田紫揚，馮國紅，楊 磊

(太原科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著城市化和工業(yè)化進程日益加快，廢水處理過程中會產(chǎn)生大量的剩余污泥。2010年，中國每年生產(chǎn)4 000萬噸(以含水率80%計)的污水污泥[1]。從2011-2017年，污泥產(chǎn)量從 5 427萬噸增加到7 436萬噸。2020年，我國污泥產(chǎn)量增至 8 000萬噸。面對數(shù)量眾多的污泥，對污泥有效處理是目前重點話題。

污泥是由膠體微粒與水組成的懸浮液[2]，具有含水率高(93%～99.5%)、有機成分復(fù)雜[3-5]、易腐化等特性。污泥中存在的膠體顆粒粒徑大于1 μm，且末端沉降引力非常低，導(dǎo)致污泥難以沉降[6]。Novak等[7]認為，膠體微粒堵塞濾餅孔隙導(dǎo)致了污泥脫水困難。污泥中的水分主要包括：間隙水、毛細結(jié)合水、表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水。由于污泥的復(fù)雜特性，導(dǎo)致未經(jīng)預(yù)處理的污泥很難脫水[8-10]。

常用的污泥預(yù)處理方法主要包括：化學(xué)絮凝處理和破壁預(yù)處理。其中化學(xué)絮凝預(yù)處理因其操作簡單，成本低廉而廣泛應(yīng)用于污泥脫水過程?；瘜W(xué)絮凝劑處理污泥，有利于污泥顆粒團聚成更大的顆粒或絮凝體，提高污泥脫水效率。然而，絮凝劑調(diào)理污泥形成了較大的絮凝團粒，具有高壓縮性，在壓力的持續(xù)作用下，團粒變形顯著，使團粒堆積形成的孔隙在擠壓變形后消失，對整個脫水過程造成嚴重影響[11]。為了降低污泥的可壓縮性，一些剛性結(jié)構(gòu)物質(zhì)逐漸被研究者應(yīng)用于污泥脫水過程中，以改善污泥脫水性能，這些物質(zhì)通常被稱為助濾劑。常見的助濾劑主要分為碳基材料和礦質(zhì)材料，碳基材料包括焦炭[12]、煤粉[13]、木屑、稻殼、麥渣、竹粉、褐煤、生物質(zhì)材料等。礦質(zhì)材料包括：粉煤灰[14]、水泥、石膏[15]等。助濾劑，在脫水過程中能夠起到支撐作用，增大濾餅孔隙，降低污泥的可壓縮性，提高機械脫水過程中污泥的機械強度，形成滲透性良好的濾餅，使其在高壓機械脫水下依然能夠保持多孔狀態(tài)。

本文主要對多年來研究者對提高污泥脫水性的科學(xué)工作展開研究，歸納了評價污泥脫水特性參數(shù)，重點綜述了助濾劑的種類，以及助濾劑在提高污泥脫水能力中的研究應(yīng)用。

1 評價污泥脫水性能指標

1.1 污泥過濾性能指標

1.1.1 濾餅固含量

濾餅固含量是污泥過濾效率好壞最重要的評價指標。是根據(jù)濾餅中干固體質(zhì)量在濾餅總質(zhì)量中的占比所評定的。脫水效率越高，濾餅固含量值越高。濾餅固含量的計算如式(1)所示：

(1)

式中：TS為固含量，%；A為脫水后濾餅中固體質(zhì)量，kg；B為脫水后濾餅總質(zhì)量，kg。

1.1.2 污泥比阻

污泥過濾脫水過程中所受阻力通常用過濾比阻表示，簡稱為SRF，其定義為單位質(zhì)量的污泥在一定壓力下經(jīng)過單位過濾面積時所受的阻力。SRF的計算是以Ruth方程為基礎(chǔ)，通過實驗數(shù)據(jù)計算得到的。用于反映液相通過污泥孔隙逐漸形成濾餅的能力，反映過濾速度的快慢，SRF越小，污泥過濾速度越高。SRF的計算公式如式(2)所示：

(2)

1.1.3 污泥體積縮減率

污泥體積縮減率簡稱SV，是通過污泥過濾之前懸浮液的體積與過濾后濾餅體積的差值相比于過濾之前懸浮液體積所得到的。過濾完成后，污泥中多余水分脫除，污泥體積大大減小，SV可用于衡量污泥過濾效率。SV的計算如式(3)所示：

(3)

式中：SV為污泥體積縮減率，%；V0為污泥懸浮液的體積，mL；V1為污泥濾餅的體積，mL。

1.1.4 凈污泥產(chǎn)率

凈污泥產(chǎn)率YN指單位時間單位面積上污泥干固相的產(chǎn)率，不考慮助濾劑在污泥脫水系統(tǒng)中的影響，最終得到污泥的凈固體含量，YN用于評價污泥過濾效率。Zall等[16]提出，凈污泥產(chǎn)率還可以用YN90(kg/ m2·h)來表示。通過繪制過濾速率(m3/m2·h)與濾液體積的對比曲線(m3)，將曲線的線性部分向外擴展，得到V∞，即假設(shè)所有可過濾的水被濾出時濾液的最終體積。當過濾濾液量達到V∞的90%時，代表過濾完成。YN90的計算如式(4)和(5)所示。

(4)

Vs90=VF90+VP

(5)

式中：VS90為過濾完成90%的污泥總體積，m3；VF90為過濾完成90%時收集的濾液體積 m3；Vp是過濾壓力室的總?cè)莘e，m3；RS為污泥單位體積的污泥固體質(zhì)量，kg/m3；T90為過濾完成90%的時間，s；A為過濾器的橫截面積，m2。

1.2 污泥壓縮性能指標

污泥的可壓縮性是指對污泥施加正向應(yīng)力時，污泥在軸向的變化程度。反映在作用壓力下壓縮污泥的程度。壓縮性系數(shù)(S)越小，污泥在壓縮過程中越不容易變形，且保持良好的孔隙，使游離水更容易被脫除，提高脫水效率。如式(6)所示：

(6)

式中：P1和P2代表不同的壓力條件 Pa；SRF1和SRF2為P1和P2條件下所測得的比阻力。

2 助濾劑在污泥脫水過程中的應(yīng)用

2.1 助濾劑的種類

化學(xué)絮凝調(diào)理污泥在一定程度上能夠提高污泥脫水能力。但Smollen和Kaffar[17-18]研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)絮凝后的污泥，仍具有高壓縮性，導(dǎo)致污泥顆粒在脫水過程中顯著變形，濾餅孔隙閉合，降低了污泥的脫水能力。為了提高污泥脫水能力，必須通過增加污泥的孔隙率，降低污泥的可壓縮性來降低污泥的比阻。因此，具有惰性、高孔隙率和剛性結(jié)構(gòu)的助濾劑成為研究熱點。助濾劑，在污泥脫水過程中能夠形成高孔隙和剛性的晶結(jié)結(jié)構(gòu)，提高污泥脫水效率。助濾劑可以大致分為兩類，礦質(zhì)和碳基材料。礦質(zhì)材料含有：石灰、粉煤灰等無機材料。碳基材料含有：褐煤、木屑、竹粉等生物質(zhì)材料。根據(jù)污泥最終處理處置方式的不同，選用助濾劑的種類也不盡相同。礦質(zhì)材料廉價易得，經(jīng)其處理的污泥最終用于填埋處理。碳基材料有機含量高、低灰分，能為污泥提供更高的熱值，經(jīng)其處理的污泥最終用于焚燒、堆肥等資源化處理。

2.2 助濾劑的研究應(yīng)用

2.2.1 礦質(zhì)材料的研究應(yīng)用

礦質(zhì)材料大多數(shù)為無機物，作為助濾劑被廣泛應(yīng)用于提高污泥脫水效率中。朱[19]采用珍珠巖、硅藻土、石灰作為助濾劑，結(jié)果表明，加入助濾劑聯(lián)合絮凝劑與只加絮凝劑的污泥相比，平均過濾速率提高了20%～50%，與未經(jīng)處理的污泥相比，平均過濾速率甚至提高了235%～325%。由此表明，助濾劑在污泥脫水過程中的作用非常顯著。在相同條件下，通過測量脫水濾餅含水率，得出石灰與珍珠巖調(diào)理污泥的脫水效率相差不大，而硅藻土相比較差；但石灰濾液為堿性，為后續(xù)處理增加了難度。

Zhao[20]使用石膏聯(lián)合Magnafloc LT25(陰離子絮凝劑)處理明礬污泥，研究表明，與沒有石膏的情況下相比，石膏的添加使濾餅的含水率(MC)可進一步降低7%，污泥凈固體產(chǎn)率(YN)得到了提高，石膏與絮凝劑的聯(lián)合有助于在污泥中建立一個更多孔性、可滲透性和剛性的晶格結(jié)構(gòu)。

Liu等[21]將Fenton試劑聯(lián)合石灰等助濾劑，對污泥的單因素脫水進行了響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，石灰結(jié)合普通硅酸水泥(OPC)與其他助濾劑相比，在Fenton試劑協(xié)同下脫水效果最好。石灰與OPC最佳添加量分別為400 mg/g和300 mg/g，相比單一Fenton試劑處理的污泥，SRF降低了95%，達到了最優(yōu)的脫水效果。Zhang等[22]將Fenton試劑與赤泥耦合應(yīng)用于污泥脫水過程，通過掃描電鏡(SEM)觀測，原污泥表現(xiàn)出緊湊和平滑的結(jié)構(gòu)，而加入赤泥的污泥出現(xiàn)不連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，并且在污泥中發(fā)現(xiàn)了新的礦物相。赤泥的加入使污泥具有了高滲透性與剛性的晶格結(jié)構(gòu)，使得污泥中的游離水在高壓下更容易脫除，降低濾餅含水率。

師等[23]將粉煤灰和硅藻土作為助濾劑，研究單獨投加與聯(lián)合投加對污泥SRF的影響。結(jié)果表明，單獨投加硅藻土能提高污泥脫水，SRF可下降95.5%。粉煤灰與硅藻土1∶1聯(lián)合添加，其脫水效率與單獨添加硅藻土相差不大。單獨添加粉煤灰的脫水效率優(yōu)于以上兩種，SRF可下降99.5%，表明粉煤灰與硅藻土能夠提高污泥脫水效率，且添加量在0.22 g/mL、粒徑為53 μm單獨投加粉煤灰效果最好。

綜上所述，礦質(zhì)材料能夠為助濾劑且在提高污泥脫水效率中發(fā)揮著重要作用。礦質(zhì)材料價格低廉，且容易獲得，多與絮凝劑等試劑聯(lián)合處理污泥，進一步提高脫水效率。但礦質(zhì)材料的添加可能會改變?yōu)V液或濾餅的pH，對后續(xù)處理以及周圍環(huán)境會造成一定的危害。

2.2.2 碳基材料的研究應(yīng)用

碳基材料為碳或含碳的一些生物質(zhì)材料，碳質(zhì)材料作為助濾劑為污泥脫水提供了新的選擇。孫[24]利用粉煤作為助濾劑處理不同種類污泥。粉煤處理含油污泥和市政污泥時，在最佳工藝條件下，污泥含水率分別由95%以上降至45%以下和96%以上降至40%左右。研究表明，粉煤的加入改變了污泥的物理結(jié)構(gòu)，抵抗過濾壓力的能力增強，降低污泥可壓縮性和SRF，提高濾餅滲透性和孔隙率，進而提高污泥脫水效率。粉煤的加入同時也為污泥濾餅提供了碳源，提高了熱值，有利于后續(xù)焚燒處理。

Qi[25]采用褐煤作為助濾劑聯(lián)合絮凝劑ZETAG7501和ZETAG8125共同調(diào)理污泥，指出單一褐煤處理污泥的脫水效率，低于褐煤與絮凝劑聯(lián)合處理的污泥，且研究發(fā)現(xiàn)較高劑量的褐煤與絮凝劑并沒有導(dǎo)致污泥產(chǎn)量進一步增加。褐煤與絮凝劑的加入比例是影響脫水效率的最主要因素。褐煤與絮凝劑協(xié)同處理污泥，不僅在污泥中形成多孔、剛性的結(jié)構(gòu)，帶負電的褐煤與陽離子絮凝劑的相互作用在污泥中形成了均勻的固體結(jié)構(gòu)，更有利于污泥脫水。Lin[26]也發(fā)現(xiàn)，木屑與麥渣作為助濾劑調(diào)理污泥脫水時，在相同化學(xué)預(yù)處理的條件下，不斷增加木屑與小麥渣的比例，脫水效率反而下降。研究表明，脫水效率下降可能是由于污泥中的游離水滲透到木屑與麥渣中，因此會減少游離水的脫除。

Luo[27]將木屑作為助濾劑聯(lián)合聚丙烯酰胺(CPAM)調(diào)理污泥脫水。研究表明，木屑聯(lián)合CPAM調(diào)理的污泥，其脫水性能明顯優(yōu)于單獨使用CPAM的污泥。木屑在污泥脫水過程中，通過抵抗濾餅的壓縮，從而保持污泥高度的滲透性，提高了污泥脫水效率。此外，當木屑與污泥中干固體質(zhì)量比例超過0.6時，過濾時間(TTF)與凈污泥產(chǎn)率(YN90)比SRF更適合評價污泥脫水效率。Zhang[28]通過比較木屑、稻殼和粉煤灰在污泥脫水中的作用，得出三者均能夠提高污泥脫水效率。但相比于粉煤灰，木屑與稻殼更容易在污泥體系中構(gòu)建多孔通道，形成分層結(jié)構(gòu)。通過管網(wǎng)效應(yīng)和層間通道效應(yīng)，脫水效率可以提高30%～65%。加入少量的木屑或稻殼，并不能有效提高污泥脫水效率，可能是由于少量的助濾劑在污泥中沒有形成有效的通道。

Liu[29]將木屑作為助濾劑代替石灰與CPAM處理污泥，利用木屑調(diào)理的污泥濾餅熱值更高，具有更好的經(jīng)濟效益。木屑調(diào)理污泥脫水能夠很好的降低污泥濾餅的含水率，降低結(jié)合含水量，提高污泥濾餅的孔隙率。但加入木屑對污泥顆粒粒徑影響不大。許[30]利用木屑作為助濾劑與化學(xué)試劑聯(lián)合調(diào)理污泥，研究表明，經(jīng)化學(xué)處理的污泥加入木屑后，脫水效率顯著提升。木屑能夠很好起到骨架構(gòu)建作用，但木屑本身會吸附游離水，投加過量木屑會導(dǎo)致脫除水分減少，脫水效果不明顯，因此存在最佳投加量。木屑調(diào)理污泥脫水，只會改變污泥物理結(jié)構(gòu)，并不會破壞污泥絮體內(nèi)的細胞結(jié)構(gòu)。

Wang[31]首次將木屑加入污泥中進行熱水解預(yù)處理，并作為助濾劑研究在污泥脫水中的作用。熱水解預(yù)處理能夠使污泥中更多的結(jié)合水釋放，從而提高后續(xù)污泥脫水的效率。研究表明，通過調(diào)整木屑在污泥中的比例，能夠使熱水解的有效溫度從180 ℃降低至150 ℃，大大節(jié)省了能耗。由于木屑與污泥在熱水解中的相互作用，不僅提高了脫水過程中污泥的滲透性，而且能夠脫除更多的水分，為提高污泥脫水效率和后續(xù)焚燒處理提供了一個更優(yōu)的選擇。

Wu[32]采用氯化鐵改性稻殼生物炭(MRB-Fe)調(diào)理污泥脫水，與原污泥相比，調(diào)理后的污泥SRF降低了97.9%，污泥濾餅含水率下降了19.36%，YN增加了28倍。MRB-Fe中鐵離子的正電荷與污泥顆粒負電荷抵消，促進污泥的沉降性和脫水性，提高了污泥濾餅的不可壓縮性和滲透性，提高了脫水效率。楊[33]將稻殼粉代替生石灰作為助濾劑調(diào)理污泥，研究稻殼粉協(xié)同絮凝劑對污泥脫水性能以及濾液水質(zhì)的影響。研究表明，稻殼粉協(xié)同絮凝劑能夠明顯降低污泥毛細吸水時間、污泥比阻和污泥濾餅含水率。稻殼粉的加入能夠提高濾液水質(zhì)，對降低COD和氨氮值發(fā)揮重要作用，且稻殼粉在脫水過程中能夠吸附污泥中的磷元素，使磷能夠富集與污泥濾餅中，為后續(xù)資源化處理奠定了基礎(chǔ)[34]。通過比較經(jīng)濟效益和脫水效果，證實了稻殼粉取代生石灰作為助濾劑的可行性。Wang[35]通過比較稻殼粉(RHF)、稻殼生物炭(RHB)、稻殼泥餅生物炭(RH-SCB)作為助濾劑調(diào)理污泥的脫水效率，得出RH-SCB是調(diào)理污泥的最優(yōu)選擇。研究表明，RH-SCB作為助濾劑時，污泥濾餅可壓縮率最低，Zate電位最接近0 mV。根據(jù)表征分析，稻殼基粉末硬度、表面Fe含量和Zate電勢是影響脫水效率的主要因素。RH-SCB調(diào)理污泥，能夠改善脫水濾液水質(zhì)，降低污泥濾餅中重金屬含量。

徐[36]對污泥水熱預(yù)處理之后，分析不同投加量的竹粉對污泥脫水效率的影響。研究表明，熱水解后的污泥顆粒細小，可壓縮性高，在過濾過程中，形成了結(jié)構(gòu)緊密的濾餅，阻礙了水分的脫除。在脫水過程中加入一定量的竹粉，能夠起到骨架顆粒的作用，提高污泥脫水效率。但投加量超過2 g時，脫水效率提高不明顯。經(jīng)過分析，可能是竹粉的過量加入，導(dǎo)致濾餅厚度增加，阻礙了水分的脫除。但竹粉的加入為污泥濾餅提供了有機質(zhì)，提高了污泥的燃燒熱值。

董[37]將核桃殼作為助濾劑調(diào)理污泥，當添加比例為4∶6(核桃殼與污泥干重比)，粒徑為<0.25 mm時，污泥含水率由70.50%降至59.48%，比阻由3.73×1013m/kg降為1.06×1013m/kg。研究表明，核桃殼能在污泥中形成可滲透、堅硬的網(wǎng)絡(luò)骨架改善污泥壓縮性和滲透性。當核桃殼添加比例3∶7，粒徑為0.25～1時，核桃殼在調(diào)理污泥中能部分代替CPAM，從而降低最終濾餅中高分子難降解絮凝劑的量，有利于污泥進一步處置。Wójcik[38]采用核桃殼粉作為助濾劑，研究核桃殼粉對污泥脫水效果和細菌總數(shù)的影響。當核桃殼粉添加量為60 kg/m3，添加比例為2∶1(核桃殼粉與污泥干重比)時，污泥含水率降低66%，毛細吸水時間降低68%，比阻降低64%，濾餅孔隙率增加65%，細菌總數(shù)降低了約88%。研究表明，核桃殼粉調(diào)理污泥，在污泥中能夠形成有效多孔通道，顯著提高了污泥的脫水能力。此外，核桃殼粉中的組成成分能影響污泥中微生物活性，導(dǎo)致細菌總數(shù)降低，在改善污泥脫水中發(fā)揮著積極作用。

綜上所述，碳質(zhì)材料與礦質(zhì)材料(粉煤灰等)相比，在提高污泥脫水效率的基礎(chǔ)上，能夠更好地與污泥形成脫水通道，降低難降解絮凝劑投加量，減少污泥中重金屬含量，提高污泥濾液水質(zhì)，提供有機質(zhì)，為后續(xù)污泥焚燒與資源化提供了新的選擇。因此，碳質(zhì)材料作為助濾劑應(yīng)用于污泥脫水過程，是今后的發(fā)展方向。

3 結(jié) 語

污泥的復(fù)雜特性導(dǎo)致污泥脫水效率低。單獨采用化學(xué)絮凝劑，在改善污泥脫水性能方面并不能取得令人滿意的效果。助濾劑在污泥脫水過程中，能夠形成剛性和不可壓縮的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建濾液通道，提高污泥孔隙度和污泥脫水效率。

但經(jīng)礦質(zhì)材料調(diào)理的污泥含有大量有害有毒物質(zhì)，填埋后會對土壤以及生態(tài)環(huán)境造成危害。相比于礦質(zhì)材料，碳質(zhì)材料具有低灰分、高熱值、高孔隙率的特性，在調(diào)理污泥過程中，不僅能提高污泥脫水效率，亦能減少濾液重金屬含量，提高濾液水質(zhì)，為濾餅提供充足的有機質(zhì)，在后續(xù)資源化利用中發(fā)揮著更為重要的作用，有待研究者的進一步研究。