污泥脫水技術(shù)

剩余污泥是污水處理工藝中不可避免的副產(chǎn)物，其中含有大量的重金屬和難降解有機(jī)物。近幾十年來(lái)，由于工業(yè)化的發(fā)展、人口的快速增長(zhǎng)和污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，剩余污泥量迅速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)污泥產(chǎn)量已達(dá)到4000萬(wàn)噸左右(按含水率80%計(jì))，預(yù)計(jì)2020年剩余污泥產(chǎn)量將達(dá)到6000萬(wàn)噸左右。目前，城市污水廠剩余污泥的含水率在99%以上，濃縮或機(jī)械脫水后仍在80%以上。高含水量導(dǎo)致大量的污泥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)處理剩余污泥所需的基建和運(yùn)行費(fèi)用分別占城市污水處理廠總基建和運(yùn)行費(fèi)用的30%~40%和20%~50%，從而導(dǎo)致城市/[/k2]如何提高剩余污泥的脫水性能和效率成為剩余污泥處理領(lǐng)域的重要課題。因此，本文綜述了近年來(lái)傳統(tǒng)、常用和新型污泥脫水技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，為剩余污泥的高效脫水提供參考。

1.剩余污泥的水分類型

根據(jù)剩余污泥中水分子與污泥固體顆粒的相互作用，剩余污泥中的水可分為兩種，即自由水和結(jié)合水，結(jié)合水又可細(xì)分為間隙水、表面吸附水和化學(xué)結(jié)合水，如表1所示。目前，限制剩余污泥脫水性能的主要原因是機(jī)械脫水工藝不能去除污泥中的表面吸附水分和化學(xué)結(jié)合水分。

2.污泥脫水技術(shù)的研究進(jìn)展

污泥脫水過(guò)程主要分為四個(gè)部分(圖2)。

2.1傳統(tǒng)污泥脫水工藝

自然干燥過(guò)程

有污泥池法、砂干化床、楔形水干化床和冷凍脫水等。而且這種工藝只適用于干燥地區(qū)。中小型污水處理廠主要采用的傳統(tǒng)污泥脫水工藝是砂床脫水工藝，具有成本低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但存在脫水不徹底、周期長(zhǎng)、二次污染等缺點(diǎn)。近年來(lái)，丹麥科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)沙床脫水工藝與垂直流人工濕地相結(jié)合的污泥干化蘆葦床系統(tǒng)(SDRB)對(duì)污泥脫水的效果要比單獨(dú)的沙床脫水工藝好得多，而SDRB系統(tǒng)比機(jī)械脫水工藝成本更低，能耗更少，因?yàn)槲勰嗝撍哪芰縼?lái)源于自身重力、太陽(yáng)輻射和生物過(guò)程。SDRB系統(tǒng)通過(guò)在沙床中種植蘆葦?shù)戎参?，改善了傳統(tǒng)沙床的性能，延長(zhǎng)了沙床的使用壽命(5~10年)。蘆葦?shù)戎参镌谄涓繀^(qū)域形成豐富的微生物系統(tǒng)，為污泥的有機(jī)質(zhì)提供養(yǎng)分。同時(shí)，植物蒸散能力強(qiáng)，對(duì)不同含水量的污泥耐受性強(qiáng)。污泥脫水過(guò)程中，污泥干物質(zhì)含量增加，污泥體積減小，有機(jī)質(zhì)分解，剩余污泥可用作有機(jī)肥。

2.1.2機(jī)械脫水

機(jī)械脫水工藝是一種常見(jiàn)的剩余污泥脫水工藝，根據(jù)脫水原理可分為真空過(guò)濾脫水工藝、離心脫水工藝和壓濾脫水工藝。早期污水處理廠常采用真空過(guò)濾脫水工藝，污泥脫水后泥餅含水率一般高于85%。目前，污水處理廠常采用壓濾機(jī)脫水工藝，分為帶式和板框壓濾機(jī)脫水。帶式壓濾機(jī)脫水工藝的進(jìn)料污泥應(yīng)是不易流動(dòng)的、含固量高于50%的污泥。如果污泥含固量低于50%，必須采取更換濾布、添加鋸末等措施。污泥的含水率一般在82%左右。鎮(zhèn)安污水處理廠采用帶式壓濾機(jī)脫水工藝。板框壓濾脫水工藝通?？蓪⑽勰嗪式抵?5%~75%，但也存在一些缺點(diǎn)，如壓濾壓力低于1.0MPa，濾布上的水膜會(huì)阻礙污泥中水分的去除，降低脫水效率，濾布更換麻煩，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高等。竹園二廠污水處理采用板框壓濾脫水工藝，使用氧化鈣、聚合氯化鋁等調(diào)理劑后泥餅含水率在75%左右。目前，上海白龍港污水處理廠采用化學(xué)調(diào)理法結(jié)合隔膜壓濾脫水工藝。脫水后污泥體積減少35%以上，泥餅含水率小于60%。離心脫水在很多行業(yè)應(yīng)用廣泛，污泥含水率一般為75%~80%。2010年11月26日，環(huán)保部下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理工廠污泥污染防治的通知》，規(guī)定污水處理工廠必須將污泥脫水至含水率50%以下，可見(jiàn)污水處理工廠現(xiàn)有的常規(guī)機(jī)械脫水技術(shù)無(wú)法滿足含水率要求。

2.2常用的污泥脫水工藝

酸處理工藝

酸處理工藝的機(jī)理是發(fā)現(xiàn)剩余污泥的含水率隨著pH值的變化而變化。在酸性條件下，剩余污泥的胞外聚合物(EPS)水解脫離污泥表面，改變剩余污泥的水分分布，從而提高剩余污泥的脫水性能，達(dá)到降低剩余污泥含水率的效果。研究發(fā)現(xiàn)，剩余污泥脫水性能的最佳pH值為2.5左右。何等人的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)硫酸預(yù)處理的污泥脫水性能遠(yuǎn)好于經(jīng)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺預(yù)處理的污泥。謝武明等發(fā)現(xiàn)，用硫酸預(yù)處理的污泥脫水性能比高能預(yù)處理提高了30.8%。易等的研究表明，剩余污泥的脫水性能順序?yàn)樗嵝詶l件下>中性條件下>堿性條件下，當(dāng)調(diào)節(jié)pH值至3.0左右，表面活性劑用量為94.0mg/g時(shí)，剩余污泥的含水率降至60.8%。

2.2.2高級(jí)氧化工藝

高級(jí)氧化工藝的機(jī)理是利用強(qiáng)氧化劑破壞剩余污泥中的絮體結(jié)構(gòu)，釋放結(jié)合水，改變污泥中的水分分布，從而提高污泥的脫水性能。Fenton法因其高效、環(huán)保而被認(rèn)為是一種很有前途的氧化技術(shù)。傳統(tǒng)的芬頓法包括一系列自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，如式1至式8。Fenton預(yù)處理污泥有兩種機(jī)理，一種是絮凝作用。Fenton過(guò)程中，F(xiàn)e (ⅲ)和OH-生成Fe(OH)3，具有絮凝作用。是氧化。芬頓工藝中，通過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成大量羥基(OH)，其高氧化還原電位能快速氧化胞外聚合物，從而改變污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高污泥脫水性能。

李娟等采用Fenton法對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理。當(dāng)pH值為2.5，反應(yīng)時(shí)間為90min，n (H2O2) ∶ n (Fe (ⅱ)) = 8 ∶ 1，反應(yīng)溫度為65~70℃時(shí)，污泥含水率顯著下降。梁秀娟等人采用Fenton法預(yù)處理印染污泥。最佳反應(yīng)條件為pH 2.0，反應(yīng)時(shí)間90min，n (H2O2) ∶ n (Fe (ⅱ)) = 10 ∶ 1，反應(yīng)溫度80℃，總懸浮固體(TSS)去除率74.2%，毛細(xì)管抽水時(shí)間(CST)從98.6s縮短到18。劉等采用Fenton法對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，在較佳條件下，脫水污泥餅含水率為49.5%。

凍結(jié)和解凍過(guò)程

凍融過(guò)程的機(jī)理是剩余污泥中的游離水在凍結(jié)時(shí)會(huì)形成不規(guī)則的冰針，破壞污泥絮體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，釋放污泥內(nèi)部的間隙水，從而提高污泥的脫水性能。陳等的研究表明，釋放剩余污泥胞內(nèi)有機(jī)質(zhì)的最佳凍融溫度為-5℃左右，并改善了剩余污泥的生化性質(zhì)。李等采用凍融結(jié)合化學(xué)調(diào)理工藝來(lái)改善剩余污泥的脫水性能。研究表明，在表面活性劑CTAC的協(xié)同作用下，在-15℃下，剩余污泥的含水率比常溫下分別降低了約6.0%和62.8%。高等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷凍時(shí)間足以使細(xì)胞內(nèi)的水分結(jié)晶時(shí)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)和胞外聚合物被破壞，污泥顆粒發(fā)生聚集，尺寸增大，有利于污泥脫水性能的提高。

化學(xué)調(diào)節(jié)過(guò)程

化學(xué)調(diào)理工藝的機(jī)理是向剩余污泥中添加調(diào)理劑，改善剩余污泥的理化性質(zhì)和污泥顆粒的沉降性能。它具有處理效率高、經(jīng)濟(jì)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種常用工藝。目前常用的調(diào)理劑有無(wú)機(jī)調(diào)理劑、有機(jī)高分子調(diào)理劑、表面活性劑等。目前污水處理工廠廣泛使用無(wú)機(jī)調(diào)理劑(表2)和有機(jī)高分子調(diào)理劑。無(wú)機(jī)調(diào)理劑是一種電解質(zhì)化合物，主要包括鐵和鋁。無(wú)機(jī)調(diào)理劑的水解產(chǎn)物帶正電荷，中和剩余污泥表面的負(fù)電荷，使污泥膠體失去穩(wěn)定性，從而提高剩余污泥的脫水性能。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，來(lái)源廣，缺點(diǎn)是用量大，治療效果差。近年來(lái)，有機(jī)高分子調(diào)理劑逐漸成為研究熱點(diǎn)。有機(jī)聚合物調(diào)理劑通過(guò)吸附架橋?qū)⑹Ｓ辔勰嘀械谋砻嫖剿D(zhuǎn)化為自由水，增大污泥粒徑，從而改善污泥的沉降和脫水性能。有機(jī)護(hù)發(fā)素可以分為天然和人工兩種。天然有機(jī)調(diào)理劑既有經(jīng)濟(jì)效益又有環(huán)保效益，但目前還處于研究階段。人工有機(jī)調(diào)理劑絮凝能力強(qiáng)，用量少，但成本高。

近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合調(diào)理劑可以達(dá)到單一調(diào)理劑無(wú)法達(dá)到的治療效果。李等研究比較了有機(jī)高分子調(diào)理劑與復(fù)合氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)、氯化鋁(AlCl3)等無(wú)機(jī)調(diào)理劑的處理效果。結(jié)果表明，復(fù)合調(diào)理劑使剩余污泥的比電阻降低了70.0%，比單獨(dú)使用有機(jī)高分子調(diào)理劑提高了33.0%。鄧等研究了聚丙烯酰胺和硫酸鐵復(fù)合調(diào)理劑(PAM-Fe2(SO4)3)對(duì)剩余污泥的處理效果，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺和硫酸鐵復(fù)合調(diào)理劑的處理效果明顯優(yōu)于單獨(dú)的聚丙烯酰胺和硫酸鐵。熊等研究比較了紅石膏與陰離子有機(jī)聚合物L(fēng)T25復(fù)合調(diào)理劑對(duì)剩余污泥的處理效果，發(fā)現(xiàn)剩余污泥絮體的分形維數(shù)由1.38提高到1.71，泥餅含水率比未經(jīng)紅石膏調(diào)理的泥餅低7.1%。

2.3新型污泥脫水工藝

超聲波處理過(guò)程

超聲波處理過(guò)程的機(jī)理主要是利用超聲波的特殊性質(zhì)。第一，超聲波具有聲化學(xué)性質(zhì)，可以在水中產(chǎn)生空化，局部產(chǎn)生高溫高壓和強(qiáng)大的水剪切力，破壞剩余污泥的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)菌膠束，釋放內(nèi)部結(jié)合水，提高剩余污泥的脫水性能。其次，超聲波具有海綿效應(yīng)，使水分子更容易通過(guò)超聲波表面的通道，從而增大剩余污泥的粒徑。第三，超聲波具有混凝作用，可以促進(jìn)污泥顆粒之間的碰撞和粘結(jié)，從而增大剩余污泥粒徑。影響超聲處理效果的主要技術(shù)指標(biāo)是超聲頻率、聲能密度和超聲時(shí)間。中低超聲頻率和低超聲時(shí)間有利于提高剩余污泥的脫水性能。超聲波處理工藝的缺點(diǎn)是能耗高，限制了其在污泥脫水處理處置中的推廣應(yīng)用。邱等研究了超聲頻率、聲能密度、超聲時(shí)間對(duì)污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲頻率為25.0kHz、聲能密度為0.08W/mL、超聲時(shí)間為1min時(shí)，剩余污泥的比阻下降了67.0%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)高的聲能密度會(huì)導(dǎo)致不利反應(yīng)，惡化剩余污泥的脫水性能。韓等的研究表明，超聲波單獨(dú)處理剩余污泥可以降低污泥的含水率，而絮凝劑與超聲波聯(lián)合處理剩余污泥可以進(jìn)一步提高剩余污泥的脫水性能。污泥脫水性能的最佳超聲條件為超聲時(shí)間10min，聲能密度0.8W/mL。馬守貴等人的研究表明，低頻超聲波有利于提高剩余污泥的脫水性能。

生物浸出過(guò)程

生物淋濾過(guò)程的機(jī)理是生物淋濾處理后剩余污泥的pH值降低，剩余污泥的胞外聚合物水解遠(yuǎn)離污泥表面，改變了剩余污泥的水分分布，從而提高了剩余污泥的脫水性能。生物淋濾法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，無(wú)二次污染，能有效去除污泥中的重金屬離子，并能殺滅細(xì)菌去除惡臭。2004年，周麗香較早將生物淋濾技術(shù)引入污泥脫水領(lǐng)域。他利用生物淋濾處理制革污泥，發(fā)現(xiàn)生物淋濾具有顯著的污泥脫水效果。肖等的研究表明，當(dāng)生物淋濾的pH值為2.0~2.5時(shí)，污泥的脫水性能大大提高，污泥由難脫水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐酌撍疇顟B(tài)。宋永偉等人采用生物淋濾法處理剩余污泥，經(jīng)過(guò)2天的生物淋濾，剩余污泥的比電阻降至2.4×1012m/kg。孟維舉等人采用生物淋濾法處理剩余濃縮污泥，泥餅含水率降至65.0%以下。后來(lái)發(fā)現(xiàn)生物浸出結(jié)合其他預(yù)處理工藝可以達(dá)到更好的效果。陳紅等研究采用生物淋濾結(jié)合Fenton工藝處理印染污泥，剩余污泥比電阻降至1.3×1011s2/g，提高了剩余污泥的脫水性能。

3.結(jié)論

目前，剩余污泥的減量化和資源化是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前廣泛使用的無(wú)機(jī)和有機(jī)高分子調(diào)理劑大多會(huì)產(chǎn)生二次污染，不利于剩余污泥的后續(xù)資源化利用。因此，研究方向應(yīng)轉(zhuǎn)向?qū)ふ覠o(wú)二次污染、不增加泥餅容量、有利于污泥資源化利用的調(diào)理劑。與單一的污泥脫水工藝相比，效果非常有限。今后有必要研究各種污水脫水工藝的協(xié)同過(guò)程，既能使各種污泥脫水工藝取長(zhǎng)補(bǔ)短，又能達(dá)到剩余污泥高效脫水的效果。(來(lái)源:上海建筑科學(xué)研究院建筑材料與固體廢物利用研究所、同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)

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