5 熱水解法
熱水解法是指通過高溫（高于100℃）或低溫（低于100℃）熱水解，促使污泥中的微生物絮體解散、細胞破壞、蛋白質(zhì)、多糖、脂類等大分子水解的方法，實現(xiàn)污泥脫水性能的改善。熱水解的原理是高溫高壓下通過熱效應促使細胞結(jié)構(gòu)破壞，釋放出污泥中的大分子物質(zhì)的同時，將胞內(nèi)水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，釋放出的有機物進一步水解為小分子物質(zhì)，繼而有機分子中的氨基與醛基發(fā)生聚合生成縮聚氨酸、氨氮、類黑素和腐殖質(zhì)等褐色物質(zhì)。熱水解過程中的水熱溫度是控制污泥脫水速率的重要因素，遵循溫度越高脫水速率越快的原則。熱水解法具有極大的發(fā)展空間，但應當注意以減少能量消耗為前提確定熱水解溫度。
2.6 聯(lián)合調(diào)理技術(shù)
聯(lián)合調(diào)理技術(shù)主要包括多種調(diào)理技術(shù)的復合使用（包括化學調(diào)理劑復合使用和物理調(diào)理劑與化學調(diào)理劑復合使用）。例如，芬頓試劑與十六烷基三甲基溴化銨的復合作用、酸處理與超聲波的復合作用及剛性骨架材料與化學調(diào)理劑的復合作用能有效破壞污泥中的絮體結(jié)構(gòu)和污泥的滲透性，提高污泥的脫水性能。目前研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)聯(lián)合調(diào)理技術(shù)對污泥的脫水性能及生物降解性能均具有不同程度的改善作用，且優(yōu)于單一調(diào)理劑的效果。不過聯(lián)合調(diào)理技術(shù)也具有局限性，其中剛性骨架材料與化學調(diào)理劑的復合使用需嚴格根據(jù)脫水后污泥的處置途徑進行選擇，因為剛性骨架材料的添加雖然能夠有效提升污泥的滲透性，但同時也增大了污泥的總體積，因此需要經(jīng)過嚴格的實驗配比確定剛性材料較佳的投加量，在合理控制污泥總體積的基礎(chǔ)上獲得較佳脫水效果。
3 結(jié)論
該綜述基于污泥的減量化、無害化和資源化利用中存在的難題，回顧了影響污泥脫水的常見因素及常規(guī)預處理技術(shù)。雖然目前已經(jīng)對污泥脫水的影響因素有了充分的認識，但污泥經(jīng)過當前常規(guī)的機械脫水工藝之后的含水率依舊高達70%。文中提出，明確污泥滲透性及絮體的結(jié)構(gòu)變化有助于從根本上判斷污泥的脫水效率。因此，研發(fā)不同聚合度的有機陽離子絮凝劑、提取生物絮凝劑或研究不同種類絮凝劑的較佳配比，致力于構(gòu)筑高強度、大尺寸的絮體以進一步降低污泥的含水率，依舊是當今的發(fā)展方向。同時，針對污泥脫水所采用聯(lián)合調(diào)理技術(shù)的多樣性和機理探索仍有待深入發(fā)展，而該方法的使用需依據(jù)脫水后污泥的處置途徑進行合理調(diào)整。
