污泥压滤机脱水的影响因素及预处理技术

引言

工业废水及城市生活污水的处理造成了大量污泥（含有大量的有机物、病原微生物和重金属等）堆积，污泥作为一种常见的固体废弃物，对环境和动植物健康造成严重危害，因此对污泥的无害化处置已成为迫切需求。常规的污泥处置技术包括卫生填埋、污泥焚烧、土地利用和建材利用等，而污泥脱水工序则是这些处置技术中所面临的共同难题。因为污泥本身具有含水率高（含水率95%以上）且膨胀性强等特点，所以对污泥进行脱水处理能够有效压缩污泥体积，从而节约运输成本及占地空间。污泥的脱水与其常见的基本单元—絮体直接相关，因而明确絮体的特征和组成是深入理解污泥脱水的前提。絮体是指尺寸在(129±109)μm范围内且具有分层和多样性结构的团聚物。污泥中的絮体由微生物（单细胞/丝状细菌/微菌落）、有机纤维、无机颗粒、胞外聚合物（extracellular polymeric sub-stances，EPS） 和水组成，其中EPS与污泥中水的释放密切相关。污泥中的EPS分为3类：紧密结合型、松散结合型和悬浮型，它们主要由多种大分子（如，蛋白质、胡敏酸类、多糖、核酸和脂类）组成，其质量分数可占絮体干重的40%～60%[5]。一般情况下的EPS带负电，其电荷密度为0.1～2 meq/g。近期研究还提出，污泥中不同分层结构EPS的亲-疏水性存在明显差异，其中，与蛋白质相关的疏水性EPS常分布在污泥表层，而与多糖相关的亲水性EPS常集中在污泥内部，当外层疏水性EPS被破坏后，内部亲水性EPS的暴露并不利于污泥脱水。污泥中水的种类多样，包括自由水、间隙水和结合水（表面水及细胞内和化学结合水），其含水量分别占污泥总含水量的65%～85%、10%～25%和10%（以质量分数计，下同）。污泥中的自由水和间隙水可分别采用重力沉降法和机械脱水法去除，而结合水的脱水难度相对较大。现今污水处理厂污泥的脱水工艺是将污泥通入浓缩池进行浓缩处理，然后将生成的浓缩污泥（含水率95%～97%，以质量分数计，下同）泵入调理池与投加的试剂（如，聚合氯化铝、聚丙烯酰胺、生石灰）充分混合，最后将均匀混合的污泥泵送至机械脱水装置（如，带式压滤脱水机、板框式压滤机、离心脱水机、叠螺式脱水机和螺压脱水机），并将分离的泥饼（含水率70%～80%） 和滤液水分别进行后续处理。该脱水工艺主要用于去除污泥中的自由水，然而该方法产生的泥饼中的含水率依旧高达70%，基于污泥中3种水的质量分数可知，自由水的脱失量仅占原自由水总质量的17%～28%，说明后续还需进一步聚焦对污泥中自由水的脱失。本文综述了多种因素（包括水的硬度及导电率，滤饼压缩性及堵塞，污泥pH值、类型、处理系统、储存条件、泵送和搅拌） 对污泥脱水的影响，并总结了常规的污泥脱水预处理技术（包括破解法、化学絮凝法、化学法、生物法、热水解法和联合调理技术），为深入理解污泥脱水奠定坚实的理论基础，并为实现污泥高效脱水提供技术指导。

1污泥脱水的影响因素

1.1水的硬度和导电率水溶液中的离子类型及其浓度决定了水的硬度和导电率。水的硬度随体系中二价阳离子D++（如：Ca2+、Mg2+等） 的浓度增加而增大。由于D++常采用架桥方式以盐的形态存在于絮体内部，故增强了絮体结构的强度，从而促进污泥脱水。体系中单价阳离子M+（如K+、Na+等） 的浓度与水的导电率呈正相关。当污泥体系中含有大量M+时，絮体结构中的D++与M+产生离子交换，最终降低絮体结构的强度，从而抑制污泥脱水。针对不同类型离子浓度的影响，前人提出当M+/D++的浓度比＜2时，污泥脱水性最好，因此在污泥脱水预处理过程中，可通过调控体系中的M+/D++比来促进污泥脱水。

1.2滤饼压缩性和堵塞滤饼的孔隙率和压缩性受污泥中胶体颗粒的絮凝情况影响，最终控制污泥的脱水效率。由于污泥普遍具有高压缩性的特征，所以在滤饼压缩过程中，污泥中的微结构极易发生变形、坍塌和迁移，导致排水孔道堵塞。目前常采用添加刚性骨架（如矿物和碳材料等） 的方法来提升滤饼渗透性，进而辅助污泥的物理脱水。比如，类-水滑石矿物（Ca/Mg/Al-LDH） 作为一种良好的刚性骨架材料，可有效降低污泥比阻（specific resistance to filtration，SRF）和毛细吸水时间（capillary suction time，CST），最终促进污泥脱水。此外，还有研究表明，采用刚性骨架材料与其他调理技术联用的方法均优于单一调理剂的脱水效果。

1.3污泥pH值污泥过滤前的pH值也会影响其脱水性能。当污泥pH值较低时，体系中含有较少的胶体颗粒，而这些胶体颗粒的数量会随pH值的升高而增多，从而降低污泥的脱水能力。此外，EPS的电荷也受体系pH控制，pH值介于2.6～3.6时絮体中的EPS不带电，此时污泥中的细胞和EPS更易溶解，促进了污泥脱水。目前，常见的污泥酸处理包括硫酸、盐酸和草酸酸化，其中草酸对污泥脱水的促进作用最强。与盐酸和硫酸相比，草酸不仅能够提供H+，还进一步促进污泥中Fe3+和Al3+的溶出，两种机制的耦合作用共同促进污泥脱水。

1.4污泥类型及处理系统不同类型污泥的脱水性质存在较大差异。常见的污泥类型包括活性污泥、膜-生物反应器污泥、中温厌氧污泥和高温厌氧污泥，它们的大分子含量、平均絮体尺寸、剪切敏感性和过滤流速（spec-ific filtration flow rate，SFF）均不同。通常活性污泥中大分子含量最高、平均絮体尺寸和SFF最大、剪切灵敏度最小，因而也更易脱水。此外，不同污水厂产生相同类型的污泥，因污泥组分存在差异其脱水性质也明显不同。不同污水厂产生污泥的脱水性质差异，是大规模污泥处置的难题。

1.5污泥储存条件污泥储存条件将影响后期脱水。如果污泥储存在厌氧环境中，会伴随EPS水解、Fe3+被还原为Fe2+、硫还原菌产生的S2-与Fe3+和Fe2+发生沉淀；同时厌氧储存会导致污泥中单细胞数量和导电率增加，造成SFF降低80%。在实际工艺中，污泥厌氧储存后的脱水负效应可通过暴气或添加硝酸获得改善。

1.6污泥泵送和搅拌污泥泵送和搅拌会形成剪切力，而高剪切力会破坏絮体尺寸并增加单细胞数量，从而不利于滤饼脱水。如果污泥中的絮体强度因厌氧储存而降低，则絮体在高剪切力条件下更易被破坏。因此建议污水厂在进行污泥脱水的过程中，应当缓慢泵送、缓慢混合、避免储存在储罐和管道中，以及避免管道急弯。

2污泥脱水预处理技术

2.1破解法破解法主要是指通过外加能量或应力来改变污泥的性质。常见的破解预处理技术包括冻融处理和机械处理（如，球磨法、高压喷射法、微波法、超声波法等）。冻融处理是通过冷冻、融解的方式破坏污泥原有的絮体结构，降低结合水的质量百分含量，从而改善污泥沉降、过滤和脱水性能。冻融速率、固相浓度和冷冻时间是影响污泥冻融处理的主要因素，其中后两者的作用更为显著。机械处理主要通过压力、正能量和旋转能量来破坏污泥中的细胞。以微波法为例，污泥中带负电的胶粒在高频电场作用下发生高速旋转，使得胶粒与EPS和水的界面形成极强的剪切力，促进胶粒与水的分离。虽然破解法也存在不足，例如，冻融处理受制于地域限制、微波辐射可能对人体有害且运行成本高等，但此类方法简便易操作，在后续的工业化应用中具有较好的发展前景。

2.2化学絮凝法化学絮凝法是指通过添加无机或有机絮凝剂来改善污泥的脱水性能。常见的无机絮凝剂为铝盐和铁盐体系，其中铝盐主要包括硫酸铝、明矾和三氯化铝，而铁盐主要包括三氯化铁、氯化亚铁、绿矾和硫酸铁。有机絮凝剂按离子类型可划分为非离子、阴离子和阳离子高分子絮凝剂，它们的离子性能随溶液pH值变化。因污泥中的胶粒表面带负电荷，故阳离子高分子絮凝剂对污泥脱水具有最好的效果，目前阳离子聚丙烯酰胺是污泥脱水常用的一种阳离子有机絮凝剂。在污泥脱水的体系中，化学絮凝剂的作用机理包括压缩双电层、吸附架桥和网捕作用。但由于实际脱水工艺中絮凝剂的调理效果不仅与其本身的物化性质相关，还与污泥性质及水质条件等相关，因而需要深入研究最佳化学絮凝剂的种类和投加量，故该方法的使用需要坚实的理论研究作为指导，以避免化学絮凝剂（尤其是铝盐）投加量过大，造成脱水效果不理想甚至是严重的环境污染问题。

2.3化学法化学法是指通过添加芬顿试剂、臭氧、酸碱等改变污泥的性质。芬顿试剂主要是构建H2O2与Fe2+氧化体系，通过强氧化性破解污泥中的有机物质，从而改善污泥脱水性能。芬顿试剂氧化法能有效促进污泥中EPS降解、细胞溶解和结合水释放[28]。芬顿试剂处理后的污泥pH值低，需要添加碱性试剂中和，因而成本较高且操作复杂。但芬顿试剂的环境安全性比高分子聚合物更高，故从可持续发展角度考虑，该类方法仍具有广阔的应用前景。臭氧氧化技术主要是利用臭氧的强氧化性破坏细胞壁和细胞膜，释放胞内物质，将难降解的有机物氧化为可降解的低分子，以提高污泥的可生化性[29]。酸碱法则是利用H+质子效应或H+质子与高价金属离子的耦合效应，促进污泥中结合水的释放及多糖的水解。

2.4生物法生物法指直接利用生物细胞或投加生物絮凝剂（包括细胞提取物、细胞代谢物等） 实现污泥高效脱水的方法。例如，一种土豆淀粉中的提取物能将原始污泥的SRF降低50%，从而提升污泥的脱水速率[30]。生物絮凝剂具有无毒、无二次污染、可生物降解、污泥絮体密实、对环境和人类无害等优势，但目前对于生物絮凝剂的研究水平较低且研究成本较高。

2.5热水解法热水解法是指通过高温（高于100°C）或低温（低于100°C）热水解，促使污泥中的微生物絮体解散、细胞破坏、蛋白质、多糖、脂类等大分子水解的方法，最终实现污泥脱水性能的改善。热水解的原理是高温高压下通过热效应促使细胞结构破坏，释放出污泥中的大分子物质的同时，将胞内水转变为自由水，释放出的有机物进一步水解为小分子物质，继而有机分子中的氨基与醛基发生聚合生成缩聚氨酸、氨氮、类黑素和腐殖质等褐色物质[32]。热水解过程中的水热温度是控制污泥脱水速率的重要因素，遵循温度越高脱水速率越快的原则。热水解法具有极大的发展空间，但应当注意以减少能量消耗为前提确定最佳热水解温度。

2.6联合调理技术联合调理技术主要包括多种调理技术的复合使用（包括化学调理剂复合使用和物理调理剂与化学调理剂复合使用）。例如，芬顿试剂与十六烷基三甲基溴化铵的复合作用[34]、酸处理与超声波的复合作用及刚性骨架材料与化学调理剂的复合作用[19]能有效破坏污泥中的絮体结构和污泥的渗透性，最终提高污泥的脱水性能。目前研究发现，大多数联合调理技术对污泥的脱水性能及生物降解性能均具有不同程度的改善作用，且优于单一调理剂的效果。不过联合调理技术也具有局限性，其中刚性骨架材料与化学调理剂的复合使用需严格根据脱水后污泥的处置途径进行选择，因为刚性骨架材料的添加虽然能够有效提升污泥的渗透性，但同时也增大了污泥的总体积，因此需要经过严格的实验配比确定刚性材料最佳的投加量，在合理控制污泥总体积的基础上获得最佳脱水效果。

3 结论该综述基于污泥的减量化、无害化和资源化利用中存在的难题，回顾了影响污泥脱水的常见因素及常规预处理技术。虽然目前已经对污泥脱水的影响因素有了充分的认识，但污泥经过当前常规的机械脱水工艺之后的含水率依旧高达70%。文中提出，明确污泥渗透性及絮体的结构变化有助于从根本上判断污泥的脱水效率。因此，研发不同聚合度的有机阳离子絮凝剂、提取生物絮凝剂或研究不同种类絮凝剂的最佳配比，致力于构筑高强度、大尺寸的絮体以进一步降低污泥的含水率，依旧是当今的发展方向。同时，针对污泥脱水所采用联合调理技术的多样性和机理探索仍有待深入发展，而该方法的使用需依据脱水后污泥的处置途径进行合理调整。

声明：本文章版权归原作者及原出处所有。

欢迎来电咨询、技术交流、来料实验。