污泥深度脱水技术研究进展

孙 祥，张晓谕

(江苏扬农锦湖化工有限公司，江苏 扬州 211900)

污水生化处理过程中会产生大量的污泥，这些污泥的含水率通常超过99%，这会造成污泥的储运成本居高不下。一般来讲，污泥中的水分包括游离水、间隙水、吸附水和结合水等[1]。污泥的脱水效率主要决定于污泥絮体的物理化学性质、脱水设备的选择及化学调理技术三个方面。就目前而言，很少有研究系统梳理关于基于污泥深度脱水方面的技术资料。因此，本文的目的是：第一，分析污泥化学性质与污泥脱水性的关系的研究进展；第二，认识污泥深度设备和化学调理技术的适宜性，同时分析了基于高压脱水过程的污泥化学调理技术；第三，阐述污泥深度脱水工艺的技术体系及其研究进展。

1 污泥化学性质对污泥脱水性的影响

1.1 EPS(胞外聚合物)对污泥脱水性的影响

EPS是在一定环境条件下由微生物，主要是细菌，分泌于体外的一些高分子聚合物。主要有多糖、蛋白质、腐殖酸和核酸等组成，对活性污泥的絮凝、沉降性和脱水性起着十分重要的作用[2]。就目前而言，关于EPS对污泥脱水性能影响的研究非常之多，而且很多研究是相互矛盾的。

1.1.1 EPS的含量和比例与污泥脱水性的关系

污泥的组成特征影响着污泥的脱水性，研究表明污泥中EPS对污泥的脱水性的影响最为显著[3]。目前主流的研究认为污泥中EPS的含量决定着污泥的脱水性，特别是EPS中蛋白质和多糖的比例影响着污泥的脱水性[4]，一般认为蛋白质对污泥脱水性的影响更为显著。

1.1.2 “双层EPS”说

不单纯以污泥中总体EPS的组成和含量来评判污泥的脱水性，而是将污泥EPS分为疏松型和紧密型两种。疏松型EPS会减弱细胞之间的结合以及絮体结构，泥水分离效果差[5]，“双层EPS”说通过将EPS在污泥中的存在形态在宏观上进行分类，分别研究其对污泥脱水性能的影响。

1.1.3 “多层区域化”说

利用离心分离和超声波技术将污泥分为五层，分别为清液、粘液层、疏松层、紧密层、泥粒，研究表明污泥脱水性与粘液层和清液中蛋白质以及多糖和蛋白质的比例相关。同时，研究还表明，污泥脱水性与粘液层、疏松层和紧密层中类蛋白、腐殖酸和富里酸物质的有关。“多层区域化”说进一步细化EPS的宏观形态，试图找出污泥脱水性与EPS中各物质的对应关系。

1.2 污泥中金属离子与脱水性的关系

此外，金属离子(尤其是钙、镁、铁和铝等与微生物絮凝特性息息相关)对污泥脱水性的影响非常重要[6-9]。因为EPS通常带负电，所以阳离子与EPS之间的静电作用在维持污泥的絮体结构方面起到十分重要的作用，影响着污泥的沉降性、脱水性和生化处理的出水水质[10]。David C. Sobeck等[9]的研究显示二价阳离子架桥理论可以很好地描述生物絮凝过程。Matthew J. Higgins等的研究发现进水中单价和二价阳离子的比例是决定污泥脱水性的直接因素。

2 污泥深度脱水技术

2.1 传统污泥深度脱水技术体系

污泥脱水设备分为高压脱水和低压脱水两种，前者有离心机和带式压滤机，后者主要是板框压滤机和隔膜压滤机。污泥深度脱水不仅需要依靠高压脱水，还需要适当的化学调理技术，同时运行条件也起着重要的作用。因此，为了获得良好的污泥脱水效果和低操作成本，不仅需要增加脱水压力，还需要综合考虑污泥脱水装置，化学调理药剂和调理方法，有机结合并优化技术路线，形成高效集成脱水工艺。对于化学调整，为了确保高压脱水过程的效率，首先必须降低污泥的可压缩性。因此，在通常的情况下，作为污泥的高压脱水的预处理剂，可以使用无机物(例如铁盐、铝盐、石灰等)，降低污泥的可压缩性，提高污泥的过滤性和脱水性能，如图1所示。

图1 污泥深度脱水工艺流程图

2.2 基于污泥高压过滤脱水的调理技术

2.2.1 传统化学调理技术

传统的化学调理技术主要有投加高分子絮凝剂、无机混凝剂、石灰等，污泥调理化学药剂需要与机械脱水相匹配。无机混凝剂和有机絮凝剂的化学调理机制有别，无机混凝剂调理后形成的絮体结构强度高[11-12]，适宜高压脱水，高分子絮凝剂形成的絮体结构强度低、颗粒大，适用于低压脱水过程。此外，在污泥中加入一些惰性的助凝剂可以增强絮体强度和滤饼的通透性，用于辅助过滤。

2.2.2 高级调理技术

高级氧化调理过程主要是利用氧化、酸碱、热处理等破坏污泥的EPS结构，将结合水转化为自由水，降低脱水污泥的含水率，目前主流的高级氧化调理技术有光Fenton/Fenton氧化技术[13]、酸碱处理技术、热处理技术等[14]。Fenton氧化能够降解胞外聚合物，促使结合水释放，同时水解的铁盐絮凝作用也可以改善污泥脱水性[15-16]。酸碱处理也会导致污泥解絮，虽然可能会增加污泥的脱水时间，但是可以有效提高脱水后泥饼的干度[17]。热处理对污泥脱水性的影响主要取决于温度和处理时间，温度超过120 ℃时，热处理可以有效改善污泥脱水性，且随温度的升高，脱水性改善明显。

2.3 电渗透污泥脱水技术

电脱水技术目前使用范围和使用规模均非常小[18]。近些年，该技术在细颗粒污泥、凝胶污泥、生物污泥、食品废弃物和大型藻的脱水等领域受到了极大的关注，因为针对这些污泥的脱水，传统技术存在着脱水效率低、脱水成本高等问题。在过去20几年，对生物污泥的电脱水研究主要还停留在实验室研究阶段，而在中试和生产应用方面的报道为数不多。大多数的研究显示，加压和压缩电脱水过程在提高脱水速率和降低泥饼含水率方面明显优于不加压电脱水过程，同时要明显优于传统的机械脱水技术。小试研究设备主要是一种圆柱形的压力过滤桶，在圆筒的上下施加电场，上部带有活塞加压装置[19]。小试研究主要集中在电场条件对污泥电脱水效率的影响、加压过程对污泥电脱水的影响、化学调理技术和污泥溶液化学条件对污泥电渗透脱水的影响、电渗透脱水过程中不同反应器区域中污泥理化性质的变化特征以及电场施加方式对污泥电渗透脱水效率的影响等[20-21]。在中试和应用方面，电渗透技术主要通过与现有的加压过滤设备相结合(如带式压滤机和板框压滤机)，从而形成电辅助加压过滤设备[22]。

3 污泥深度脱水集成工艺的应用现状

3.1 污泥脱水技术和处置方式的适配性分析

虽然实现污泥的深度脱水具有削减污泥量、降低污泥处理处置成本、便于后续处理处置等优点，但需要指出的是，污泥的调理和脱水技术需要与后续的处置方式相协调。目前，污泥的主要处置方式主要有填埋、焚烧、制砖、堆肥等几种。填埋处置方式对污泥调理和脱水要求最低，通常不需要限制化学调理技术。在焚烧处理过程中，要求化学调理药剂中不能含有对焚烧炉产生腐蚀作用的成分，如酸、氯离子、三价铁等，无机复合调理剂(石灰、氧化镁等复合物)可以作为焚烧处置的脱水药剂。堆肥处置的发酵产物通常作为肥料还田，故其化学调理过程中要避免使用大量的无机药剂，否则会影响发酵产物的肥效。笔者采用高效聚合氯化铝(HPAC)和阳离子聚丙烯酰胺(PAM)的复合调理作为污泥堆肥处置的脱水调理技术。这一技术可以在实现污泥高效脱水的同时，有效地降低了无机混凝剂的投加量。需要注意的是，这一过程对于PAM的型号要求很严格，低分子量、高离子度的阳离子PAM效果最佳。

3.2 污泥深度脱水技术的应用情况

表1目前为处于中试和生产规模，且能够将生化污泥含水率降至65%以下的技术。就设备而言，主要以高压脱水设备(隔膜压滤机)为主。在化学调理方面，石灰和氯化铁是污泥高压脱水的主要调理药剂，常用于污泥填埋处置的脱水调理药剂。近年来，由于污泥溶解效率较高，故高级化学调理技术(如酸碱、热处理、Fenton等)越来越受到重视，但其成本较高，推广受到一定限制。其中，热水解处理的主要目的是溶解污泥和改善污泥厌氧消化性能，但这一过程可以有效改善污泥的脱水性。电渗透脱水是一种比较有前景的污泥脱水技术，有优势在于无需投加大量的无机药剂来降低污泥的可压缩性、化学调理成本低、脱水效率高，但该技术的运行成本仍然较高，同时设备尚不成熟，未有大规模应用的案例。

表1 污泥深度脱水技术的应用

4 结 语

EPS是污泥絮体的重要组成部分，占到污泥有机质含量的60%以上。EPS的分布和组成直接影响着污染物的降解活性、污泥的沉降性和脱水性等。目前主流的污泥深度脱水主要是采用高压脱水设备，即高压压滤机。化学调理技术需要与污泥的脱水设备相适宜，无机药剂通常作为污泥高压脱水的化学调理剂。需要特别指出的是，污泥脱水工艺的选择，尤其是化学调理技术，应该与污泥处置路径相配套，而不应该一味追求低的污泥含水率。电渗透脱水最大的优势即化学调理成本低、脱水效率高和对泥质影响小，而目前已开发的成套电渗透设备还存在电耗高、脱水成本高的问题，难以大规模使用，故开发经济、高效、安全的电渗透脱水技术和工艺设备是下一步的重要研究方向。