陳姝婷， 伍昌年， 薛莉娉， 邵 磊， 劉壯壯， 宋永蓮

(1.安徽建筑大學(xué) 水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室， 安徽 合肥 230601； 2.安徽中環(huán)環(huán)保科技股份有限公司， 安徽 合肥 230051)

當(dāng)前,污水處理過程存在污泥含水量高、污泥粘性大等難以解決的問題[1-4]。污泥的結(jié)構(gòu)較為特殊，親水能力強大，能使水分潤濕并附著在其表面難以去除。根據(jù)水分與污泥顆粒的結(jié)合程度[5]以及水分在污泥顆粒中所處的位置，可將污泥中的水分劃分為4種類型[6]：含量最多的是不受固體顆粒影響的自由水，占比為65%～86%；其次是毛細結(jié)合水，這種類型的水分因固液表面吸附力和液體表面張力的作用而形成，占比是15%～25%；再有是因吸附或粘附作用形成的表面吸附水，這種類型的水分主要存在于固體顆粒表面，占比為7%；含量最少的是微生物內(nèi)部結(jié)合水，主要存在于微生物細胞內(nèi)，占比約為3%左右。污泥中各種類型水分的分布如圖1所示。

圖1 污泥中水分存在形式示意圖

污泥深度脫水技術(shù)是為了解決污泥中含水率過高的問題，通常采用預(yù)處理、高壓處理、脫水等工序，進一步減少污泥中的水分含量，使污泥含水率符合標準要求(45%以下)。污泥深度脫水技術(shù)一般包括濃縮、調(diào)理、壓濾脫水3個步驟。

1 脫水性能表征及脫水機理

污泥脫水性能主要用來判定污泥脫水的難易程度，可用污泥含水率(Wc)、污泥壓濾比阻(SRF)、毛細吸水時間(CST)等進行表征[7]。

1.1 脫水性能表征

1.1.1 含水率(Wc)

污泥中含有水分的多少即為含水量，通常用含水率(Wc)表示：

式中：m表示污泥樣品烘干前的質(zhì)量，g；m1是指污泥樣品在105 ℃條件下烘干至恒重后的質(zhì)量，g。

1.1.2 污泥壓濾比阻(SRF)

污泥壓濾比阻(SRF)是衡量污泥過濾性能的指標，物理意義是單位質(zhì)量的污泥在固定的壓力條件下單位面積所受的過濾阻力。SRF值越高，污泥越不易脫水。一般而言，SRF小于1×1011m/kg的污泥更容易脫水，SRF大于1×1011m/kg的污泥較難脫水[8]。

1.1.3 毛細吸水時間(CST)

毛細吸水時間(CST)是表示污泥脫水速度的指標，與結(jié)合水含量和污泥含水率成正比。CST的物理意義是污泥水分在濾紙上發(fā)生毛細作用擴散1 cm距離所消耗的時間。一般來說，CST數(shù)值越大，污泥脫水性能越差。CST削減率(Tred)[9]能夠表征污泥脫水前后性能的變化，計算公式為

式中：Tr為污泥樣品初始毛細吸水時間，s；Tpre為污泥預(yù)處理后毛細吸水時間，s。

1.2 脫水機理

物理調(diào)理污泥脫水技術(shù)的原理是借助各種方式改變細胞外聚合物(EPS)的有機絮狀結(jié)構(gòu)。EPS在污泥中占比很高，在污泥脫水過程中具有重要作用。EPS是一種帶有許多電荷的聚合物，狀態(tài)為凝膠，能夠與水分子發(fā)生相互作用[10]。EPS遇水膨脹，可以吸收大量水分，同時又不溶于水。污泥顆粒是一種雙層結(jié)構(gòu)[11]。污泥顆粒的絮狀結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)層為結(jié)構(gòu)緊密的EPS(TB-EPS)，與細胞表面之間的作用力強大而穩(wěn)定，外層為結(jié)構(gòu)疏松的EPS(LB-EPS)，是一個松散且脆弱的薄膜，不具備明顯的頂端。TB-EPS是組成EPS致密層的核心結(jié)構(gòu)，如果能夠把TB-EPS分解為LB-EPS或者溶解性胞外聚合物(SEPS)，便可以同時釋放出胞內(nèi)物質(zhì)以及內(nèi)部難以脫除的結(jié)合水，從而顯著提升污泥脫水率，實現(xiàn)污泥的深度脫水[12]。

圖2 污泥顆粒結(jié)構(gòu)示意圖

2 物理調(diào)理改善污泥深度脫水技術(shù)

目前，使用最多的污泥調(diào)理技術(shù)包括物理調(diào)理、化學(xué)調(diào)理和生物調(diào)理。其中，物理調(diào)理主要是利用物理調(diào)理劑并借助加熱、凍融、超聲波或微波的形式輸入能量來改善污泥的脫水性。物理調(diào)理技術(shù)能夠在很大程度上打破污泥顆粒的原有結(jié)構(gòu)，使蘊含的結(jié)合水析出轉(zhuǎn)化為自由水，明顯降低污泥含水率。

2.1 加熱調(diào)理

加熱調(diào)理的過程為：提高污泥的溫度，EPS絮狀結(jié)構(gòu)在高溫下發(fā)生分解，微生物細胞分解破裂，內(nèi)層的結(jié)合水從結(jié)構(gòu)破開的污泥顆粒中解析出來，從而使污泥的含水率大幅度降低。這一過程的原理主要有兩個方面：一方面，污泥顆粒中粒子運動易受溫度影響，根據(jù)熱力學(xué)原理，當(dāng)污泥顆粒的溫度升高時，粒子間的碰撞和結(jié)合頻率也隨之提高，污泥顆粒中粒子的相互結(jié)合更容易發(fā)生；另一方面，溫度升高后，污泥和微生物細胞結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，能夠釋放出更多的結(jié)合水，同時，升溫會使污泥中結(jié)合水的部分氫鍵斷裂，結(jié)合水降解成為自由水，而自由水通過簡單的沉降濃縮即可脫除，污泥的含水率得到進一步提高[13,14]。

水熱技術(shù)屬于加熱調(diào)理的范疇，通過在密閉的容器中用高溫蒸汽對污泥進行蒸煮，達到加熱的目的。倪金等[15]發(fā)現(xiàn)污泥的脫水性能與溫度正相關(guān)，如圖3所示。FISHER等[16]對十幾種污泥進行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水熱溫度大于150 ℃時，大多數(shù)類型的污泥含水率將下降，溫度繼續(xù)升高至180 ℃以上，脫水性能更好。BROOKS[17]對城市污水污泥的試驗表明，水熱溫度為165～180 ℃時取得最佳的水熱處理效果。荀銳等[18]發(fā)現(xiàn)結(jié)合水含量對于污泥的脫水效果有著決定性的作用，加熱調(diào)理能夠使污泥中的結(jié)合水含量大幅度降低，進而在很大程度上改善污泥脫水效果，如圖4所示。LI等[19]發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時間對污泥脫水性能影響很小，達到一定時間后污泥水分分布幾乎不隨時間發(fā)生改變，如圖5所示。

圖3 不同水熱溫度下的污泥含水率 圖4 結(jié)合水含量隨水熱處理溫度的變化

圖5 水熱前后污泥泥餅中水分分布

水熱條件可以誘發(fā)一系列常溫環(huán)境下無法發(fā)生的轉(zhuǎn)化：水解、脫水、脫羧和芳構(gòu)化。水熱處理適用范圍廣，可以處理絕大多數(shù)種類的污泥，在高溫和特定壓力條件下能顯著降低污泥的含水率，通?？山档?5%以下，與化學(xué)調(diào)理相比效果更加顯著，而且水熱技術(shù)具有簡單易控制的優(yōu)點，更容易實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，同時在能量利用率方面也有著較大優(yōu)勢。然而，由于美拉德反應(yīng)的存在，水熱處理的最大缺點是產(chǎn)生大量含有氮雜環(huán)化合物的難降解有機廢水。

2.2 冷凍融化調(diào)理

冷凍融化法是一種有效的污泥脫水前調(diào)理方法，先將污泥在低于冰點的溫度下凍結(jié)，再放在室溫中融化，模擬自然凍融過程。污泥在冷凍狀態(tài)下，未凝結(jié)的水分會攜帶部分破碎細胞析出，脫水性能得到很大提升。水與冰存在密度差異，反復(fù)凍融操作使得EPS和微生物細胞中水分結(jié)晶且不斷喪失自由水，污泥顆粒被包裹在冰晶內(nèi)，體積發(fā)生膨脹，污泥內(nèi)層結(jié)構(gòu)微生物所含水分得以釋放，污泥顆粒變成致密的大顆粒，物理結(jié)構(gòu)獲得不可逆的轉(zhuǎn)變。此外，毛細作用促使污泥顆粒發(fā)生物理性脫水，結(jié)合水大量流失，脫水性能穩(wěn)步上升。凍融調(diào)理過程是不可逆的，即使再用機械攪拌也不會使污泥顆粒重新回到膠體狀態(tài)。冷凍融化調(diào)理中使用的冷凍床下層設(shè)置濾沙和排水管，上方依次為凍結(jié)污泥層和液體污泥，最上方設(shè)置輸泥管，如圖6所示。

圖6 冷凍融化設(shè)備示意圖

凍結(jié)速率是決定凍融性能效率的一個重要參數(shù)。TUAN等[20]發(fā)現(xiàn)緩慢的凍結(jié)速度顯著改善了污泥脫水性。當(dāng)凍結(jié)速率較高時，污泥顆粒被截留在發(fā)育的冰層中，削弱污泥的脫水能力。如果凍結(jié)速率緩慢，絮體將被排斥但不會被截留，它們在冰晶生長前已經(jīng)遷移，很大程度上提高污泥脫水率。冷凍溫度也是影響凍融效果的重要因素。陳悅佳等[21]發(fā)現(xiàn)污泥的冷凍溫度越低脫水性能越好，如圖7所示。這是由于冷凍溫度影響著污泥顆粒中粒子的運動和結(jié)合速率，如果溫度低于一定的臨界值，污泥顆粒中的自由水便會形成相互連結(jié)的冰晶，使得污泥顆粒凝聚成更大的顆粒。

圖7 冷凍溫度對污泥CST的影響

冷凍融化調(diào)理技術(shù)不需要添加額外的化學(xué)試劑，具有成本低、利用自然條件便可自發(fā)進行的優(yōu)勢。此外，在冷凍污泥的過程中還能夠消除其中的致病細菌，減小污泥可能造成的危害。但冷凍條件通常適用于我國東北部嚴寒天氣超過3個月、土壤凍結(jié)深度超過0.3 m的區(qū)域，尤其是在冬季到春季過渡時，溫度變化對于凍融的誘導(dǎo)十分有利。因此，凍融技術(shù)的使用范圍具有一定的局限性。

2.3 超聲波調(diào)理

超聲波調(diào)理主要是利用超聲波的幾個特殊性質(zhì)：一是聲化學(xué)性質(zhì)，即在最短的時間內(nèi)產(chǎn)生高溫、高壓和剪切力，促使污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，讓原本結(jié)合緊密的水分能夠迅速脫出；二是海綿效應(yīng)，使水更容易通過超聲波在污泥顆粒中傳播而形成的通道，促使污泥顆粒凝聚為更大的顆粒；三是凝固特性，污泥顆粒在超聲波中發(fā)生震動，粒子運動變得更加強烈，污泥顆粒之間更容易發(fā)生聚合。超聲波調(diào)理污泥的一些研究結(jié)果如表1所示。超聲波對污泥脫水性既有促進作用也有抑制作用，污泥的脫水性能并不是與聲強、功率和超聲處理時長成正相關(guān)的。殷絢等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在400 W/m2的較小聲強下超聲處理2～4 min可有效減少污泥結(jié)合水的含量。QUARMBY等[27]發(fā)現(xiàn)，污泥的脫水性隨著聲強的增加而降低(CST隨超聲強度的增加而逐漸增加)。同時，污泥的脫水性隨著超聲處理時長的增加而減弱(超聲處理60 min后，CST從197.4 s增加到488.9 s；在更高功率水平下，結(jié)合水含量增加了4倍)，這是因為超聲處理后形成的小顆粒數(shù)量增加導(dǎo)致了更大的持水表面積[28]。GONZE等[29]得出在較低的超聲功率水平和較短的超聲時間下，污泥CST將會降低(污泥脫水性能提升)；但在相同的功率水平下，隨著超聲時間的增加，CST值將會增加；因為在較低的功率水平和較短的超聲時間下，污泥顆粒結(jié)構(gòu)沒有轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的顆粒，較低的功率水平設(shè)置有利于污泥脫水。葉運弟等[30]發(fā)現(xiàn)，超聲能量為700 J時對污泥進行超聲處理15 s，污泥含水率、比阻和毛細吸水時間都達到實驗最佳效果。污泥中水分分布在超聲波處理后發(fā)生了顯著的變化如圖8所示，結(jié)合水大量轉(zhuǎn)化為自由水，證明超聲波處理可以改善污泥脫水性能。

表1 超聲波調(diào)理污泥效果

圖8 超聲波處理后污泥的水分分布

超聲波調(diào)理具有效率高、綠色環(huán)保、節(jié)能高效等優(yōu)勢，可使微生物細胞內(nèi)物質(zhì)瞬間釋放達到高效脫水性能。但超聲波的各項參數(shù)設(shè)置與污泥脫水的關(guān)系較為復(fù)雜，還需要進行更深入的研究。

2.4 微波調(diào)理

微波調(diào)理是傳統(tǒng)加熱調(diào)理的升級技術(shù)。微波對污泥的加熱不局限于污泥顆粒表面，它能穿透污泥并提升污泥顆粒內(nèi)部的熱量。微波調(diào)理技術(shù)利用污泥導(dǎo)熱性差的特點，使污泥內(nèi)層到外層形成溫度差異，破壞EPS與結(jié)合水之間的作用力，打碎污泥顆粒絮狀結(jié)構(gòu)，析出更多的結(jié)合水，改善污泥脫水性能。

微波功率和接觸時間是影響污泥物化性質(zhì)變化的主要因素。林頤等[31]發(fā)現(xiàn)，在3 240 W·L-1的微波下輻射100 s后，污泥的SRF減少了18.89%。QIANG等[32]研究微波調(diào)理的最佳條件是功率為900 W，接觸時間為60 s，如圖9所示。然而，當(dāng)接觸時間進一步延長時，CST值迅速增加。由此可知，在較大的微波能量下，需要控制較短的接觸時間以產(chǎn)生最大的脫水性。污泥絮狀結(jié)構(gòu)與水分子緊密結(jié)合，在短時間內(nèi)被分解成更疏松的小碎片，在絮凝劑的幫助下，這些小碎片可以重新絮凝成更緊密的顆粒，從而降低污泥含水率。張霞等[33]發(fā)現(xiàn)，功率為800 W和接觸時間為10 min時污泥含水率最低。李延吉等[34]發(fā)現(xiàn)，功率為540 W，最優(yōu)接觸時間為2～5 min，而在合適的接觸時間下，540～900 W都能顯著降低污泥含水率。

與傳統(tǒng)加熱調(diào)理相比，微波調(diào)理具有處理時間短、能量利用率高、反應(yīng)易控制且有滅菌功能的優(yōu)點。但微波穿透深度有限，要控制好污泥的量。此外，微波產(chǎn)生的輻射能夠傷害人體，調(diào)理時應(yīng)當(dāng)保持足夠的密封性。

圖9 微波能量和停留時間對CST的影響

3 結(jié) 語

加熱調(diào)理、冷凍融化調(diào)理、超聲波調(diào)理和微波調(diào)理對于強化和改善污泥脫水性能都具有良好的效果，都可以有效破解污泥的EPS結(jié)構(gòu)，完成污泥內(nèi)部水分之間的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)更高效的水分脫除效果。加熱調(diào)理與凍融調(diào)理都可使污泥含水率降至45%以下，加熱調(diào)理使用范圍廣，操作簡易且能耗低，脫水性能提升顯著，能達到深度脫水的要求，冷凍調(diào)理可在天然條件下自發(fā)進行且不可逆，成本低，污泥還可得到有效地?zé)o害化處理，但使用條件與范圍具有很大的局限性。超聲波調(diào)理效率高且綠色環(huán)保，但其控制條件還有待進一步研究。微波調(diào)理節(jié)省時間，加熱速度快，污泥脫水性能顯著改善，且能達到特殊的滅菌功效，但微波輻射在安全方面還有待考量。