污水处理技术篇：城市污水处理厂剩余污泥处理技术

根据《2011 年国民经济和社会发展统计公报》，2011 年末中国城市污水处理厂日处理污水的能力已超过1.1 亿m3，城市污水处理率达到82.6%。随着污水处理量的日益增加，还产生了大量的污泥。目前对这些污泥的处理、处置仍面临着许多问题，处理不当则很容易产生二次污染问题，因此有必要在污泥的最终处置前进行污泥减量的预处理。

污泥预处理技术包括机械法(如超声处理)、化学法(如碱法等)、热力学法(如热处理、冻/融处理)和生物法(如生物酶法)等。相对于机械法需要消耗大量能量或化学法需要添加化学药剂的高成本来说，冷融法可自发进行，不需要额外添加聚合物，并且自然冷能作为一种清洁能源，可大大降低运行费用。

早在19 世纪，加拿大已有把自然冷冻法应用于污泥预处理的实例，并认为其处理费用是普通处理方法的十分之一，只是当时由于技术上的原因，自然冷冻法没得到推广。近年来，冷融法处理污泥在美国、瑞典等国家得到广泛的应用，而冷融法处理污泥在国内尚处于初步探索阶段。冷融处理是一种有效的污泥调理手段，不仅能够改善污泥的脱水性能，使污泥颗粒结构更加紧密，还可以减少结合水含量，同时实现污泥破解，加速后续的厌氧消化进程等。冷融过程破坏了污泥胶体性质，使疏松的颗粒结构转变为致密形态结构，沉降速度与过滤速度提高。冷融法同时也是一种有效灭活污泥细菌的方法，有研究表明其对异养菌群(HPC)灭活率可达95%，对大肠菌群灭活率可达84%左右。笔者研究了剩余污泥在-18 ℃下冷冻不同时间后，污泥理化性质的变化情况，并分析了冷融后污泥的沉降性能和脱水性能。

1 实验材料与方法

1.1 污泥来源

试验所用的剩余污泥采集于江门市文昌沙水质净化厂，污泥采集后静沉12 h，弃去上清液，其含水率降至97%左右，贮存在4 ℃冰箱中备用。剩余污泥的TCOD 和SCOD 分别为(30 126 ±237) mg/L 和(1 075±26) mg/L，pH 为6.82。

1.2 冷冻实验

将剩余污泥置于-18 ℃的冰箱中冷冻不同时间。冷冻结束后，在相对湿度为41%~88%，室温(约25 ℃)条件下进行解冻，然后分析其理化性质、脱水性能和沉降性能。

1.3 分析方法

将经冷融处理的污泥50 mL 加入量筒中，每隔一定时间记录一次污泥体积，共计时1 h，比较经不同试验处理后污泥的沉降速度。将经冷融处理的100 mL 污泥倒入布氏漏斗，在0.04 ~0.05 MPa 下进行真空抽滤。直至真空破坏时停止过滤，如真空长时间不破坏，则过滤20 min后即停止。然后取出部分污泥滤饼置于表面皿中，于烘箱中105 ℃恒温烘干至恒重，放入干燥器中冷却后称其质量，最后计算滤饼的含水率。污泥的TCOD、SCOD 和pH 按照国家标准方法测定。

2 结果与讨论

2.1 冷冻时间对污泥沉降性能的影响

污泥冷冻不同时间，再经自然融化后，其沉降性能变化见图 1。

由图 1 可以看出：原污泥沉降很慢，沉降1 h 后污泥体积还有43 mL。而冷冻6 h 的污泥融化后，1 min 内就沉降了13 mL，沉降速度由原先的0.002mL/s 上升至0.217 mL/s，沉降速度提高了108.5 倍，污泥沉降速度大幅度提高。这是由于完全冻融后污泥颗粒间结合水和间隙水被排出，污泥颗粒迅速凝集沉降。当污泥经13 h 的冷冻后，1 min 内的沉降速度又比冷冻6 h 的污泥快很多，说明增加冷冻时间有助于改善污泥沉降性能，但将冷冻时间提高到22 h 时，沉降速度却没能进一步提高，由此说明，冷冻13 h 是提高污泥沉降性的既经济又有效的较佳冷冻时间。

有研究表明〔9〕，完全冷冻是污泥性状发生改变的前提，P. A. Vesilind 定义的完全冷冻时间为：

式中：tf———完全冷冻时间，h;

ρf———污泥冷冻后的密度，kg/m3;

L———熔化潜热，W˙h/kg;

ε———污泥层厚度，m;

Tf———污泥的冰点，℃;

Taf———冷冻场的平均温度，℃;

hc———平均对流系数，W/(m2˙℃)。

其中ρf=917 kg/m3，L=93 W˙h/kg，ε=0.006 m，Tf=0℃。经推导，本试验装置平均对流系数为2.368W/(m2˙℃)。由此可计算出-18 ℃完全冻结时间为12 h。这个时间与本试验确定的较佳冷冻时间13 h较吻合。

2.2 冷冻时间对污泥脱水性能的影响

污泥冷冻并解融后，用真空泵对其抽滤并测定其滤饼的含水率; 为进一步考察污泥冷融后的脱水性能变化情况，分别取经冷融后的100 mL 污泥样品在4 000 r/min 转速下离心30 min，然后测定冷冻污泥离心后的上清液体积，结果见图 2。

由图 2 可以看出： 经抽滤后原污泥的滤饼含水率高达88.2%，而经冷冻6、13 h 的污泥滤饼含水率则有了很大程度的降低，分别降至73.8%和63.8%，继续增加冷冻时间为22 h 时，滤饼含水率没有进一步降低，这与前面的污泥沉降性能实验结果相似。冷融可有效降低滤饼含水率，是一种能有效提高污泥脱水性能的方式。而沉降性能得到改善的冷冻污泥的离心上清液体积也在增加，说明污泥沉降性得到改善的同时其可压缩性亦得到改善，进一步说明冷融处理改善了污泥的脱水性。

2.3 冷冻时间对污泥有机物含量、pH 的影响

试验还测定了剩余污泥经冷融处理后有机物含量的变化，冷融前后TCOD 基本没有改变，SCOD 变化情况见图 3。

图 3 表明：SCOD 随着冷冻时间的延长而不断增加，这表明随着冷冻作用对污泥固体的破解，污泥中的有机物逐渐被溶解，结果导致污泥液相中溶解性污染物逐渐增加。

另外由图 3 还可以看出： 剩余污泥经冷融作用后，pH 有所降低。并且污泥经较短时间的冷冻后，污泥pH 的降低速率要大于污泥经较长时间冷冻后pH的降低速率。污泥pH 的下降表明污泥中挥发性脂肪酸(VFA)含量在增加，这主要是由于细胞内和细胞外的冰在形成过程中细胞破裂而释放出细胞内含物所致。T. W. Jan 等〔10〕指出，pH≈5.5 是产甲烷活动可以启动的临界pH，不可低于该值。而在本试验中，剩余污泥经13 h 冷融处理后的最低pH 为6.39，能满足产甲烷活动启动的边界条件。这表明污泥经冷融预处理不会妨害后续的厌氧消化处理效果。

3 结论

冷融法调理污泥有利于污泥脱水，使污泥易于沉降。这是由于冷冻过程中毛细管引力致细胞机械脱水，结合水的含量有大幅度降低，脱水的效果有明显提高。另外冷融处理可以破解污泥，将胞内固体物质转化为液相成分。冷融法作为一种新型污泥处理方法，对于节约资源，建立环境友好型社会有特殊重要的意义。冷融处理是一种有效的污泥预处理技术，剩余污泥经过冷融处理后，污泥的理化性质有所改变，随着冷冻时间的增加，污泥pH 下降，而SCOD有所上升。

(1)冷融调理后污泥的沉降性能显著提高，-18 ℃下冷冻13 h，解冻后沉降速度由原污泥的0.002 mL/s 上升至0.442 mL/s。

(2)冷融后污泥脱水性能改善明显，-18 ℃下冷冻13 h 后，滤饼含水率降为63.8%，含固率>30%。

(3)冷融处理在使污泥的沉降和脱水性能都得到改善的同时也改变了污泥的理化性质。冷融后污泥的SCOD 随着冷冻时间的延长而不断增加，冷冻13 h 污泥的SCOD 从原先的(1 075±26) mg/L 增加到(2 458±33) mg/L;污泥的pH 从原污泥的6.82降到6.39，但仍高于产甲烷活动可以启动的临界pH。