城市污泥水热脱水处理的工业应用与研究进展

荀锐等发现在170℃下水解90min能将污泥的束缚水含量由3.6g/g干污泥降至0.59g/g干污泥，通过把污泥中大部分束缚水转变为可被机械力去除的自由水从而提高污泥的脱水性能，这与王利平和VERMA等的结论相符。此外，CHU与LEE等发现在污泥水含量大于5g/g干污泥时其结合能为零，而在污泥水含量少于1g/g干污泥时其结合能为800kJ/kg。

CHEN等也发现当污泥含水率降至30%时，其水分子结合能会急剧增加，这意味着在自由水不断脱除的过程中，束缚水所占比例逐渐上升，其水分脱除所需的结合能也逐渐上升。当脱水设备能够提供的机械功低于克服水脱离污泥固体所需要的能量时，难以进一步降低含水率，表现为机械脱水存在着极限值。荀锐等通过热分析发现机械力能脱除的水分结合能极限为65kJ/kg。

2.3胞外聚合物（EPS）对污泥脱水的影响

胞外聚合物（EPS）是指污泥在形成过程中由微生物分泌于细胞外的一些高分子有机聚合物，主要由蛋白质、多糖以及少量腐殖质、核酸和磷脂质组成，是污泥有机物的重要组成部分，占有机物组分的50%～90%。其中，蛋白质与多糖又是EPS的主要成分，占EPS含量的70%～80%。

EPS中的生化聚合物具有高度水合特性和带电性，不仅使污泥束缚大量结合水，对污泥絮体的表面特性也具有重要作用，从而影响污泥的脱水特性。一般而言，EPS主要通过两方面影响污泥的脱水特性，其一是通过EPS组分中的羧基、碳酸基和硫酸基等酸性官能团的离子化使得污泥表面电荷呈负电性，从而令污泥絮体间产生静电斥力，使其难以聚合絮凝。

王红武等研究也发现污泥表面zeta电位值增大会导致其絮凝、沉降和脱水性变差，这主要是因为高zeta电位值表明污泥絮体表面的离子化多聚物较多，使得污泥与水分子间的极性作用力增强。并且张兰河等也发现污泥zeta电位值与污泥沉降性能（SVI值）呈正相关（R2=0.9597），说明污泥絮体表面负电荷越低，其静电斥力越大，导致污泥沉降性能恶化。

除此以外，羟基（—OH）还会与水分子中的氢键结合，使其难以脱水。其二是由于EPS表面官能团的亲水特性导致污泥脱水困难，亲水性增强可导致污泥絮体内结合水增多，与水分离的难度增大。总体而言，污泥EPS的表面电荷和亲水性与EPS中的蛋白质/多糖的比例有关。

在EPS中，蛋白质和多糖分别携带正电荷和负电荷，蛋白质中带正电荷的氨基可中和部分多糖中带负电荷的羟基等，降低污泥表面zeta电位。同时，蛋白质由于其疏水性氨基酸、甘氨酸和丙氨酸等使得污泥表面呈疏水性；而多糖则由于其亲水性基团如羟基等使得污泥表面呈亲水性。因此，污泥EPS中蛋白质与多糖的比值可用作评价污泥脱水性能好坏的标准。

在结构上，EPS呈现凝胶状、高度水合的带电生物膜基质，根据其不同的存在形态可分为可溶性EPS（S-EPS），松散结合EPS（LB-EPS）和紧密结合EPS（TB-EPS），最内层则为细胞相（Pellet），如图4(a)所示。

有研究表明污泥的脱水性能受EPS各层的影响都不相同，但关于EPS总量或者其中单一组分对污泥脱水性能的影响至今仍存在争议，EPS与污泥脱水性能的关系如图4(b)所示。

BO等认为EPS总含量的增加会导致污泥脱水性能的提高，而SHENG等却得出相反的结论。这主要是因为污泥中EPS浓度对脱水性的影响存在着一个特定值，当高于或者低于这个值都会使污泥的沉降性能降低。

对于EPS中各层的EPS含量而言，有学者对单独TB-EPS和LB-EPS层对污泥的絮凝影响进行了研究对比。研究发现由于LB-EPS属于松散结合型EPS，位于污泥的外层，其含量增多会导致污泥表面zeta电位增大从而引起静电斥力增大，阻碍絮凝作用。

而TB-EPS位于内层，具有结合紧密、流变性小、水分少、体积少等特点，对污泥的絮凝性能影响较少。同时，也有研究发现随着LB-EPS/TB-EPS比值的增大，污泥zeta电位增大，脱水性能恶化，这主要是因为污泥颗粒结构类似于颗粒胶体，LB-EPS层与TB-EPS层则如同胶体颗粒的双电层结构，LB-EPS/TB-EPS的增大相当于扩散层的厚度增大从而导致zeta电位增大。

此外，SHAO等研究发现污泥的脱水特性与S-EPS中的蛋白质/多糖相关，表现为污泥毛细吸水值（CST）与S-EPS层中的蛋白质/多糖比例呈现正相关性（R2=0.668）。LI等也认为污泥脱水特性与上清液、S-EPS和LB-EPS中的蛋白质/多糖有关，但是也有研究表明污泥中的结合水主要束缚在LB-EPS中，且LB-EPS含量的增加会导致污泥黏度的增加，造成污泥脱水性能变差。

这主要是由于不同的EPS分层提取方法所造成的，目前的EPS分层提取方法包括加热提取法、超声提取法以及CER提取法等，不同的提取方法势必会对细胞造成不同程度的破坏从而造成EPS提取误差。LIAO等认为可利用DNA作为EPS分层提取过程中细胞裂解的评价依据，若DNA含量在总EPS含量的2%～15%之间则证明在EPS提取过程中细胞的裂解程度不剧烈，EPS分层结果可靠。因此，对EPS分层提取方法的优化以及其提取效果的评价将是研究污泥EPS影响的关键因素。

YU等在100～200℃的范围内对污泥进行水热处理，发现其Zeta电位值呈现先下降后增大的趋势。ZHU等在较低温度范围（60～180℃）内对城市污泥进行水热处理后再进行机械脱水，发现污泥含水率能从72%降至27%；而ESCALASAVEYN等在更高温度范围（150～240℃）内进行水热脱水实验，得出类似结论。

WANG等通过在210℃条件下水解污泥90min，发现水热污泥的表面负电荷由0.36meq/g降至0.04meq/g，颗粒间静电斥力减弱使得污泥脱水能力增强。同时，水热污泥的疏水性也由75%上升至92%。由此表明水热处理过程能对污泥中的胞外聚合物进行水热改性，提高污泥的疏水性并且降低其表面负电荷，从根本上破坏了污泥表面对水分子的亲水性束缚，从而提高污泥的脱水性能。此外，由于在水热过程中水分没有发生相变，热能被储存在污泥颗粒和高温滤液中，使得整个污泥深度脱水过程的能耗远远低于一般的热干燥脱水。

3结语与展望

污泥水热脱水技术是污泥减量化与无害化处理利用中一项新兴技术。目前对于污泥的脱水处理一般局限在机械脱水-热干化或者药剂调理-机械脱水上，但这两种方法都因为能耗高或后续处理困难而存在缺陷；而水热处理能对污泥进行水热改性，从根本上破坏污泥表面对水分子的束缚，改善污泥脱水性能，并且在水热过程中水分没有发生相变，大大降低了整个污泥深度脱水的能耗，为城市污泥的处理提供了一条可行前处理工艺。

目前污泥水热脱水处理工艺在工业上得到不断地改进，但关于其脱水机理的相关研究则仍比较匮乏且矛盾。因此针对污泥的水热脱水处理研究，可以从以下几个方面入手：

①通过对不同种类的污泥进行水热处理对比研究，探讨污泥中不同组分对其脱水性能的影响，以便更清晰地揭示污泥的水热反应机理；②对污泥EPS各层的提取方法进行对比分析以便确定适宜的分析方法，并进一步对污泥各层结构以及组分对污泥脱水性能的影响进行深入研究；③研究不同的催化剂或者絮凝剂在污泥水热处理过程中的作用，以便提高水热污泥的脱水性或者降低其过程能耗。

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