物理與化學聯用技術調理改善污泥脫水性能研究進展

羅宿星，伍遠輝，徐禪，劉發增

（遵義師范學院化學化工學院，貴州遵義563006）

自然科學研究

物理與化學聯用技術調理改善污泥脫水性能研究進展

羅宿星，伍遠輝，徐禪，劉發增

（遵義師范學院化學化工學院，貴州遵義563006）

污泥處理與處置問題是世界性難題，而在污泥最終處置或再利用前對污泥進行調理非常關鍵。物理調理和化學調理是較為普遍的手段，但單獨使用其中一種方法不能獲得良好的效果，使用物理和化學調理聯用對改善污泥脫水性能有重要現實應用意義。作者綜述了超聲波結合化學調理、微波結合化學調理、電化學與化學調理、冷融與化學調理四種聯用技術在污泥調理應用方面的研究進展。

污泥脫水；污泥調理；聯合調理

我國城鎮污水處理量的快速增加導致污泥量的急劇增加，污泥含有大量水分且水分難以脫除成為污泥處理與處置的瓶頸問題[1-4]。污泥中所含水分有間隙水（Interstitialwater）、自由水（Free water)、表面吸附水（Surfacewater)、內部結合水（Intracellularandchemically bond water)[5-6]四種形態，如圖1所示。

由于污泥含水量高，體積大，因此在污泥最終處置或再利用前進行調理至關重要，污泥調理可改善污泥的性質，提高污泥濃縮脫水的效率，從而經濟地對污泥進行后續處理。

圖1 污泥中水分的存在形式示意圖

污泥調理最常見的是物理調理和化學調理[7]。物理調理常采用熱處理法、冷凍-融化、超聲、微波、電化學等，進而改善污泥的脫水性能。化學調理是向污泥中添加化學藥品，克服水靜電排斥作用從而使污泥脫水[8]。但單獨使用一種技術效果并不理想[9]，目前不少學者使用物理和化學聯用技術調理，探究效果更好、更易操作與運行的方法。

鑒于物理技術和化學調理聯用對改善污泥脫水性能有重要現實應用意義，本文對其進行了系統的分析和綜述，旨在為污泥的脫水干化提供可靠的參考資料。

1 超聲波與化學調理聯用技術

超聲波作用于污泥時，空化效應產生的空化泡具有強烈的剪切作用，瞬時破壞污泥的菌膠團和EPS，較低頻率和聲能密度的超聲波能有效地破壞污泥細胞結構，從而改善污泥的脫水性能[10-11]。但單一的超聲調理污泥的結合水轉移的量不多，效果不理想，如進行過度的超聲，污泥中其它物質大量溶出，導致污泥脫水性能惡化[12-13]。化學調理可釋放出污泥內部的結合水，超聲波與化學調理聯用，可達到優勢互補，具有一定的操作可行性和優越性。

Zhang Guangming等[14]比較了超聲波脫水和超聲聯合FeCl3和PAM的脫水效果，結果表明，超聲聯合FeCl3和PAM可明顯減少調理劑的用量（40%～50%），且最佳條件下污泥的最終含水量為72%。Xun-an Ning等[15]以印染污泥為目標物，探討了超聲波聯合芬頓試劑對污泥脫水性能及結構的影響，結果表明，超聲波聯合芬頓試劑技術優于任一單一技術，污泥的平均粒徑明顯降低，污泥經芬頓試劑處理后產生的羥基會導致污泥絮體表面EPS的部分氧化和重組，如圖2（b）所示，經超聲聯合芬頓試劑處理后，超聲波空化效應產生的空化泡具有強烈的剪切作用，使污泥絮體結構進一步遭到破壞，如圖2（c）所示。上清液中蛋白質、多糖、羥基自由基含量明顯增加，改善了污泥的脫水性和穩定性。

圖2 印染污泥的SEM圖

Xinbo Tian等[16]研究了超聲波聯合NaOH對污泥性能的影響，溶解性化學需氧量（SCOD）從1200mg/L增加到11000 mg/L，污泥的厭氧生物降解達到37.8%。蘇建文等[17]研究了超聲波或生石灰單獨及聯合使用對污泥脫水性能的影響，研究發現，超聲波單獨對污泥進行處理時，污泥釋放大量的胞外聚合物，增加污泥離心出水的COD，使水質變差。超聲波與生石灰聯合使用不僅減少了生石灰的投加量，還能降低污泥離心出水的COD，改善出水水質。朱書卉等[18]探討了超聲波聯用復合絮凝劑技術對污泥脫水的影響，結果表明，復合絮凝劑優于單一絮凝劑，再經20kHz、400W/m2超聲處理2.5min后，污泥體積縮小86%左右，含水率可降至79%，比無超聲作用時污泥干基含水率減少7%左右。周翠紅等[19]通過對市政污泥進行超聲處理、PAM處理和超聲結合PAM處理，結果發現，超聲結合PAM處理可使污泥絮體團聚更緊密，提高了污泥的脫水性能。

2 微波與化學調理聯用技術

微波輔助能有效提高污泥脫水性能，微波處理具有所需時間短、反應過程易于控制以及有特殊的滅菌功能等優點，通過微波產生的高頻電磁場作用可促使污泥結構脫穩[20-21]。短時間的微波輻射能使污泥內部產生溫度梯度，破壞結合水與EPS之間的結合力，從而使難處理的內部水和結合水轉化為易處理的自由水[22-23]。Qingcong Xiao等[24]采用均勻實驗設計研究了微波-H2O2對污泥性能的影響，研究發現，經過均勻實驗優化，H2O2的用量減少了3.87倍。Yawei Wang等[25]采用星點設計-效應面法優化了微波-H2O2聯用技術預處理對污泥破解的影響并建立了相關的二次模型，結果表明，pH值在整個聯用技術中至關重要。

Nalan Bilgin Oncu等[26]研究了微波-H2O2和微波-S2O82-對污泥脫水性能的影響，結果表明，相對于微波-H2O2，微波-S2O82-在更低溫度、更少氧化劑用量條件下，污泥的脫水性能提高2倍。Jae-HoLee等[27]比較了微波與H2SO4、NaCl和CaCl2聯用時對活性污泥增溶性的影響，結果表明，微波與NaCl聯用是一條可行的途徑。魏源送[28]研究表明微波-堿、微波-H2O2聯用技術對污泥中含碳有機物、含氮物質具有明顯的溶出作用，同時可促進污泥中磷的溶出。Qi Yang等[29]研究了微波聯合堿預處理對污泥破解及酸化的影響，結果表明，pH為11，比能量為38,400kJ/kg時，剩余污泥的破解率達65.87%。韓洪軍等[30]研究了微波聯合PAM對污泥脫水性能的影響，結果表明聯用技術可使PAM投加量節省33%左右，適宜的微波與PAM聯用對污泥的脫水性能有明顯改善。林頤等[31]研究了高鐵酸鉀-微波耦合對印染污泥脫水性能的影響，在最佳條件下，泥餅含固率相比原污泥增加14.58%，微波耦合高鐵酸鉀能有效破壞污泥絮體結構，隨著高鐵酸鉀投量增加，上清液的蛋白質含量持續增加，多糖含量則先增加后減少。JingZhang[32]研究了微波聯合芬頓試劑和微波耦合對污泥脫水性能的影響，結果表明，該方法能有效改善污泥的脫水性能，最佳條件下，污泥比阻降至1.85×109s2g1，污泥含水量為65.93%。

3 電化學與化學調理聯用技術

電化學氧化污泥減量是在特定的電化學反應器內，利用形成的強氧化性·OH基團破壞污泥EPS，從而提高污泥脫水性能。電化學污泥減量一般無需很多化學藥品，后續處理簡單，占地面積小，管理方便，符合污泥處理穩定化、無害化、減量化和資源化的總體要求[33-34]。Nan-wen Zhu課題組系統研究了電化學聯合化學處理技術對污泥脫水性能的影響，一定的電壓和電解時間會改善污泥的脫水性能，電壓過高會使污泥的脫水性能變差，如圖3（a）所示，電化學處理前污泥菌膠團結構較為完整，30V、30min處理后污泥菌膠團結構遭到破壞，釋放自由水，污泥脫水性能得到改善，如圖3（b）所示，50V、30min處理后污泥菌膠團結構嚴重破碎，如圖3（c）所示，污泥脫水性能變差[35]。

圖3 不同處理條件下污泥SEM電鏡比較

Nan-wen Zhu課題組研究結果表明[36-39]，不管是否使用電化學技術，十二烷基硫酸鈉、聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）會對污泥的脫水性能產生負面影響，聚合硫酸鐵與電化學沒有耦合效應，而電化學技術與陽離子聚丙烯酰胺（PAM）、甲基溴化銨（CTAB）共同使用時，污泥EPS被破壞，脫水性能大幅提高。Hamed Gharibi等[40]采用新型電解/電凝技術處理污泥，結果與Nan-wen Zhu課題組一致。Ali Reza Rahmani等[41]優化了電化學-芬頓聯用技術處理污泥的條件，結果表明，在最優條件下NaCl存在時，COD去除率達到72%，總大腸菌類去除率達到100%。Emna Feki等[42]比較了雙氧水氧化、電化學、電化學-雙氧水聯用技術、熱-堿聯用技術對污泥厭氧消化的影響。結果表明，電化學-雙氧水聯用技術對污泥的溶出率最大，達到了28%，該聯用技術使沼氣產率比空白提高了78%，可有效改善污泥厭氧消化性能。傅金祥等[43]研究表明，NaOH作為電解質時，電化學破解污泥效果最佳，實現污泥的減量，改善污泥的沉降性能。

4 冷融與化學調理聯用技術

冷融處理是一種有效的污泥調理手段，可使泥水兩相分離，破壞污泥膠團結構，使疏松的顆粒結構轉變為致密形態，同時也是一種有效滅活污泥細菌的方法。James Diak等[44]研究了冷融技術聯用高鐵酸鉀對污泥脫水性能的影響，表明該聯用技術可破壞污泥膠團結構，增加污泥粒徑，有利于污泥脫水。W.Gao等[45]研究了在酸性和堿性條件下的冷融作用，研究表明，冷融作用使污泥顆粒變大，脫水性能提高。

5 結論

污水處理中的污泥具有很高的親水性，污泥中的水分與污泥固體膠粒的結合力很強，單獨的一種處理技術難以達到處理標準，通過對污泥進行物理和化學技術聯用調理，改變污泥顆粒的表面物理化學性質，破壞污泥顆粒部分膠體結構，降低與水的親和力，從而提高污泥的脫水性能，展現出了良好的應用前景。但為了使預處理效果最優化，需要通過進一步的實驗找出合適的聯用條件，且污泥脫水機理有待進一步研究；另外，針對不同的物理化學聯用技術，開發新的污泥脫水技術與設備并應用于實際工程，這些都是今后的研究方向。

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（責任編輯：朱彬）

Progress on the physical and chemical control combination to improve sludgedewatering

LUO Su-xing，WU Yuan-hui,XU Chan,LIU Fa-zeng
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China）

Treatment and disposal of sludge are the present challenges of the world.The sludge conditioning is an important part for any sludge dewatering procedure.The most common technology is physical and chemical conditioning,but if only one method is used,there will be some shortcomings.Using physical and chemical control combination to improve sludge dewatering properties has very important significance in practical application.This paper describes the research progress on the physical and chemical control combination technology to improve sludge dewatering,such as sonication-chemical combination technology,microwave-chemical combination technology,electrochemical-chemical combination technology,and freeze/thawing-chemical combination technology.

sludge dewatering;sludge conditioning;combined conditioning

X705

A

1009-3583（2017）-0101-05

2016-12-02

遵義市創新人才團隊培養資助項目[遵市科合(2015)39號];國家自然科學基金項目(51561033)；貴州省科技廳·遵義市科技局·遵義師范學院三方科技合作計劃項目(黔科合J字LKZS[2014]01號)；貴州省教育廳市州地普通本科高校教育質量提升科研(2011-11)資助；全國大學生創新創業訓練計劃（201510664020）

羅宿星，女，四川眉山人，遵義師范學院化學化工學院教授，在讀博士研究生，主要從事環境化學研究。