徐振佳，張雪英，周 俊，李 想

（1.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 211816；2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京 211816）

隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，我國的污水處理技術(shù)迅猛發(fā)展。截至2016年9月，全國共有污水處理廠3 976座，污泥年產(chǎn)量超過3×107t，是全球最大的污泥產(chǎn)生國［1］。污泥的大量產(chǎn)生對(duì)污泥的運(yùn)輸及處理造成了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境負(fù)擔(dān)［2］。污泥的組分復(fù)雜，性質(zhì)不穩(wěn)定，如果直接排到自然環(huán)境中，將會(huì)對(duì)周邊土壤、水體、空氣造成嚴(yán)重污染，并且散發(fā)惡臭氣體，影響人類生活。因此如何科學(xué)、妥善處理污泥，使其減量化、資源化、無害化、穩(wěn)定化已經(jīng)成為環(huán)保界的焦點(diǎn)問題。

1 污泥的特性和分類

污泥含水率極高，可以達(dá)到99%，甚至更高［3］。其中還包含重金屬、有機(jī)質(zhì)、氮和磷等植物性營養(yǎng)元素以及有毒有害有機(jī)物等［4］。污泥絮體呈膠狀態(tài)，易腐化變質(zhì)甚至引起流行病，極易造成二次污染［5］。一般來說污泥按污水來源特性的不同可將污泥分為生活污泥和工業(yè)污泥［6］。污泥中水分的存在形式有四種：間隙水，毛細(xì)管結(jié)合水，表面吸附水以及內(nèi)部結(jié)合水（表 1）［7］。

表1 污泥中的水分分布Tab.1 Water Content Distribution in Sludge

2 影響污泥脫水的因素

2.1 胞外聚合物（EPS）

胞外聚合物（EPS）是一種高分子有機(jī)聚合體，主要聚集在污泥膠體微生物細(xì)胞外，一般認(rèn)為EPS占活性污泥總有機(jī)質(zhì)的50%～90%［8］。由于存在親水性官能團(tuán)（如羥基）和具有復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的菌膠團(tuán)，EPS可改變污泥顆粒的表面特性，增加其親水性和黏度［9］。

例如劉軼等［10］的試驗(yàn)研究表明，胞外聚合物對(duì)污泥脫水的性能影響顯著，胞外蛋白質(zhì)含量、胞外多糖含量以及EPS的總含量對(duì)污泥脫水性能的影響性能并不顯著。然而眾多學(xué)者的研究并沒有達(dá)成一致，如 Feng 等［11］認(rèn)為低含量 S-EPS（溶解性胞外聚合物）能促進(jìn)細(xì)小顆粒污泥的絮凝沉降，有助于提高污泥的混凝效應(yīng)，從而提高脫水性能，并提出最優(yōu)的S-EPS含量約為 400～500 mg／L。而 Yuan等［12］也發(fā)表了類似的結(jié)論，但其得出最優(yōu)的 SEPS含量僅為15～18 mg／L。因此對(duì)EPS作用機(jī)理的研究仍需不斷地深入。

2.2 粒徑分布

在污泥中，細(xì)小污泥顆粒所占比例越大，污泥的脫水性能就越差［13］。因?yàn)樵绞羌?xì)小的污泥其水合程度越高，從而影響污泥的脫水性能。

眾多的研究表明污泥脫水的關(guān)鍵在于釋放內(nèi)部結(jié)合水，僅僅去除毛細(xì)結(jié)合水和表面吸附水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到污泥脫水的目的［10，14］。Feng 等［15］指出，污泥的最佳粒徑在80～90 μm，污泥的比阻與毛細(xì)水時(shí)間同時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)增大或縮小污泥粒徑都將使污泥脫水性能惡化。而Chen等［16］得出的最佳粒徑為129.87 μm，造成這種不同的結(jié)論可能是由于污泥種類與性質(zhì)的不同。

2.3 Zeta電位

污泥顆粒具有雙電層結(jié)構(gòu)，由帶負(fù)電的微生物菌膠團(tuán)粒子組成。Zeta電位的高低對(duì)污泥膠體顆粒的凝聚和沉降性能有著決定性的影響，進(jìn)而影響污泥的脫水性能。

一般來說Zeta電位在－5～0 mV時(shí)可以獲得較好的混凝效果［17］。李敏等［18］在研究中發(fā)現(xiàn) pH 值與介質(zhì)性質(zhì)也會(huì)影響 Zeta電位。Wilén等［19］試驗(yàn)研究進(jìn)一步指出，污泥顆粒表面帶電的重要影響因素是EPS，且EPS中PN和HS對(duì)Zeta電位的貢獻(xiàn)最大。

2.4 黏度

污泥為非牛頓流體，具有黏度和彈性兩種特性，因此黏度是評(píng)價(jià)污泥流變特性、化學(xué)調(diào)理效率和脫水性能的重要參數(shù)。

Ye等［20］的研究發(fā)現(xiàn)污泥的黏度受 LB-EPS（疏松型胞外聚合物）的影響顯著，并且污泥的黏度越大脫水性能越差。Chen等［21］的研究表明，污泥黏度和濾餅含水率呈正相關(guān)性（R2＝0.84），但濾餅含水率隨黏度增加呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，污泥的脫水最佳黏度為20～25 MPa·s。

近年來，邢奕等［22］研究表明pH的波動(dòng)也會(huì)影響污泥的脫水性能。在pH值為3.03的條件下，CST和污泥濾餅含水率均降至最低，污泥脫水性能達(dá)到最優(yōu)。

3 污泥脫水技術(shù)

污泥脫水流程主要分為四個(gè)部分：（1）污泥濃縮，對(duì)污泥進(jìn)行初步脫水；（2）污泥調(diào)質(zhì)，改變污泥的絮體結(jié)構(gòu)；（3）污泥脫水，減少污泥體積；（4）污泥最終處置。

3.1 傳統(tǒng)污泥脫水工藝

3.1.1 干化

傳統(tǒng)的污泥脫水方式是自然干化，主要方法有污泥池法、沙地干化床和冷凍脫水等［23］。雖然自然干化成本低，操作簡單，但其也具有時(shí)耗長、有毒有害物質(zhì)殘留、脫水不徹底等缺點(diǎn)。自然干化［24］通常需要4～5周的時(shí)間，第一周可以將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%，但為了保證脫水效果，該工藝只能在氣候干燥的地區(qū)使用。

為避免造成二次污染和降低成本，很多技術(shù)都是建立在微生物的基礎(chǔ)上。污泥生物干化法［25-26］是快速散發(fā)污泥中的水分降低其含水率，并使物料保持較高的熱值，便于焚燒或作為肥料等后續(xù)再利用，該技術(shù)雖未能推廣運(yùn)用，但具有極高的開發(fā)價(jià)值和廣闊的運(yùn)用前景。

3.1.2 機(jī)械脫水

機(jī)械脫水是污泥最常見的脫水方式，常見的脫水機(jī)有離心分離機(jī)、壓濾、機(jī)真空過濾機(jī)等［27］。主要是依靠過濾介質(zhì)兩面的壓力差作為推動(dòng)力，使污泥泥水強(qiáng)制分離。

但是，直接通過機(jī)械脫水，污泥的含水率并不能有效的降低。李華等［28］試驗(yàn)研究表明，某石油化工企業(yè)污水處理廠的污泥，經(jīng)過濃縮作用和機(jī)械脫水后，污泥的含水率仍高達(dá)85%左右，而且也沒有解決污泥干化時(shí)成本高的問題［29］。

目前，國家提倡把污泥的含水率降低到60%以下。南京某污水處理廠所采用的高壓雙膜片壓濾機(jī)系統(tǒng)［30］。與現(xiàn)普遍使用的帶式脫水機(jī)和離心脫水機(jī)相比，高壓雙膜片污泥壓濾機(jī)的脫水效果得到極大的提高，脫水后污泥含水率最低可達(dá)到45%。

3.2 常見的脫水工藝

3.2.1 酸處理工藝

酸處理污泥的作用機(jī)理是在酸性條件下，活性污泥的胞外聚合物受到破壞水解，改變污泥的水分分布，使部分間隙水從污泥絮體或細(xì)胞中釋放出來，從而達(dá)到提高污泥脫水性能的效果。

將酸處理與絮凝劑相結(jié)合能有效地降低藥劑的投加量，如何文遠(yuǎn)等［31］使用H2SO4對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，并與僅使用陽離子型PAM處理的污泥進(jìn)行對(duì)照，H2SO4預(yù)處理之后，板框壓濾30 min，泥餅含水率降低了5.9%（從76.14%降低到70.24%），提高了脫水性能。同樣的刑奕等［22］的研究也表明，酸性條件下表面活性劑的作用效果較好，污泥濾餅含水率明顯降低。當(dāng)pH值為3、表面活性劑投加量為93.75 mg／g時(shí)，含水率和比阻可分別降至60.12%、0.59×1013m／kg。

3.2.2 氧化法工藝

氧化法是利用強(qiáng)氧化性的藥劑，破壞污泥顆粒中的細(xì)胞組織及膠體結(jié)構(gòu)，釋放內(nèi)部結(jié)合水，從而提高污泥的脫水性能。

常用的工藝為Fenton，在實(shí)際操作中也有良好的效果。如梁秀娟等［32］采用Fenton氧化法對(duì)印染污泥進(jìn)行處理，當(dāng)pH值為2.0，H2O2和Fe2＋投加量分別為 428 mg／g （干泥）和 42.8 mg／g（干泥），反應(yīng)時(shí)間為1.5 h、反應(yīng)溫度為80℃時(shí)，TSS由18.66 g／L下降至 4.82 g／L。毛細(xì)水時(shí)間和比阻分別由98.6 s和 6.03×1011s2／g下降至 18.9 s和 8.42×1010s2／g。

3.2.3 冷凍凍融技術(shù)

冷凍凍融技術(shù)，通過有效地壓縮污泥絮體結(jié)構(gòu)來提高污泥的脫水性能［33］。污泥中的水分子在冷凍時(shí)會(huì)形成不規(guī)則的冰針，這些冰針不斷凝結(jié)污泥絮體中的自由水，絮體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，釋放大部分的間隙水［34］。

例如陳悅佳等［35］的研究表明，在相對(duì)較高的溫度（－5℃）下凍融，可以更加完全地破解污泥，最大限度地釋放胞內(nèi)有機(jī)物。污泥在－5℃下完全冷凍后（約5 h），轉(zhuǎn)移到相對(duì)較低的溫度下繼續(xù)固化，可以獲得更好的凍融效果。而李愷等［36］研究了冷融技術(shù)與化學(xué)調(diào)理聯(lián)合對(duì)污泥脫水的影響，得出在－15℃，表面活性劑CTAC投加量為7.38 g／L時(shí)，將污泥含水率降至62%左右。對(duì)于冷凍溫度的差異，可能是由于整體調(diào)理方式的不同導(dǎo)致的。

3.2.4 污泥調(diào)理技術(shù)

目前運(yùn)用最為廣泛的污泥脫水方式是調(diào)理劑與機(jī)械脫水相結(jié)合的工藝［37］。調(diào)理劑分為化學(xué)調(diào)理劑和生物調(diào)理劑兩大類，化學(xué)調(diào)理劑又分為助凝劑和絮凝劑［38-39］。目前在污水處理廠應(yīng)用廣泛的是無機(jī)絮凝劑（表2）和有機(jī)高分子絮凝劑［40］。無機(jī)絮凝劑是一種電解質(zhì)化合物，主要有鐵系和鋁系兩類。雖然無機(jī)絮凝劑廉價(jià)易得，但是用量大，處理效果不理想。所以近些年開始被有機(jī)高分子絮凝劑替代。天然生物高分子絮凝劑具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境雙重效益，但是還處于研究階段［41］。

近年來，研究者發(fā)現(xiàn)調(diào)理劑的復(fù)配使用往往可以達(dá)到單一調(diào)理劑所達(dá)不到的效果。如酈光梅等［42］比較了有機(jī)高分子絮凝劑調(diào)理污泥與氯化鐵、硫酸鋁、氯化鋁復(fù)配使用的效果：結(jié)果表明投加混凝劑調(diào)理后污泥比阻降低了70%，比單獨(dú)投加有機(jī)高分子絮凝劑的污泥比阻降低率高33%。鄧偉等［43］研究了聚丙烯酰胺—硫酸鐵復(fù)合調(diào)理劑對(duì)活性污泥脫水性能的影響，達(dá)到相同脫水效果，PAM和Fe2（SO4）3復(fù)配時(shí)的用量比單獨(dú)使用時(shí)減少一半以上。熊唯等［44］的試驗(yàn)表明：紅石膏與陰離子有機(jī)聚合物L(fēng)T25（有機(jī)高分子絮凝劑），使污泥絮體分型維數(shù)由1.38增加到1.71，復(fù)配后泥餅含水率比不加石膏調(diào)理的泥餅含水率降低了7.1%。

表2 常見的無機(jī)絮凝劑Tab.2 Common Inorganic Flocculants

3.3 近年來發(fā)展的新型污泥脫水技術(shù)

3.3.1 超聲處理工藝

超聲波處理污泥主要是利用聲波的能量［45］。超聲波可以在液體中產(chǎn)生“空穴作用”，形成極端的條件，局部產(chǎn)生高溫高壓，并產(chǎn)生強(qiáng)勁的水剪切力，破壞污泥中的菌膠團(tuán)，釋放出胞內(nèi)結(jié)合水，從而提高污泥的脫水性能。

超聲處理主要的技術(shù)指標(biāo)是超聲波的頻率和超聲的時(shí)間，如邱高順［46］的研究結(jié)果表明，超聲波頻率為25 kHz、聲能密度為0.08 W／mL、超聲時(shí)間為60 s的情況下，污泥的比阻相較于原泥降低了67.0%，并認(rèn)為過高的聲能密度不利于提高污泥的脫水性能。而韓青青等［47］得出研究結(jié)果表明，最佳的超聲時(shí)間為10 min，超聲聲能密度為0.8 W／mL。這種差異有可能是污泥的來源與泥質(zhì)不同導(dǎo)致的。

3.3.2 生物淋濾工藝

生物淋濾工藝由于其成本低廉、不會(huì)造成二次污染并能有效地去除污泥中的重金屬離子，近年來成為研究的熱門。生物淋濾是通過氧化硫桿菌直接氧化硫單質(zhì)或間接氧化亞鐵離子產(chǎn)生酸化作用，能有效去除污泥中的重金屬離子、殺滅細(xì)菌去除惡臭。有文獻(xiàn)表明，生物淋濾還可以改善污泥的脫水性能［48-49］。

如肖凌鵬等［50］的研究表明，當(dāng)生物淋濾的pH值在2.0～2.5時(shí)，污泥脫水性能得到較大改善；當(dāng)pH值低于2.0時(shí)，污泥的脫水性能惡化。淋濾污泥比阻由 1.26×1014m／kg降低到 8.14×1012m／kg，降低了93.54%。淋濾污泥pH值回調(diào)至6.0后，污泥比阻持續(xù)降低到8.27×1011m／kg，共降低99.34%，污泥從難脫水狀態(tài)轉(zhuǎn)化為易脫水狀態(tài)。也有學(xué)者將生物淋濾與其他預(yù)處理技術(shù)聯(lián)合使用，如陳泓等［51］將生物淋濾與Fenton工藝相結(jié)合，將污泥的比阻和濾餅含水率分別由5.89×1011s2／g和88.75%降低至1.26×1011s2／g和82.85%。

3.3.3 電滲透工藝

固體顆粒和液體在電場的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，并通過多孔固體濾膜進(jìn)行過濾，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。如李亞林等［52］的試驗(yàn)結(jié)果表明，電滲透技術(shù)可以改善污泥的脫水性能，機(jī)械壓力為18.83 kPa，污泥厚度為 1.13 cm，電壓梯度為60 V／cm，初始含水率為87.45%，污泥含水率可降至49.14%。李亞林還將鐵鹽及過硫酸鹽與電滲透相結(jié)合［53］，將污泥的含水率降低到60%以下。相對(duì)于單獨(dú)使用電滲透技術(shù)，泥餅更加均勻，有利于之后的處置。

表3總結(jié)了物理法、化學(xué)法、生物法在污泥脫水中的優(yōu)缺點(diǎn)。

表3 污泥脫水技術(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of Sludge Dewatering Technologies

4 污泥脫水技術(shù)的應(yīng)用

4.1 污泥干化技術(shù)的應(yīng)用

目前污泥干化焚燒是污泥的重要處置方式，該方法具有污染物分解徹底、尾氣不易造成二次污染。但需增加臭氣處理及與污泥焚燒相關(guān)的設(shè)施［54］。

深圳鹽田垃圾焚燒廠的爐排垃圾焚燒是國內(nèi)首創(chuàng)，摻燒污泥約40 t／d，煙塵排放等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了歐共體標(biāo)準(zhǔn)。華電滕州新源熱電公司于2008年年末成功運(yùn)行150 MW的城市污泥干化焚燒系統(tǒng)［55］。本系統(tǒng)使用電廠鍋爐煙氣，對(duì)城市污泥（含水率為75%～80%）進(jìn)行干化，干化后的污泥摻入（占比約為5%）電廠輸煤系統(tǒng)，送入鍋爐進(jìn)行燃燒。

4.2 污泥深度脫水技術(shù)的應(yīng)用

污泥機(jī)械脫水的難點(diǎn)在于脫水后的污泥的含水率仍然在70%～80%，并且能耗較大。田禹等［56］通過真空過濾法測量比阻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥的含水率小于97%后，污泥的比阻顯著增大。由此可見，當(dāng)污泥的含水率較低時(shí)，污泥中的固體物質(zhì)可能會(huì)吸附在一起，使其中的內(nèi)部結(jié)合水的量變多，從而影響污泥脫水的效果。而桑德集團(tuán)開發(fā)的電滲透污泥高干脫水技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有投資少并節(jié)能的雙重效果。

該公司將“電滲透”與“板框壓濾”相結(jié)合［57］，可將污泥含水率由80%～85%降低至60%～40%，并且在不添加任何藥劑的情況下，總耗電約為80～120 kW·h／t。2014年建成 25 t／d的示范工程，在一年的運(yùn)行時(shí)間里，脫水后泥餅的含水率低于40%，低位熱值達(dá)到4 186～5 443 kJ，可回收部分熱能。

同樣的，上海市白龍港污水處理廠，采用“添加FeCl3及CaO化學(xué)調(diào)理＋隔膜壓濾”工藝［58-59］，調(diào)理劑投加量分別為干泥量8%的FeCl3和20%的CaO，工程主體設(shè)備板框隔膜壓濾機(jī)共26臺(tái)，過濾壓力一般在1.0 MPa以上。在為期4個(gè)月的試運(yùn)行中泥餅含水率穩(wěn)定在60%以下，并穩(wěn)定運(yùn)行至今。但是投加20%的CaO，將會(huì)使污泥增容20%以上，給后續(xù)的處理處置帶來困難，該問題亟待解決。

當(dāng)污泥脫水處理廠污泥中重金屬含量符合《城鎮(zhèn)污水廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》的要求，可考慮將污泥經(jīng)“化學(xué)改性＋機(jī)械脫水”后，按20%的比例加入到燒結(jié)磚原料的頁巖、黏土或煤渣中進(jìn)行制磚。不影響磚的成型和含水率，此種方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)污泥的減量化、無害化處理，進(jìn)行了資源化利用，既經(jīng)濟(jì)又達(dá)到了最終處置的目的。

4.3 超聲波技術(shù)在污泥脫水中的應(yīng)用

超聲波脫水技術(shù)是近年來興起的一種主要的污泥脫水技術(shù)，目前我國基本上還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，而國外已將該項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于污泥的減量處理中，應(yīng)用最成功的是德國的巴姆堡市污水廠。

該污水處理廠的原設(shè)計(jì)能力為30 000 m3／d，利用超聲波對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理。一期兩臺(tái)運(yùn)行3個(gè)月后，沼氣產(chǎn)量增加30%，污泥停留時(shí)間從25 d降到18 d，滿足了后續(xù)污泥脫水處理處置的要求，并且不是所有的污泥都需要進(jìn)行超聲處理，處理量一般取剩余污泥的30%左右。從投資角度來看，利用超聲處理每方污泥脫水的用電量為3度左右，其設(shè)備投資只需建罐費(fèi)用的一部分。

同其他技術(shù)相比，利用超聲波技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行脫水處理具有許多優(yōu)勢，如二次污染、分解速度快、設(shè)備簡單等。超聲波的頻率并非越高越好，馬守貴等［60］的研究表明，低頻超聲（28.7 kHz）對(duì)污泥的脫水效果優(yōu)于高頻超聲（40 kHz）；但超聲波技術(shù)在使用過程中能耗較大，限制了其在污泥脫水處理處置中的推廣應(yīng)用，若對(duì)超聲波加以改進(jìn)，降低能耗，則可以將該技術(shù)大范圍地應(yīng)用于污泥的處理處置中，變廢為寶，使污泥資源化。

綜上所述，對(duì)比了幾種常見的污泥處理處置方式，如表4所示。

表4 常見污泥處置方式比較Tab.4 Comparison of Common Sludge Disposal Methods

5 污泥脫水存在的問題與展望

目前我國污泥的穩(wěn)定化、無害化程度較低，存在嚴(yán)重的“重水輕泥”的現(xiàn)象，所以需要加大在污泥脫水科研方面的投入，建立健全相關(guān)的法律法規(guī)，增加政策支持和監(jiān)管體系?，F(xiàn)在污水處理廠廣泛使用的無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑，其中大部分會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，也不利于污泥的資源化利用。所以無二次污染且性能優(yōu)異的生物絮凝劑成為人們未來研究的方向。并且，往往單一種類脫水方式的脫水效果是有限的，難以達(dá)到人們的預(yù)期。污泥脫水技術(shù)今后還需要大力發(fā)展多種處理技術(shù)聯(lián)合的組合式技術(shù)，如Fenton試劑與CPAM聯(lián)合調(diào)理污泥、無機(jī)混凝劑與殼聚糖聯(lián)合調(diào)理污泥、優(yōu)化超聲波聯(lián)合絮凝劑強(qiáng)化污泥脫水等，這樣才可以發(fā)揮單一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，相互之間取長補(bǔ)短，從而達(dá)到高效脫水的效果。總的來說，提高污泥的調(diào)理效果，降低成本，減少其對(duì)環(huán)境的危害是污泥調(diào)理技術(shù)今后發(fā)展的主要方向。近年出現(xiàn)的污泥調(diào)理技術(shù)目前還處于試驗(yàn)階段，今后應(yīng)加快其研究步伐，盡快應(yīng)用于實(shí)際，同時(shí)應(yīng)致力于對(duì)其機(jī)理的研究，為其應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

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