化学调理对污泥脱水性能影响的荟萃分析

夏玉坤，陈柏校，王 成，洪根惠，李 林

（杭州国泰环保科技股份有限公司，浙江杭州 311200）

本文利用荟萃分析（meta-analysis），针对无机金属盐类与有机高分子絮凝剂，分析其种类和投加量对消化污泥、浓缩污泥、底泥、蓝藻泥等脱水性能的影响，评估污泥含水率、SRF、CST指标表征污泥脱水的合理性，以系统性评价脱水效果。

1 研究方法

1.1 文献来源

本研究基于知网数据库，检索规则为：主题=污泥脱水 AND 主题=化学调理 AND 主题=脱水性能 AND 摘要=含水率 AND 摘要=污泥比阻 AND 摘要= 毛细吸水时间。时间为1998年至2021年12月30日。搜索文献共计230篇，经过筛选共有30篇文章符合 要求。

1.2 数据处理与统计分析

筛选文章数据，使用GetData软件提取数据。荟萃分析采用合并效应量RR和95%置信区间CI（Metawin计算）：RR = In和为实验组和控制组数据均值，变化率评价调理效果：变化率（%）=（eRR-1）× 100%。

2 结果与讨论

2.1 化学调理后污泥含水率的变化

1998——2017，年化学调理污泥研究文章数量稳步增加，其后数量逐年下降（图1）。含水率是污泥脱水效果最直观的指标。化学调理前污泥的含水率范围一般为75.3%～93.3%，投加后通常降低到71.1%～90.8%。印染、造纸污泥的变化率较低，堆积污泥调理后的含水率变化最大为6.8%。

图1 知网历年发表的相关同行评议论文数量（1998—2021年）

2.2 对污泥比阻的影响

一定压力下过滤时单位质量污泥单位面积上的阻力为污泥比阻（SRF）。SRF越大，表面污泥越不易脱水。SRF最高为浓缩污泥，最低为剩余污泥（表1）；因测试技术和处理污泥种类不同，其一般范围为（5～45）×1012m/kg（图2d）。化学调理对SRF效果尤其显著，变化率最高为98%（二沉池污泥），变化率最低为7%（浓缩池剩余污泥）。

表1 纳入SRF荟萃分析的样本基本特征

除造纸污泥外，化学药剂对SRF的RR值都为负值（图2a），说明投加药剂可以降低SRF，使污泥更易脱水。剩余污泥变化率最大为90.3%，而印染污泥和造纸污泥效果不显著。

图2 不同种类和浓度的化学药剂对不同种类污泥SRF的影响森林图

常用调理药剂PAM、PFS、FeCl3、PAC和Al，除PFS外其他调理剂都可以减小SRF（图2b）。聚合类（PAC、PFS）对SRF的影响效应百分比高于无机盐单体调理剂FeCl3和铝盐，有机调理剂（PAM）显现出较低的变化率（57.1%）。

实际工程往往针对特定污泥通过实验确定最佳投加量，图2c显示投加量过低（0%～0.1%）或过高（20%～30%）时，95%CI触碰到零，均不利于降低SRF。投加量为0.1%-2%范围的样本量最大，2%～10%次之。

2.3 对毛细吸水时间的影响

毛细吸水时间（CST）为污泥在吸水滤纸上渗透一定距离的时间，一般为10～300s（图3d），CST越长脱水性能越差[19]。汪毅恒等[20]研究市政污泥水解液SRF（3282s）远高于其他污泥（250s以下，表2）。化学调理对CST效果尤其显著，变化率最高为98%（市政污泥水解液），变化率最低为7%（二沉池浓缩污泥）。

表2 纳入CST荟萃分析的样本基本特征

投加化学药剂缩短了CST，有利于污泥脱水（图3a），污泥种类对CST的效应值最大。经调理后，浓缩池污泥、底泥、剩余污泥和消化污泥的CST效应量逐步递增，而SRF效应量递增的顺序则为浓缩污泥＜底泥＜消化污泥＜剩余污泥，表明化学调理对消化污泥和剩余污泥的处理效果最好，可能是因为其中含有较多微生物和胞外聚合物。

投加PFS后污泥CST的变化幅度较大（图4b），说明部分污泥不适用PFS调理。与前述投加有机药剂PAM对SRF的影响效应比最小不同，高分子调理剂包括PAM、阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）和PAC对CST影响较大，而小分子FeCl3对CST影响相对较小。高分子调理药剂的吸附架桥功能可有效加速污泥颗粒聚集成团[7]，但PAM易与水分子通过氢键结合，产生较多结合水[22]，在污泥比阻测试中，自由态水被迅速脱除，而结合水则很难被脱除。

投加过低（0%～0.1%）或过高（20%-30%）调理药剂，CST效应比的波动幅度范围都较大，说明此时药剂调理效果有限，甚至增加CST（图3c）。投加化学药剂对SRF的总效应值为-0.27，CST的总效应值为-1.47。

图3 不同种类和浓度的化学药剂对不同种类污泥CST的影响森林图

综上所述，污泥种类是影响污泥脱水性能最关键因素，污泥化学调理的关键是根据目标污泥理化性质选择合适的化学药剂，如通过动态投加化学调理药剂实现实时控制调节。

2.4 敏感性分析

SRF的卡方值较大（表3），说明SRF的所有数据结果之间存在异质性。=分析表明，SRF的P值小于0.05，CST的P值大于0.05，说明SRF的荟萃分析存在发表偏倚，CST则不存在统计发表偏倚。二者的失效安全数值均较大，证明荟萃分析结果的可靠性。

表3 异质性分析和发表偏倚评价

3 结语

对已发表化学调理对污泥脱水相关文献数据进行荟萃分析，表明污泥种类对污泥SRF和CST的影响效应最大，对SRF影响依次为：剩余污泥 ＞ 消化污泥 ＞ 底泥 ＞ 浓缩污泥，对CST的影响依次为：市政污泥水解液 ＞ 消化污泥 ＞ 剩余污泥 ＞ 底泥 ＞ 浓缩污泥，印染污泥和造纸污泥化学调理效果较差。调理剂最佳投加量范围在0.1%-2%和2%-10%。实际应用中根据目标污泥的理化性质选择合适的化学 药剂。