城市污水厂剩余污泥脱水技术
本文在阐述污泥脱水性能影响因素的基础上，介绍了近十年来有关城市污泥传统、常用及新型的污泥脱水技术，并基于当下最新技术研究成果，对未来研究方向进行了展望。
随着社会的发展以及人们生活水平的提高，我国的污水处理技术迅猛发展。截至2016年9月，全国共有污水处理厂3976座，污泥年产量超过3×107t，是全球最大的污泥产生国。污泥的大量产生对污泥的运输及处理造成了巨大的经济和环境负担。污泥的组分复杂，性质不稳定，如果直接排到自然环境中，将会对周边土壤、水体、空气造成严重污染，并且散发恶臭气体，影响人类生活。因此如何科学、妥善处理污泥，使其减量化、资源化、无害化、稳定化已经成为环保界的焦点问题。
1污泥的特性和分类
污泥含水率极高，可以达到99%，甚至更高。其中还包含重金属、有机质、氮和磷等植物性营养元素以及有毒有害有机物等。污泥絮体呈胶状态，易腐化变质甚至引起流行病，极易造成二次污染。一般来说污泥按污水来源特性的不同可将污泥分为生活污泥及工业污泥。污泥中水分的存在形式有四种：间隙水、毛细管结合水、表面吸附水以及内部结合水。
表1污泥中的水分分布
2影响污泥脱水的因素
2.1
胞外聚合物(EPS)胞外聚合物(EPS)是一种高分子有机聚合体，主要聚集在污泥胶体微生物细胞外，一般认为EPS占活性污泥总有机质的50%～90%。由于存在亲水性官能团(如羟基)和具有复杂网状结构的菌胶团，EPS可改变污泥颗粒的表面特性，增加其亲水性和黏度。
例如刘轶等的实验研究表明，胞外聚合物对污泥脱水的性能影响显著，胞外蛋白质含量、胞外多糖含量以及EPS的总含量对污泥脱水性能的影响性能并不显著。然而众多学者的研究并没有达成一致，如Feng等认为低含量S-EPS(溶解性胞外聚合物)能促进细小颗粒污泥的絮凝沉降，有助于提高污泥的混凝效应，从而提高脱水性能，并提出最优的S-EPS含量约为400~500mg/L。而Yuan等也发表了类似的结论，但其得出最优的S-EPS含量仅为15~18mg/L。对EPS的作用机理的研究仍需不断的深入。
2.2
粒径分布在污泥中，细小污泥颗粒所占比例越大，污泥的脱水性能就越差。因为越是细小的污泥其水合程度越高，从而影响污泥的脱水性能。
众多的研究表明污泥脱水的关键在于释放内部结合水，仅仅去除毛细结合水和表面吸附水远远不能达到污泥脱水的目的。Feng等指出，污泥的最佳粒径在80~90μm之间，污泥的比阻与毛细水时间同时达到最小值，此时增大或缩小污泥粒径都将使污泥脱水性能恶化。而yang得出的最佳粒径为129.87μm，造成这种不同的结论可能是由于污泥种类与性质的不同。
2.3
Zeta电位污泥颗粒具有双电层结构，由带负电的微生物菌胶团粒子组成。Zeta电位的高低对污泥胶体颗粒的凝聚和沉降性能有着决定性的影响，进而影响污泥的脱水性能。
一般来说Zeta电位在-5~0mV时可以获得较好的混凝效果。李敏在研究中发现pH值与介质性质也会影响Zeta电位。Wilén等试验研究进一步指出，污泥颗粒表面带电的重要影响因素是EPS，且EPS中PN和HS对Zeta电位的贡献最大。
2.4
黏度污泥为非牛顿流体，具有粘度和弹性两种特性，因此黏度是评价污泥流变特性、化学调理效率和脱水性能的重要参数。
Li的研究发现污泥的粘度受LB-EPS(疏松型胞外聚合物)的影响显著，并且污泥的粘度越大脱水性能越差。Chen的研究表明，污泥黏度和滤饼含水率呈正相关性(R=0.84)，但滤饼含水率随黏度增加呈现出先下降后上升的趋势，污泥的脱水最佳黏度为20~25mPa˙s。
近年来，邢奕等研究表明pH的波动也会影响污泥的脱水性能。在Ph值为3.03的条件下，CST和污泥滤饼含水率均降至最低，污泥脱水性能达到最优。
3污泥脱水技术
污泥脱水流程主要分为四个部分：1)污泥浓缩，对污泥进行初步脱水;2)污泥调质，改变污泥的絮体结构;3)污泥脱水，减少污泥体积;4)污泥最终处置。
3.1传统污泥脱水工艺
3.1.1
干化传统的污泥脱水方式是自然干化，主要方法有污泥池法、沙地干化床和冷冻脱水等。虽然自然干化成本低，操作简单，但其也具有时耗长、有毒有害物质残留、脱水不彻底等缺点。自然干化通常需要4~5周的时间，第一周可以将污泥的含水率降低至60%左右，4~5周后污泥的含水率通常低于10%，但为了保证脱水效果，该工艺只能在气候干燥的地区使用。
为避免造成二次污染和降低成本，很多技术都是建立在微生物的基础上。污泥生物干化法是快速散发污泥中的水分降低其含水率，并使物料保持较高的热值，便于焚烧或作为肥料等后续再利用，该技术虽未能推广运用，但具有极高的开发价值和广阔的运用前景。
3.1.2
机械脱水机械脱水是污泥最常见的脱水方式，常见的脱水机有离心分离机、压滤、机真空过滤机等。主要是依靠过滤介质两面的压力差作为推动力，使污泥泥水强制分离。
但是，直接通过机械脱水，污泥的含水率并不能有效的降低。李华等试验研究表明，某石油化工企业污水处理厂的污泥，经过浓缩作用和机械脱水后,污泥的含水率仍高达85%左右。而且也没有解决污泥干化时成本高的问题。
目前，国家提倡把污泥的含水率降低到60%以下。南京某污水处理厂所采用的高压双膜片压滤机系统。与现普遍使用的带式脱水机和离心脱水机相比，高压双膜片污泥压滤机的脱水效果得到极大的提高，脱水后污泥含水率最低可达到45%。
3.2常见的脱水工艺
3.2.1
酸处理工艺酸处理污泥的作用机理是在酸性条件下，活性污泥的胞外聚合物受到破坏水解，改变污泥的水分分布，使部分间隙水从污泥絮体或细胞中释放出来，从而达到提高污泥脱水性能的效果。
将酸处理与絮凝剂相结合能有效的降低药剂的投加量，如何文远等使用H2SO4对污泥进行预处理，并与仅使用阳离子型PAM处理的污泥进行对照，H2SO4预处理之后，板框压滤30min后，泥饼含水率降低了5.9%(从76.14%降低到70.24%)，提高了脱水性能。同样的洪晨等的研究也表明，酸性条件下表面活性剂的作用效果较好，污泥滤饼含水率明显降低。当pH值为3、表面活性剂投加量为93.75mg/g时含水率和比阻可分别降至60.12%、0.59×1013m/kg。
3.2.2
氧化法工艺氧化法是利用强氧化性的药剂，破坏污泥颗粒中的细胞组织及胶体结构，释放内部结合水，从而提高污泥的脱水性能。
常用的工艺为Fenton，在实际操作中也有良好的效果。如梁秀娟等采用Fenton氧化法对印染污泥进行处理，当pH值为2.0，H2O2和Fe2+投加量分别为428mg˙g-1(干泥)和42.8mg˙g-1(干泥)，反应时间1.5h、反应温度80℃时,TSS由18.66g/L下降至4.82g/L。毛细水时间和比阻分别由98.6s和6.03×1011s2/g下降至18.9s和8.42×1010s2/g。
3.2.3
冷冻冻融技术冷冻冻融技术，通过有效地压缩污泥絮体结构来提高污泥的脱水性能。污泥中的水分子在冷冻时会形成不规则的冰针，这些冰针不断凝结污泥絮体中的自由水，絮体网状结构被破坏，释放大部分的间隙水。
例如陈悦佳等的研究表明，在相对较高的温度(-5℃)下冻融，可以更加完全的破解污泥，最大限度的释放胞内有机物。污泥在-5℃下完全冷冻后(约5h)，转移到相对较低的温度下继续固化，可以获得更好的冻融效果。而李恺等研究了冷融技术与化学调理联合对污泥脱水的影响，得出在-15℃，表面活性剂CTAC投加量为7.38g/L时，将污泥含水率降至62%左右。对于冷冻温度的差异，可能是由于整体调理方式的不同导致的。
3.2.4
污泥调理技术目前运用最为广泛的污泥脱水方式是调理剂与机械脱水相结合的工艺。调理剂分为化学调理剂和生物调理剂两大类，化学调理剂又分为助凝剂和絮凝剂。目前在污水处理厂应用广泛的是无机絮凝剂及有机高分子絮凝剂。无机絮凝剂是一种电解质化合物，主要有铁系和铝系两类。虽然无机絮凝剂廉价易得，但是用量大，处理效果不理想。所以近些年渐渐的开始被有机高分子絮凝剂替代。天然生物高分子絮凝剂具有经济、环境双重效益，但是还处于研究阶段。
近年来，研究者发现调理剂的复配使用往往可以达到单一调理剂所不达到的效果。如郦光梅等比较了有机高分子絮凝剂调理污泥与氯化铁、硫酸铝、氯化铝复配使用的效果：结果表明投加混凝剂调理后污泥比阻降低了70%，比单独投加有机高分子絮凝剂的污泥比阻降低率高33%。邓伟研究了聚丙烯酰胺—硫酸铁复合调理剂对活性污泥的脱水性能的影响，达到相同脱水效果，PAM和Fe2(SO4)3复配时的用量比单独使用时减少一半以上。熊唯试验表明：红石膏与阴离子有机聚合物LT25(有机高分子絮凝剂)，使污泥絮体分型维数由1.38增加到1.71，复配后泥饼含水率比不加石膏调理的泥饼含水率降低了7.1%。
表2常见的无机絮凝剂
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3.3近年来发展的新型污泥脱水技术
3.3.1
超声处理工艺超声波处理污泥主要是利用声波的能量。超声波可以在液体中产生“空穴作用”，形成极端的条件，局部产生高温高压，并产生强劲的水剪切力，破坏污泥中的菌胶团，释放出胞内结合水，从而提高污泥的脱水性能。
超声处理主要的技术指标是超声波的频率和超声的时间，如邱高顺的研究结果表明，超声波频率为25kHz，声能密度为0.08W/mL，超声时间为60s的情况下，污泥的比阻相较于原泥降低了67.0%。并认为过高的声能密度不利于提高污泥的脱水性能。而韩青青等得出研究结果表明,最佳的超声时间10min，超声声能密度0.8W/mL。这种差异有可能是污泥的来源与泥质不同导致的。
3.3.2
生物淋滤工艺生物淋滤工艺由于其成本低廉、不会造成二次污染并能有效的去除污泥中的重金属离子，近年来成为研究的热门。生物淋滤是通过氧化硫杆菌直接氧化硫单质或间接氧化亚铁离子产生酸化作用，能有效去除污泥中的重金属离子、杀灭细菌去除恶臭。有文献表明，生物淋滤还可以改善污泥的脱水性能。
如肖凌鹏等的研究表明，当生物淋滤的pH值在2.0~2.5时污泥脱水性能得到较大改善，当pH值低于2.0时污泥的脱水性能恶化。淋滤污泥比阻由1.26×1014m/kg降低到8.14×1012m/kg，降低了93.54%。淋滤污泥pH值回调至6.0后，污泥比阻持续降低到8.27×1011m/kg，共降低99.34%，污泥从难脱水状态转化为易脱水状态。也有学者将生物淋滤与其他预处理技术联合使用，如陈泓等将生物淋滤与Fenton工艺相结合，将污泥的比阻和滤饼含水率分别由5.89×1011s2/g和88.75%降低至1.26×1011s2/g和82.85%。
3.3.3
电渗透工艺固体颗粒和液体在电场的作用下作定向运动，并通过多孔固体滤膜进行过滤，从而实现的固液分离。如李亚林等的试验结果表明，电渗透技术可以改善污泥的脱水性能，机械压力为18.83kPa，污泥厚度为1.13cm，电压梯度为60V/cm，初始含水率为87.45%，污泥含水率可降至49.14%。李亚林还将铁盐及过硫酸盐与电渗透相结合,将污泥的含水率降低到60%以下。相对于单独使用电渗透技术，泥饼更加均匀，有利于之后的处置。
表3污泥脱水技术对比
4污泥脱水技术的应用
4.1
污泥干化技术的应用目前污泥干化焚烧是污泥的重要处置方式，该方法具有污染物分解彻底、尾气不易造成二次污染。但需增加臭气处理及与污泥焚烧相关设施。
深圳盐田垃圾焚烧厂的炉排垃圾焚烧是国内首创，掺烧污泥约40t/d，烟尘排放等各项指标均达到了欧共体标准。华电滕州新源热电公司于2008年年末成功运行150MW的城市污泥干化焚烧系统。本系统使用电厂锅炉烟气，对城市污泥(含水率75%~80%)进行干化，干化后的污泥掺入(占比约为5%)电厂输煤系统，送入锅炉进行燃烧。
4.2
污泥深度脱水技术的应用污泥机械脱水的难点在于脱水后的污泥的含水率仍然在70%~80%，并且能耗较大。田禹等通过真空过滤法测量比阻发现,当污泥的含水率小于97%后,污泥的比阻显著增大。由此可见，当污泥的含水率较低时,污泥中的固体物质可能会吸附在一起,使其中的内部结合水的量变多,从而影响污泥脱水的效果。而桑德集团开发的电渗透污泥高干脱水技术与现有技术相比，同时具有投资少并节能的双重效果。
该公司将“电渗透”与“板框压滤”相结合，可将污泥含水率由80%~85%降低至60%~40%，并且在不添加任何药剂的情况下，总耗电约为80~120k˙Wh/t。2014年建成25t/d的示范工程，在一年的运行时间里，脱水后的泥饼的含水率低于40%，低位热值达到4186~5443kJ，可回收部分热能。
同样的位于上海市白龙港污水处理厂旁，采用“添加FeCl3及CaO化学调理+隔膜压滤”工艺，调理剂投加量分别为干泥量8%的FeCl3和20%的CaO;工程主体设备板框隔膜压滤机共26台，过滤压力一般在1.0MPa以上。在为期4个月的试运行中泥饼含水率稳定在60%以下，并稳定运行至今。但是投加20%的CaO，将会使污泥增容20%以上，给后续的处理处置带来困难，该问题亟待解决。
当污泥脱水处理厂污泥中重金属含量符合《城镇污水厂污泥处置制砖用泥质》的要求，可考虑将污泥经“化学改性+机械脱水”后，按20%的比例加入到烧结砖原料的页岩、粘土或煤渣中进行制砖.不会影响砖的成型和含水率、此种方式实现对污泥的减量化、无害化处理，并进行资源化利用，既经济又达到了最终处置的目的。
4.3
超声波技术在污泥脱水中的应用超声波脱水技术是近年来兴起的一种主要的污泥脱水技术，目前我国基本上还处于实验室研究阶段，而在国外己将该项技术实际应用于污泥的减量处理中，应用最成功的是德国的巴姆堡市污水厂。
该污水处理厂的原设计能力为30000m³/d，利用超声波对污泥进行预处理。一期两台运行3个月后，沼气产量增加30%，污泥停留时间从25d降到18d，满足了后续污泥脱水处理处置的要求。并且不是所有的污泥都需要进行超声处理，处理量一般取剩余污泥的30%左右。从投资角度来看，利用超声处理每方污泥脱水的用电量为3度左右，其设备投资只需建罐费用的一部分。
同其他技术相比，利用超声波技术对污泥进行脱水处理具有许多优势，如二次污染、分解速度快、设备简单等，超声波的频率并非越高越好，马守贵等的研究表明，低频超声(28.7KHz)对污泥的脱水效果优于高频超声(40KHz);但超声波技术在使用过程中能耗较大，限制了其在污泥脱水处理处置中的推广应用，若对超声波加以改进，降低能耗，则可以将该技术大范围的应用污泥的处理处置中，变废为宝，使污泥资源化。
表4常见污泥处置方式比较
5污泥脱水存在的问题与展望
目前我国污泥的稳定化、无害化程度较低，并存在严重的“重水轻泥”的现象，所以需要加大在污泥脱水科研方面的投入，建立健全相关的法律法规，增加政策支持和监管体系。现在污水处理厂广泛使用的无机絮凝剂和有机絮凝剂，其中大部分会对环境会产生二次污染，也不利于污泥的资源化利用。所以无二次污染且性能优异的生物絮凝剂成为人们未来研究的方向。并且，往往单一种类的脱水方式的脱水效果是有限的，难以达到人们的预期。污泥脱水技术今后还需要大力发展多种处理技术联合的组合式技术，如Fenton试剂与CPAM联合调理污泥、无机混凝剂与壳聚糖联合调理污泥、优化超声波联合絮凝剂强化污泥脱水等，这样可以发挥单一技术的优点，相互之间取长补短，从而达到高效脱水的效果。总的来说,提高污泥的调理效果,降低成本,减少其对环境的危害是污泥调理技术今后发展的主要方向。近年出现的污泥调理技术目前还处于实验阶段,今后应加快其研究步伐,尽快应用于实际同时应致力于对其机理的研究,为其应用提供可靠的依据。
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