化學調理對污泥脫水性能影響的薈萃分析

夏玉坤，陳柏校，王 成，洪根惠，李 林

（杭州國泰環保科技股份有限公司，浙江杭州 311200）

本文利用薈萃分析（meta-analysis），針對無機金屬鹽類與有機高分子絮凝劑，分析其種類和投加量對消化污泥、濃縮污泥、底泥、藍藻泥等脫水性能的影響，評估污泥含水率、SRF、CST指標表征污泥脫水的合理性，以系統性評價脫水效果。

1 研究方法

1.1 文獻來源

本研究基于知網數據庫，檢索規則為：主題=污泥脫水 AND 主題=化學調理 AND 主題=脫水性能 AND 摘要=含水率 AND 摘要=污泥比阻 AND 摘要= 毛細吸水時間。時間為1998年至2021年12月30日。搜索文獻共計230篇，經過篩選共有30篇文章符合 要求。

1.2 數據處理與統計分析

篩選文章數據，使用GetData軟件提取數據。薈萃分析采用合并效應量RR和95%置信區間CI（Metawin計算）：RR = In和為實驗組和控制組數據均值，變化率評價調理效果：變化率（%）=（eRR-1）× 100%。

2 結果與討論

2.1 化學調理后污泥含水率的變化

1998——2017，年化學調理污泥研究文章數量穩步增加，其后數量逐年下降（圖1）。含水率是污泥脫水效果最直觀的指標。化學調理前污泥的含水率范圍一般為75.3%～93.3%，投加后通常降低到71.1%～90.8%。印染、造紙污泥的變化率較低，堆積污泥調理后的含水率變化最大為6.8%。

圖1 知網歷年發表的相關同行評議論文數量（1998—2021年）

2.2 對污泥比阻的影響

一定壓力下過濾時單位質量污泥單位面積上的阻力為污泥比阻（SRF）。SRF越大，表面污泥越不易脫水。SRF最高為濃縮污泥，最低為剩余污泥（表1）；因測試技術和處理污泥種類不同，其一般范圍為（5～45）×1012m/kg（圖2d）。化學調理對SRF效果尤其顯著，變化率最高為98%（二沉池污泥），變化率最低為7%（濃縮池剩余污泥）。

表1 納入SRF薈萃分析的樣本基本特征

除造紙污泥外，化學藥劑對SRF的RR值都為負值（圖2a），說明投加藥劑可以降低SRF，使污泥更易脫水。剩余污泥變化率最大為90.3%，而印染污泥和造紙污泥效果不顯著。

圖2 不同種類和濃度的化學藥劑對不同種類污泥SRF的影響森林圖

常用調理藥劑PAM、PFS、FeCl3、PAC和Al，除PFS外其他調理劑都可以減小SRF（圖2b）。聚合類（PAC、PFS）對SRF的影響效應百分比高于無機鹽單體調理劑FeCl3和鋁鹽，有機調理劑（PAM）顯現出較低的變化率（57.1%）。

實際工程往往針對特定污泥通過實驗確定最佳投加量，圖2c顯示投加量過低（0%～0.1%）或過高（20%～30%）時，95%CI觸碰到零，均不利于降低SRF。投加量為0.1%-2%范圍的樣本量最大，2%～10%次之。

2.3 對毛細吸水時間的影響

毛細吸水時間（CST）為污泥在吸水濾紙上滲透一定距離的時間，一般為10～300s（圖3d），CST越長脫水性能越差[19]。汪毅恒等[20]研究市政污泥水解液SRF（3282s）遠高于其他污泥（250s以下，表2）。化學調理對CST效果尤其顯著，變化率最高為98%（市政污泥水解液），變化率最低為7%（二沉池濃縮污泥）。

表2 納入CST薈萃分析的樣本基本特征

投加化學藥劑縮短了CST，有利于污泥脫水（圖3a），污泥種類對CST的效應值最大。經調理后，濃縮池污泥、底泥、剩余污泥和消化污泥的CST效應量逐步遞增，而SRF效應量遞增的順序則為濃縮污泥＜底泥＜消化污泥＜剩余污泥，表明化學調理對消化污泥和剩余污泥的處理效果最好，可能是因為其中含有較多微生物和胞外聚合物。

投加PFS后污泥CST的變化幅度較大（圖4b），說明部分污泥不適用PFS調理。與前述投加有機藥劑PAM對SRF的影響效應比最小不同，高分子調理劑包括PAM、陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）和PAC對CST影響較大，而小分子FeCl3對CST影響相對較小。高分子調理藥劑的吸附架橋功能可有效加速污泥顆粒聚集成團[7]，但PAM易與水分子通過氫鍵結合，產生較多結合水[22]，在污泥比阻測試中，自由態水被迅速脫除，而結合水則很難被脫除。

投加過低（0%～0.1%）或過高（20%-30%）調理藥劑，CST效應比的波動幅度范圍都較大，說明此時藥劑調理效果有限，甚至增加CST（圖3c）。投加化學藥劑對SRF的總效應值為-0.27，CST的總效應值為-1.47。

圖3 不同種類和濃度的化學藥劑對不同種類污泥CST的影響森林圖

綜上所述，污泥種類是影響污泥脫水性能最關鍵因素，污泥化學調理的關鍵是根據目標污泥理化性質選擇合適的化學藥劑，如通過動態投加化學調理藥劑實現實時控制調節。

2.4 敏感性分析

SRF的卡方值較大（表3），說明SRF的所有數據結果之間存在異質性。=分析表明，SRF的P值小于0.05，CST的P值大于0.05，說明SRF的薈萃分析存在發表偏倚，CST則不存在統計發表偏倚。二者的失效安全數值均較大，證明薈萃分析結果的可靠性。

表3 異質性分析和發表偏倚評價

3 結語

對已發表化學調理對污泥脫水相關文獻數據進行薈萃分析，表明污泥種類對污泥SRF和CST的影響效應最大，對SRF影響依次為：剩余污泥 ＞ 消化污泥 ＞ 底泥 ＞ 濃縮污泥，對CST的影響依次為：市政污泥水解液 ＞ 消化污泥 ＞ 剩余污泥 ＞ 底泥 ＞ 濃縮污泥，印染污泥和造紙污泥化學調理效果較差。調理劑最佳投加量范圍在0.1%-2%和2%-10%。實際應用中根據目標污泥的理化性質選擇合適的化學 藥劑。