Sludge Dewatering Technology

目前，污泥脱水处理方法大多针对污泥中的间隙水与毛细水，间隙水占比则高达70%，毛细水占比约20%；吸着水和结合水合计占比约%10，是 目前污泥中最难以处理的部分，大多数时候，这两类水分需要热处理或化学工艺等过程脱除。本文基于最新研究成果和工程应用情况，拟对多项污泥脱水处理技术及原理进行分析。

1 污泥脱水减量

污泥处理整个工艺流程中的关键技术之一便是污泥脱水处理。流态原生污泥在进行多道脱水工序处理后，体积进大大缩小，固体成分在污泥中所占比例也大大提高。经过脱水减量处理的污泥具有运输、处理、处置与再利用的便利条件。一般污水处理厂产生的污泥主要成分为99%左右的水分和1%的固体成分，而这部分固体成分主要是由有机残片、无机颗粒、胶体、细菌菌体及絮凝处理时所添加的药剂等组成的，包含磷化物、多环芳烃、氮化物、病原体、重金属离子及农药残留等[4]。污水处理及污泥处理工艺流程如图2所示。从以上分析可知，污泥通过浓缩、脱水、干燥等处理方式可降低污泥含水率，达到污泥浓缩减量的目的。

2 污泥脱水处理技术污泥处理一般经历4个过程：污泥脱水浓缩，即污泥初步脱水；污泥调理，改变絮体结构；污泥深度脱水；污泥最终处理处置。

2.1 干化脱水技术 污泥脱水技术最初以自然干化脱水处理为主，热能作为核心工作能源，实现污泥水分蒸发干化。该技术不需要对污泥进行预处理。但自然干化受气候影响严重，所需场地面积大且环境污染严重，工人劳动量繁重、时间长，且会残留有毒有害物质，现在已很少采用。20世纪中期以来，污泥脱水干化处理技术迅速发展，出现了流化干燥、间壁干燥、对撞流干燥、过热蒸汽干燥、红外辐射干燥等。目前，欧美常见的干化工艺主要以转鼓干化、流化床干化、盘式干化为主，此外还有碟片式、带式、日光式，闪蒸式等干化工艺[7]。利用热源对污泥进行整体性的加热处理，对干化处理的固体颗粒进行二次回收，储存进入固体颗粒储存仓库，节约资源和减少能耗。经过干化处理，污泥最终含水率可低于%10，但是其投资和运行成本过高，一般适合集中处理。

2.2 机械脱水技术 污泥机械脱水技术主要有压滤式脱水、离心式脱水和叠螺式脱水等。Sludge filter press dewatering主要依靠过滤介质两边的压力差，强制水分通过过滤介质，污泥固体颗粒被截留，实现泥水分离。压力差有正压和负压之分，则压滤式脱水又细分为正压的板框压滤脱水和带式压滤脱水以及负压的真空压滤脱水。无锡市芦村污水处理厂四期，采用隔膜板框压滤机结合化学调理等辅助工艺，污泥含水率可降低到60%甚至更低。发达国家，离心式污泥脱水因设备成熟、技术先进、生产卫生等原因而得到广泛应用。我国城市污水处理厂虽然引进了离心脱水机，但离心机所需要的能耗过高，因而在实际生产中使用频率较低。不同污泥脱水机械均存在某些不足。真空过滤机运行费用高，维修复杂，运行车间环境差；带式脱水机开敞式运行，占地面积和冲洗水量均较大，易出现滤布堵塞、滤带跑偏，脱水机车间环境差；板框式脱水机附属设备较多，故障率高，占地面积大，无法实现连续进泥处理，工作时设备为开敞式，工作环境较差；离心脱水机电耗高，噪声大，维修率高。污泥机械脱水能耗大，脱水前往往须要进行污泥调理，运行费用高，中小型城镇污水处理厂，尤其在欠发达地区很难维持。

2.3 超声波脱水技术 超声波是指频率在20 kHz至10 MHz范围内的声波，空化效应是超声波技术的关键，即超声波传导在污水中产生“空穴”。在超声波的液态条件下，极其微小的泡核颗粒将产生周期性震荡。超声波作为声波，其传导过程中具备疏相、密相周期性反复的特点。在这种周期性冲击下，泡核颗粒体积也随之增加、减小呈周期性循环，最终导致瞬态崩裂，使得菌胶团结构损毁，从而提高污泥的脱水率。超声波对污泥的作用效果主要受超声波作用时间、频率及强度的影响。贾舒婷等研究发现，在污泥的厌氧发酵过程中，用适当强度适当时间的超声波处理，能促进污泥中微生物的生长，去除有机物能力提高。殷绚研究发现，当超声波强度较小、处理时间较短时，更加有利于减少污泥的结合水含量，反之亦然。研究发现，最佳的超声处理时间是10 min，强度是0.8 W·mL-1 。综上，影响超声波作用效果的因素非常复杂且互相影响，使得超声波处理技术难以广泛化应用。

2.4 热处理脱水技术

热处理是通过对污泥进行加热分解和破坏污泥中的的固体颗粒，使得污泥固体颗粒中的内部结合水游离出来，以提高污泥脱水效果[19]。热处理工艺俗称为蒸煮处理，主要针对活性污泥正常脱水处理效果十分不理想而采用的处理方法。污泥热处理技术与超声波有着异曲同工之妙。在高温环境下，微生物及其在微生物表面的代谢物溶解，其中包裹的固体颗粒自然脱离，与有机质分离，类似于细胞体因热膨胀而破裂，形成细胞膜碎片。在碎裂过程中，蛋白质、胶体和矿物质等逃逸，具有挥发性的细胞内物质迅速分解。有机质挥发分解产生大量气体，诸如二氧化碳、甲烷、挥发性醇类或酸类等。在气体分子的疏浚下产生释水通道，间隙水与毛细管水得以迅速排出。同时，在高温环境下变得脆弱失稳的胶体结构，会在被破坏的同时凝聚沉淀并释放出大量内部结合水。因此，污泥热处理也是重金属钝化和微生物灭毒最有效的方法之一。热处理还可以有效改善污泥的厌氧消化，有机物在高温下分解，脂肪类、蛋白质、糖类等大分子在热处理过程中转化为小分子，微生物分解脂肪酸为氨基酸、甲烷、氨气等小分子时将更有效率。热处理法主要分为高温法和低温法2种工艺。高温法是污泥在温度170~200 °C、压力1.8~2 MPa、反应时间为1~2 h的环境下进行脱水处理。这种处理方式结合机械脱水最终含水率可降到45%~55%。低温热处理法则是将污泥处理温度控制在150 °C以下[24]。热处理法的问题有污泥热容、热传导及加热升温缓慢不均匀等。

2.5 电渗析脱水技术 电渗析脱水的主要原理是在电场的基础上实现固液分离。电场作用下，固体颗粒和液体分子根据电场方向做定向运动，多孔滤膜截留固体颗粒。电渗析法的基本理论依据来自固液分离中胶粒的双电层理论。在电场中，由于胶体颗粒与扩散层的电荷性不同，形成滑动面，扩散层带走液体。经电渗析脱水处理后，污泥含水率可降至35%~45%。电渗析过程中，电极材料、电场强度及絮凝剂等均不同程度影响到脱水效果。对污泥电渗透脱水工艺参数优化的结果表明，电渗透技术可以改善污泥的脱水性能。还将铁盐及过硫酸盐与电渗透相结合，将污泥的含水率降低到60%以下，相对于单独使用电渗透技术，泥饼更加均匀。电渗透技术已在敦煌市污水处理厂成功应用，可将污泥含水率由 99.5%降至 80%。电渗析技术在低耗能的同时能有效避免二次污染。电渗析耗能低，脱水效率高，有很强的应用性。但电渗析技术存在两电极间脱水速率的差异导致两电极间电阻率和电压不均衡的问题。

2.6 絮凝剂脱水技术 污泥絮剂凝脱水一般不作为污泥脱水处理的单独方法，更多的是作为污泥脱水处理中的一道重要工序，是提升污泥脱水效率的必要保障手段[28]。絮凝剂一般分为天然絮凝剂（如淀粉等）和人工合成絮凝剂（如聚合铝类、聚合铁类和聚丙烯酰胺类等）。絮凝剂的脱水性能主要与碳链长度和所带电荷有关，而絮凝剂的特性、投加方式及污泥成分都会对污泥的最终沉淀效果造成影响。天然絮凝剂不常用，多为人工絮凝剂。天然高分子絮凝剂，经济环保，但依旧处于研制阶段。需要注意的是絮凝剂还可能存在生态隐患，所以在考虑采用絮凝剂脱水处理之前，需要严格把关，确保絮凝脱水处理方法不会对自然环境造成破坏。另外，絮凝剂添加量非常重要，过量添加絮凝剂，絮凝剂的正电荷被污泥颗粒吸附后，污泥颗粒将产生同极相斥的静电斥力，影响污泥脱水。

3 结论从以上分析知，每种污泥脱水技术均有各自的优势与不足。因此，综合各种技术的优势，采用多种技术联合处理是污泥脱水发展的趋势，例如Fenton试剂与CPAM联合调理污泥脱水，无机混凝剂联合壳聚糖调理污泥脱水，优化超声波联合絮凝剂强化污泥脱水等。我国白龙港污泥处理厂采用“中温厌氧消化+离心脱水+部分脱水污泥热干化”集成工艺，很好地解决了污泥脱水的问题。时至今日，我国仍存在严重的“重水轻泥”的思想，污泥处理与发达国家还存在很大差距。目前，添加絮凝剂已经成为了每一种工艺流程中必备的辅助手段，但在污泥处理过程中应当杜绝絮凝剂产生的二次污染。总而言之，降低处理成本、减少环境污染、提高脱水效率和效果，是污泥脱水技术发展的方向。

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