污泥脫水預處理技術研究述評*

劉婷嬌 吳春山

(1.福建師范大學環(huán)境科學與工程學院，福建 福州 350007;2.福建師范大學環(huán)境科學研究所，福建 福州 350007)

污水處理會產(chǎn)生污泥。我國剩余污泥量逐年遞增[1]，截至2017年6月底，全國城鎮(zhèn)污水處理廠建成投產(chǎn)4063座，含水率80%的污泥年產(chǎn)量5000多萬噸[2]。污泥的組成復雜，它是各種微生物和有機物質以及它們吸附的無機物質形成的細菌膠束的集合，此外還包含大量難降解的有機物、重金屬、病原微生物等[3]，若處理不當，容易對環(huán)境和人體健康構成嚴重威脅。

目前剩余污泥處理成本占污水處理成本的比例高達50%[4]，因此如何科學、有效地處理污泥至關重要。現(xiàn)有的污泥處理處置技術包括穩(wěn)定處理、去水處理和最終處置三類。穩(wěn)定處理分為生物法、化學法和物理法，去水處理主要是濃縮、調理、脫水和干化，最終處置包括了填地、投海、焚燒和綜合利用[5]，其中投海早已被明令禁止。污泥含有大量的水分，可以達到99%以上[6]。去水處理是污泥減量化的瓶頸和關鍵，其核心是降低含水率使污泥減容。去水的主要目的是去除占大多數(shù)的間隙水，由于其絮體具有強親水性，使得污泥脫水成為難題。對絕大部分污泥而言，直接進行有效脫水是很難實現(xiàn)的，必須采取一定的調理措施來改變污泥特性，破壞膠體結構，減小與水的親和力，改善其脫水性能[7]。污泥調理主要靠污泥預處理來實現(xiàn)，因此污泥預處理是污泥脫水的主要手段，主要包括物理預處理、化學預處理、生物預處理。本文對近些年國內外污泥脫水預處理技術進行綜述，為企業(yè)開展污泥脫水提供參考。

1 物理預處理

1.1 熱處理

污泥的熱處理是指在密閉的容器中將污泥加熱，污泥胞外聚合物水解，細胞破裂，膠體結構破壞，有機物水解，蛋白質、多糖等有機物質釋放出來，從而使污泥固體顆粒對水的束縛作用降低。杜元元等[8]研究發(fā)現(xiàn)，單純熱水解時，熱水解污泥離心干基含水率隨著溫度的升高先降低后升高。苑宏英[9]通過水浴加熱預處理發(fā)現(xiàn)，加熱時間并不是越長越好，加熱時長小于1.5 h時，污泥的脫水性能將會有所改善，而過長的加熱時間反而會使脫水效果越來越差。Liu等[10]研究了不同熱處理條件下污泥脫水性能的變化及其影響因素。實驗結果表明，在20～170 ℃范圍內，熱預處理對污泥的脫水性能有一定影響，但在一定的溫度閾值(120～150 ℃)以上，污泥的脫水性能下降。Wang等[11]采用水熱處理與機械表達相結合的新技術，首先對剩余污泥進行水熱處理，然后分別在兩個單獨的細胞中在高溫下立即采用機械表達。結果表明，在溫度升高的情況下，當水分含量進一步降低19%～47%時，機械表達比室溫下表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。熱處理是效率較高的一種污泥脫水方法。

1.2 超聲波

超聲波預處理是一種新型的機械預處理方法，通過改變污泥性質來改善消化能力。Zhang 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波頻率為28.7kHz和30.0kHz時，污泥脫水性能較好。Mao等[13]通過改變超聲波頻率和處理時間觀察污泥含水量、SCOD和水份分布的變化，結果表明，超聲輻照是一種有效的污泥脫水預處理工藝。徐慧敏等[14]探索了雙頻超聲預處理對剩余污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙頻超聲對污泥脫水性能的改善效果遠優(yōu)于單頻超聲。Xu等[15]對城市污泥的超聲化學處理進行研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可以降解污泥絮凝結構和細胞壁，釋放胞內有機質，加速水解過程，可以改善污泥的沉淀和脫水性能。

1.3 凍融法

凍融是將污泥冷卻到凝固點以下，然后在室溫下融化的過程。在熔融過程中，污泥的細胞膨脹開裂，有機物溶出，膠體顆粒凝結，顆粒尺寸增大，從而改善污泥的脫水性能。在凍結過程中，溫度、固化時間和凍融循環(huán)是影響污泥脫水性能和溶解效率的主要參數(shù)。陳悅佳[16]在實驗中發(fā)現(xiàn)，凍融后的污泥內固體物質溶出主要發(fā)生在未完全冷凍階段，先在較高溫度冷凍，再在較低溫度固化，最后在室溫條件下融化，可以獲得更好的凍融效果。凍融預處理有很好的破壁溶胞效果，在一定范圍內，凍融時間越長，脫水性能越高，在合適的凍融時間內脫水性能甚至能成倍提高[17]。Wu等[18]將游離亞硝酸與冷凍預處理結合起來，發(fā)現(xiàn)由于共預處理引起的污泥崩解，導致污泥溶解、有機物釋放、產(chǎn)甲烷抑制和粒徑變化，游離亞硝酸和冷凍共預處理具有提高污泥脫水能力的潛力。

2 化學預處理

2.1 化學絮凝技術

化學絮凝技術是指向污泥中投加絮凝劑、助凝劑等化學藥劑來破壞污泥的絮凝結構，釋放污泥中的結合水和細胞水，進而提高污泥脫水能力。Yang等[19]研究了在無機高分子絮凝劑——聚氯化鋁(PACl)的作用下，污泥的固體濃度、可溶性胞外聚合物(SEPS)和堿度對污泥絮凝脫水行為和機理的影響。結果表明，提高污泥固相濃度有利于污泥脫水，可以大幅度降低化學條件下污泥的PACl需求量。蔡靈敏等[20]研究發(fā)現(xiàn)，不同相對分子質量的CPAM對污泥脫水性能的影響不同，在30mg/L相對分子質量為8×106的CPAM(CPAM-B)調理下，污泥脫水性能最好,且CPAM-B與FeCl3聯(lián)用的污泥脫水效果優(yōu)于CPAM-B單獨調理。羅璐等[21]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺和溶菌酶聯(lián)合使用對脫水性能的改善優(yōu)于2種藥劑單獨作用，溶菌酶作為一種無毒、無害、無二次污染的生物酶，擁有能水解微生物細胞壁的特性，有望成為新興的調理藥劑。Wang等[22]發(fā)現(xiàn)，混凝劑與絮凝劑聯(lián)合使用，污泥的含水率降低效率更高。無機混凝劑與陽離子聚丙烯酰胺復合使用比單獨使用混凝劑或絮凝劑更有利于提高污泥脫水性能。

2.2 高級氧化預處理

高級氧化技術可產(chǎn)生大量活性極強的自由基中間體(如·OH)來降解水中的有機污染物，使其最終氧化分解為H2O和CO2，是一種高效的污泥減量化處理技術[23]，應用較為廣泛。苑宏英等[9]發(fā)現(xiàn)Fenton試劑氧化污泥效果顯著，僅需投加少量H2O2即能明顯改善污泥的脫水性能。陳靜涵[24]發(fā)現(xiàn)，適量投加Fe使泥餅含水率和CST減小，但Fe投加量過高時，會與·OH反應，且生成的Fe也能與H2O2反應，弱化Fenton試劑的氧化效果，污泥脫水性能變差。臺明青等[25]利用Fenton試劑耦合葉臘石改善生物乙醇厭氧消化污泥脫水性能，研究發(fā)現(xiàn)耦合調理污泥比單獨調理污泥脫水效果更好。

2.3 其他化學預處理

化學預處理法除了化學絮凝技術、高級氧化預處理外，還有酸處理法、堿處理法、電滲透工藝等。Wei等[26]對污泥進行了多次酸化處理，污泥的pH值從7.0持續(xù)調整到3.0，然后再回到7.0，再次調整到3.0。當污泥酸堿度恢復到中性時，污泥脫水性能進一步惡化。然而，在第二次酸化處理后，污泥的脫水性能提高到了與第一次酸化相同的水平。這些實驗事實是由兩種酸化效應引起的。其中之一是酸化可以有效破壞污泥絮體的結構，從而導致胞外聚合物(EPS)的降解和截留水的釋放。另一種是質子化效應，它能有效壓縮釋放的EPS，特別是其中的蛋白樣物質(PN)。這兩種組合效應使污泥具有良好的脫水性能。然而，前者是不可逆的，后者是可逆的。黃殿男等[27]采用電極固定和移動兩種布設方式分別對機械脫水后污泥進行電動處理，得出移動電極裝置較固定電極裝置的脫水效果好、能耗低的結論。

3 生物預處理

3.1 生物淋濾

生物淋濾法又稱生物浸瀝法，是通過氧化硫桿菌過程中產(chǎn)生的 H使污泥酸化，溶出重金屬同時改善剩余污泥脫水性能[28]。Liu等[29]發(fā)現(xiàn)，生物浸出污泥中胞外聚合物物質明顯減少，蛋白質和多糖分別減少了97.42%和76.00%。在生物浸出過程中，生物浸出污泥中微生物種類逐漸減少，優(yōu)勢菌屬(酸性氧化菌屬)在生物浸出結束時由7.48%增加到26.49%。影響污泥脫水性能的因素很多，而導致EPS降低的生物替代是提高污泥脫水性能的決定性因素。夏晶等[30]研究發(fā)現(xiàn)，溶解態(tài)蛋白質、多糖含量和污泥比阻在淋濾0～2d降低,之后呈上升趨勢,結合態(tài)蛋白質、多糖含量在淋濾0～8d呈下降趨勢,之后略微上升,且硫粉投加量越大,上述變化趨勢越明顯。張鵬飛等[31]發(fā)現(xiàn)生物瀝浸可以聯(lián)合類Fenton作用來提高污泥的脫水能力。

3.2 酶

酶預處理是生物預處理的一種，生物方法的操作條件溫和，酶預處理是通過降解將細胞壁上的分子轉化為厭氧微生物更有用的底物[32]。鄒永杰等[33]研究了不同酶單獨作用及2種酶聯(lián)合調理對污泥脫水性能的影響。結果表明，不同酶單獨作用時對污泥脫水性能的影響不同，2種酶聯(lián)合作用時污泥脫水性能更加優(yōu)化。陳靜涵等[24]以泥餅含水率和毛細吸水時間(CST)為評價指標，發(fā)現(xiàn)溶菌酶的調理效果不如蛋白酶K。

4 結論與展望

我國污水處理廠數(shù)量多，剩余污泥產(chǎn)量大、含水率高、處理成本高是目前剩余污泥處理的顯著特點。污泥脫水是污泥處理處置的重要環(huán)節(jié)，預處理是在脫水之前進行的污泥調理過程。預處理技術中，化學調理法操作簡單，投資成本低，是目前應用最廣泛的方法?，F(xiàn)在污水處理廠大多投加無機絮凝劑和有機絮凝劑，但是這些混凝劑會二次污染環(huán)境，條件溫和的生物酶預處理由于無毒、無害、無二次污染等特征，成為近年來學術界廣泛研究的對象。Fenton反應性強，可以破壞污泥表面的EPS，大大提高污泥的脫水性能，應用也較為廣泛。但是，單一預處理方法往往難以達到最佳效果 近年來出現(xiàn)許多聯(lián)合調理的方法，如水熱處理與超聲相結合、化學藥劑與凍融法相結合、聚丙烯酰胺和溶菌酶聯(lián)合調理、生物瀝浸聯(lián)合類Fenton氧化等，這樣既可以發(fā)揮單一技術的優(yōu)點，還能相互間起到互補作用，從而取得預期的脫水效果，而單一方法的多樣性預示著聯(lián)合調理方法的可組合性多、創(chuàng)新性強，聯(lián)合調理仍然具有很大的研究空間?？傊?，科學、有效地將污泥進行減量化、資源化、無害化、穩(wěn)定化處理至關重要。