城市污水污泥深度脫水技術研究

馮 霞

（無錫市博雅匯環保科技有限公司，江蘇 無錫 214000）

污泥焚燒已經成為符合我國國情的一種處理處置方式，比較典型的焚燒路線為投加高熱值的煤與高含水率的污泥直接摻燒，或者通過外加熱源干化后焚燒，這種焚燒是用一次能源消耗污泥熱值的一種方式，不僅在經濟上不合理，而且必然造成能源浪費等問題。因此，目前最大程度的降低污泥含水率是基于污泥焚燒處理處置方式的研究重點。由此產生的污泥深度脫水技術作為焚燒前處理技術，在逐步得到污泥處理處置領域的認可，污泥深度脫水后不加熱源自持焚燒或稍加熱源進行焚燒處置，可實現污泥的最大化減量和能源回收。

1 城市污水污泥脫水機理

污泥脫水即是脫出污泥中的水分使其含水率降低到一定程度。而污泥脫水的方式為通過外加能量或藥劑以改變污泥絮體結構，使污泥中水更易分離，達到最終脫水的目的。根據水分與污泥顆粒的結合方式可將其分為束縛水和自由水，其中束縛水又根據其結合力的不同細分為間隙水、表面水、結合水。自由水與污泥顆粒依附關系較小，束縛水與污泥顆粒結合緊密，不同形態水分所需的能量不同。自由水在脫水過程中較容易去除，束縛水是限制污泥脫水效率的重要因素之一，去除該部分水分需要較大的能量，去除各種水時污泥含水率的變化趨勢與之相關。因此，可根據污泥中液相與固相的結合形式及不同污泥處理處置的含水率要求，采用較為適宜的脫水技術。

2 污泥脫水影響因素

污泥的脫水性能與其絮體的組分、性質密切相關，如污泥胞外聚合物（EPS）及表面電荷的變化、粒徑分布的變化等都會對污泥脫水起決定作用。總結污泥脫水的限制因素，主要分為以下三種：膠體顆粒物的難沉降性能、EPS 對水的高親和力以及污泥固體的強壓縮性。其中混凝或絮凝作用有利于提高污泥的沉降性能，用不同的技術釋放EPS中的水分，添加骨架構架物有利于減弱污泥的可壓縮性。污泥脫水的機理與以上三種限制因素密切相關，只要改善其中一種或幾種都將提升污泥的脫水性能。

2.1 膠體顆粒物的難沉降性能

污泥顆粒具有雙電子層結構，雙電子層是指膠核外的吸附層和擴散層，即污泥中含有大量的膠體分子，膠體分子聚合而成的膠體微粒稱為膠核，通常將膠核和吸附層合在一起稱為膠粒，膠粒與擴散層形成膠團。而污泥膠粒一般帶負電，當加入陽離子電解質時，陽離子就會涌入擴散層甚至吸附層，增加雙電子層的陽離子濃度，使擴散層變薄，膠核表面的負電性降低，雙電層間距變小被壓縮，顆粒間的靜電斥力就會降低，膠粒聚集能力增強，沉降性能增強。

2.2 胞外聚合物（EPS）

EPS 是活性污泥的最重要組成部分之一，它的分子量、化學性質和結構對污染物去除和污泥特性有特殊的重要性。EPS 主要為蛋白質、多糖等高分子物質的統稱，影響污泥絮凝、沉降和脫水等性質。EPS 含量的變化導致污泥處理難度增大由于以下幾個因素：細胞間斥力增加、減弱了污泥顆粒絮凝性能；EPS 中親水性物質保留大量的水并增加了間隙水的含量；形成的穩定類膠體結構阻止水從絮體孔中滲出；在過濾介質與污泥泥餅之間形成薄層堵塞水的通道；污泥粘度增加等。

2.3 污泥固體的強壓縮性

污泥顆粒因其復雜的膠體結構特性，使污泥在機械脫水過程中，因污泥膠體特性，體積逐漸減小的速率逐漸減小，過濾介質表面逐漸被膠狀泥餅覆蓋，使污泥進一步壓濾脫水難度增大，污泥的比阻會隨壓力的增加逐漸增大。由于污泥的高壓縮性導致污泥顆粒受到壓力時容易變形，濾餅增厚同時也導致泥餅與濾布接觸的過濾孔隙堵塞，最終降低了污泥的脫水性能。如何提高污泥泥餅的孔隙率降低可壓縮性成為研究的新方向，其研究內容主要集中在選用價廉易得且具有高的孔隙率和堅硬結構的環境友好材料作為過濾助劑并充當骨架構建體以降低污泥的壓縮性。

3 污泥脫水研究進展

常規的污水處理廠污泥處理方式為采用帶式壓濾機等低壓設備對污泥進行脫水處理，泥餅含水率在80%左右，含有大量水分，污泥不利于后續處置方式的實施。污泥深度脫水技術是指通過對污泥進行預處理，破壞污泥絮體結構，釋放束縛水，使污泥的脫水性能進一步增強，再進一步借助如板框壓濾機等高壓設備進行壓濾處理，脫水后污泥泥餅含水率達到60%左右的脫水方式，常規脫水逐步被深度脫水所替代。同時有研究表明，單純維持高壓對污泥進行壓濾，由于污泥具有高壓縮性而不能實現深度脫水。所以，深度脫水主要關注點在于前期藥劑的調理，后續以高壓設施作為輔助實現深度脫水效果。為了提高污泥的脫水性能，合適的調理是污泥脫水的前提條件，而調理的目的主要為改變污泥脫水的三大限制因素，使其有利于脫水，當前已知的預處理類型主要分為物理、化學、生物調理三種類型。

3.1 物理調理

早期的物理調理方法中，關于以加熱和冷凍為污泥預處理的研究較多，但加熱法由于外加能量而導致加熱調理技術所需的費用較高，該方法存在能量浪費且經濟適用性較差。同時與之相反的冷凍調理技術也同樣受地域氣候等條件的影響，因此這兩種技術推廣使用難度較大。當下科研工作者不斷研究新的調理技術，其中以超聲波調理、微波調理及電滲透脫水技術為主導，除此之外，磁場對污泥性質的影響也在不斷研究中。對于物理調理，如熱水解、凍融、生物骨架添加等環境友好型預處理方式的研究較少。最經典的物理調理是添加多孔惰性礦物質，如飛灰、石灰、石膏或者含碳材料，如煤、木屑、麥糠、甘蔗渣、稻殼粉和褐煤等，這些惰性物質在污泥壓縮過程中作為助凝劑或者骨架結構提高污泥的機械強度、減小污泥的可壓縮性、提高固體物質的可滲透性。這些調理劑易形成污泥的剛性晶格，當污泥被壓縮時能夠保持多孔滲透的性質。碳材料由于其低灰分、高熱值、高孔隙率而優于礦物材料的污泥調理劑，不但能夠提高污泥的脫水性能，也能夠有利于以焚燒為基礎的處理處置形式，總體上提高了其經濟學意義。污泥經過褐煤調理后，提高了濾餅的孔隙率和可壓縮性，降低了污泥泥餅脫水的阻力，提高過濾速率，降低能耗。物理調理可以單獨用于污泥脫水，或者結合化學調理協同污泥脫水。

3.2 化學調理

化學調理是以加入化學藥劑的方式通過化學作用改變污泥特性，化學藥劑類型主要包括酸、絮（混）凝劑、表面活性劑、氧化劑等。目前因化學調理效果好、操作簡單而被廣泛使用。化學藥劑主要分為傳統無機絮（混）凝劑、新型有機絮（混）凝劑、復合絮（混）凝劑。傳統無機絮（混）凝劑按分子量大小可分為無機低分子絮（混）凝劑和無機高分子絮（混）凝劑；新型絮凝劑主要包括合成有機高分子絮凝劑、天然高分子絮凝劑和微生物絮凝劑等；復合絮凝劑是由多種無機、有機絮凝劑制備或復配而成的。

化學調理污泥可以在兩個層面上解釋：電荷中和與粒子架橋作用。對于一種給定的絮凝劑，增加絮凝劑的投加量到一個最佳劑量，絮體趨于穩定，產生大且密實的絮體，且毛細吸水時間最小。所以絮凝劑的最佳投加量應該是被控制的，過量投加絮凝劑會增加運行成本，同時降低污泥脫水性能，增加對人類和生態系統的破壞。不同種類的絮凝劑的評論綜述研究表明，絮凝劑用于水處理系統被歸類為陰離子、陽離子和非離子型。雖然這些絮凝劑有些是可以生物消解的，但通常對人類和水生動植物是有毒性的。鹽和pH 的改變都能改變絮體結構，小顆粒物被釋放。絮體結構的破壞主要是因為表面電荷的增加（如氯化鈉和氫氧化鈉的添加）以及EPS 的溶解，因此導致過濾速率的降低。另一方面絮體結構的破壞釋放部分水有利于水的去除，而減少泥餅的含水率。從實用性來講，利用鹽或者pH 處理污泥似乎是比較難的，鹽和堿的處理都減小了過濾動力，但由于細小顆粒的釋放導致處理周期增長，在工業規模中并不適用。酸處理雖然提高了脫水速率，但不利于后續的處置。

3.3 生物調理

生物或酶對污泥的預處理主要通過EPS 的水解作用弱化絮體的膠體結構，以提高污泥的脫水性能。酶是蛋白質，具有環境友好型的特點，這種方法對于取代對人類和生物有毒性的高分子聚合物是十分理想的。有研究通過工業纖維素酶、蛋白酶、脂肪酶，單一或結合，可以有效減少厭氧消化處理的固體量。發現在相同投加量情況下混合酶消減總固體量為30%-50%，同時可提高污泥的沉降性能。低投加量（10-15g/m3）市場上可以買到的酶Enviro-Zyme 216調理厭氧消化污泥，通過CST 和最終的含固率可以看出明顯提高了污泥的脫水性能。

4 城市污水處理廠污泥處理處置路線

4.1 污泥處理現狀

通過調研無錫市十座污水處理廠污泥脫水處理的現狀，對各個污水處理廠污泥處理設備和含水率等作出總結，無錫市污水處理廠的污泥脫水處理主要包括兩種形式，即常規脫水和深度脫水。常規脫水主要指濃縮池污泥經PAM等化學藥劑調理后采用帶式壓濾機或離心脫水機等進行脫水，脫水后泥餅含水率在80%左右的一種脫水形式。深度脫水是指通過復配藥劑對污泥進行調理后，采用板框壓濾機進行后續脫水，脫水后的泥餅含水率在60%左右的一種脫水形式。可將含水率60%作為常規脫水和深度脫水的分界點，隨著污泥相關標準的更加嚴格，常規脫水后含水率在80%左右，逐漸不能滿足相關的標準。根據前期無錫市十座污水處理廠的調研結果可知，污泥處理主要以脫水為主，深度脫水污泥量約占總處理量的64%，常規脫水占44%，常規脫水的污泥大部分運往污泥處置中心進行稀釋二次深度脫水，因此無錫市城市污泥處理方式主要以深度脫水為主，深度脫水主要分為兩種：化學調理+板框壓濾、生物瀝浸+板框壓濾，主要以前者為主。化學調理+板框壓濾過程中化學調理藥劑一般選取的為低分子無機藥劑協同高分子絮凝藥劑進行調理，無錫污泥調理藥劑主要為氯化鐵、生石灰、聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺等藥劑。目前，無錫市常規脫水污泥大部分運往具有污泥深度脫水設施的廠區稀釋至含水率95%左右，進一步調理后進行深度脫水。但常規深度脫水技術也產生了一系列的問題，如投藥量大、化學藥劑易造成二次污染、污泥有機物含量下降、壓濾液水質惡化，增加污水處理負荷等問題。

4.2 污泥的預處理

為了提高脫水性能，污泥需要預處理，而污泥預處理須針對其限制因素予以克服和突破。化學調理劑是絮凝固體顆粒物，可提高污泥的沉降和過濾性能，添加飛灰、木屑廢棄物等物理方法能夠起到骨架和助凝劑的作用，提高泥餅的多孔性和可壓縮性。同時碳基材料作為物理添加劑，因無機材料具有多孔性而具有更好的效果。此外，碳基材料具有低灰分和高熱值尤其是當污泥最終用于焚燒時，這種材料由于價廉和環境友好，如果能夠具有較好的脫水效果，將極具市場前景。

4.3 深度脫水技術

污泥深度脫水技術是指對脫水污泥進行預處理，通過物理、化學或生物作用破壞污泥絮體結構，盡可能的釋放吸附水、結合水和胞內水，提高污泥脫水性能，并進一步借助有效措施使污泥處理后含水率達到60%以下的脫水技術。其中前期對污泥的調理主要是改變污泥脫水的三種限制因素，即膠體顆粒物的難沉降性能、胞外聚合物對水的高親和力和污泥固體的強壓縮性。研究表明，EPS 對污泥的束水容量具有重要作用，污泥中大部分的束縛水在EPS 中，因此，目前EPS 被認為是影響污泥脫水性能的最主要因素。由于污泥具有高壓縮性，單純維持高壓不能快速實現深度脫水，因此深度脫水主要關注點與重點在于前期的污泥調理，后續高壓設施則作為輔助實現深度脫水的目的。

5 結束語

因我國污水處理廠建設初期存在“重水輕泥”的現象，污泥處理處置設施不夠完善，致使污泥大量積壓。因此，減量化是目前我國污泥處理流程中重要的環節。目前污水處理廠污泥處理處置系統的主要瓶頸是污泥脫水。現階段我國污泥深度脫水普遍采用化學調理方式，板框壓濾使污泥達到減量、減容的脫水效果，滿足了后續焚燒、填埋等處置方式的要求，成為了我國污泥減量化的主流技術。由于國內污泥有機物含量低、含砂量高等原因，導致國外較為成熟的污泥處理處置技術在國內應用受到重重阻礙。目前國內污泥處理形式較為單一，基本以脫水為主，且以氯化鐵、生石灰、聚丙烯酰胺等化學藥劑組合的深度脫水技術得到了廣泛應用，而化學調理造成二次污染的風險較大。