污泥脫水研究現(xiàn)狀與新認識
行業(yè)動態(tài)
隨著各國對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，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、重金屬及有機物含量高等特點，若在排放前不經(jīng)處理，則會對環(huán)境造成二次污染。通常情況下，污泥處理所需費用高達整個污水治理廠建設(shè)和運行費用的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。污泥減量化可有兩種途徑，一是減少污泥中有機物的含量，二是降低污泥的含水率。無論從技術(shù)還是資金方面來說，第二個途徑較第一個途徑簡單易行，容易實現(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，以利于污泥的運輸和進一步處理。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的費用及進一步處理時產(chǎn)生的滲濾液量。時至今日，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個方面歸納總結(jié)污泥脫水的發(fā)展特點和存在的問題，從排水通道的角度重點分析了污泥脫水的微觀過程，認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，而應該以排水通道為“紐帶”將之視為一個整體，污泥脫水的微觀研究應該注重從排水通道的角度去分析其淤堵機理。隨后著重介紹了國內(nèi)外污水處理廠的污泥脫水現(xiàn)狀，并基于多場聯(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30年代。20世紀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意識到只依靠機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70-90年代，學者們逐漸將研究焦點從脫水模型轉(zhuǎn)向污泥的物理化學性質(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，同時污泥調(diào)理改性技術(shù)開始發(fā)展。污泥的物理化學性質(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、化學及生物的污泥調(diào)理改性技術(shù)開始發(fā)展。但該時期的污泥調(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)理改性機理分析。
20世紀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)的機械脫水方法效果不理想，新技術(shù)又有諸多缺陷不能及時克服，不少學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，許多學者對污泥中的水進行了一系列理論及測試手段的研究，取得了大量成果，概況為幾個方面：污泥中水的分布特性，結(jié)合水含量測試技術(shù)，結(jié)合水對污泥脫水性能影響?；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，從而導致對污泥脫水及其淤堵機理理解不夠深入，這也是真空預壓法廣泛應用于軟土地基處理，而極少用于污泥脫水的原因。實際上，污泥脫水是一個污泥中的水在外力驅(qū)動下克服淤堵從排水通道排出的過程。
隨污泥脫水的進行（階段1→階段2→階段3），自由水不斷排出，同時排水通道也在不斷變化，相應地，每個階段的淤堵機制也不一樣。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。雖然實際情況并不能完全由上述的簡化模型說明，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，而應該以排水通道為“紐帶”將之視為一個整體。
目前，研究者們往往將焦點集中在污泥絮體的特征、水的分布特征及含量測試、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理及改善途徑等。導致許多學者在研發(fā)新型脫水技術(shù)或設(shè)備時，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理研究，沒有從本質(zhì)上解決污泥脫水難的問題。
進入21世紀后，圍繞“污泥深度脫水”這一主題，機械脫水技術(shù)得到不斷完善和改進，電滲脫水技術(shù)進一步發(fā)展，基于物理、化學及生物技術(shù)的污泥調(diào)理改性手段成為研究熱點。在該時期，多技術(shù)的聯(lián)合使用受到關(guān)注，形成了許多以機械脫水為核心的多手段聯(lián)合技術(shù)。
Mahmoud等人在室內(nèi)污泥機械脫水裝置上施加電場，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于電場的作用，污泥中水分的去除率提高了10%～24%。Marcin和Bien等人研究了電磁場和化學調(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)于單獨調(diào)理，說明磁場對污泥脫水性能有改善。Stolarski等人則利用濾餅模型從理論上分析了磁場和壓濾改善固-液分離效果的機理，并指出磁場增強壓濾這一技術(shù)具有很大的應用潛力。
國內(nèi)一些學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)理與化學調(diào)理等。鄧立新利用真空桶對污泥進行脫水，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，初步論證了真空預壓聯(lián)合電滲脫水污泥的優(yōu)勢。
湯連生等人在此基礎(chǔ)上進一步設(shè)計出真空預壓聯(lián)合電滲的雙池式脫水系統(tǒng)，實現(xiàn)“內(nèi)池脫水，外池排水”。整個脫水裝置分為內(nèi)池和外池2個部分，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，同時在4個側(cè)壁上設(shè)計“上大下小”的脫水口（其位置和大小與放電電極相對應），該系統(tǒng)通過改變放電電極的接入方式，實現(xiàn)電流場和滲流場的改變，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)計方式充分利用了污泥的自重濃縮脫水，同時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隊將熱水解脫水和閃蒸技術(shù)聯(lián)合，也取得了不錯的效果。但在脫水設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化上存在不足?？傮w上講，污泥脫水的多技術(shù)聯(lián)合使用本質(zhì)上屬于多場的聯(lián)合作用，已取得突破性進展，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：從理論脫水模型到實際脫水設(shè)備、從宏觀脫水效率到微觀機理分析、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踐聯(lián)系，污水處理廠廣泛采用的機械脫水方式已經(jīng)無法滿足更有效的污泥處置方式，新型技術(shù)雖然具有很好的應用前景，由于種種原因還未能得到廣泛應用。
2 污水處理廠污泥脫水現(xiàn)狀
20世紀80年代以前，各國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，各國開始重視污泥的脫水處理，機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)境問題的凸顯和對低成本低能耗的追求，各國愈發(fā)注重污泥的減量化和穩(wěn)定化，這無疑對污泥脫水提出了更高的要求。
然而，污泥脫水實踐遠遠落后于理論研究，進入21世紀以后，這種現(xiàn)象異常明顯。雖然各國的污水處理廠均設(shè)置了較為完善的污泥脫水設(shè)施，擺脫了初期的干化場和干化塘，但機械脫水仍然占據(jù)主導地位，污泥的成分、結(jié)構(gòu)復雜，直接進行機械脫水往往達不到預期的處理效果。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，但是由于造價和實施不便等原因沒能廣泛推廣運用，并且我國污泥處置起步較晚，無論是制度還是技術(shù)都落后于發(fā)達國家。
在國內(nèi)，污泥脫水主要存在以下問題：
（1）重水輕泥。我國污水工程發(fā)展過程中長期存在“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，僅僅將污泥進行簡單濃縮處理后便外運，并未達到減量化、穩(wěn)定化要求。
（2）脫水效率低，深度脫水工藝過于復雜。工程實踐已經(jīng)表明，傳統(tǒng)的機械脫水已經(jīng)遠遠無法滿足脫水要求，新型脫水技術(shù)（熱水解、超聲波、磁場、電場等）的引進有需要污水處理廠支付高昂的費用，且操作復雜。然而，企業(yè)化經(jīng)營模式導致追求較大的經(jīng)濟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、廣泛運用的技術(shù)實現(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為一個有機的整體。實際上，無論在效率還是模式上都應該注重污泥處理與污水處理的有效銜接。首先，污水處理效率遠遠高于污泥處理，通常情況下，污水處理只需要短短數(shù)小時，而污泥處理則耗時幾天，甚至幾個星期。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，單個污水處理廠產(chǎn)生的污泥將相應減少，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)，以達到降低污水處理廠運營成本，同時又滿足污泥減量化、穩(wěn)定化的要求。
縱觀國內(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)實踐遠遠落后于理論研究，主要由以下2個原因?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)化運作模式導致許多企業(yè)忽視污泥治理，更別說污泥脫水了，導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驗論證，很少結(jié)合污水處理廠的污泥脫水需求開展現(xiàn)場實驗。
3 多場聯(lián)合作用
污水處理廠處理污泥的典型流程是：污泥→預濃縮池→機械濃縮→機械脫水→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)備實現(xiàn)固-液分離，在高含水率的濃縮污泥上施加作用場以得到低含水率的目標污泥。
污泥脫水的理論核心是作用場之間以及作用場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)狀及特點可以發(fā)現(xiàn)，人們對理論核心的重視程度遠遠超過技術(shù)核心。
目前，用于污泥脫水的作用場主要包括應力場、溫度場、電場、化學場和磁場等。在以上作用場中，應力場在現(xiàn)有污泥脫水技術(shù)中處于核心地位，而溫度場、電場、化學場及磁場多處于輔助地位，其中化學場和磁場常應用于污泥深度脫水的預處理階段。應力場具有獲取容易、實施簡便等優(yōu)點，也是人們原始的脫水辦法，例如污泥在自重下排水固結(jié)（重力濃縮）、機械脫水等屬于應力場的作用，而污泥自然干化則屬于溫度場的作用，電場作用脫水則是過去20年研究較多的技術(shù)。但在單一場作用下污泥的脫水效率太低，無論是脫水時間還是脫水效果，往往不能滿足污水處理廠的實際生產(chǎn)需求，這就需要應力場與其他作用場的聯(lián)合作用。
然而，現(xiàn)有理論、實驗研究多集中于不同技術(shù)的聯(lián)合使用，而對場與場的相互作用缺乏更透徹的理解，污泥脫水過程中多場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)揮各個作用場的優(yōu)勢。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
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步，機械脫水不斷完善，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，目前國內(nèi)外污水處理廠的污泥脫水方式仍以機械脫水為主。但機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“脫水實踐嚴重落后于理論研究”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現(xiàn)污泥的減量化，其本質(zhì)是通過特定的脫水設(shè)備實現(xiàn)固-液分離，在高含水率的濃縮污泥上施加作用場以得到低含水率的目標污泥。脫水過程的理論核心是作用場之間以及作用場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驗研究多集中在多技術(shù)的聯(lián)合使用，而缺乏對污泥脫水過程中多場的相互作用進行透徹的分析，并且現(xiàn)有研究對污泥脫水理論研究的重視程度遠超過脫水設(shè)備的研發(fā)。所以未來污泥脫水的關(guān)鍵是基于多場聯(lián)合理論創(chuàng)新污泥脫水設(shè)備以充分發(fā)揮各個作用場的優(yōu)勢。
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，而對污泥脫水的微觀機理分析不夠透徹，從而導致不能從本質(zhì)上解決污泥脫水難的問題。實際上，污泥脫水是水在外力驅(qū)動下克服淤堵從排水通道排出的過程，隨著脫水過程的進行，排水通過及相應的淤堵機制都會發(fā)生變化，所以污泥脫水的微觀研究應該注重從排水通道的角度分析其淤堵機理，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際脫水設(shè)備、宏觀脫水效率到微觀機理分析、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?？傮w上講，多技術(shù)聯(lián)合使用本質(zhì)上屬于多場的聯(lián)合作用，已取得突破性進展，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踐嚴重落后于理論研究，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、廣泛運用的技術(shù)高效脫水污泥將是城市污泥脫水實踐的有效出路，而如何實現(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。
