不同预处理技术对污泥深度脱水的影响

陈思，沈哲，杨亚萍，吴奇

(西安航空学院 能源与建筑学院，陕西 西安 710077)

污水污泥是废水处理过程中不可避免的副产物，含有大量病原体、微生物及重金属等有害污染物，具有含水量高、成分复杂、处理成本高等特点。作为污泥处理中的关键环节，脱水可以最大程度地减少污泥量、促进运输，减少污泥填埋场的渗滤液产量，极大地减少污泥后续处理处置成本。然而，污泥固体浓度、污泥絮凝粒度与强度、pH、离子强度以及污泥胞外聚合物组成与结构等都会对污泥脱水性能产生巨大的影响，传统“污泥浓缩→化学调理→机械脱水”处理工艺只能将污泥含水率降至80%左右，已不能满足污泥处置中对泥饼含水率的要求[1]。此外，污泥还属于一种非均质的胶体系统，小的污泥颗粒在水中极易形成稳定的悬浮液，采用机械压力很难实现固相与液相分离[2]。因此，开发高效污泥脱水技术与工艺，全面提高污泥的脱水性能，成为当下污泥处理与处置的重要研究方向。

1 污泥中水的组成

污泥中的水通常分为游离水、间隙水和结合水，其中，污泥颗粒间自由移动的游离水及污泥絮凝物之间的间隙水约占污泥总水分的90%以上，绝大部分可采用机械脱水除去，常用的脱水装置包括低压脱水(如：离心机和带式压滤机)和高压脱水(如：板框式压滤机和膜式压滤机)等[3]。结合水仅占污泥总水量的10%左右，主要为胞外聚合物及细胞内的结合水，很难通过机械作用去除，只有通过混凝、高温、生物降解、化学氧化等手段对污泥颗粒进行改性和调节，或对污泥的细胞、胶体及胞外聚合物的组成与结构进行破坏，使结合水转变为游离水才能达到深度脱水的效果。

2 污泥深度脱水方法

胞外聚合物(EPS)占污泥总量的60%～80%，主要包括多糖、蛋白质、腐殖酸等天然有机物质。先前的研究表明，EPS是决定污泥脱水的关键因素，并对污泥表面电荷、絮体稳定性等理化性质具有显著影响[4-5]。因此，现有大部分污泥深度脱水方法都围绕着如何调节EPS和污泥细胞的组成与结构展开。常见的方法包括以下几种。

2.1 物理法

物理法主要是指向被污泥中投加某些不发生化学反应的骨架助洗剂或助滤剂或诸如电、热等其他物理辅助手段，以此降低污泥的可压缩性，改善压缩过程中的渗透性等[6]。

2.1.1 添加多孔材料 在压缩过程中，污泥内部的排水通道受机械作用挤压关闭，使得污泥表面形成致密层，导致污泥深度脱水过程受阻，脱水性能大幅度下降。此时，一定量的多孔材料(例如：粉煤灰、沸石、褐煤、石膏以及纤维等)的存在可充当骨架来支撑污泥内部通道，促使污泥内部的水分流出，从而有效改善污泥的脱水性能。

Wu等[7]利用生物炭在污泥体内构建了多孔结构，实验结果表明，当生物炭的添加量为70%(质量分数)时，滤饼的含水率可从76.9%降至70.3%。Liu等[8]通过实验验证，添加一定量的木屑可显著提高污泥的脱水率，且随着添加剂量的增加，污泥深度脱水的程度也得到了明显改善。李建等[9]以改性粉煤灰为主要添加剂，利用高压带式连续脱水设备将污泥平均含水率从79.80%降至55%，与改造前石灰干化工艺相比具有污泥减量效果好、处理费用低的显著优势。尽管如此，多孔材料的添加常常会增加脱水污泥的最终体积，增加处置成本。此外，所添加的多孔材料大小受到限制，粒径过小易造成过滤介质堵塞，影响污泥的处理效果，因此，这一方法常作为辅助措施与其他方法联合使用，以达到较好的综合脱水效果。

2.1.2 热处理与冷冻处理 热处理通常是指在40～180 ℃条件下，凝胶状污泥絮凝物受热分解，污泥絮体内的细胞壁破裂、菌胶团表面微生物及其代谢产物溶解，大量脂类、多糖物质溶解，蛋白质释放，污泥絮体黏度降低，使得污泥的过滤性和脱水性能提高的污泥预处理方法[10-11]。冻融处理则是通过循环冷冻/融化污泥的过程改变污水污泥的絮凝结构，降低污泥黏度、减弱污泥和内部水的结合力、将小颗粒凝集成大颗粒，从而达到污泥深度脱水的目的。

陈悦佳等[12]分别在-20，-10，-5 ℃下对污泥进行冻融预处理，实验结果表明，冻融后的污泥具有较大粒径分布和更好的脱水性能，且在选定温度条件下，冷冻温度越低，污泥脱水性能越好。这是因为当温度足够低时，污泥颗粒周围的水冷冻形成冰晶被固定，污泥中的固体颗粒受表面张力作用更易聚合成较大颗粒，融冰后，水被排出，从而实现了固液分离。

2.1.3 超声处理 根据伯努利定律，如果局部压力小于工作温度下介质的蒸汽压，则速度的增加会引起局部压力的下降，导致空腔的产生[13]。超声波作为一种压力波作用于液体时会产生周期性的局部负压，在机械剪切力作用下发生超声空化效应，使污泥中微生物细胞壁破裂，增强细胞内水的释放，从而改善污泥的脱水性能[14]。Kootenaei等[15]分别考察了不同超声密度、时间和污泥处理量对毛细管抽吸时间(CST)以及污泥脱水能力的影响。实验结果表明，在20 kHz频率下，当超声处理时间为5 min，超声密度为1 W/mL，污泥处理量为15%时，测得CST为86 s，可见超声波的引入可显著提高污泥处理速度，改善污泥脱水过程。

2.1.4 电渗处理 电渗辅助污泥脱水技术是将传统的脱水过程与电动势相结合，使带电的污泥颗粒在电场驱动下向具有相反电荷的阴极/阳极上积累，以低能耗加速脱水过程，进一步增强液固分离，达到深度脱水的目的[16]。不仅如此，水电解作用还可迫使EPS降解、微生物裂解，从而破坏污泥絮凝物的稳定性，降低结合水的百分比。研究证实，将电渗与传统板框压滤技术结合可使污泥脱水率降至60%以下[17]。

2.2 化学法

化学法是指通过添加无机金属盐、有机高分子、污泥改性剂等药剂破坏污泥的胶体系统，达到絮凝脱水的作用。此外，利用高级氧化、酸/碱处理等方法也可促进EPS溶解，将污泥内结合水转化为游离水并提高污泥的脱水能力。

2.2.1 絮凝 絮凝剂是污泥脱水处理过程中常用的化学调理剂，主要包括无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂、复合絮凝剂以及微生物絮凝剂四大类[18]。

无机絮凝剂主要包括Fe/Al/Ti等无机金属盐类化合物，常见的有氯化铁、聚合铝盐、钛盐以及水滑石类金属离子-金属氢氧化物等。其中，铁盐因成本低、絮凝速度快、pH范围广等优势得到广泛应用，然而，铁盐的存在会加剧金属的腐蚀，加快搅拌设备和结构的腐蚀速度，因此，铁盐、钛盐、镁盐等复合盐絮凝剂的使用引起越来越多的关注[19-20]。常见有机絮凝剂包括天然有机聚合物(淀粉、动物胶等)和聚丙烯酰胺(PAM)等，常用于低压脱水(皮带和离心脱水)过程中[21]。微生物絮凝剂则是通过提取真菌、细菌、藻类等微生的细胞机构及其代谢产物中的活性组分制备而来，具有独特的生物特性、且不存在毒害和二次污染问题，然而，这一类絮凝剂的生产成本较高、应用范围较窄，目前仍处于研发阶段[22]。表1列举了不同絮凝剂在污泥脱水处理中的应用研究，可以看出，几种不同类型的絮凝剂主要通过电中和、吸附架桥、网捕卷扫等作用实现了絮凝过程，利用增大密度差来增强固液分离。相比之下，复合型絮凝剂在改善污泥脱水性能表现出显著的优势，逐渐成为当前研究的主要发展方向。

表1 不同絮凝剂对污泥脱水性能影响Table 1 The influence of different flocculants on sludge dewatering

2.2.2 酸、碱处理 微生物细胞及EPS的等电点为2.6～3.6，这使得污泥絮体表面通常带负电，因此，可通过调节体系pH范围改变污泥中的胞外聚合物絮体分布，破坏絮体中微生物结构，将污泥絮体或细胞内的部分结合水释放出来，从而在短时间内提高污泥的脱水效果[30]。

酸处理通常是向污泥基质内加入H2SO4、HCl、H3PO4和HNO3等酸性溶液，使絮体中羧基和氨基等官能团质子化，减少静电排斥，提高污泥的絮凝效果。此外，EPS水解，蛋白质、多糖等有机物质释放到溶液中也可在一定程度上改变污泥中水分的变化，改善污泥脱水效果。然而，随着pH持续降低，污泥颗粒内微生物细胞的完整性遭到破坏，胞外黏性物质减少，污泥絮凝效果的降低导致脱水能力受到影响，不仅如此，过度酸化还可能导致絮体中微小颗粒释放到液相中，造成过滤介质堵塞的风险[31]。因此，调节污泥脱水性的酸度仍需针对污泥的类型进行确定，且酸处理的最佳pH值范围通常控制为 2～3[32]。除了上述几种常见无机酸，单宁酸、过乙酸等一些有机酸在污泥脱水方面也相继得到报道，其作用原理主要依赖于诱导亲水性蛋白质物质变性或EPS的分子结构来改善污泥脱水能力[33-34]。

碱处理则是指在常温条件下向基质中加入NaOH、Ca(OH)2或CaO等碱性调节剂，利用膜蛋白的增溶、脂质皂化和RNA水解作用使污泥絮体中紧密结合的EPS转化为溶解性的有机成分释放出来，从而提高污泥的过滤脱水性能。从积极的方面来看，碱处理可以破坏污泥中的生物絮团和微生物细胞，促进结合水的析出，但不利的是，泥浆中有机物的过度积累使得污泥脱水性能变差，增加过滤阻力[35]。因此，采用碱处理调节污泥脱水性能时对碱性调节剂的类型与加量选择至关重要。相关研究表明，Ca(OH)2在污泥脱水方面比NaOH效果更为理想，其主要原因是Ca2+作为连接与胞外聚合物的关键物质，可有效促进可溶性有机成分的再絮凝，从而抵消污泥过度分解带来的不利影响[36]。相比之下，CaO虽然能够通过放热反应降低污泥的含水量，但还可能导致污泥体积增加，给污泥后期处理带来不便。Su等[36]则将Ca(OH)2和Ca(OH)2/NaOH混掺的两种情况进行对比，发现单独添加NaOH或Ca(OH)2均达不到良好的污泥脱水性，而两者混合后脱水性能得到明显改善，这与高浓度Ca2+对蛋白质的水解抑制作用相关。

2.2.3 高级氧化技术 芬顿氧化、O3氧化、湿空气氧化和超临界水氧化等高级氧化技术因具有加速微生物细胞的隐性生长、破坏细胞壁及胞外聚合物，通过氧化将有机物降解为二氧化碳、水和中间体等显著特点而被广泛报道用于改善污泥的脱水性[36-38]。

在众多高级氧化方法中，Fenton氧化在污泥调理与脱水方面受到广泛关注，其主要是在酸性条件下利用Fe2+催化H2O2生成强氧化性·OH，促使污泥的胞外聚合物迅速分解为可溶性有机物，内部的结合水释放转化为游离水。同时，Fenton反应产生的Fe3+还可作为絮凝剂，将较小的污泥颗粒聚合成高密度、低水结合力的大尺寸污泥颗粒，进一步促进污泥脱水形成泥饼[39]。除此之外，电-Fenton、微波-Fenton等联用技术也被作为改善活性污泥脱水的处理方法得到诸多研究。Chen等[40]利用电-Fenton技术对活性污泥进行预处理，实验结果表明，污泥经电-Fenton处理后污泥絮体的尺寸明显减小，絮体结构孔隙度增大，且Zeta电位升高到接近0，由此得出结论，即电-Fenton可在40～60 min内有效提高活性污泥的脱水能力，其主要作用机理为促进了污泥絮体分解，释放胞外聚合物中的蛋白质和多糖组分，促进腐殖化过程。Liang等[41]利用零价铁(ZVI)、H2O2联合厌氧中温消化(AMD)技术对活性污泥进行调理后发现，处理后的污泥的脱水效果明显改善，处理后污泥的过滤比电阻与原始污泥相比下降 93.60%，结合水含量降低15.2%，处理后的泥饼含水量降至(44.18±0.46)%，其主要原因仍基于污泥中胞外聚合物的氧化分解及结合水的释放，促使活性污泥黏度降低、污泥脱水能力增加。

2.3 其他方法

2.3.1 酶处理 与高级氧化技术类似，生物酶可在温和条件下促进EPS降解，破坏黏性生物絮体，降低污泥的持水能力，因此生物酶在污泥脱水处理中也具有较大的应用潜力。Chen等[44]分别研究了蛋白酶和α-淀粉酶对污泥脱水性能的影响，发现EPS经过酶处理后呈现出更松散的絮体结构，可释放大量生物聚合物，且α-淀粉酶在污泥增溶方面的表现比蛋白酶更为显著。何品晶等[45]比较了在不同接种比条件下，地衣芽孢杆菌对剩余污泥液化效果和脱水性能的影响规律。结果表明，地衣芽孢杆菌在一定接种比下可以促进污泥胞内物质及污泥中蛋白质的溶出和降解，但污泥的脱水性能却有所劣化。Lu等[46]通过对污泥细胞内有机质(蛋白质、多糖、DNA、荧光有机物)及EPS的空间分布进行量化来确定了淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、聚半乳糖醛酸酶等几种不同类型的酶对污泥消化和脱水性的影响。研究结果表明，在研究的几种酶中，仅纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶对污泥脱水性能及EPS中有机物质的溶出有影响，其中，聚半乳糖醛酸类物质水解引起多糖的显著释放，多糖溶出总量比原始含量增加了7倍，而蛋白含量几乎无变化。总体而言，大部分水解酶都可通过水解作用促进污泥EPS内有机物质的溶解而降低污泥的持水能力，与化学添加剂相比具有用量少、环境风险小的优势，然而，较长的停留时间和苛刻的反应条件也限制了酶污泥脱水调理的扩大应用，不仅如此，酶的特异性成为处理污泥处理的障碍，因此选择合适的酶来处理具有复杂成分的污水污泥显得尤为重要。

2.3.2 联合法 提高污泥浓缩脱水效率对污泥最终处理与资源化利用至关重要，因此，污泥的调理技术也在不断更新。Yan等[47]采用超声联合蛋白酶水解技术对A2/O处理(S1)和氧化沟处理(S2)产生的剩余污泥进行研究，考察了其对蛋白质提取效果和污泥脱水性能的变化规律。实验结果表明，在选取条件下S1和S2的蛋白质提取率达到55.9%和52.3%，污泥脱水性能分别提高49.5%和52.4%，由此证实超声技术能够辅助增强蛋白酶对污泥中蛋白质的提取效果，并显著提高污泥脱水性能。黄锦佳等[48]利用超声-生物沥浸-氧化钙对市政污泥进行联合调理后发现，污泥比阻率和结合水去除率达到90.12%和 72.21%，调理后污泥经超高压压滤系统处理后泥饼含水率可降至49.94%。Liu等[49]则通过实验证明热联合超声预处理对污水污泥中可溶性蛋白质、多糖等有机物的增溶作用更为明显，与对照组相比，经联合处理后沼气产量提高了19%，挥发性固体(VS)去除率提高到50%以上，毛细抽吸时间减少85%左右，大大提高了污水污泥的脱水性能。Chen等[50]利用响应曲面法获得过硫酸钠(SPS)联合热水解工艺(THP)改善污水污泥的脱水能力的最佳操作条件，通过实验证明污泥饼的芳香性和疏水性经SPS+THP处理后明显增加，污泥细胞结构和EPS被破坏，且污泥絮体通过电荷中和作用重新絮凝，形成疏松多孔结构，从而有效促进了污泥脱水性能。由此可见，与单一调质方法相比，物理、化学或生物联合技术往往表现协同增强的效应，对改善污泥脱水性能具有重要的应用意义。为了进一步增强污泥脱水效果，还需要通过更多的实验来优化联用条件，且污泥脱水机理有待进一步研究，另外，针对不同的联用技术，开发与之适应的污泥脱水工艺与设备也是今后的重要研究方向。

3 结束语

污泥含水率是制约污泥稳定化、无害化和资源化处理处置的关键环节，而污泥的成分复杂多变，其中由污泥胞外聚合物EPS形成的凝胶状结构具有高度亲水性和可压缩性，可在空间位阻的作用下与水分子结合，使污泥产生黏弹性和触变性，增加了机械脱水的难度。目前，基于物理和化学法的热处理、微波处理、酸/碱调节、高级氧化等处理技术在污泥深度脱水过程已经得到广泛应用，而基于生物降解法的生物沥浸、酶处理等方法也取得一定的研究成果，其作用原理大都是通过改变或破坏EPS有机絮体结构及污泥细胞结构，释放出胞内物质和结合水，达到污泥深度脱水的目的。然而，单一的预处理方法往往无法同时满足污泥脱水性能和过滤性能的整体提升，需要将物理、化学及生物处理法联合起来协同处理污泥才能达到较理想的效果，以满足污泥后续处理和处置的要求。针对复杂多变的污泥组分，明确污泥组分的理化性质及动态变化特征，定向研发高效低耗的调理剂或调理技术，确立准确的脱水性能定量评价方法和分析方法是今后发展的重要方向。此外，分析不同调理技术对污泥脱水性能和和后续处理的协调性，研究污泥絮体结构、EPS(蛋白质、多糖和腐植酸)与有机污染物在处理过程中的相互作用机制，实现脱水效果增强的有机污染物减少的耦合作用具有重要意义。