城市污水廠剩余污泥脫水技術綜述

徐振佳，張雪英，周 俊，李 想

（1.南京工業大學環境學院，江蘇南京 211816；2.南京工業大學生物與制藥工程學院，江蘇南京 211816）

隨著社會的發展以及人們生活水平的提高，我國的污水處理技術迅猛發展。截至2016年9月，全國共有污水處理廠3 976座，污泥年產量超過3×107t，是全球最大的污泥產生國［1］。污泥的大量產生對污泥的運輸及處理造成了巨大的經濟和環境負擔［2］。污泥的組分復雜，性質不穩定，如果直接排到自然環境中，將會對周邊土壤、水體、空氣造成嚴重污染，并且散發惡臭氣體，影響人類生活。因此如何科學、妥善處理污泥，使其減量化、資源化、無害化、穩定化已經成為環保界的焦點問題。

1 污泥的特性和分類

污泥含水率極高，可以達到99%，甚至更高［3］。其中還包含重金屬、有機質、氮和磷等植物性營養元素以及有毒有害有機物等［4］。污泥絮體呈膠狀態，易腐化變質甚至引起流行病，極易造成二次污染［5］。一般來說污泥按污水來源特性的不同可將污泥分為生活污泥和工業污泥［6］。污泥中水分的存在形式有四種：間隙水，毛細管結合水，表面吸附水以及內部結合水（表 1）［7］。

表1 污泥中的水分分布Tab.1 Water Content Distribution in Sludge

2 影響污泥脫水的因素

2.1 胞外聚合物（EPS）

胞外聚合物（EPS）是一種高分子有機聚合體，主要聚集在污泥膠體微生物細胞外，一般認為EPS占活性污泥總有機質的50%～90%［8］。由于存在親水性官能團（如羥基）和具有復雜網狀結構的菌膠團，EPS可改變污泥顆粒的表面特性，增加其親水性和黏度［9］。

例如劉軼等［10］的試驗研究表明，胞外聚合物對污泥脫水的性能影響顯著，胞外蛋白質含量、胞外多糖含量以及EPS的總含量對污泥脫水性能的影響性能并不顯著。然而眾多學者的研究并沒有達成一致，如 Feng 等［11］認為低含量 S-EPS（溶解性胞外聚合物）能促進細小顆粒污泥的絮凝沉降，有助于提高污泥的混凝效應，從而提高脫水性能，并提出最優的S-EPS含量約為 400～500 mg／L。而 Yuan等［12］也發表了類似的結論，但其得出最優的 SEPS含量僅為15～18 mg／L。因此對EPS作用機理的研究仍需不斷地深入。

2.2 粒徑分布

在污泥中，細小污泥顆粒所占比例越大，污泥的脫水性能就越差［13］。因為越是細小的污泥其水合程度越高，從而影響污泥的脫水性能。

眾多的研究表明污泥脫水的關鍵在于釋放內部結合水，僅僅去除毛細結合水和表面吸附水遠遠不能達到污泥脫水的目的［10，14］。Feng 等［15］指出，污泥的最佳粒徑在80～90 μm，污泥的比阻與毛細水時間同時達到最小值，此時增大或縮小污泥粒徑都將使污泥脫水性能惡化。而Chen等［16］得出的最佳粒徑為129.87 μm，造成這種不同的結論可能是由于污泥種類與性質的不同。

2.3 Zeta電位

污泥顆粒具有雙電層結構，由帶負電的微生物菌膠團粒子組成。Zeta電位的高低對污泥膠體顆粒的凝聚和沉降性能有著決定性的影響，進而影響污泥的脫水性能。

一般來說Zeta電位在－5～0 mV時可以獲得較好的混凝效果［17］。李敏等［18］在研究中發現 pH 值與介質性質也會影響 Zeta電位。Wilén等［19］試驗研究進一步指出，污泥顆粒表面帶電的重要影響因素是EPS，且EPS中PN和HS對Zeta電位的貢獻最大。

2.4 黏度

污泥為非牛頓流體，具有黏度和彈性兩種特性，因此黏度是評價污泥流變特性、化學調理效率和脫水性能的重要參數。

Ye等［20］的研究發現污泥的黏度受 LB-EPS（疏松型胞外聚合物）的影響顯著，并且污泥的黏度越大脫水性能越差。Chen等［21］的研究表明，污泥黏度和濾餅含水率呈正相關性（R2＝0.84），但濾餅含水率隨黏度增加呈現出先下降后上升的趨勢，污泥的脫水最佳黏度為20～25 MPa·s。

近年來，邢奕等［22］研究表明pH的波動也會影響污泥的脫水性能。在pH值為3.03的條件下，CST和污泥濾餅含水率均降至最低，污泥脫水性能達到最優。

3 污泥脫水技術

污泥脫水流程主要分為四個部分：（1）污泥濃縮，對污泥進行初步脫水；（2）污泥調質，改變污泥的絮體結構；（3）污泥脫水，減少污泥體積；（4）污泥最終處置。

3.1 傳統污泥脫水工藝

3.1.1 干化

傳統的污泥脫水方式是自然干化，主要方法有污泥池法、沙地干化床和冷凍脫水等［23］。雖然自然干化成本低，操作簡單，但其也具有時耗長、有毒有害物質殘留、脫水不徹底等缺點。自然干化［24］通常需要4～5周的時間，第一周可以將污泥的含水率降低至60%左右，4～5周后污泥的含水率通常低于10%，但為了保證脫水效果，該工藝只能在氣候干燥的地區使用。

為避免造成二次污染和降低成本，很多技術都是建立在微生物的基礎上。污泥生物干化法［25-26］是快速散發污泥中的水分降低其含水率，并使物料保持較高的熱值，便于焚燒或作為肥料等后續再利用，該技術雖未能推廣運用，但具有極高的開發價值和廣闊的運用前景。

3.1.2 機械脫水

機械脫水是污泥最常見的脫水方式，常見的脫水機有離心分離機、壓濾、機真空過濾機等［27］。主要是依靠過濾介質兩面的壓力差作為推動力，使污泥泥水強制分離。

但是，直接通過機械脫水，污泥的含水率并不能有效的降低。李華等［28］試驗研究表明，某石油化工企業污水處理廠的污泥，經過濃縮作用和機械脫水后，污泥的含水率仍高達85%左右，而且也沒有解決污泥干化時成本高的問題［29］。

目前，國家提倡把污泥的含水率降低到60%以下。南京某污水處理廠所采用的高壓雙膜片壓濾機系統［30］。與現普遍使用的帶式脫水機和離心脫水機相比，高壓雙膜片污泥壓濾機的脫水效果得到極大的提高，脫水后污泥含水率最低可達到45%。

3.2 常見的脫水工藝

3.2.1 酸處理工藝

酸處理污泥的作用機理是在酸性條件下，活性污泥的胞外聚合物受到破壞水解，改變污泥的水分分布，使部分間隙水從污泥絮體或細胞中釋放出來，從而達到提高污泥脫水性能的效果。

將酸處理與絮凝劑相結合能有效地降低藥劑的投加量，如何文遠等［31］使用H2SO4對污泥進行預處理，并與僅使用陽離子型PAM處理的污泥進行對照，H2SO4預處理之后，板框壓濾30 min，泥餅含水率降低了5.9%（從76.14%降低到70.24%），提高了脫水性能。同樣的刑奕等［22］的研究也表明，酸性條件下表面活性劑的作用效果較好，污泥濾餅含水率明顯降低。當pH值為3、表面活性劑投加量為93.75 mg／g時，含水率和比阻可分別降至60.12%、0.59×1013m／kg。

3.2.2 氧化法工藝

氧化法是利用強氧化性的藥劑，破壞污泥顆粒中的細胞組織及膠體結構，釋放內部結合水，從而提高污泥的脫水性能。

常用的工藝為Fenton，在實際操作中也有良好的效果。如梁秀娟等［32］采用Fenton氧化法對印染污泥進行處理，當pH值為2.0，H2O2和Fe2＋投加量分別為 428 mg／g （干泥）和 42.8 mg／g（干泥），反應時間為1.5 h、反應溫度為80℃時，TSS由18.66 g／L下降至 4.82 g／L。毛細水時間和比阻分別由98.6 s和 6.03×1011s2／g下降至 18.9 s和 8.42×1010s2／g。

3.2.3 冷凍凍融技術

冷凍凍融技術，通過有效地壓縮污泥絮體結構來提高污泥的脫水性能［33］。污泥中的水分子在冷凍時會形成不規則的冰針，這些冰針不斷凝結污泥絮體中的自由水，絮體網狀結構被破壞，釋放大部分的間隙水［34］。

例如陳悅佳等［35］的研究表明，在相對較高的溫度（－5℃）下凍融，可以更加完全地破解污泥，最大限度地釋放胞內有機物。污泥在－5℃下完全冷凍后（約5 h），轉移到相對較低的溫度下繼續固化，可以獲得更好的凍融效果。而李愷等［36］研究了冷融技術與化學調理聯合對污泥脫水的影響，得出在－15℃，表面活性劑CTAC投加量為7.38 g／L時，將污泥含水率降至62%左右。對于冷凍溫度的差異，可能是由于整體調理方式的不同導致的。

3.2.4 污泥調理技術

目前運用最為廣泛的污泥脫水方式是調理劑與機械脫水相結合的工藝［37］。調理劑分為化學調理劑和生物調理劑兩大類，化學調理劑又分為助凝劑和絮凝劑［38-39］。目前在污水處理廠應用廣泛的是無機絮凝劑（表2）和有機高分子絮凝劑［40］。無機絮凝劑是一種電解質化合物，主要有鐵系和鋁系兩類。雖然無機絮凝劑廉價易得，但是用量大，處理效果不理想。所以近些年開始被有機高分子絮凝劑替代。天然生物高分子絮凝劑具有經濟、環境雙重效益，但是還處于研究階段［41］。

近年來，研究者發現調理劑的復配使用往往可以達到單一調理劑所達不到的效果。如酈光梅等［42］比較了有機高分子絮凝劑調理污泥與氯化鐵、硫酸鋁、氯化鋁復配使用的效果：結果表明投加混凝劑調理后污泥比阻降低了70%，比單獨投加有機高分子絮凝劑的污泥比阻降低率高33%。鄧偉等［43］研究了聚丙烯酰胺—硫酸鐵復合調理劑對活性污泥脫水性能的影響，達到相同脫水效果，PAM和Fe2（SO4）3復配時的用量比單獨使用時減少一半以上。熊唯等［44］的試驗表明：紅石膏與陰離子有機聚合物LT25（有機高分子絮凝劑），使污泥絮體分型維數由1.38增加到1.71，復配后泥餅含水率比不加石膏調理的泥餅含水率降低了7.1%。

表2 常見的無機絮凝劑Tab.2 Common Inorganic Flocculants

3.3 近年來發展的新型污泥脫水技術

3.3.1 超聲處理工藝

超聲波處理污泥主要是利用聲波的能量［45］。超聲波可以在液體中產生“空穴作用”，形成極端的條件，局部產生高溫高壓，并產生強勁的水剪切力，破壞污泥中的菌膠團，釋放出胞內結合水，從而提高污泥的脫水性能。

超聲處理主要的技術指標是超聲波的頻率和超聲的時間，如邱高順［46］的研究結果表明，超聲波頻率為25 kHz、聲能密度為0.08 W／mL、超聲時間為60 s的情況下，污泥的比阻相較于原泥降低了67.0%，并認為過高的聲能密度不利于提高污泥的脫水性能。而韓青青等［47］得出研究結果表明，最佳的超聲時間為10 min，超聲聲能密度為0.8 W／mL。這種差異有可能是污泥的來源與泥質不同導致的。

3.3.2 生物淋濾工藝

生物淋濾工藝由于其成本低廉、不會造成二次污染并能有效地去除污泥中的重金屬離子，近年來成為研究的熱門。生物淋濾是通過氧化硫桿菌直接氧化硫單質或間接氧化亞鐵離子產生酸化作用，能有效去除污泥中的重金屬離子、殺滅細菌去除惡臭。有文獻表明，生物淋濾還可以改善污泥的脫水性能［48-49］。

如肖凌鵬等［50］的研究表明，當生物淋濾的pH值在2.0～2.5時，污泥脫水性能得到較大改善；當pH值低于2.0時，污泥的脫水性能惡化。淋濾污泥比阻由 1.26×1014m／kg降低到 8.14×1012m／kg，降低了93.54%。淋濾污泥pH值回調至6.0后，污泥比阻持續降低到8.27×1011m／kg，共降低99.34%，污泥從難脫水狀態轉化為易脫水狀態。也有學者將生物淋濾與其他預處理技術聯合使用，如陳泓等［51］將生物淋濾與Fenton工藝相結合，將污泥的比阻和濾餅含水率分別由5.89×1011s2／g和88.75%降低至1.26×1011s2／g和82.85%。

3.3.3 電滲透工藝

固體顆粒和液體在電場的作用下作定向運動，并通過多孔固體濾膜進行過濾，從而實現固液分離。如李亞林等［52］的試驗結果表明，電滲透技術可以改善污泥的脫水性能，機械壓力為18.83 kPa，污泥厚度為 1.13 cm，電壓梯度為60 V／cm，初始含水率為87.45%，污泥含水率可降至49.14%。李亞林還將鐵鹽及過硫酸鹽與電滲透相結合［53］，將污泥的含水率降低到60%以下。相對于單獨使用電滲透技術，泥餅更加均勻，有利于之后的處置。

表3總結了物理法、化學法、生物法在污泥脫水中的優缺點。

表3 污泥脫水技術對比Tab.3 Comparison of Sludge Dewatering Technologies

4 污泥脫水技術的應用

4.1 污泥干化技術的應用

目前污泥干化焚燒是污泥的重要處置方式，該方法具有污染物分解徹底、尾氣不易造成二次污染。但需增加臭氣處理及與污泥焚燒相關的設施［54］。

深圳鹽田垃圾焚燒廠的爐排垃圾焚燒是國內首創，摻燒污泥約40 t／d，煙塵排放等各項指標均達到了歐共體標準。華電滕州新源熱電公司于2008年年末成功運行150 MW的城市污泥干化焚燒系統［55］。本系統使用電廠鍋爐煙氣，對城市污泥（含水率為75%～80%）進行干化，干化后的污泥摻入（占比約為5%）電廠輸煤系統，送入鍋爐進行燃燒。

4.2 污泥深度脫水技術的應用

污泥機械脫水的難點在于脫水后的污泥的含水率仍然在70%～80%，并且能耗較大。田禹等［56］通過真空過濾法測量比阻發現，當污泥的含水率小于97%后，污泥的比阻顯著增大。由此可見，當污泥的含水率較低時，污泥中的固體物質可能會吸附在一起，使其中的內部結合水的量變多，從而影響污泥脫水的效果。而桑德集團開發的電滲透污泥高干脫水技術與現有技術相比，具有投資少并節能的雙重效果。

該公司將“電滲透”與“板框壓濾”相結合［57］，可將污泥含水率由80%～85%降低至60%～40%，并且在不添加任何藥劑的情況下，總耗電約為80～120 kW·h／t。2014年建成 25 t／d的示范工程，在一年的運行時間里，脫水后泥餅的含水率低于40%，低位熱值達到4 186～5 443 kJ，可回收部分熱能。

同樣的，上海市白龍港污水處理廠，采用“添加FeCl3及CaO化學調理＋隔膜壓濾”工藝［58-59］，調理劑投加量分別為干泥量8%的FeCl3和20%的CaO，工程主體設備板框隔膜壓濾機共26臺，過濾壓力一般在1.0 MPa以上。在為期4個月的試運行中泥餅含水率穩定在60%以下，并穩定運行至今。但是投加20%的CaO，將會使污泥增容20%以上，給后續的處理處置帶來困難，該問題亟待解決。

當污泥脫水處理廠污泥中重金屬含量符合《城鎮污水廠污泥處置制磚用泥質》的要求，可考慮將污泥經“化學改性＋機械脫水”后，按20%的比例加入到燒結磚原料的頁巖、黏土或煤渣中進行制磚。不影響磚的成型和含水率，此種方式實現了對污泥的減量化、無害化處理，進行了資源化利用，既經濟又達到了最終處置的目的。

4.3 超聲波技術在污泥脫水中的應用

超聲波脫水技術是近年來興起的一種主要的污泥脫水技術，目前我國基本上還處于實驗室研究階段，而國外已將該項技術實際應用于污泥的減量處理中，應用最成功的是德國的巴姆堡市污水廠。

該污水處理廠的原設計能力為30 000 m3／d，利用超聲波對污泥進行預處理。一期兩臺運行3個月后，沼氣產量增加30%，污泥停留時間從25 d降到18 d，滿足了后續污泥脫水處理處置的要求，并且不是所有的污泥都需要進行超聲處理，處理量一般取剩余污泥的30%左右。從投資角度來看，利用超聲處理每方污泥脫水的用電量為3度左右，其設備投資只需建罐費用的一部分。

同其他技術相比，利用超聲波技術對污泥進行脫水處理具有許多優勢，如二次污染、分解速度快、設備簡單等。超聲波的頻率并非越高越好，馬守貴等［60］的研究表明，低頻超聲（28.7 kHz）對污泥的脫水效果優于高頻超聲（40 kHz）；但超聲波技術在使用過程中能耗較大，限制了其在污泥脫水處理處置中的推廣應用，若對超聲波加以改進，降低能耗，則可以將該技術大范圍地應用于污泥的處理處置中，變廢為寶，使污泥資源化。

綜上所述，對比了幾種常見的污泥處理處置方式，如表4所示。

表4 常見污泥處置方式比較Tab.4 Comparison of Common Sludge Disposal Methods

5 污泥脫水存在的問題與展望

目前我國污泥的穩定化、無害化程度較低，存在嚴重的“重水輕泥”的現象，所以需要加大在污泥脫水科研方面的投入，建立健全相關的法律法規，增加政策支持和監管體系。現在污水處理廠廣泛使用的無機絮凝劑和有機絮凝劑，其中大部分會對環境產生二次污染，也不利于污泥的資源化利用。所以無二次污染且性能優異的生物絮凝劑成為人們未來研究的方向。并且，往往單一種類脫水方式的脫水效果是有限的，難以達到人們的預期。污泥脫水技術今后還需要大力發展多種處理技術聯合的組合式技術，如Fenton試劑與CPAM聯合調理污泥、無機混凝劑與殼聚糖聯合調理污泥、優化超聲波聯合絮凝劑強化污泥脫水等，這樣才可以發揮單一技術的優點，相互之間取長補短，從而達到高效脫水的效果。總的來說，提高污泥的調理效果，降低成本，減少其對環境的危害是污泥調理技術今后發展的主要方向。近年出現的污泥調理技術目前還處于試驗階段，今后應加快其研究步伐，盡快應用于實際，同時應致力于對其機理的研究，為其應用提供可靠的依據。

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