污泥深度脫水技術(shù)研究進(jìn)展

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)

污水生化處理過程中會產(chǎn)生大量的污泥，這些污泥的含水率通常超過99%，這會造成污泥的儲運(yùn)成本居高不下。一般來講，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)識污泥深度設(shè)備和化學(xué)調(diào)理技術(shù)的適宜性，同時分析了基于高壓脫水過程的污泥化學(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)對污泥脫水性的影響

1.1 EPS(胞外聚合物)對污泥脫水性的影響

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)對污泥脫水性的影響更為顯著。

1.1.2 “雙層EPS”說

不單純以污泥中總體EPS的組成和含量來評判污泥的脫水性，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”說通過將EPS在污泥中的存在形態(tài)在宏觀上進(jìn)行分類，分別研究其對污泥脫水性能的影響。

1.1.3 “多層區(qū)域化”說

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，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)。“多層區(qū)域化”說進(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]的研究顯示二價陽離子架橋理論可以很好地描述生物絮凝過程。Matthew J. Higgins等的研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)水中單價和二價陽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。對于化學(xué)調(diào)整，為了確保高壓脫水過程的效率，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，用于輔助過濾。

2.2.2 高級調(diào)理技術(shù)

高級氧化調(diào)理過程主要是利用氧化、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]。酸堿處理也會導(dǎo)致污泥解絮，雖然可能會增加污泥的脫水時間，但是可以有效提高脫水后泥餅的干度[17]。熱處理對污泥脫水性的影響主要取決于溫度和處理時間，溫度超過120 ℃時，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@些污泥的脫水，傳統(tǒng)技術(shù)存在著脫水效率低、脫水成本高等問題。在過去20幾年，對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)于不加壓電脫水過程，同時要明顯優(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濾桶，在圓筒的上下施加電場，上部帶有活塞加壓裝置[19]。小試研究主要集中在電場條件對污泥電脫水效率的影響、加壓過程對污泥電脫水的影響、化學(xué)調(diào)理技術(shù)和污泥溶液化學(xué)條件對污泥電滲透脫水的影響、電滲透脫水過程中不同反應(yīng)器區(qū)域中污泥理化性質(zhì)的變化特征以及電場施加方式對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)主要通過與現(xiàn)有的加壓過濾設(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)。在焚燒處理過程中，要求化學(xué)調(diào)理藥劑中不能含有對焚燒爐產(chǎn)生腐蝕作用的成分，如酸、氯離子、三價鐵等，無機(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)理過程中要避免使用大量的無機(jī)藥劑，否則會影響發(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，有效地降低了無機(jī)混凝劑的投加量。需要注意的是，這一過程對于PAM的型號要求很嚴(yán)格，低分子量、高離子度的陽離子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，由于污泥溶解效率較高，故高級化學(xué)調(diào)理技術(shù)(如酸堿、熱處理、Fenton等)越來越受到重視，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)勢在于無需投加大量的無機(jī)藥劑來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

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)。化學(xué)調(diào)理技術(shù)需要與污泥的脫水設(shè)備相適宜，無機(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)勢即化學(xué)調(diào)理成本低、脫水效率高和對泥質(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。