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3 976座，污泥年产量超过3×107  t，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400~500  mg/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15~18 mg/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80~90  μm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129.87  μm，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-5~0  mV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20~25  mPa˙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30  min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93.75  mg/g时含水率和比阻可分别降至60.12%、0.59×1013 m/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428  mg˙g-1 (干泥)和42.8 mg˙g-1(干泥)，反应时间1.5 h、反应温度80 ℃时,TSS 由18.66 g/L下降至4.82  g/L。毛细水时间和比阻分别由98.6 s和6.03×1011 s2/g下降至18.9 s和8.42×1010 s2/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。