污泥脱水性能的影响因素解析

甄广印,龙吉生,白 力,赵由才

（1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海市　200092；2.上海康恒环境股份有限公司，上海市　200040）

污泥脱水性能的影响因素解析

甄广印1,龙吉生2,白 力2,赵由才1

（1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海市200092；2.上海康恒环境股份有限公司，上海市200040）

随着我国城市化进程的加快，城市污泥大量产生，环境污染日益加剧，高含水率特质已成为制约污泥无害化处置的关键控制因子。明确污泥脱水性能影响因素，对于污泥强化脱水和安全管理具有重要指导意义。文章系统探讨了胞外聚合物（EPS）含量/组分、粒径分布、Zeta电位（ζ）和黏度等因素对污泥脱水性能的影响规律与作用机制，为强化污泥脱水、构建污泥脱水技术新体系提供理论参考。

污泥；水分分布；脱水性能；胞外聚合物

城市污泥组成复杂，呈胶体状的絮体结构，具有高度的亲水性和持水性，脱水性能极差，含水率通常高达95 wt.%~99 wt.%。而无论是卫生填埋、干化焚烧、厌氧发酵,还是堆肥都对污泥含水率做出了严格的技术界定,因此脱水和减量预处理是污泥处理和处置过程中的重要环节。脱水不仅可以减少污泥体积、降低运输费用，同时也易于后续处置。脱水效率取决于污泥自身特性,其菌胶团絮体网状结构(主要包含胞外聚合物、微生物细胞[1-2]）高度亲水[3]，机械脱水（如板框压滤等）难度极大。污泥的高含水率特性已经成为制约我国污泥无害化处理处置的关键控制因子。因此，明确污泥脱水性能影响因素和作用机制，对于污泥强化脱水、安全生态管理和和谐社会顺利构建，具有重要的指导意义。

1　污泥水分分布及测定方法

根据水分与污泥颗粒的物理绑定位置不同，Tsang和Vesilind[4]将污泥水分分为4种形态：间隙水或自由水（free water）、毛细结合水（interstitial water）、表面吸附水（surface/vicinal water）和内部结合水（hydration water）。提高污泥脱水效率的关键在于强化颗粒表面吸附水和内部结合水的释放和去除，而精确测定污泥颗粒水分分布特征及变化规律则是揭示污泥脱水机制的核心和前提。近年来研究人员相继采用低温干燥法[5]、抽滤法、压滤法[6]、离心沉淀法[7]、差热分析、差热扫描量热分析[8]和膨胀计法[9]等试图通过测定污泥颗粒中不同形态水分的含量及分布特征，从微观角度阐明污泥持水和脱水机理。但由于污泥胶体网络结构的复杂和多变性以及研究者在污泥水分分类与分布特征的分歧，分析结果差异显著，甚至大相径庭。

2　污泥脱水性能的影响因素

污泥脱水是污泥处理与资源化过程不可或缺的前处理步骤，也是一种十分有效的减量化手段。然而，污泥脱水性能通常受EPS含量/组分、粒径分布、Zeta电位（ζ）和黏度等多重因素影响，因此浓缩和脱水难度极大，脱水机制复杂。

2.1胞外聚合物（EPS）

胞外聚合物（EPS）是一种聚集在污泥胶体微生物细胞外的高分子有机聚合体，主要源自微生物新陈代谢、细胞自溶和进水基质，其有机组分为多糖（PS）、蛋白质（PN）以及少量的脂类、核酸（DNA）和腐殖质类物质（HS）。有关研究表明，在活性污泥中EPS通常占污泥有机组分的50 wt．%～60 wt．%，其中70 wt．%～80%的EPS由多糖和蛋白质组成[5,10]。EPS因与污泥颗粒的束缚和附着程度不同可分为溶解性胞外聚合物（soluble/slime EPS,S－EPS）、疏松附着型胞外聚合物（loosely bound EPS,LB－EPS）和紧密附着型胞外聚合物（tightly bound EPS,TB－EPS）[11]。S－EPS分布于污泥上清液中；LB－EPS与TB－EPS相连，并由TB－EPS向周围液相扩散，其结构松散，无明显边缘，与水分接触充分；TB－EPS则附着于微生物细胞外部,与细胞壁紧密结合,具有一定的外形。

EPS聚集在污泥颗粒外部形成保护层，是微生物营养缺失期间重要的碳源和能源储备库[12]，同时也可协助微生物抵抗苛刻的外部环境压力[13]。鉴于EPS在污水污泥处理系统中所发挥的重要作用，而备受各国研究人员的关注。如Hessler等[14]发现EPS含量的增加可有效抑制UV/TiO2对微生物细胞的溶解和破坏。由此可见，EPS的存在为污泥絮体的形成和稳定、微生物的正常生长提供了基本条件，发挥了不可或缺的重要作用。EPS的存在随为微生物细胞提供了良好的保护作用，但其高度的亲水性和持水性也成为污泥脱水的巨大障碍。由于复杂的菌胶团网状结构和亲水性官能团（如羟基）的存在，EPS可改变污泥颗粒的表面特性，增加其黏度和亲水性能，故而被视为影响污泥脱水效率的最重要因素之一[15]。近年来，研究人员针对不同类型EPS对污泥脱水效率的影响展开了大量的研究工作[11]，部分学者的研究结论如表1所示。

表1　污泥脱水性能EPS与的相关关系（括号内：p值）

由表1可知，目前的研究工作并未明确揭示不同类型EPS在污泥脱水中所扮演的角色，EPS的作用机理常因提取方法、污泥种类等的不同而存在差异，甚至相互矛盾。一些研究表明，污泥脱水性能与EPS含量呈正相关[16]或负相关[15]，甚至毫无相关性存在[25]。也有学者认为脱水性能由EPS中PS/PN的比例而非含量决定[26]。在EPS中，PS和PN分别为正电荷和负电荷的提供者，PS中含有较高比例的亲水性基团如羟基，PN则主要由疏水性氨基酸物质组成，因此PS/PN比例决定了污泥的表面电荷和疏水性，进而影响了污泥脱水。而Feng等[5]声称脱水性能与S-EPS含量并非存在简单的线性关系。低含量SEPS有助于提高污泥的混凝效应，促进污泥细小颗粒的聚沉和脱水性能的提高，最优的S-EPS含量为400~500 mg/L。然而S-EPS含量一旦高于最优范围，便会因引入大量EPS结合水而导致脱水性能严重恶化。Yuan等[27]也报道了相似的研究结论，但最优的S-EPS含量仅为15~18 mg/L。他们进一步揭示，对污泥脱水性能起决定性作用的为LB-EPS，而非TB-EPS。LB-EPS位于污泥颗粒外部，是一种开放的疏松结构，因此更易吸附和携带自由水进入颗粒内部，造成污泥絮体与水分分离难度增大。

作为污泥胶体颗粒的重要组成部分，EPS结构与特性复杂多变，作用机制尚无明确定论，技术体系仍待完善。因此，进一步探索和揭示EPS精确角色，对于强化污泥脱水效率、促进污泥安全管理和生态处置、研发和革新污泥脱水新技术具有重要的指导意义。

2.2粒径分布

粒径分布被认为是影响污泥脱水性能的另一关键因素。一般来讲，细小污泥颗粒所占比例越大，污泥脱水性能就越差。Higgins和Novak[28]指出粒径为1~100 μm的超胶体颗粒对污泥脱水影响最为显著，超胶体颗粒极易堵塞污泥滤饼或过滤介质，进而影响污泥过滤和脱水效率。此外，高比例的超胶体颗粒也能大幅提高颗粒表面积/体积比[29]，这不仅会增强污泥颗粒的水合程度，削弱其脱水性能，同时也会造成脱水调理剂剂量的明显增加。

颗粒的凝聚和增大有利于改善污泥脱水性能已成共识，如Ning等[30]采用制革污泥焚烧灰和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）耦合调理污泥，发现两者的联合作用可有效中和颗粒表面负电荷，压缩和破坏双电层结构，促进污泥颗粒的聚沉，胶体粒径dp90值升高至5 120 μm（dp90是指粒径分布中累积体积占90%所对应的粒径值，μm），脱水性能明显改善。但当深入分析污泥水分分布规律时不难发现，增加污泥粒径仅可减小毛细结合水和表面吸附水含量，内部结合水并未受到明显影响。事实上，有效的污泥脱水不仅需要毛细结合水和表面吸附水的去除，亦必须实现内部结合水的释放，但此过程常伴随着污泥胶体的破坏和细小颗粒的释放。Raynaud等[31]在探索NaCl和pH强化污泥压滤脱水的实验研究中曾证实，NaCl的投加和pH的改变虽可实现污泥胶体结构的失稳和破坏，促进内部结合水的析出，提高压滤滤饼含固率，但污泥胶体的破坏也会增加细小颗粒含量，堵塞污泥滤饼和过滤介质，降低脱水效率。因此，探索和确定最佳的临界粒径，确保内部结合水的最大化驱除和污泥滤饼与过滤介质的无堵塞过滤是实现污泥成功脱水的关键。Yu等[32]研究表明，CST、SRF和污泥粒径dp90存在较强的相关关系（R分别为0.859 6和0.909 6），CST和SRF随dp90的增加而明显减小，当dp90为120~140 μm时，脱水效果最佳。Feng等[5]亦研究发现，CST、SRF和污泥粒径dp90之间存在显著相关性（R分别为0.943 6和0.896 0），且CST和SRF随dp90的增加呈现出先减后增的趋势，最佳的dp90范围为80~90 μm。Chen和Yang[33]也给出了相似的变化趋势，但最佳的dp90值为129.87 μm，这与Yu等[32]所得结果较为相似，但与Feng等[5]存在差异。这种轻微的差异可能归因于污泥种类、来源和理化特性的不同。

2.3Zeta电位

污泥颗粒由带负电的微生物菌胶团粒子组成，具有双电层结构。污泥胶体的带电特性可以用Zeta电位表示，一般污泥絮体的Zeta电位在-30~-10 mV之间[34]。Lee和Liu[35]测定废活性污泥的Zeta电位为-11.1 mV。Thapa等[2]报道的厌氧消化污泥的Zeta电位为-16.97 mV。

Zeta电位与污泥表面疏水性能、EPS组成等密切相关，是表征污泥颗粒间凝聚和颗粒表面特性的重要参数。Wilén等[36]研究发现，活性污泥絮体中EPS是影响污泥颗粒表面带电的重要因素，且EPS中PN和HS对表面电荷的贡献最大。Wang等[37]在解析好氧污泥颗粒化过程中污泥表面性质与EPS变化特性中证实，T-EPS、PN和PS含量均会影响污泥表面带电特性，但DNA并无显著作用。Liao等[38]的研究进一步揭示，污泥表面带电性与EPS中的PN/PS或PN/（PS+DNA）比值有关，而与PN、PS和DNA含量无关。Zhang等[39]和Zhu等[40]报道亦指出，污泥表面疏水性和PN/PS比值呈正相关。在EPS中，PN和PS分别携带正电荷和负电荷，PN主要由疏水性氨基酸（甘氨酸、丙氨酸等）组成，是污泥表面疏水性的主要贡献者；PS中的酸性糖则含有高比例的亲水性基团如羟基，是污泥表面亲水性的主要贡献者[40]。PN中带正电荷的氨基可以中和部分来自PS中的羟基、DNA中的糖醛酸和羧酸以及磷酸基的负电荷，降低污泥表面Zeta电位[41]。

Zeta电位的高低决定着污泥胶体颗粒的凝聚和沉降性能的优劣，因此在污泥浓缩和脱水过程中，研究人员常通过压缩双电层、电性中和等手段，降低胶体颗粒表面电位，强化胶体脱稳和凝聚速率，以促进污泥固液分离。Guan等[42]研究了低温（50～90℃）条件下CaCl2调理（3．7～1 110．0 mg/g DS）对污泥脱水性能的影响，当CaCl2投加量从0增加到185．0 mg/g DS、调理温度为25℃时，污泥Zeta电位从－26．20 mV快速降至－7．32 mV;调理温度为60℃时，从－26．40 mV降至－7．25 mV；调理温度为80℃时，从－28．90 mV降至－6．85 mV;随着CaCl2投加量的继续增加，Zeta电位增长缓慢，且逐渐趋近于等电点。低温预处理通过溶解污泥PN和PS，释放更多的阳离子结合位点和聚合物交互位点，以强化Ca2+的螯合或离子键效应，压缩双电层，降低表面Zeta电位，加速污泥颗粒碰撞聚集，提高其脱水效率。

2.4黏度

污泥属于非牛顿流体，剪应力(τ)与剪切应变率（γ）之间呈非线性关系[43]，兼有粘性和弹性双重特性[44]，符合Herscher－Bulkly塑性流体方程[45]。极限黏度（μ∞）作为表征污泥流变特性的重要参数之一，可由在恒定剪切速率条件下随剪切时间推移趋于稳定时的表观黏度（μapp=τ/γ）表示。近年来，有关极限黏度（以下简称“黏度”）对污泥脱水性能影响机理的研究越来越多，黏度作为评价污泥流变特性、化学调理效率和脱水性能的重要参数，为污泥调理与强化脱水工艺的比选和优化提供重要信息[16]。Li和Yang[22]在探索胞外聚合物（LB－EPS和TB－EPS）对活性污泥絮凝、沉降和脱水性能的影响研究中发现，污泥黏度受LB－EPS影响显著（Rp=0．886，p〈0．05），LB－EPS位于污泥胶体和细胞外缘，含有大量粘性荚膜、黏液层和其它表面大分子物质，因此污泥黏度随LBEPS含量的增加而增大；他们的研究进一步揭示，污泥脱水性能 （SRF）与黏度呈显著正相关性 （Rp= 0．943，p〈0．05），黏度增加则脱水性能恶化。Ye等[25]在应用高铁酸钾（K2FeO4）氧化破解废活性污泥的试验研究中发现，高铁酸钾的投加可加速污泥胶体破坏、胞外与胞内聚合物的大量溶出和降解，进而降低污泥黏度，改善其过滤、沉降和脱水性能。Dentel和Abu－Orf[46]也构建了污泥CST与黏度之间的相关关系（p〈0．01）。Jin等[16]的研究进一步证实，污泥黏度与结合水含量（Rp=0．636 7，p=0．0143 5）和CST（Rp=0．756 0，p=0．001 7）存在紧密联系，当污泥黏度从3．8 mPa·s增加到11．0 mPa·s时，结合水含量和CST均明显升高。Chen和Yang[33]研究亦发现，污泥黏度和滤饼含水率呈强相关性（R=0．84），但滤饼含水率随黏度增加呈先降后升的趋势，最优脱水条件下的污泥黏度为20～25 mPa·s。

2.5其它影响因素

污泥脱水性能的影响因素繁多,除EPS含量/组成、粒径分布、Zeta电位和黏度外,也常因pH值不同而不同。pH值的波动会引起污泥胶体表面特性的改变，其脱水性能也会随之改变。如Raynaud等[31]研究发现,污泥胶体的表面电荷量会随pH的减小而降低，电荷量从pH=9时的－1．16±0．07 meq gDS－1减小至pH=7时的－1．00±0．09 meq gDS－1；当pH降至3时,表面电荷量进一步减小到－0．59±0．06 meq gDS－1。表面电荷的降低主要归因于液相的H+质子对污泥胶体表面负电荷,尤其是对位于EPS表面带负电的官能团的电中和作用。Liao等[38]给出的最佳pH范围为2．6～3．6,此时污泥表面负电荷量几乎为0。Liu等[47]在考察生物淋滤(Fe2+/S0)对污泥脱水的影响研究中得出的最佳pH范围为2．4～2．7,此时Zeta电位趋近于等电点(0 mV),脱水性能明显改善（CST=11．0 s）。Wang等[48]建议的最佳pH为4．8,此时Zeta电位接近等电点,污泥絮凝性能最佳。然而,pH值对污泥脱水性能的影响也常会因调理脱水工艺的不同而有所差异，如Zhang等[49]以微生物絮凝剂P．mirabilis TJ－F1为调理剂预处理污泥时发现,在P．mirabilis TJ－F1和CaCl2溶液（二者浓度均为1．33 g/L）投加量与污泥体积比为2：3：50、pH 7．5时,脱水性能最佳。而Liu等[50]报道的Fenton试剂—骨架构建体（波特兰水泥和生石灰）联合污泥调理脱水工艺的最佳pH为5．0。同时,污泥来源不同,其物理组成和理化特性不同,脱水性能也往往相差甚远。据Turovskiy和Mathai[29]报道,不同来源污泥的脱水性能差异较大,原生污泥较易脱水,厌氧消化则会导致污泥比阻增大,脱水性能变差。

此外,污泥脱水还受胶体密度、碱度、分形维数、丝状菌丰度等因素影响。不难看出,污泥脱水影响因素复杂且交互影响,其自身理化特性也具有实时性和非典型性,因此要彻底弄清污泥脱水影响机制、构建通用统一的污泥脱水新技术着实不易。

3　结论

污泥组成与絮体结构复杂，脱水性能受诸多因素，如EPS（S-EPS、LB-EPS和TB-EPS）、胶体粒径分布、Zeta电位、黏度、pH、污泥源、pH和温度等共同影响。因此，污泥调理预处理过程中，系统剖析污泥特性影响机制及变化规律，可以为揭示污泥强化脱水核心机理提供理论依据和数据支撑。但污泥脱水影响因素复杂，且影响因素交互作用，复杂多变，因此要彻底阐明污泥脱水影响机制、构建通用统一的污泥脱水新技术仍需大量研究和不断探索。

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Factors Affecting the Dewaterability of Waste Activated Sludge

ZHEN Guangyin1,LONG Jisheng2,BAI Li2,ZHAO Youcai1
(1.The State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,School of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Shanghai SUS Environment Co.,Ltd.,Shanghai 200040,China)

The increase in wastewater treatment activities has been confronted with a dramatically increased amount of waste sludge.A common characteristic of different types of sludge is the high moisture content,which represents a major obstacle for sludge treatment and disposal in an environmental friendly manner.The clarification of factors affecting the dewaterability of sludge is very significant for sludge dewatering and subsequent management.In this review,the effects of extracellular polymeric substances(EPS), particle distribution,Zeta potential(ζ),and viscosity etc.on sludge dewaterability,and responsible mechanisms were illustrated systematically,which will further serve as a theoretical basis for the development of innovative and environmentally friendly technologies addressing the sludge issues.

waste activated sludge;water distribution;dewaterability;extracellular polymeric substances(EPS)

X703

A

1004-4345(2015)04-0056-06

2015-05-14

中央高校基本科研业务费专项资金（0400219152）;国家自然科学基金面上项目（No.51278350）;上海市科委科研计划项目(12231202300)。

甄广印（1984—），男，博士，主要从事固体废物处理与资源化研究工作。