污泥脫水的影響因素及預(yù)處理措施
技術(shù)支持
隨著城市化建設(shè)速度的加快，絕大多數(shù)城市都相繼發(fā)布了各種有關(guān)環(huán)境保護的政策規(guī)范。在環(huán)境保護工作中，污水問題嚴重，城區(qū)為了迎合可持續(xù)發(fā)展政策，制定了相關(guān)政策，雖然取得了一定的成就，但仍有很多亟待解決的問題。想要解決污水處理問題，污水處理廠工作方案的制定至關(guān)重要。實際上，污水處置之后所剩的污泥也屬于重要資源，直接排放也就是浪費資源，而且還會污染生態(tài)環(huán)境。在對污泥的處理處置過程中，污泥脫水是目前面臨的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，經(jīng)過當(dāng)前脫水工藝后，污泥的含水率依舊較高，亟需尋找更為高效的污泥脫水技術(shù)。
1 城市污泥脫水機理
污泥的脫水與其常見的基本單元——絮體直接相關(guān)，因此，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，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)占絮體干重的40%～60%。一般情況下的EPS帶負電，其電荷密度為0.1～2.0meq/g。近期研究還提出，污泥中不同分層結(jié)構(gòu)EPS的親-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)的親水性EPS常集中在污泥內(nèi)部。當(dāng)外層疏水性EPS被破壞，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(xué)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%）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%?；谖勰嘀?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。
2 污泥脫水的影響因素
2.1 膠體顆粒物的難沉降性能
污泥顆粒具有雙電子層結(jié)構(gòu)，雙電子層是指膠核外的吸附層和擴散層，即污泥中含有大量的膠體分子。膠體分子聚合而成的膠體微粒稱為膠核，通常將膠核和吸附層合在一起稱為膠粒，使膠粒與擴散層形成膠團。污泥膠粒一般帶負電，當(dāng)加入陽離子電解質(zhì)后，陽離子就會涌入擴散層甚至吸附層，提高雙電子層的陽離子濃度，使擴散層變薄、膠核表面的負電性降低以及雙電層間距減小被壓縮，進而導(dǎo)致顆粒間的靜電斥力降低，膠粒聚集能力增強，沉降性能增強。
2.2 胞外聚合物（EPS）
EPS是活性污泥重要的組成部分，其分子量、化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對污染物去除和污泥特性有特殊的重要性。EPS主要為蛋白質(zhì)、多糖等高分子物質(zhì)的統(tǒng)稱，可影響污泥絮凝、沉降和脫水等。EPS含量的變化導(dǎo)致污泥處理難度增大，主要由于以下幾個因素：細胞間斥力增加，降低了污泥顆粒絮凝性能；EPS中親水性物質(zhì)保留了大量的水并增加了間隙水的含量；形成的穩(wěn)定類膠體結(jié)構(gòu)阻止水從絮體孔中滲出；在過濾介質(zhì)與污泥泥餅之間形成薄層堵塞水的通道；污泥黏度增加等。
2.3 污泥固體的強壓縮性
污泥顆粒因其復(fù)雜的膠體結(jié)構(gòu)特性，使污泥在機械脫水過程中，因污泥膠體特性，體積減小的速率逐漸降低，過濾介質(zhì)表面逐漸被膠狀泥餅覆蓋，使污泥進一步壓濾、脫水的難度增大，污泥的比阻會隨著壓力的增加逐漸增大。污泥的高壓縮性導(dǎo)致污泥顆粒受到壓力時容易變形，濾餅加厚的同時，也導(dǎo)致泥餅與濾布接觸的過濾孔隙堵塞，降低了污泥的脫水性能。如何提高污泥泥餅的孔隙率和可壓縮性成為研究的新方向，其研究內(nèi)容主要集中在選用價廉易得、具有較高孔隙率和堅硬結(jié)構(gòu)且對環(huán)境友好的材料作為過濾助劑，并充當(dāng)骨架構(gòu)建體，以降低污泥的壓縮性。
3 污泥脫水預(yù)處理措施
3.1 破解法
破解法主要是指通過外加能量或應(yīng)力來改變污泥的性質(zhì)。常見的破解預(yù)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、融解的方式破壞污泥原有的絮體結(jié)構(gòu)，減少結(jié)合水的質(zhì)量百分含量，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(yīng)用中具有較好的發(fā)展前景。
3.2 化學(xué)法
化學(xué)法是以加入化學(xué)藥劑的方式，通過化學(xué)作用改變污泥特性?；瘜W(xué)藥劑類型主要包括酸、絮（混）凝劑、表面活性劑、氧化劑等，目前，因化學(xué)調(diào)理效果好、操作簡單而被廣泛使用?；瘜W(xué)藥劑主要分為傳統(tǒng)無機絮（混）凝劑、新型有機絮（混）凝劑、復(fù)合絮（混）凝劑。傳統(tǒng)無機絮（混）凝劑按分子量大小可分為無機低分子絮（混）凝劑和無機高分子絮（混）凝劑；新型有機絮（混）凝劑主要包括合成有機高分子絮凝劑、天然高分子絮凝劑和微生物絮凝劑等；復(fù)合絮（混）凝劑是由多種無機、有機絮凝劑制備或復(fù)配而成的。
化學(xué)調(diào)理污泥可以從兩個層面解釋：電荷中和與粒子架橋作用。對于一種給定的絮凝劑，可以將絮凝劑的投加量增加到一個較佳劑量，使絮體趨于穩(wěn)定，產(chǎn)生大且密實的絮體，且毛細吸水時間較短。所以，絮凝劑的投加量應(yīng)該是被控制的，過量投加絮凝劑會增加運行成本，同時降低污泥脫水性能，加劇對人類和生態(tài)系統(tǒng)的破壞。
3.3 生物調(diào)理
生物或酶對污泥的預(yù)處理主要通過EPS的水解作用弱化絮體的膠體結(jié)構(gòu)，以提高污泥的脫水性能。酶是蛋白質(zhì)，具有環(huán)境友好的特點，這種方法對于取代對人類和生物有毒性的高分子聚合物是十分理想的。研究發(fā)現(xiàn)，通過工業(yè)纖維素酶、蛋白酶、脂肪酶單一或結(jié)合，可以有效減少厭氧消化處理的固體量，發(fā)現(xiàn)在相同投加量的情況下，混合酶消減總固體量為30%～50%，同時可提高污泥的沉降性能。對于低投加量（10～15g/m3），在市場上可以買到酶Enviro-Zyme216調(diào)理厭氧消化污泥，通過CST和含固率可以看出，明顯提高了污泥的脫水性能。
3.4 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(fù)合使用（包括化學(xué)調(diào)理劑復(fù)合使用和物理調(diào)理劑與化學(xué)調(diào)理劑復(fù)合使用）。例如，芬頓試劑與十六烷基三甲基溴化銨的復(fù)合作用、酸處理與超聲波的復(fù)合作用以及剛性骨架材料與化學(xué)調(diào)理劑的復(fù)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(xué)調(diào)理劑的復(fù)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的較佳投加量，在合理控制污泥總體積的基礎(chǔ)上，獲得較佳的脫水效果。
4 結(jié)語
伴隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，人們生活和生產(chǎn)所產(chǎn)生的污水越來越多，處理難度也逐漸增大。在污水處理工作中，污泥處置工作至關(guān)重要。在污泥處理過程中，必須積極應(yīng)用污泥脫水處理技術(shù)，實現(xiàn)污泥減量化，綜合利用處理后的污泥，在保護環(huán)境的基礎(chǔ)上，增加社會效益和經(jīng)濟效益。
