羅宿星，伍遠(yuǎn)輝，徐禪，劉發(fā)增

（遵義師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州遵義563006）

自然科學(xué)研究

物理與化學(xué)聯(lián)用技術(shù)調(diào)理改善污泥脫水性能研究進(jìn)展

羅宿星，伍遠(yuǎn)輝，徐禪，劉發(fā)增

（遵義師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州遵義563006）

污泥處理與處置問題是世界性難題，而在污泥最終處置或再利用前對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理非常關(guān)鍵。物理調(diào)理和化學(xué)調(diào)理是較為普遍的手段，但單獨(dú)使用其中一種方法不能獲得良好的效果，使用物理和化學(xué)調(diào)理聯(lián)用對(duì)改善污泥脫水性能有重要現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。作者綜述了超聲波結(jié)合化學(xué)調(diào)理、微波結(jié)合化學(xué)調(diào)理、電化學(xué)與化學(xué)調(diào)理、冷融與化學(xué)調(diào)理四種聯(lián)用技術(shù)在污泥調(diào)理應(yīng)用方面的研究進(jìn)展。

污泥脫水；污泥調(diào)理；聯(lián)合調(diào)理

我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理量的快速增加導(dǎo)致污泥量的急劇增加，污泥含有大量水分且水分難以脫除成為污泥處理與處置的瓶頸問題[1-4]。污泥中所含水分有間隙水（Interstitialwater）、自由水（Free water)、表面吸附水（Surfacewater)、內(nèi)部結(jié)合水（Intracellularandchemically bond water)[5-6]四種形態(tài)，如圖1所示。

由于污泥含水量高，體積大，因此在污泥最終處置或再利用前進(jìn)行調(diào)理至關(guān)重要，污泥調(diào)理可改善污泥的性質(zhì)，提高污泥濃縮脫水的效率，從而經(jīng)濟(jì)地對(duì)污泥進(jìn)行后續(xù)處理。

圖1 污泥中水分的存在形式示意圖

污泥調(diào)理最常見的是物理調(diào)理和化學(xué)調(diào)理[7]。物理調(diào)理常采用熱處理法、冷凍-融化、超聲、微波、電化學(xué)等，進(jìn)而改善污泥的脫水性能?；瘜W(xué)調(diào)理是向污泥中添加化學(xué)藥品，克服水靜電排斥作用從而使污泥脫水[8]。但單獨(dú)使用一種技術(shù)效果并不理想[9]，目前不少學(xué)者使用物理和化學(xué)聯(lián)用技術(shù)調(diào)理，探究效果更好、更易操作與運(yùn)行的方法。

鑒于物理技術(shù)和化學(xué)調(diào)理聯(lián)用對(duì)改善污泥脫水性能有重要現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義，本文對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和綜述，旨在為污泥的脫水干化提供可靠的參考資料。

1 超聲波與化學(xué)調(diào)理聯(lián)用技術(shù)

超聲波作用于污泥時(shí)，空化效應(yīng)產(chǎn)生的空化泡具有強(qiáng)烈的剪切作用，瞬時(shí)破壞污泥的菌膠團(tuán)和EPS，較低頻率和聲能密度的超聲波能有效地破壞污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而改善污泥的脫水性能[10-11]。但單一的超聲調(diào)理污泥的結(jié)合水轉(zhuǎn)移的量不多，效果不理想，如進(jìn)行過度的超聲，污泥中其它物質(zhì)大量溶出，導(dǎo)致污泥脫水性能惡化[12-13]?；瘜W(xué)調(diào)理可釋放出污泥內(nèi)部的結(jié)合水，超聲波與化學(xué)調(diào)理聯(lián)用，可達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有一定的操作可行性和優(yōu)越性。

Zhang Guangming等[14]比較了超聲波脫水和超聲聯(lián)合FeCl3和PAM的脫水效果，結(jié)果表明，超聲聯(lián)合FeCl3和PAM可明顯減少調(diào)理劑的用量（40%～50%），且最佳條件下污泥的最終含水量為72%。Xun-an Ning等[15]以印染污泥為目標(biāo)物，探討了超聲波聯(lián)合芬頓試劑對(duì)污泥脫水性能及結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，超聲波聯(lián)合芬頓試劑技術(shù)優(yōu)于任一單一技術(shù)，污泥的平均粒徑明顯降低，污泥經(jīng)芬頓試劑處理后產(chǎn)生的羥基會(huì)導(dǎo)致污泥絮體表面EPS的部分氧化和重組，如圖2（b）所示，經(jīng)超聲聯(lián)合芬頓試劑處理后，超聲波空化效應(yīng)產(chǎn)生的空化泡具有強(qiáng)烈的剪切作用，使污泥絮體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步遭到破壞，如圖2（c）所示。上清液中蛋白質(zhì)、多糖、羥基自由基含量明顯增加，改善了污泥的脫水性和穩(wěn)定性。

圖2 印染污泥的SEM圖

Xinbo Tian等[16]研究了超聲波聯(lián)合NaOH對(duì)污泥性能的影響，溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）從1200mg/L增加到11000 mg/L，污泥的厭氧生物降解達(dá)到37.8%。蘇建文等[17]研究了超聲波或生石灰單獨(dú)及聯(lián)合使用對(duì)污泥脫水性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，超聲波單獨(dú)對(duì)污泥進(jìn)行處理時(shí)，污泥釋放大量的胞外聚合物，增加污泥離心出水的COD，使水質(zhì)變差。超聲波與生石灰聯(lián)合使用不僅減少了生石灰的投加量，還能降低污泥離心出水的COD，改善出水水質(zhì)。朱書卉等[18]探討了超聲波聯(lián)用復(fù)合絮凝劑技術(shù)對(duì)污泥脫水的影響，結(jié)果表明，復(fù)合絮凝劑優(yōu)于單一絮凝劑，再經(jīng)20kHz、400W/m2超聲處理2.5min后，污泥體積縮小86%左右，含水率可降至79%，比無(wú)超聲作用時(shí)污泥干基含水率減少7%左右。周翠紅等[19]通過對(duì)市政污泥進(jìn)行超聲處理、PAM處理和超聲結(jié)合PAM處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲結(jié)合PAM處理可使污泥絮體團(tuán)聚更緊密，提高了污泥的脫水性能。

2 微波與化學(xué)調(diào)理聯(lián)用技術(shù)

微波輔助能有效提高污泥脫水性能，微波處理具有所需時(shí)間短、反應(yīng)過程易于控制以及有特殊的滅菌功能等優(yōu)點(diǎn)，通過微波產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用可促使污泥結(jié)構(gòu)脫穩(wěn)[20-21]。短時(shí)間的微波輻射能使污泥內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，破壞結(jié)合水與EPS之間的結(jié)合力，從而使難處理的內(nèi)部水和結(jié)合水轉(zhuǎn)化為易處理的自由水[22-23]。Qingcong Xiao等[24]采用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)研究了微波-H2O2對(duì)污泥性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過均勻?qū)嶒?yàn)優(yōu)化，H2O2的用量減少了3.87倍。Yawei Wang等[25]采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法優(yōu)化了微波-H2O2聯(lián)用技術(shù)預(yù)處理對(duì)污泥破解的影響并建立了相關(guān)的二次模型，結(jié)果表明，pH值在整個(gè)聯(lián)用技術(shù)中至關(guān)重要。

Nalan Bilgin Oncu等[26]研究了微波-H2O2和微波-S2O82-對(duì)污泥脫水性能的影響，結(jié)果表明，相對(duì)于微波-H2O2，微波-S2O82-在更低溫度、更少氧化劑用量條件下，污泥的脫水性能提高2倍。Jae-HoLee等[27]比較了微波與H2SO4、NaCl和CaCl2聯(lián)用時(shí)對(duì)活性污泥增溶性的影響，結(jié)果表明，微波與NaCl聯(lián)用是一條可行的途徑。魏源送[28]研究表明微波-堿、微波-H2O2聯(lián)用技術(shù)對(duì)污泥中含碳有機(jī)物、含氮物質(zhì)具有明顯的溶出作用，同時(shí)可促進(jìn)污泥中磷的溶出。Qi Yang等[29]研究了微波聯(lián)合堿預(yù)處理對(duì)污泥破解及酸化的影響，結(jié)果表明，pH為11，比能量為38,400kJ/kg時(shí)，剩余污泥的破解率達(dá)65.87%。韓洪軍等[30]研究了微波聯(lián)合PAM對(duì)污泥脫水性能的影響，結(jié)果表明聯(lián)用技術(shù)可使PAM投加量節(jié)省33%左右，適宜的微波與PAM聯(lián)用對(duì)污泥的脫水性能有明顯改善。林頤等[31]研究了高鐵酸鉀-微波耦合對(duì)印染污泥脫水性能的影響，在最佳條件下，泥餅含固率相比原污泥增加14.58%，微波耦合高鐵酸鉀能有效破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)，隨著高鐵酸鉀投量增加，上清液的蛋白質(zhì)含量持續(xù)增加，多糖含量則先增加后減少。JingZhang[32]研究了微波聯(lián)合芬頓試劑和微波耦合對(duì)污泥脫水性能的影響，結(jié)果表明，該方法能有效改善污泥的脫水性能，最佳條件下，污泥比阻降至1.85×109s2g1，污泥含水量為65.93%。

3 電化學(xué)與化學(xué)調(diào)理聯(lián)用技術(shù)

電化學(xué)氧化污泥減量是在特定的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)，利用形成的強(qiáng)氧化性·OH基團(tuán)破壞污泥EPS，從而提高污泥脫水性能。電化學(xué)污泥減量一般無(wú)需很多化學(xué)藥品，后續(xù)處理簡(jiǎn)單，占地面積小，管理方便，符合污泥處理穩(wěn)定化、無(wú)害化、減量化和資源化的總體要求[33-34]。Nan-wen Zhu課題組系統(tǒng)研究了電化學(xué)聯(lián)合化學(xué)處理技術(shù)對(duì)污泥脫水性能的影響，一定的電壓和電解時(shí)間會(huì)改善污泥的脫水性能，電壓過高會(huì)使污泥的脫水性能變差，如圖3（a）所示，電化學(xué)處理前污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)較為完整，30V、30min處理后污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)遭到破壞，釋放自由水，污泥脫水性能得到改善，如圖3（b）所示，50V、30min處理后污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破碎，如圖3（c）所示，污泥脫水性能變差[35]。

圖3 不同處理?xiàng)l件下污泥SEM電鏡比較

Nan-wen Zhu課題組研究結(jié)果表明[36-39]，不管是否使用電化學(xué)技術(shù)，十二烷基硫酸鈉、聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）會(huì)對(duì)污泥的脫水性能產(chǎn)生負(fù)面影響，聚合硫酸鐵與電化學(xué)沒有耦合效應(yīng)，而電化學(xué)技術(shù)與陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（PAM）、甲基溴化銨（CTAB）共同使用時(shí)，污泥EPS被破壞，脫水性能大幅提高。Hamed Gharibi等[40]采用新型電解/電凝技術(shù)處理污泥，結(jié)果與Nan-wen Zhu課題組一致。Ali Reza Rahmani等[41]優(yōu)化了電化學(xué)-芬頓聯(lián)用技術(shù)處理污泥的條件，結(jié)果表明，在最優(yōu)條件下NaCl存在時(shí)，COD去除率達(dá)到72%，總大腸菌類去除率達(dá)到100%。Emna Feki等[42]比較了雙氧水氧化、電化學(xué)、電化學(xué)-雙氧水聯(lián)用技術(shù)、熱-堿聯(lián)用技術(shù)對(duì)污泥厭氧消化的影響。結(jié)果表明，電化學(xué)-雙氧水聯(lián)用技術(shù)對(duì)污泥的溶出率最大，達(dá)到了28%，該聯(lián)用技術(shù)使沼氣產(chǎn)率比空白提高了78%，可有效改善污泥厭氧消化性能。傅金祥等[43]研究表明，NaOH作為電解質(zhì)時(shí)，電化學(xué)破解污泥效果最佳，實(shí)現(xiàn)污泥的減量，改善污泥的沉降性能。

4 冷融與化學(xué)調(diào)理聯(lián)用技術(shù)

冷融處理是一種有效的污泥調(diào)理手段，可使泥水兩相分離，破壞污泥膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使疏松的顆粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅苄螒B(tài)，同時(shí)也是一種有效滅活污泥細(xì)菌的方法。James Diak等[44]研究了冷融技術(shù)聯(lián)用高鐵酸鉀對(duì)污泥脫水性能的影響，表明該聯(lián)用技術(shù)可破壞污泥膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，增加污泥粒徑，有利于污泥脫水。W.Gao等[45]研究了在酸性和堿性條件下的冷融作用，研究表明，冷融作用使污泥顆粒變大，脫水性能提高。

5 結(jié)論

污水處理中的污泥具有很高的親水性，污泥中的水分與污泥固體膠粒的結(jié)合力很強(qiáng)，單獨(dú)的一種處理技術(shù)難以達(dá)到處理標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)污泥進(jìn)行物理和化學(xué)技術(shù)聯(lián)用調(diào)理，改變污泥顆粒的表面物理化學(xué)性質(zhì)，破壞污泥顆粒部分膠體結(jié)構(gòu)，降低與水的親和力，從而提高污泥的脫水性能，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。但為了使預(yù)處理效果最優(yōu)化，需要通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)找出合適的聯(lián)用條件，且污泥脫水機(jī)理有待進(jìn)一步研究；另外，針對(duì)不同的物理化學(xué)聯(lián)用技術(shù)，開發(fā)新的污泥脫水技術(shù)與設(shè)備并應(yīng)用于實(shí)際工程，這些都是今后的研究方向。

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（責(zé)任編輯：朱彬）

Progress on the physical and chemical control combination to improve sludgedewatering

LUO Su-xing，WU Yuan-hui,XU Chan,LIU Fa-zeng
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China）

Treatment and disposal of sludge are the present challenges of the world.The sludge conditioning is an important part for any sludge dewatering procedure.The most common technology is physical and chemical conditioning,but if only one method is used,there will be some shortcomings.Using physical and chemical control combination to improve sludge dewatering properties has very important significance in practical application.This paper describes the research progress on the physical and chemical control combination technology to improve sludge dewatering,such as sonication-chemical combination technology,microwave-chemical combination technology,electrochemical-chemical combination technology,and freeze/thawing-chemical combination technology.

sludge dewatering;sludge conditioning;combined conditioning

X705

A

1009-3583（2017）-0101-05

2016-12-02

遵義市創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)資助項(xiàng)目[遵市科合(2015)39號(hào)];國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51561033)；貴州省科技廳·遵義市科技局·遵義師范學(xué)院三方科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合J字LKZS[2014]01號(hào))；貴州省教育廳市州地普通本科高校教育質(zhì)量提升科研(2011-11)資助；全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201510664020）

羅宿星，女，四川眉山人，遵義師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院教授，在讀博士研究生，主要從事環(huán)境化學(xué)研究。