市政污泥脫水技術(shù)分析

陳濤 ，徐汝民，汪軍，陳斌，劉程

（1.安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司，安徽 合肥 230009；2. 污泥處理處置合肥市技術(shù)創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230009；3. 安徽省市政污泥處置與資源化利用工程研究中心，安徽 合肥 230009）

市政污泥的成分復(fù)雜，性質(zhì)不穩(wěn)定，且具有污染屬性[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)當(dāng)前市政污泥年產(chǎn)量已超6 000 萬(wàn)噸（以80%含水率污泥計(jì)），且每年仍以約10%的增長(zhǎng)率增加，預(yù)計(jì)2025 年將超過(guò)8 000 萬(wàn)噸[2]。市政污泥含水率高，二沉池污泥含水率超過(guò)99%，出廠污泥含水率約80%。因此對(duì)污泥進(jìn)行減量化是處理市政污泥的第一步。當(dāng)下污泥脫水技術(shù)多樣，各有優(yōu)劣。本文總結(jié)了業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的污泥脫水技術(shù)，分析其技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)劣性，并展望了未來(lái)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)，旨在為污泥脫水技術(shù)提供較全面的技術(shù)總結(jié)。

1 污泥脫水方法分類(lèi)

1.1 自然干化法

市政污泥自然干化法是一種最傳統(tǒng)的污泥脫水方式，發(fā)生場(chǎng)地在污泥干化場(chǎng)，其一般由碎石、砂土或砂礫平鋪而成，厚度約20～30 cm，其下布設(shè)有集水暗管。由于其投入的機(jī)械和人力成本最少，一般設(shè)置在偏遠(yuǎn)或經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)落后的地區(qū)，不適宜于環(huán)境衛(wèi)生要求高、大中型城市、土地需求高或降雨量頻繁的地區(qū)[3]。自然干化法主要通過(guò)滲透和蒸發(fā)作用實(shí)現(xiàn)污泥脫水[4]。該處理方式受自然條件的影響最大，如氣溫、濕度、大氣湍流度等自然因素。該方法局限性相對(duì)較多，占地面積大，處理周期長(zhǎng)，一般為2～3 天，污泥含水率可降至85%。該方法雖然經(jīng)濟(jì)，但不一定環(huán)保，容易發(fā)生污泥腐敗現(xiàn)象，產(chǎn)生臭味，滋生蚊蠅[5]。

1.2 機(jī)械脫水法

污泥機(jī)械脫水的核心設(shè)備主要包括板框壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、離心機(jī)、疊螺壓濾機(jī)和真空壓濾機(jī)等[6]。其基本原理歸結(jié)為通過(guò)機(jī)械外力，如擠壓、離心和真空等方式實(shí)現(xiàn)自由水與污泥顆粒的分離。

由于市政污泥表面帶負(fù)電荷，Zeta 電位大，絮體斥力較大，污泥不易濃縮，導(dǎo)致了污泥單純機(jī)械脫水難度大[7]。污泥機(jī)械脫水常與污泥調(diào)理相結(jié)合。污泥調(diào)理劑一般包括有機(jī)、無(wú)機(jī)、復(fù)合調(diào)理劑和微生物絮凝劑四大類(lèi)[8]。

有機(jī)調(diào)理劑主要是天然或人工合成的高分子材料，如聚丙烯酰胺、殼聚糖、十二烷基三甲基溴化銨、十二烷基二甲基芐基氯化銨、鼠李糖脂等表面活性劑[9-11]。目前市場(chǎng)占比仍以陽(yáng)離子聚丙烯酰胺為主。劉力榮[12]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：陽(yáng)離子PAM 投加量會(huì)直接影響污泥的脫水性能，最佳投加量范圍為30～60 mg/L。

無(wú)機(jī)調(diào)理劑主要是聚合硫酸鐵、聚合氯化鐵、聚合氯化鋁以及硅酸類(lèi)絮凝劑等。因其成本低，效果顯著，市場(chǎng)占比高。Yang[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)PAC中鋁投加量達(dá)到1.54 g/L，污泥最易實(shí)現(xiàn)脫水。吳煒[14]研究發(fā)現(xiàn)：聚硅硫酸鐵投加量在污泥干基的9%～14%，污泥的脫水性能優(yōu)于聚丙烯酰胺。無(wú)機(jī)調(diào)理劑常與堿性添加劑配合使用效果更佳。

復(fù)合調(diào)理劑指的是將無(wú)機(jī)絮凝劑FeCl3、PAC 與陽(yáng)離子絮凝劑PAM、殼聚糖或生物炭等進(jìn)行復(fù)合。郭俊元[11]搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)果表明，投加殼聚糖18 mg/L、CPAM 26 mg/L，調(diào)理后泥餅含水率可低于60%。

微生物絮凝劑是一類(lèi)由微生物或其分泌物產(chǎn)生的活性代謝產(chǎn)物，由于其安全，無(wú)二次污染，且可自行降解，因而在工業(yè)污水、生活污水和食品加工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和研究?jī)r(jià)值。馬放[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，m（污泥）∶m（營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)）∶m（功能菌種）≈80∶8∶1，培養(yǎng)1 d，此條件下污泥的脫水性能最佳。目前該技術(shù)尚處在研發(fā)階段，市場(chǎng)前景廣闊。

帶式壓濾機(jī)主要是在濾布之間相互擠壓，造成自由水主動(dòng)溢出，不需要真空或加壓設(shè)備，動(dòng)力消耗少，可以連續(xù)操作，處理量大，目前在污泥脫水廠中被廣泛應(yīng)用。但是帶式壓濾機(jī)缺陷明顯，污泥脫水不徹底，含水率較高，一般在65%～80%，且濾帶存在容易堵塞，不易清洗等實(shí)際問(wèn)題。

板框壓濾機(jī)由濾板、濾框組合構(gòu)成封閉濾室，是一種間斷式固液分離設(shè)備。在柱塞泵的外壓下，濕污泥推送進(jìn)濾室，通過(guò)濾布的截留作用，實(shí)現(xiàn)固液分離。板框壓濾機(jī)對(duì)流動(dòng)性強(qiáng)、粘細(xì)物料的分離具有優(yōu)越性，處理后的泥餅含水率低于60%。但由于其間斷式運(yùn)行，有時(shí)需人工卸載污泥餅，成本高，效率低，存在濾布易堵塞，用水量大等缺點(diǎn)。

離心脫水機(jī)主要是利用離心力和重力作為推動(dòng)力，依靠污泥顆粒與污水的密度差別進(jìn)行污泥脫水。離心脫水機(jī)工作不需監(jiān)視，效率高，但需要特別維護(hù)，適用于大中型污水廠的污泥處理，缺點(diǎn)是間歇式運(yùn)行，存在較大噪音、能耗高、維修困難等問(wèn)題。

真空壓濾機(jī)的濾床是濾布，污泥在濾布上轉(zhuǎn)動(dòng)，利用真空泵的強(qiáng)大吸力抽取污泥中的自由水，污泥被刮板收集。優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)運(yùn)行，缺點(diǎn)是泥餅含水率高，設(shè)備非封閉。該設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、化工、造紙、食品、制藥、環(huán)保等領(lǐng)域中的固液分離。

疊螺壓濾機(jī)內(nèi)部的污泥在輸送過(guò)程中，隨著內(nèi)部空間的逐漸縮小，會(huì)產(chǎn)生極大的內(nèi)部壓力，污泥中的縫隙水逐步擠出，達(dá)到固液分離的效果。疊螺壓濾機(jī)使用操作簡(jiǎn)單，經(jīng)久耐用，但是存在環(huán)片易扭曲變形、主旋軸易卡死等現(xiàn)象。

1.3 超聲脫水

污泥超聲脫水是一種清潔的處理方法，無(wú)二次污染和潛在危害。其基本原理在于超聲波發(fā)生器作用于液體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部的負(fù)壓環(huán)境，空氣氣泡急劇變大而瞬間炸裂，產(chǎn)生高溫，致使細(xì)胞壁破裂，胞內(nèi)水得到釋放。申曉娟[16]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波功率與污泥脫水之間存在顯著關(guān)系，超聲波功率從120 W 逐步增加至240 W 時(shí)，泥餅含水率逐步減?。划?dāng)超聲波功率從240 W增加至300 W 時(shí)，泥餅含水率逐步增加，240 W 的作用功率達(dá)到最佳的脫水效果。其原因在于胞外聚合物分解過(guò)度，富含親水基團(tuán)的多糖分子（羥基、羧基）大量溢出，導(dǎo)致絮凝體的親水性能提高。該技術(shù)成功應(yīng)用于德國(guó)代特莫爾德市污水處理廠，出廠污泥含水率低于60%。未來(lái)該技術(shù)將與其他技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)要克服超聲波發(fā)生器易腐蝕的問(wèn)題[17]。

1.4 熱處理與凍融處理脫水

污泥熱水解發(fā)生在密閉反應(yīng)釜內(nèi)部，通常是將熱蒸汽與市政污泥直接接觸，污泥胞外聚合物受熱分散，細(xì)胞壁破裂，胞內(nèi)水得到釋放[18]。馮國(guó)紅[19]發(fā)現(xiàn)溫度和時(shí)間是影響污泥熱水解效果的關(guān)鍵因素，當(dāng)熱水解溫度小于120℃時(shí)，污泥脫水性能未得到有效改善；當(dāng)熱水解溫度高于170℃時(shí)，污泥脫水性能變化不明顯，因此污泥熱水解最佳溫度為120℃～170℃。典型項(xiàng)目有山西省晉中市200 t/d 污泥連續(xù)熱水解項(xiàng)目，其采用160℃污泥預(yù)熱，導(dǎo)熱油240℃間接二次加熱，污泥經(jīng)板框壓濾后泥餅含水率降至30%左右。由于污泥熱水解技術(shù)提高了污泥的可生化性，通常與厭氧消化相結(jié)合，形成熱水解+厭氧消化模式[19]。

凍融脫水主要原理在于水分凝結(jié)成冰塊(約-20℃)，破壞了污泥原有穩(wěn)定的絮體結(jié)構(gòu)，污泥冰晶融化后結(jié)合水轉(zhuǎn)向自由水，同時(shí)提高了污泥的流動(dòng)性能和疏水性能，更易實(shí)現(xiàn)污泥固液分離，且該行為不可逆。劉鵬程等[20]考查了冷凍溫度、時(shí)間和初始含水率對(duì)凍融調(diào)理的影響，發(fā)現(xiàn)污泥含水率越高，脫水效果越好，最佳凍融條件（含水率82%，-12℃，6 h）下泥餅含水率降至46.5%。該技術(shù)對(duì)于氣候寒冷的地區(qū)具有顯著優(yōu)勢(shì)[21]。

1.5 電滲析脫水

電滲析作用于污泥顆粒的雙電子層，在電場(chǎng)作用下，污泥顆粒表面的穩(wěn)定絮體會(huì)發(fā)生破壞，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥顆粒水分的脫離。Martin[22]發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極產(chǎn)生氫離子，陰極產(chǎn)生氫氧根離子，改變了局部pH環(huán)境，影響了Zeta電位，同時(shí)添加CaCl2或?qū)щ姴牧蠈?duì)污泥脫水起到短暫的促進(jìn)作用。Iwata[23]分析得出由于氫氧根的產(chǎn)生，在污泥調(diào)理改性的同時(shí)還會(huì)降低污泥中的重金屬含量。該技術(shù)成功應(yīng)用于敦煌市污水處理廠的污泥處理車(chē)間，該車(chē)間設(shè)有兩臺(tái)電滲析污泥脫水設(shè)備，單臺(tái)設(shè)備單日處理污泥量為20 t（80%含水率）。經(jīng)其處理后污泥含水率可降至60%，噸耗電量170 kW·h[24]。

1.6 高級(jí)氧化技術(shù)脫水

污泥氧化調(diào)理技術(shù)是采用臭氧、芬頓或者過(guò)硫酸鹽等強(qiáng)氧化性藥劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，其對(duì)比見(jiàn)表1。目前芬頓調(diào)理最為常見(jiàn)，其主要原理是羥基自由基攻擊胞外聚合物和細(xì)胞，使得胞外聚合物碎片化，使其成為小分子的有機(jī)物[25]。另外攻擊細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂，胞內(nèi)水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，同時(shí)使得蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基酸，降低了污泥的電負(fù)性，上述因素最終降低了固液界面的相互作用，提高了疏水性、絮凝性和流動(dòng)性[6]。

表1 高級(jí)氧化技術(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of advanced oxidation technologies

2 結(jié)論與展望

對(duì)市政污泥進(jìn)行“減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化和資源化”處理，可以有效減輕環(huán)境污染。目前，市政污泥脫水主要是通過(guò)壓縮雙電子層、吸附架橋、吸附電中和和網(wǎng)捕作用破壞污泥中穩(wěn)定的絮狀結(jié)構(gòu)，以此提高污泥顆粒的疏水性能。未來(lái)在污泥調(diào)理劑研究方面，主要偏向于開(kāi)發(fā)可回收的污泥調(diào)理劑，同時(shí)兼顧實(shí)現(xiàn)污泥脫水過(guò)程中重金屬的脫除，確保污泥后續(xù)資源化利用的絕對(duì)安全性。在污泥脫水領(lǐng)域，單一的污泥脫水技術(shù)往往存在較明顯的局限性，未來(lái)將更偏向于多種污泥脫水技術(shù)聯(lián)合使用。