孫 祥，張曉諭

(江蘇揚(yáng)農(nóng)錦湖化工有限公司，江蘇 揚(yáng)州 211900)

污水生化處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，這些污泥的含水率通常超過(guò)99%，這會(huì)造成污泥的儲(chǔ)運(yùn)成本居高不下。一般來(lái)講，污泥中的水分包括游離水、間隙水、吸附水和結(jié)合水等[1]。污泥的脫水效率主要決定于污泥絮體的物理化學(xué)性質(zhì)、脫水設(shè)備的選擇及化學(xué)調(diào)理技術(shù)三個(gè)方面。就目前而言，很少有研究系統(tǒng)梳理關(guān)于基于污泥深度脫水方面的技術(shù)資料。因此，本文的目的是：第一，分析污泥化學(xué)性質(zhì)與污泥脫水性的關(guān)系的研究進(jìn)展；第二，認(rèn)識(shí)污泥深度設(shè)備和化學(xué)調(diào)理技術(shù)的適宜性，同時(shí)分析了基于高壓脫水過(guò)程的污泥化學(xué)調(diào)理技術(shù)；第三，闡述污泥深度脫水工藝的技術(shù)體系及其研究進(jìn)展。

1 污泥化學(xué)性質(zhì)對(duì)污泥脫水性的影響

1.1 EPS(胞外聚合物)對(duì)污泥脫水性的影響

EPS是在一定環(huán)境條件下由微生物，主要是細(xì)菌，分泌于體外的一些高分子聚合物。主要有多糖、蛋白質(zhì)、腐殖酸和核酸等組成，對(duì)活性污泥的絮凝、沉降性和脫水性起著十分重要的作用[2]。就目前而言，關(guān)于EPS對(duì)污泥脫水性能影響的研究非常之多，而且很多研究是相互矛盾的。

1.1.1 EPS的含量和比例與污泥脫水性的關(guān)系

污泥的組成特征影響著污泥的脫水性，研究表明污泥中EPS對(duì)污泥的脫水性的影響最為顯著[3]。目前主流的研究認(rèn)為污泥中EPS的含量決定著污泥的脫水性，特別是EPS中蛋白質(zhì)和多糖的比例影響著污泥的脫水性[4]，一般認(rèn)為蛋白質(zhì)對(duì)污泥脫水性的影響更為顯著。

1.1.2 “雙層EPS”說(shuō)

不單純以污泥中總體EPS的組成和含量來(lái)評(píng)判污泥的脫水性，而是將污泥EPS分為疏松型和緊密型兩種。疏松型EPS會(huì)減弱細(xì)胞之間的結(jié)合以及絮體結(jié)構(gòu)，泥水分離效果差[5]，“雙層EPS”說(shuō)通過(guò)將EPS在污泥中的存在形態(tài)在宏觀上進(jìn)行分類，分別研究其對(duì)污泥脫水性能的影響。

1.1.3 “多層區(qū)域化”說(shuō)

利用離心分離和超聲波技術(shù)將污泥分為五層，分別為清液、粘液層、疏松層、緊密層、泥粒，研究表明污泥脫水性與粘液層和清液中蛋白質(zhì)以及多糖和蛋白質(zhì)的比例相關(guān)。同時(shí)，研究還表明，污泥脫水性與粘液層、疏松層和緊密層中類蛋白、腐殖酸和富里酸物質(zhì)的有關(guān)?！岸鄬訁^(qū)域化”說(shuō)進(jìn)一步細(xì)化EPS的宏觀形態(tài)，試圖找出污泥脫水性與EPS中各物質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2 污泥中金屬離子與脫水性的關(guān)系

此外，金屬離子(尤其是鈣、鎂、鐵和鋁等與微生物絮凝特性息息相關(guān))對(duì)污泥脫水性的影響非常重要[6-9]。因?yàn)镋PS通常帶負(fù)電，所以陽(yáng)離子與EPS之間的靜電作用在維持污泥的絮體結(jié)構(gòu)方面起到十分重要的作用，影響著污泥的沉降性、脫水性和生化處理的出水水質(zhì)[10]。David C. Sobeck等[9]的研究顯示二價(jià)陽(yáng)離子架橋理論可以很好地描述生物絮凝過(guò)程。Matthew J. Higgins等的研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)水中單價(jià)和二價(jià)陽(yáng)離子的比例是決定污泥脫水性的直接因素。

2 污泥深度脫水技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)污泥深度脫水技術(shù)體系

污泥脫水設(shè)備分為高壓脫水和低壓脫水兩種，前者有離心機(jī)和帶式壓濾機(jī)，后者主要是板框壓濾機(jī)和隔膜壓濾機(jī)。污泥深度脫水不僅需要依靠高壓脫水，還需要適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)調(diào)理技術(shù)，同時(shí)運(yùn)行條件也起著重要的作用。因此，為了獲得良好的污泥脫水效果和低操作成本，不僅需要增加脫水壓力，還需要綜合考慮污泥脫水裝置，化學(xué)調(diào)理藥劑和調(diào)理方法，有機(jī)結(jié)合并優(yōu)化技術(shù)路線，形成高效集成脫水工藝。對(duì)于化學(xué)調(diào)整，為了確保高壓脫水過(guò)程的效率，首先必須降低污泥的可壓縮性。因此，在通常的情況下，作為污泥的高壓脫水的預(yù)處理劑，可以使用無(wú)機(jī)物(例如鐵鹽、鋁鹽、石灰等)，降低污泥的可壓縮性，提高污泥的過(guò)濾性和脫水性能，如圖1所示。

圖1 污泥深度脫水工藝流程圖

2.2 基于污泥高壓過(guò)濾脫水的調(diào)理技術(shù)

2.2.1 傳統(tǒng)化學(xué)調(diào)理技術(shù)

傳統(tǒng)的化學(xué)調(diào)理技術(shù)主要有投加高分子絮凝劑、無(wú)機(jī)混凝劑、石灰等，污泥調(diào)理化學(xué)藥劑需要與機(jī)械脫水相匹配。無(wú)機(jī)混凝劑和有機(jī)絮凝劑的化學(xué)調(diào)理機(jī)制有別，無(wú)機(jī)混凝劑調(diào)理后形成的絮體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高[11-12]，適宜高壓脫水，高分子絮凝劑形成的絮體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、顆粒大，適用于低壓脫水過(guò)程。此外，在污泥中加入一些惰性的助凝劑可以增強(qiáng)絮體強(qiáng)度和濾餅的通透性，用于輔助過(guò)濾。

2.2.2 高級(jí)調(diào)理技術(shù)

高級(jí)氧化調(diào)理過(guò)程主要是利用氧化、酸堿、熱處理等破壞污泥的EPS結(jié)構(gòu)，將結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水，降低脫水污泥的含水率，目前主流的高級(jí)氧化調(diào)理技術(shù)有光Fenton/Fenton氧化技術(shù)[13]、酸堿處理技術(shù)、熱處理技術(shù)等[14]。Fenton氧化能夠降解胞外聚合物，促使結(jié)合水釋放，同時(shí)水解的鐵鹽絮凝作用也可以改善污泥脫水性[15-16]。酸堿處理也會(huì)導(dǎo)致污泥解絮，雖然可能會(huì)增加污泥的脫水時(shí)間，但是可以有效提高脫水后泥餅的干度[17]。熱處理對(duì)污泥脫水性的影響主要取決于溫度和處理時(shí)間，溫度超過(guò)120 ℃時(shí)，熱處理可以有效改善污泥脫水性，且隨溫度的升高，脫水性改善明顯。

2.3 電滲透污泥脫水技術(shù)

電脫水技術(shù)目前使用范圍和使用規(guī)模均非常小[18]。近些年，該技術(shù)在細(xì)顆粒污泥、凝膠污泥、生物污泥、食品廢棄物和大型藻的脫水等領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注，因?yàn)獒槍?duì)這些污泥的脫水，傳統(tǒng)技術(shù)存在著脫水效率低、脫水成本高等問(wèn)題。在過(guò)去20幾年，對(duì)生物污泥的電脫水研究主要還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，而在中試和生產(chǎn)應(yīng)用方面的報(bào)道為數(shù)不多。大多數(shù)的研究顯示，加壓和壓縮電脫水過(guò)程在提高脫水速率和降低泥餅含水率方面明顯優(yōu)于不加壓電脫水過(guò)程，同時(shí)要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械脫水技術(shù)。小試研究設(shè)備主要是一種圓柱形的壓力過(guò)濾桶，在圓筒的上下施加電場(chǎng)，上部帶有活塞加壓裝置[19]。小試研究主要集中在電場(chǎng)條件對(duì)污泥電脫水效率的影響、加壓過(guò)程對(duì)污泥電脫水的影響、化學(xué)調(diào)理技術(shù)和污泥溶液化學(xué)條件對(duì)污泥電滲透脫水的影響、電滲透脫水過(guò)程中不同反應(yīng)器區(qū)域中污泥理化性質(zhì)的變化特征以及電場(chǎng)施加方式對(duì)污泥電滲透脫水效率的影響等[20-21]。在中試和應(yīng)用方面，電滲透技術(shù)主要通過(guò)與現(xiàn)有的加壓過(guò)濾設(shè)備相結(jié)合(如帶式壓濾機(jī)和板框壓濾機(jī))，從而形成電輔助加壓過(guò)濾設(shè)備[22]。

3 污泥深度脫水集成工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 污泥脫水技術(shù)和處置方式的適配性分析

雖然實(shí)現(xiàn)污泥的深度脫水具有削減污泥量、降低污泥處理處置成本、便于后續(xù)處理處置等優(yōu)點(diǎn)，但需要指出的是，污泥的調(diào)理和脫水技術(shù)需要與后續(xù)的處置方式相協(xié)調(diào)。目前，污泥的主要處置方式主要有填埋、焚燒、制磚、堆肥等幾種。填埋處置方式對(duì)污泥調(diào)理和脫水要求最低，通常不需要限制化學(xué)調(diào)理技術(shù)。在焚燒處理過(guò)程中，要求化學(xué)調(diào)理藥劑中不能含有對(duì)焚燒爐產(chǎn)生腐蝕作用的成分，如酸、氯離子、三價(jià)鐵等，無(wú)機(jī)復(fù)合調(diào)理劑(石灰、氧化鎂等復(fù)合物)可以作為焚燒處置的脫水藥劑。堆肥處置的發(fā)酵產(chǎn)物通常作為肥料還田，故其化學(xué)調(diào)理過(guò)程中要避免使用大量的無(wú)機(jī)藥劑，否則會(huì)影響發(fā)酵產(chǎn)物的肥效。筆者采用高效聚合氯化鋁(HPAC)和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(PAM)的復(fù)合調(diào)理作為污泥堆肥處置的脫水調(diào)理技術(shù)。這一技術(shù)可以在實(shí)現(xiàn)污泥高效脫水的同時(shí)，有效地降低了無(wú)機(jī)混凝劑的投加量。需要注意的是，這一過(guò)程對(duì)于PAM的型號(hào)要求很嚴(yán)格，低分子量、高離子度的陽(yáng)離子PAM效果最佳。

3.2 污泥深度脫水技術(shù)的應(yīng)用情況

表1目前為處于中試和生產(chǎn)規(guī)模，且能夠?qū)⑸勰嗪式抵?5%以下的技術(shù)。就設(shè)備而言，主要以高壓脫水設(shè)備(隔膜壓濾機(jī))為主。在化學(xué)調(diào)理方面，石灰和氯化鐵是污泥高壓脫水的主要調(diào)理藥劑，常用于污泥填埋處置的脫水調(diào)理藥劑。近年來(lái)，由于污泥溶解效率較高，故高級(jí)化學(xué)調(diào)理技術(shù)(如酸堿、熱處理、Fenton等)越來(lái)越受到重視，但其成本較高，推廣受到一定限制。其中，熱水解處理的主要目的是溶解污泥和改善污泥厭氧消化性能，但這一過(guò)程可以有效改善污泥的脫水性。電滲透脫水是一種比較有前景的污泥脫水技術(shù)，有優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需投加大量的無(wú)機(jī)藥劑來(lái)降低污泥的可壓縮性、化學(xué)調(diào)理成本低、脫水效率高，但該技術(shù)的運(yùn)行成本仍然較高，同時(shí)設(shè)備尚不成熟，未有大規(guī)模應(yīng)用的案例。

表1 污泥深度脫水技術(shù)的應(yīng)用

4 結(jié) 語(yǔ)

EPS是污泥絮體的重要組成部分，占到污泥有機(jī)質(zhì)含量的60%以上。EPS的分布和組成直接影響著污染物的降解活性、污泥的沉降性和脫水性等。目前主流的污泥深度脫水主要是采用高壓脫水設(shè)備，即高壓壓濾機(jī)?；瘜W(xué)調(diào)理技術(shù)需要與污泥的脫水設(shè)備相適宜，無(wú)機(jī)藥劑通常作為污泥高壓脫水的化學(xué)調(diào)理劑。需要特別指出的是，污泥脫水工藝的選擇，尤其是化學(xué)調(diào)理技術(shù)，應(yīng)該與污泥處置路徑相配套，而不應(yīng)該一味追求低的污泥含水率。電滲透脫水最大的優(yōu)勢(shì)即化學(xué)調(diào)理成本低、脫水效率高和對(duì)泥質(zhì)影響小，而目前已開發(fā)的成套電滲透設(shè)備還存在電耗高、脫水成本高的問(wèn)題，難以大規(guī)模使用，故開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效、安全的電滲透脫水技術(shù)和工藝設(shè)備是下一步的重要研究方向。