綠色生物菌劑協(xié)同化學藥劑對污泥深度脫水的研究進展

李信寶，余 冉，張思源

（1.南京華凈環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 南京 211599；2.東南大學，江蘇 南京 210096）

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，城市用水量不斷增加，污水和污泥的排放量也逐年增加。污泥在濕重狀態(tài)下，其內(nèi)部絕大部分為水分[1]。污泥一般具有含水率極高、病原體繁殖快和致病性微生物的寄生株量高以及含重金屬物質(zhì)及大分子有機物含量高等特點。污泥是污水處理的必然產(chǎn)物，未經(jīng)科學合理處置的污泥進入環(huán)境后，會直接給生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重的二次污染，不但降低了自然界本身的自我修復能力，還會給人類的日?；顒訋韲乐赝{，所以污泥的處理處置成為大眾關(guān)心的焦點問題[2]。為達到“雙碳”的環(huán)保要求，水務(wù)行業(yè)低碳化已經(jīng)迫在眉睫，提高污水處理效能是提高國內(nèi)大循環(huán)效率不可或缺的一環(huán)[3]。通過開展污泥脫水可以降低污泥水分含量并減少污泥體積，不僅便于污泥的運輸、貯存，而且有助于開展后續(xù)的各種無害化處理和處置工藝。

20世紀80年代前，各國在污泥處理領(lǐng)域的研究深度不夠、處理工藝相對粗暴，污泥脫水主要采用自然干化等方式。隨著工業(yè)化及城市化的深入發(fā)展，污泥產(chǎn)量劇增，環(huán)境問題變得愈發(fā)嚴重。各國開始重視污泥廢棄物的無害化、脫水化處理，但從總體來看，污泥脫水的實際應(yīng)用還遠遠落后于理論。我國城市污水處理廠關(guān)于如何合理處理污泥的技術(shù)研究同樣起步較晚，很多污水處理廠只是簡單地進行濃縮脫水，處理不徹底，導致出現(xiàn)運輸壓力大、二次污染嚴重等一系列問題。目前，全國所有污水處理系統(tǒng)中，只有不到的四分之一的污水處理設(shè)施有完善可行的高效污泥穩(wěn)定分離處理設(shè)施裝備和脫水工藝，且污水處理廠分布較為廣泛，與污泥處理集中化的矛盾日益加深。污水處理廠引入快速有效的污泥脫水技術(shù)，從而進行協(xié)同處理的問題亟待解決[4]。目前常見的污泥脫水處理方法有生物脫水、化學脫水、生物菌劑協(xié)同化學藥劑脫水以及其他脫水方法。本文從各種方法的應(yīng)用條件入手，對比分析現(xiàn)有方法中影響脫水的因素及優(yōu)劣性等，重點探究綠色生物菌劑和化學藥劑協(xié)同作用的深度脫水，以期為污泥減量化處理和研究提供參考。

1 常見的脫水方法及特性分析

1.1 生物脫水的原理及特點

生物調(diào)理脫水是一項具有較好污泥脫水效果的技術(shù)[5]，其原理是通過向污泥中添加活性物質(zhì)，高效催化其中含有的大分子有機物，使其降解成小分子物質(zhì)，然后通過細胞膜被微生物利用，同時大量釋放大分子有機物束縛水，從而改善污泥脫水性能。生物脫水技術(shù)可以在較低的溫度條件下進行，因此適用于對溫度敏感的物質(zhì)。生物脫水技術(shù)可以將有機廢物轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)物，還能顯著去除污泥中的重金屬，實現(xiàn)污泥減質(zhì)、減量化[6]。處理完成后排出的有機污泥顆?？裳h(huán)進行生物堆肥并廣泛用作建筑園林綠化肥料及城鎮(zhèn)土地改良用生物營養(yǎng)土。但生物脫水技術(shù)可能會受到微生物種類和數(shù)量的影響，因此對操作條件和環(huán)境因素要求較高，且生物脫水技術(shù)需要較長的處理時間。生物污泥脫水方法按照投入物性質(zhì)可以分為生物酶處理和生物瀝浸。

1.1.1 生物酶處理技術(shù)

生物酶的處理方法是通過投喂生物友好型蛋白質(zhì)酶、纖維素酶液等物質(zhì)來提高污泥系統(tǒng)的脫水性能，但污泥經(jīng)生物酶法處理后，存在一定弊端，如剪切強度差等問題，所以在脫水工程選擇時會有一定的局限性。解決辦法以帶式壓濾機為例，可以通過增加聚合物用量或使用抗剪聚合物，補償離心機所帶來的不利影響[7]。

1.1.2 生物瀝浸技術(shù)

生物瀝浸技術(shù)是近些年新興的一種針對污泥的生物調(diào)理技術(shù)，其利用生物的氧化和酸化能力，將難溶重金屬氧化成易溶的鹽，以達到去除污泥中有毒重金屬的目的。去除的重金屬回收及再利用率高、處理速度快，還可以消除大量病原物。生物瀝浸技術(shù)所使用的菌群一次性投入后可以保持長期效用，省去了部分維護成本。目前，生物瀝浸技術(shù)已經(jīng)工程化應(yīng)用于城市剩余活性污泥的深度脫水。對于不同來源的污泥，生物瀝浸法的脫水效果仍需要進一步研究[8]。

1.2 化學藥劑脫水

化學藥劑脫水方法主要是在污泥中加入具有普適性、無害性、安全性的化學調(diào)理劑，改變污泥內(nèi)部物質(zhì)的形態(tài)。目前常用的化學調(diào)理方法有絮凝脫水法、酸堿法、Fenton氧化法等[9]。

1.2.1 絮凝脫水法

絮凝脫水的主要原理是向污泥中加入絮凝劑，促使其中懸浮的細小顆粒和膠體微粒聚合，形成較大的絮團，隨著絮團體積的增大，其受到重力影響，沉降速度加快，從而能夠更好地進行過濾。目前，絮凝劑根據(jù)化學成分和性質(zhì)可以分為有機絮凝劑、無機絮凝劑和復合絮凝劑。無機絮凝劑制備簡單，原料易得，但需要相關(guān)人員進行深入研究，以確定成分比例，還需要配合靜電中和等方法才能達到水、泥分離的目的；有機絮凝劑因其分子量大的特點，脫水效率更高，但在實際應(yīng)用中需要注意有機物分子鏈的聚合程度；復合絮凝劑在目前的污泥處理過程中也較為常見[9]，其克服了過去單一絮凝劑投入量較大等問題，且具有可靠的污泥脫水性能。

1.2.2 酸堿法

酸堿法脫水的主要原理是將污泥中的某些成分（如某些難溶于水的生物堿）處于酸水液下進行溶解，隨后加入堿水液形成水沉淀從而析出。酸堿法可以改變原污水的可生化性，可有效減少處理時間和處理能耗，所用空間體積較??；其對固體有機物的處理效果明顯，降解能力強，產(chǎn)生污泥量少。

1.2.3 Fenton氧化法

Fenton氧化法主要是指在酸性環(huán)境下，H2O2在Fe2+的作用下，會產(chǎn)生羥基自由基（OH），其具有強氧化能力，可以引起連鎖反應(yīng)，并引發(fā)更多活性氧進行反應(yīng)，提高有機物的降解率。該法以O(shè)H的產(chǎn)生為反應(yīng)的開始，其他的各種活性氧基團作為整個鏈上的中間節(jié)點，直到各種活性氧被完全反應(yīng)，導致反應(yīng)終止。Fenton氧化法處理后會產(chǎn)生少量CO2和H2O等無機物，對大氣環(huán)境污染較小。其氧化速度快，只需要0.5～2小時即可完成，相關(guān)人員可以根據(jù)輸入污水的水質(zhì)進行調(diào)控，改變處理條件。該法可操作性強，投資成本只有一般化學方法的三分之一到四分之一。

1.3 綠色生物菌劑與化學藥劑協(xié)同脫水

生物酶-化學藥劑聯(lián)合技術(shù)與常見的污泥調(diào)理方式相比，能取得更好的脫水效益，具有安全、溫和的特點[10]。在性質(zhì)上，生物菌劑與化學藥劑的融合制劑具備廣譜的pH值和溫度適應(yīng)性，能夠應(yīng)對惡劣的環(huán)境條件，深度脫水效果好，脫水質(zhì)量高。在經(jīng)濟效益上，該技術(shù)后續(xù)所需設(shè)備投資少、操作簡單、流程類似，使用不同的接種物和調(diào)理劑即可對不同污泥進行脫水處理，并且沒有二次污染，具有良好的社會及經(jīng)濟效益。圖1為某生物方法脫水的流程圖。

圖1 某生物與化學協(xié)同方法脫水流程圖[10]

馬宇浩[11]根據(jù)生物酶聯(lián)合氧化法，提出了一種生物與化學協(xié)同作用提高污泥脫水性能的方法，此方法致力于研究一種或多種生物酶與氧化法結(jié)合并聯(lián)合作用于污泥，加強脫水性能，篩選出能高效破壞污泥EPS的生物酶。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建生物酶聯(lián)合氧化法污泥調(diào)理體系，深入探究生物酶和氧化法聯(lián)合調(diào)理體系提高污泥脫水性能的內(nèi)在機制[11]。但該法在應(yīng)用中，由于實際工業(yè)條件惡劣，對生物酶的活性有一定影響，且在時間成本上還有待突破。

1.4 其他方法

1.4.1 自然干化

自然干化通常分為曬沙場、干化廠兩種方法。曬沙場是針對沉砂池中的沉渣進行脫水的一種方法，后者通常用于處理各類混合式污泥的沉積脫水。污泥干化廠處理方法技術(shù)水平比較落后，但是對工業(yè)污泥脫水處理較為簡便實用，其主要除水分的方式包括滲透、蒸發(fā)、撇除等。由于地理環(huán)境狀況的明顯差異和處理污泥所含污染物成分的明顯不同，脫除水所含的有害物質(zhì)也不同。這種脫水方法具有較長的脫水周期，日常維護管理難度大，并且污泥通常會伴有刺激性氣味，對環(huán)境影響較大，一般適用于村鎮(zhèn)型小型污水處理廠。

1.4.2 污泥濃縮

污泥濃縮通常粗略劃分為四類：重力濃縮、氣浮濃縮、離心濃縮、水力旋流濃縮。污泥濃縮是一種可以迅速有效減小污泥容積并較為成熟安全，且經(jīng)濟效益較高的處理方法。無論選用何種方式來凈化處理污泥，污泥的濃縮處理均是必不可少的環(huán)節(jié)。

1.4.3 機械脫水

機械脫水可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)來實現(xiàn)不同的脫水效果，適用于各種類型的脫水，包括固體、液體和氣體。

機械脫水設(shè)備類型有廂式壓濾機、板框壓濾機、廂式高壓壓濾機等，還有多種新興機械脫水技術(shù)，如電滲透污泥深度脫水技術(shù)、新型LCSS離心脫水技術(shù)等[12]。其中，板框壓濾機能耗最高[13]。近年來，廂式壓濾機技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，尤其是在生物活性污泥處理和有機親水性污泥處理領(lǐng)域，已經(jīng)被用作污泥脫水的主要設(shè)備。廂式壓濾機的主要運行方式是通過壓濾布上的機械張力和空氣壓力對污泥物料進行機械擠壓以達到脫水目的，而且不需要真空機或空氣加壓處理設(shè)備等各種輔助設(shè)備，電能消耗量較少，可以真正實現(xiàn)長時間的連續(xù)脫水操作。其穩(wěn)定脫水效率只取決于濾布擠壓能力，即使在負荷不穩(wěn)定的工況下，仍然可以穩(wěn)定地完成脫水工作。

但機械脫水受制于設(shè)備，當機械脫水設(shè)備因壓力逐步提高導致運行成本上升，此時選用必要的污泥調(diào)理技術(shù)可以有效彌補機械脫水設(shè)備的不足，機械脫水設(shè)備與污泥調(diào)理技術(shù)的協(xié)同配合使用尤為重要[14]。

1.5 幾種常用脫水方法的性能對比

目前幾種常用脫水方法的性能對比如表1所示。

表1 幾種常用脫水方法性能對比

污水隨著經(jīng)濟的發(fā)展而逐漸增多，從而對過量污泥的處理提出了更高的技術(shù)要求[15]。使用傳統(tǒng)的單一方法對污泥進行深度脫水已經(jīng)不能滿足污泥脫水高效、低能耗的標準，最為經(jīng)濟可行的發(fā)展方向是利用生物化學方法來達到過量污泥的減量化[15]。綠色生物菌劑協(xié)同化學藥劑對污泥深度脫水技術(shù)應(yīng)運而生，由于其環(huán)境適應(yīng)性強，可以根據(jù)不同污泥性質(zhì)進行針對性處理的特點，使得這項技術(shù)應(yīng)用具備廣泛的發(fā)展前景，可能會在未來成為污泥深度脫水的重要研究方向。

2 結(jié)論與展望

結(jié)論與展望：（1）常見的脫水方法有生物脫水、化學藥劑脫水、綠色生物菌劑與化學藥劑協(xié)同脫水、基于物理方法的其他脫水方式等，其中生物菌劑與化學藥劑協(xié)同作用脫水方法經(jīng)過一系列實驗探究和實際項目測試，污泥中水分減量率較其他現(xiàn)行方法更高，剩余污泥脫水與處理成本比常規(guī)工藝更加節(jié)省，具有環(huán)境適用性強、脫水質(zhì)量高、投資少的優(yōu)點。（2）生物菌劑與化學藥劑協(xié)同作用脫水技術(shù)雖在技術(shù)、經(jīng)濟效益等方面存在較為顯著的優(yōu)勢，但是其對生物菌種和化學藥劑的匹配性要求高，投入實際生產(chǎn)仍涉及較多的技術(shù)難題需要攻關(guān)和進一步探究。建議相關(guān)人員加大對生物與化學協(xié)同脫水的科技研發(fā)力度，生物與化學協(xié)同作用提高污泥脫水減量性能，可能成為未來城市污水處理的應(yīng)用熱點及污泥脫水處理的新趨勢。（3）在未來的科技進步和政策支持下，積極推動污泥脫水領(lǐng)域的研究和應(yīng)用實踐將有助于實現(xiàn)對污泥的有效處理和資源化利用?；诔鞘锌沙掷m(xù)發(fā)展及低碳運行理念，并考慮我國不同地區(qū)的不同污泥特性，“因地制宜，多種處理技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用”的技術(shù)框架，在未來城市污水污泥處理領(lǐng)域中的發(fā)展前景值得關(guān)注。