污泥脫水處理技術研究綜述

齊永正，王逸，朱忠泉，嚴妍，張安琪，劉欣怡

開發與應用

污泥脫水處理技術研究綜述

齊永正1，王逸1，朱忠泉2，嚴妍1，張安琪1，劉欣怡1

（1. 江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212005； 2. 揚中市環境衛生管理處，江蘇 鎮江 212000）

隨著我國經濟的不斷發展與城市化水平的不斷提升，污水產量急劇增加，伴隨而來的是污泥排放量大幅增加，在提倡綠色環保的現代化生活中，如何快速合理有效地處理處置污泥成為人們關注的焦點問題。污泥處理中的關鍵問題是污泥脫水。本文從污泥中的水分性狀出發，基于研究最新成果和發展動態，對目前幾種污泥脫水處理技術及原理進行了綜述，分析了各種技術的優勢和不足，指明了污泥脫水處理技術的發展方向。

污泥脫水；污泥處理；綜述

污泥處理方式主要有4種：直接填埋、農業堆肥、建材利用及焚燒處理。這4種處理方式的前提都須要降低污泥含水率，進行污泥脫水濃縮減量，目的是為了實現污泥水分的固液分離，減少污泥的體積。根據污泥中水分與污泥固體顆粒的相互作用可將污泥中的水分劃分為間隙水、吸著水、毛細水與結合水4大類[3]，如圖1所示。

圖1 污泥中水分存在狀態

1 污泥脫水減量

污泥處理整個工藝流程中的關鍵技術之一便是污泥脫水處理。流態原生污泥在進行多道脫水工序處理后，體積進大大縮小，固體成分在污泥中所占比例也大大提高。經過脫水減量處理的污泥具有運輸、處理、處置與再利用的便利條件。一般污水處理廠產生的污泥主要成分為99%左右的水分和1%的固體成分，而這部分固體成分主要是由有機殘片、無機顆粒、膠體、細菌菌體及絮凝處理時所添加的藥劑等組成的，包含磷化物、多環芳烴、氮化物、病原體、重金屬離子及農藥殘留等[4]。污水處理及污泥處理工藝流程如圖2所示。

從以上分析可知，污泥通過濃縮、脫水、干燥等處理方式可降低污泥含水率，達到污泥濃縮減量的目的。

2 污泥脫水處理技術

污泥處理一般經歷4個過程：污泥脫水濃縮，即污泥初步脫水；污泥調理，改變絮體結構；污泥深度脫水；污泥最終處理處置[5]。

圖2 污水和污泥處理工藝流程示意圖

2.1 干化脫水技術

污泥脫水技術最初以自然干化脫水處理為主，熱能作為核心工作能源，實現污泥水分蒸發干化。該技術不需要對污泥進行預處理。但自然干化受氣候影響嚴重，所需場地面積大且環境污染嚴重，工人勞動量繁重、時間長，且會殘留有毒有害物質，現在已很少采用。

20世紀中期以來，污泥脫水干化處理技術迅速發展，出現了流化干燥、間壁干燥、對撞流干燥、過熱蒸汽干燥、紅外輻射干燥等[6]。

如前文所述，在壟斷問題上，各國有著不同的理解和做法。但是總的來說，主要的擔憂還是在傳播者的壟斷問題上。畢竟由賽事組織者統一行使體育賽事轉播權具有經濟運營和實踐操作方面的合理性，但由一個傳播者專有體育賽事轉播權，除了可能賣出一個高價之外，并沒有其他明顯的好處——其收益與可能的壟斷危害不成正比。站在傳播者的角度，它在與賽事組織者進行利益博弈時，需要考慮兩個方面的因素。

2.2 機械脫水技術

污泥機械脫水技術主要有壓濾式脫水、離心式脫水和疊螺式脫水等[9]。壓濾式脫水主要依靠過濾介質兩邊的壓力差，強制水分通過過濾介質，污泥固體顆粒被截留，實現泥水分離。壓力差有正壓和負壓之分，則壓濾式脫水又細分為正壓的板框壓濾脫水[10]和帶式壓濾脫水[11]以及負壓的真空壓濾脫水。無錫市蘆村污水處理廠四期，采用隔膜板框壓濾機結合化學調理等輔助工藝[13]，污泥含水率可降低到60%甚至更低。發達國家，離心式污泥脫水因設備成熟、技術先進、生產衛生等原因而得到廣泛應用。我國城市污水處理廠雖然引進了離心脫水機，但離心機所需要的能耗過高，因而在實際生產中使用頻率較低。

不同污泥脫水機械均存在某些不足。真空過濾機運行費用高，維修復雜，運行車間環境差；帶式脫水機開敞式運行，占地面積和沖洗水量均較大，易出現濾布堵塞、濾帶跑偏，脫水機車間環境差；板框式脫水機附屬設備較多，故障率高，占地面積大，無法實現連續進泥處理，工作時設備為開敞式，工作環境較差；離心脫水機電耗高，噪聲大，維修率高。

污泥機械脫水能耗大，脫水前往往須要進行污泥調理，運行費用高，中小型城鎮污水處理廠，尤其在欠發達地區很難維持。

2.3 超聲波脫水技術

超聲波是指頻率在20 kHz至10 MHz范圍內的聲波，空化效應是超聲波技術的關鍵，即超聲波傳導在污水中產生“空穴”[14]。在超聲波的液態條件下，極其微小的泡核顆粒將產生周期性震蕩。超聲波作為聲波，其傳導過程中具備疏相、密相周期性反復的特點。在這種周期性沖擊下，泡核顆粒體積也隨之增加、減小呈周期性循環，最終導致瞬態崩裂，使得菌膠團結構損毀，從而提高污泥的脫水 率[15]。

超聲波對污泥的作用效果主要受超聲波作用時間、頻率及強度的影響。賈舒婷等研究發現，在污泥的厭氧發酵過程中，用適當強度適當時間的超聲波處理，能促進污泥中微生物的生長，去除有機物能力提高[16]。殷絢研究發現，當超聲波強度較小、處理時間較短時，更加有利于減少污泥的結合水含量，反之亦然[17]。韓青青研究發現，最佳的超聲處理時間是10 min，強度是0.8 W·mL-1 [18]。

綜上，影響超聲波作用效果的因素非常復雜且互相影響，使得超聲波處理技術難以廣泛化應用。

2.4 熱處理脫水技術

熱處理是通過對污泥進行加熱分解和破壞污泥中的的固體顆粒，使得污泥固體顆粒中的內部結合水游離出來，以提高污泥脫水效果[19]。熱處理工藝俗稱為蒸煮處理，主要針對活性污泥正常脫水處理效果十分不理想而采用的處理方法。污泥熱處理技術與超聲波有著異曲同工之妙。在高溫環境下，微生物及其在微生物表面的代謝物溶解，其中包裹的固體顆粒自然脫離，與有機質分離，類似于細胞體因熱膨脹而破裂，形成細胞膜碎片。在碎裂過程中，蛋白質、膠體和礦物質等逃逸，具有揮發性的細胞內物質迅速分解。有機質揮發分解產生大量氣體，諸如二氧化碳、甲烷、揮發性醇類或酸類等。在氣體分子的疏浚下產生釋水通道，間隙水與毛細管水得以迅速排出。同時，在高溫環境下變得脆弱失穩的膠體結構，會在被破壞的同時凝聚沉淀并釋放出大量內部結合水。因此，污泥熱處理也是重金屬鈍化和微生物滅毒最有效的方法之一[20]。熱處理還可以有效改善污泥的厭氧消化，有機物在高溫下分解，脂肪類、蛋白質、糖類等大分子在熱處理過程中轉化為小分子，微生物分解脂肪酸為氨基酸、甲烷、氨氣等小分子時將更有效率[21-22]。

熱處理法主要分為高溫法和低溫法2種工藝。高溫法是污泥在溫度170~200 ℃、壓力1.8~2 MPa、反應時間為1~2 h的環境下進行脫水處理。這種處理方式結合機械脫水最終含水率可降到45%~55%[23]。低溫熱處理法則是將污泥處理溫度控制在150 ℃以下[24]。熱處理法的問題有污泥熱容、熱傳導及加熱升溫緩慢不均勻等。

2.5 電滲析脫水技術

電滲析脫水的主要原理是在電場的基礎上實現固液分離。電場作用下，固體顆粒和液體分子根據電場方向做定向運動，多孔濾膜截留固體顆粒。電滲析法的基本理論依據來自固液分離中膠粒的雙電層理論。在電場中，由于膠體顆粒與擴散層的電荷性不同，形成滑動面，擴散層帶走液體。經電滲析脫水處理后，污泥含水率可降至35%~45%[25]。

電滲析過程中，電極材料、電場強度及絮凝劑等均不同程度影響到脫水效果。李亞林等對污泥電滲透脫水工藝參數優化的結果表明，電滲透技術可以改善污泥的脫水性能[26]。李亞林還將鐵鹽及過硫酸鹽與電滲透相結合，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。電滲透技術已在敦煌市污水處理廠成功應用[27]，可將污泥含水率由99.5%降至80%。電滲析技術在低耗能的同時能有效避免二次污染。

電滲析耗能低，脫水效率高，有很強的應用性。但電滲析技術存在兩電極間脫水速率的差異導致兩電極間電阻率和電壓不均衡的問題。

2.6 絮凝劑脫水技術

污泥絮劑凝脫水一般不作為污泥脫水處理的單獨方法，更多的是作為污泥脫水處理中的一道重要工序，是提升污泥脫水效率的必要保障手段[28]。

絮凝劑一般分為天然絮凝劑（如淀粉等）和人工合成絮凝劑（如聚合鋁類、聚合鐵類和聚丙烯酰胺類等）[29]。絮凝劑的脫水性能主要與碳鏈長度和所帶電荷有關，而絮凝劑的特性、投加方式及污泥成分都會對污泥的最終沉淀效果造成影響。天然絮凝劑不常用，多為人工絮凝劑。天然高分子絮凝劑，經濟環保，但依舊處于研制階段[30]。

需要注意的是絮凝劑還可能存在生態隱患，所以在考慮采用絮凝劑脫水處理之前，需要嚴格把關，確保絮凝脫水處理方法不會對自然環境造成破壞。另外，絮凝劑添加量非常重要，過量添加絮凝劑，絮凝劑的正電荷被污泥顆粒吸附后，污泥顆粒將產生同極相斥的靜電斥力，影響污泥脫水。

3 結 論

從以上分析知，每種污泥脫水技術均有各自的優勢與不足。因此，綜合各種技術的優勢，采用多種技術聯合處理是污泥脫水發展的趨勢，例如Fenton試劑與CPAM聯合調理污泥脫水[31]，無機混凝劑聯合殼聚糖調理污泥脫水[32]，優化超聲波聯合絮凝劑強化污泥脫水[33]等。我國白龍港污泥處理廠采用“中溫厭氧消化+離心脫水+部分脫水污泥熱干化”集成工藝，很好地解決了污泥脫水的問題[34]。

時至今日，我國仍存在嚴重的“重水輕泥”的思想，污泥處理與發達國家還存在很大差距。目前，添加絮凝劑已經成為了每一種工藝流程中必備的輔助手段，但在污泥處理過程中應當杜絕絮凝劑產生的二次污染。

總而言之，降低處理成本、減少環境污染、提高脫水效率和效果，是污泥脫水技術發展的方向。

[1] 黨俐，徐岳陽，曹雯，等. 生物法實現污泥減量技術綜述[J]. 廣州化工，2011，39（5）：31-33..

[2] 林浚銘. 活性污泥脫水、干化及混合木屑制備生物質燃料[D]. 杭州：浙江大學，2018

[3] IBEID S,ELEKTOROWICZ M,OLESZKIEWICZ J A. Electro- conditioning of activated sludge in a membrane electro-bioreactor for improved dewatering and reduced membrane fouling [J].,2015,494:136-142.

[4] HE D Q,WANG L F,JIANG H,et al. A Fenton-like process for the enhanced activated sludge dewatering [J].,2015,272:128-134.

[5] 徐明德，李瓊. 污水處理廠污泥的處理及利用[J]. 科技情報開發與經濟，2007，17（1）：155-156.

[6] 李輝，吳曉芙，蔣龍波，等. 城市污泥脫水干化技術進展[J]. 環境工程，2014，32（11）：102-107.

[7] 周亮. 探析城市生活污泥干化技術方法的運用[J]. 低碳世界，2018（5）：22-23.

[8] 姚尚安，污泥深度機械脫水優化與資源化利用研究[D].上海：上海交通大學，2014.

[9] 黃正漢，張韜，周劍峰，等. 污泥深度機械脫水技術的研究與分析[J]. 中國科技縱橫，2017（9）：72.

[10] 鄭志濤. 城市污泥板框壓濾脫水技術研究[D].長春：長春理大學， 2018.

[11] 吳淼，馬星民. 一種污泥深度脫水工藝試驗研究[J]. 徐州工程學院學報，2018（3）：33-39.

[12] 黃珍藝. 城鎮污水處理廠污泥深度脫水機械設備集成及自動化控制系統[J]. 福建建筑，2015（1）：68-70.

[13] 譚萬春. 超聲波聯合化學調理改善疏浚底泥脫水性能的研究[J]. 環境污染與防治，2017，39（12）：1311-1316.

[14] 沈陽. 超聲空化的理論研究及影響因素的模擬分析[D]. 沈陽：東北大學，2014 .

[15] 邱高順. 超聲波法調理污泥脫水效果研究[J]. 化學工程與裝備， 2015（3）：231-233.

[16] 賈舒婷，張棟，趙建夫，等不同預處理方法促進初沉/剩余污泥厭氧發酵產沼氣研究進展[J]. 化工進展，2013，32（1）：193-198.

[17] 殷絢，闕子龍，呂效平，等. 超聲波聲強及處理時間對污泥結合水含量的影響[C]. 全國化學工程與生物化工年會. 2004.

[18] 韓青青，林雪君，李燕敏，等. 超聲波預處理城市水廠剩余污泥的研究[J]. 工業安全與環保，2016，42（10）：96-99.

[19] 邵志國，呂沖. 含油污泥熱處理技術探討[J]. 城市地理，2015（18）：83-84.

[20] 陶祥運. 城市污泥重金屬的鈍化及微生物毒性評價[D]. 合肥：安徽農業大學，2018.

[21] 稂時光，張健，王雙飛，等. 剩余污泥熱水解厭氧消化中試研究[J]. 環境工程學報，2015，9（1）：431-435.

[22] 王治軍，王偉 .污泥熱水解過程中固體有機物的變化規律[ J] .中國給水排水，2004，20（7）：1 -5.

[23] 王玉蘭，余傳戴，林鴻，等. 低有機質污泥高溫熱處理對高溫厭氧消化性能的影響[J]. 福建師大學報（自然科學版），2018，34（3）：70-76.

[24] 張妍青，柳榮展，張賓，等. 低溫熱處理法處理水性油墨廢水污泥[J]. 廣東化工，2016，43（3）：89-90.

[25] 唐建國. 污泥深度脫水中的電滲析脫水機簡介[J]. 給水排水， 2014（11）：85-86.

[26] 李亞林，劉蕾，張毅，等. 電滲透/Fe-過硫酸鹽氧化協同強化污泥深度脫水[J]. 化工學報，2016，67（9）：4013-4019.

[27] 華海潔. 電滲析污泥脫水技術在敦煌市污泥處理中的應用[J]. 給水排水，2015（10）：34-36.

[28] 尹奮平，烏蘭，吳尚，等. 有機高分子絮凝劑在污泥脫水中的應用[J]. 化工管理，2015（26）：106-107.

[29] 李兆輝，鄭曉飛，龐宗強，等. 復合式絮凝劑的發展方向探討[J]. 網絡財富，2010（15）：202-203.

[30] OLADOJA, ABIOLA N. Advances in the quest for substitute for synthetic organic polyelectrolytes as coagulant aid in water and wastewater treatment operations[J]., 2016,3:47-58.

[31] 馬俊偉，劉杰偉，曹芮，等. Fenton試劑與CPAM聯合調理對污泥脫水效果的影響研究[J]. 環境科學，2013，34（9）：3538-3543.

[32] 林霞亮，周興求，伍健東，等. 無機混凝劑與殼聚糖聯合調理對污泥脫水的影響[J]. 工業水處理，2015，35（10）：38-41.

[33] 曹晨旸，李玉瑛. 優化超聲波聯合絮凝劑強化污泥脫水的研究[J]. 工業水處理，2013，33（6）：72-74.

[34] 胡維杰，孫曉，盧駿營. 上海白龍港片區污水處理廠污泥處理處置技術探討[J]. 中國給水排水，2016（2）：1-5.

Review of Sludge Dewatering Treatment Technology

1,1,2,1,1,1

（1. School of Civil Engineering and Architecture, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212005, China;2. Yangzhong City Environmental Health Management Office, Zhenjiang Jiangsu 212000, China）

With the continuous development of China's economy and urbanization level, sewage output increases, at this same time, sludge discharge also increases. How to quickly, reasonably and effectively treat the sludge has become very important. The sludge dewatering is the key problem in sludge treatment. Based on the latest research results and development trends, several sludge dewatering treatment technologies and principles were summarized, the advantages and disadvantages of various technologies were analyzed, and the development direction of sludge dewatering treatment technology was pointed out.

Sludge dewatering; Sludge treatment; Review

巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室開放研究基金項目（項目編號：201908）

2020-04-10

齊永正（1974-），男，安徽省宿州市人，博士，副教授，2008年畢業于南京水利科學研究院巖土工程專業，研究方向：環境巖土、污泥處理。

TU992.3

A

1004-0935（2020）09-1117-04