污泥脱水技术

剩余污泥是污水处理工艺中不可避免的副产物，其中含有大量的重金属和难降解有机物。近几十年来，由于工业化的发展、人口的快速增长和污水排放标准的日益严格，剩余污泥量迅速增加。据统计，2016年我国污泥产量已达到4000万吨左右(按含水率80%计)，预计2020年剩余污泥产量将达到6000万吨左右。目前，城市污水厂剩余污泥的含水率在99%以上，浓缩或机械脱水后仍在80%以上。高含水量导致大量的污泥。据统计，我国处理剩余污泥所需的基建和运行费用分别占城市污水处理厂总基建和运行费用的30%~40%和20%~50%，从而导致城市/[/k2]如何提高剩余污泥的脱水性能和效率成为剩余污泥处理领域的重要课题。因此，本文综述了近年来传统、常用和新型污泥脱水技术的研究现状和进展，为剩余污泥的高效脱水提供参考。

1.剩余污泥的水分类型

根据剩余污泥中水分子与污泥固体颗粒的相互作用，剩余污泥中的水可分为两种，即自由水和结合水，结合水又可细分为间隙水、表面吸附水和化学结合水，如表1所示。目前，限制剩余污泥脱水性能的主要原因是机械脱水工艺不能去除污泥中的表面吸附水分和化学结合水分。

2.污泥脱水技术的研究进展

污泥脱水过程主要分为四个部分(图2)。

2.1传统污泥脱水工艺

自然干燥过程

有污泥池法、砂干化床、楔形水干化床和冷冻脱水等。而且这种工艺只适用于干燥地区。中小型污水处理厂主要采用的传统污泥脱水工艺是砂床脱水工艺，具有成本低、操作简单的优点，但存在脱水不彻底、周期长、二次污染等缺点。近年来，丹麦科学家研究发现，将传统沙床脱水工艺与垂直流人工湿地相结合的污泥干化芦苇床系统(SDRB)对污泥脱水的效果要比单独的沙床脱水工艺好得多，而SDRB系统比机械脱水工艺成本更低，能耗更少，因为污泥脱水的能量来源于自身重力、太阳辐射和生物过程。SDRB系统通过在沙床中种植芦苇等植物，改善了传统沙床的性能，延长了沙床的使用寿命(5~10年)。芦苇等植物在其根部区域形成丰富的微生物系统，为污泥的有机质提供养分。同时，植物蒸散能力强，对不同含水量的污泥耐受性强。污泥脱水过程中，污泥干物质含量增加，污泥体积减小，有机质分解，剩余污泥可用作有机肥。

2.1.2机械脱水

机械脱水工艺是一种常见的剩余污泥脱水工艺，根据脱水原理可分为真空过滤脱水工艺、离心脱水工艺和压滤脱水工艺。早期污水处理厂常采用真空过滤脱水工艺，污泥脱水后泥饼含水率一般高于85%。目前，污水处理厂常采用压滤机脱水工艺，分为带式和板框压滤机脱水。带式压滤机脱水工艺的进料污泥应是不易流动的、含固量高于50%的污泥。如果污泥含固量低于50%，必须采取更换滤布、添加锯末等措施。污泥的含水率一般在82%左右。镇安污水处理厂采用带式压滤机脱水工艺。板框压滤脱水工艺通常可将污泥含水率降至65%~75%，但也存在一些缺点，如压滤压力低于1.0MPa，滤布上的水膜会阻碍污泥中水分的去除，降低脱水效率，滤布更换麻烦，运行维护费用高等。竹园二厂污水处理采用板框压滤脱水工艺，使用氧化钙、聚合氯化铝等调理剂后泥饼含水率在75%左右。目前，上海白龙港污水处理厂采用化学调理法结合隔膜压滤脱水工艺。脱水后污泥体积减少35%以上，泥饼含水率小于60%。离心脱水在很多行业应用广泛，污泥含水率一般为75%~80%。2010年11月26日，环保部下发了《关于加强城镇污水处理工厂污泥污染防治的通知》，规定污水处理工厂必须将污泥脱水至含水率50%以下，可见污水处理工厂现有的常规机械脱水技术无法满足含水率要求。

2.2常用的污泥脱水工艺

酸处理工艺

酸处理工艺的机理是发现剩余污泥的含水率随着pH值的变化而变化。在酸性条件下，剩余污泥的胞外聚合物(EPS)水解脱离污泥表面，改变剩余污泥的水分分布，从而提高剩余污泥的脱水性能，达到降低剩余污泥含水率的效果。研究发现，剩余污泥脱水性能的最佳pH值为2.5左右。何等人的对比研究发现，经硫酸预处理的污泥脱水性能远好于经阳离子聚丙烯酰胺预处理的污泥。谢武明等发现，用硫酸预处理的污泥脱水性能比高能预处理提高了30.8%。易等的研究表明，剩余污泥的脱水性能顺序为酸性条件下>中性条件下>碱性条件下，当调节pH值至3.0左右，表面活性剂用量为94.0mg/g时，剩余污泥的含水率降至60.8%。

2.2.2高级氧化工艺

高级氧化工艺的机理是利用强氧化剂破坏剩余污泥中的絮体结构，释放结合水，改变污泥中的水分分布，从而提高污泥的脱水性能。Fenton法因其高效、环保而被认为是一种很有前途的氧化技术。传统的芬顿法包括一系列自由基链式反应，如式1至式8。Fenton预处理污泥有两种机理，一种是絮凝作用。Fenton过程中，Fe (ⅲ)和OH-生成Fe(OH)3，具有絮凝作用。是氧化。芬顿工艺中，通过链式反应生成大量羟基(OH)，其高氧化还原电位能快速氧化胞外聚合物，从而改变污泥内部结构，提高污泥脱水性能。

李娟等采用Fenton法对污泥进行预处理。当pH值为2.5，反应时间为90min，n (H2O2) ∶ n (Fe (ⅱ)) = 8 ∶ 1，反应温度为65~70℃时，污泥含水率显著下降。梁秀娟等人采用Fenton法预处理印染污泥。最佳反应条件为pH 2.0，反应时间90min，n (H2O2) ∶ n (Fe (ⅱ)) = 10 ∶ 1，反应温度80℃，总悬浮固体(TSS)去除率74.2%，毛细管抽水时间(CST)从98.6s缩短到18。刘等采用Fenton法对污泥进行调理，在较佳条件下，脱水污泥饼含水率为49.5%。

冻结和解冻过程

冻融过程的机理是剩余污泥中的游离水在冻结时会形成不规则的冰针，破坏污泥絮体的网络结构，释放污泥内部的间隙水，从而提高污泥的脱水性能。陈等的研究表明，释放剩余污泥胞内有机质的最佳冻融温度为-5℃左右，并改善了剩余污泥的生化性质。李等采用冻融结合化学调理工艺来改善剩余污泥的脱水性能。研究表明，在表面活性剂CTAC的协同作用下，在-15℃下，剩余污泥的含水率比常温下分别降低了约6.0%和62.8%。高等发现，当冷冻时间足以使细胞内的水分结晶时，细胞结构和胞外聚合物被破坏，污泥颗粒发生聚集，尺寸增大，有利于污泥脱水性能的提高。

化学调节过程

化学调理工艺的机理是向剩余污泥中添加调理剂，改善剩余污泥的理化性质和污泥颗粒的沉降性能。它具有处理效率高、经济、适用范围广等优点，已成为一种常用工艺。目前常用的调理剂有无机调理剂、有机高分子调理剂、表面活性剂等。目前污水处理工厂广泛使用无机调理剂(表2)和有机高分子调理剂。无机调理剂是一种电解质化合物，主要包括铁和铝。无机调理剂的水解产物带正电荷，中和剩余污泥表面的负电荷，使污泥胶体失去稳定性，从而提高剩余污泥的脱水性能。其优点是成本低，来源广，缺点是用量大，治疗效果差。近年来，有机高分子调理剂逐渐成为研究热点。有机聚合物调理剂通过吸附架桥将剩余污泥中的表面吸附水转化为自由水，增大污泥粒径，从而改善污泥的沉降和脱水性能。有机护发素可以分为天然和人工两种。天然有机调理剂既有经济效益又有环保效益，但目前还处于研究阶段。人工有机调理剂絮凝能力强，用量少，但成本高。

近年来发现，复合调理剂可以达到单一调理剂无法达到的治疗效果。李等研究比较了有机高分子调理剂与复合氯化铁(FeCl3)、硫酸铝(Al2(SO4)3)、氯化铝(AlCl3)等无机调理剂的处理效果。结果表明，复合调理剂使剩余污泥的比电阻降低了70.0%，比单独使用有机高分子调理剂提高了33.0%。邓等研究了聚丙烯酰胺和硫酸铁复合调理剂(PAM-Fe2(SO4)3)对剩余污泥的处理效果，发现聚丙烯酰胺和硫酸铁复合调理剂的处理效果明显优于单独的聚丙烯酰胺和硫酸铁。熊等研究比较了红石膏与阴离子有机聚合物LT25复合调理剂对剩余污泥的处理效果，发现剩余污泥絮体的分形维数由1.38提高到1.71，泥饼含水率比未经红石膏调理的泥饼低7.1%。

2.3新型污泥脱水工艺

超声波处理过程

超声波处理过程的机理主要是利用超声波的特殊性质。第一，超声波具有声化学性质，可以在水中产生空化，局部产生高温高压和强大的水剪切力，破坏剩余污泥的细胞结构和细菌胶束，释放内部结合水，提高剩余污泥的脱水性能。其次，超声波具有海绵效应，使水分子更容易通过超声波表面的通道，从而增大剩余污泥的粒径。第三，超声波具有混凝作用，可以促进污泥颗粒之间的碰撞和粘结，从而增大剩余污泥粒径。影响超声处理效果的主要技术指标是超声频率、声能密度和超声时间。中低超声频率和低超声时间有利于提高剩余污泥的脱水性能。超声波处理工艺的缺点是能耗高，限制了其在污泥脱水处理处置中的推广应用。邱等研究了超声频率、声能密度、超声时间对污泥脱水性能的影响，发现当超声频率为25.0kHz、声能密度为0.08W/mL、超声时间为1min时，剩余污泥的比阻下降了67.0%。同时发现过高的声能密度会导致不利反应，恶化剩余污泥的脱水性能。韩等的研究表明，超声波单独处理剩余污泥可以降低污泥的含水率，而絮凝剂与超声波联合处理剩余污泥可以进一步提高剩余污泥的脱水性能。污泥脱水性能的最佳超声条件为超声时间10min，声能密度0.8W/mL。马守贵等人的研究表明，低频超声波有利于提高剩余污泥的脱水性能。

生物浸出过程

生物淋滤过程的机理是生物淋滤处理后剩余污泥的pH值降低，剩余污泥的胞外聚合物水解远离污泥表面，改变了剩余污泥的水分分布，从而提高了剩余污泥的脱水性能。生物淋滤法的优点是成本低，无二次污染，能有效去除污泥中的重金属离子，并能杀灭细菌去除恶臭。2004年，周丽香较早将生物淋滤技术引入污泥脱水领域。他利用生物淋滤处理制革污泥，发现生物淋滤具有显著的污泥脱水效果。肖等的研究表明，当生物淋滤的pH值为2.0~2.5时，污泥的脱水性能大大提高，污泥由难脱水状态转变为易脱水状态。宋永伟等人采用生物淋滤法处理剩余污泥，经过2天的生物淋滤，剩余污泥的比电阻降至2.4×1012m/kg。孟维举等人采用生物淋滤法处理剩余浓缩污泥，泥饼含水率降至65.0%以下。后来发现生物浸出结合其他预处理工艺可以达到更好的效果。陈红等研究采用生物淋滤结合Fenton工艺处理印染污泥，剩余污泥比电阻降至1.3×1011s2/g，提高了剩余污泥的脱水性能。

3.结论

目前，剩余污泥的减量化和资源化是亟待解决的关键问题。目前广泛使用的无机和有机高分子调理剂大多会产生二次污染，不利于剩余污泥的后续资源化利用。因此，研究方向应转向寻找无二次污染、不增加泥饼容量、有利于污泥资源化利用的调理剂。与单一的污泥脱水工艺相比，效果非常有限。今后有必要研究各种污水脱水工艺的协同过程，既能使各种污泥脱水工艺取长补短，又能达到剩余污泥高效脱水的效果。(来源:上海建筑科学研究院建筑材料与固体废物利用研究所、同济大学环境科学与工程学院)

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