污泥脫水性能的影響因素解析

甄廣印,龍吉生,白 力,趙由才

（1.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市　200092；2.上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海市　200040）

污泥脫水性能的影響因素解析

甄廣印1,龍吉生2,白 力2,趙由才1

（1.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市200092；2.上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海市200040）

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市污泥大量產(chǎn)生，環(huán)境污染日益加劇，高含水率特質(zhì)已成為制約污泥無害化處置的關(guān)鍵控制因子。明確污泥脫水性能影響因素，對于污泥強(qiáng)化脫水和安全管理具有重要指導(dǎo)意義。文章系統(tǒng)探討了胞外聚合物（EPS）含量/組分、粒徑分布、Zeta電位（ζ）和黏度等因素對污泥脫水性能的影響規(guī)律與作用機(jī)制，為強(qiáng)化污泥脫水、構(gòu)建污泥脫水技術(shù)新體系提供理論參考。

污泥；水分分布；脫水性能；胞外聚合物

城市污泥組成復(fù)雜，呈膠體狀的絮體結(jié)構(gòu)，具有高度的親水性和持水性，脫水性能極差，含水率通常高達(dá)95 wt.%~99 wt.%。而無論是衛(wèi)生填埋、干化焚燒、厭氧發(fā)酵,還是堆肥都對污泥含水率做出了嚴(yán)格的技術(shù)界定,因此脫水和減量預(yù)處理是污泥處理和處置過程中的重要環(huán)節(jié)。脫水不僅可以減少污泥體積、降低運(yùn)輸費(fèi)用，同時(shí)也易于后續(xù)處置。脫水效率取決于污泥自身特性,其菌膠團(tuán)絮體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(主要包含胞外聚合物、微生物細(xì)胞[1-2]）高度親水[3]，機(jī)械脫水（如板框壓濾等）難度極大。污泥的高含水率特性已經(jīng)成為制約我國污泥無害化處理處置的關(guān)鍵控制因子。因此，明確污泥脫水性能影響因素和作用機(jī)制，對于污泥強(qiáng)化脫水、安全生態(tài)管理和和諧社會順利構(gòu)建，具有重要的指導(dǎo)意義。

1　污泥水分分布及測定方法

根據(jù)水分與污泥顆粒的物理綁定位置不同，Tsang和Vesilind[4]將污泥水分分為4種形態(tài)：間隙水或自由水（free water）、毛細(xì)結(jié)合水（interstitial water）、表面吸附水（surface/vicinal water）和內(nèi)部結(jié)合水（hydration water）。提高污泥脫水效率的關(guān)鍵在于強(qiáng)化顆粒表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水的釋放和去除，而精確測定污泥顆粒水分分布特征及變化規(guī)律則是揭示污泥脫水機(jī)制的核心和前提。近年來研究人員相繼采用低溫干燥法[5]、抽濾法、壓濾法[6]、離心沉淀法[7]、差熱分析、差熱掃描量熱分析[8]和膨脹計(jì)法[9]等試圖通過測定污泥顆粒中不同形態(tài)水分的含量及分布特征，從微觀角度闡明污泥持水和脫水機(jī)理。但由于污泥膠體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和多變性以及研究者在污泥水分分類與分布特征的分歧，分析結(jié)果差異顯著，甚至大相徑庭。

2　污泥脫水性能的影響因素

污泥脫水是污泥處理與資源化過程不可或缺的前處理步驟，也是一種十分有效的減量化手段。然而，污泥脫水性能通常受EPS含量/組分、粒徑分布、Zeta電位（ζ）和黏度等多重因素影響，因此濃縮和脫水難度極大，脫水機(jī)制復(fù)雜。

2.1胞外聚合物（EPS）

胞外聚合物（EPS）是一種聚集在污泥膠體微生物細(xì)胞外的高分子有機(jī)聚合體，主要源自微生物新陳代謝、細(xì)胞自溶和進(jìn)水基質(zhì)，其有機(jī)組分為多糖（PS）、蛋白質(zhì)（PN）以及少量的脂類、核酸（DNA）和腐殖質(zhì)類物質(zhì)（HS）。有關(guān)研究表明，在活性污泥中EPS通常占污泥有機(jī)組分的50 wt．%～60 wt．%，其中70 wt．%～80%的EPS由多糖和蛋白質(zhì)組成[5,10]。EPS因與污泥顆粒的束縛和附著程度不同可分為溶解性胞外聚合物（soluble/slime EPS,S－EPS）、疏松附著型胞外聚合物（loosely bound EPS,LB－EPS）和緊密附著型胞外聚合物（tightly bound EPS,TB－EPS）[11]。S－EPS分布于污泥上清液中；LB－EPS與TB－EPS相連，并由TB－EPS向周圍液相擴(kuò)散，其結(jié)構(gòu)松散，無明顯邊緣，與水分接觸充分；TB－EPS則附著于微生物細(xì)胞外部,與細(xì)胞壁緊密結(jié)合,具有一定的外形。

EPS聚集在污泥顆粒外部形成保護(hù)層，是微生物營養(yǎng)缺失期間重要的碳源和能源儲備庫[12]，同時(shí)也可協(xié)助微生物抵抗苛刻的外部環(huán)境壓力[13]。鑒于EPS在污水污泥處理系統(tǒng)中所發(fā)揮的重要作用，而備受各國研究人員的關(guān)注。如Hessler等[14]發(fā)現(xiàn)EPS含量的增加可有效抑制UV/TiO2對微生物細(xì)胞的溶解和破壞。由此可見，EPS的存在為污泥絮體的形成和穩(wěn)定、微生物的正常生長提供了基本條件，發(fā)揮了不可或缺的重要作用。EPS的存在隨為微生物細(xì)胞提供了良好的保護(hù)作用，但其高度的親水性和持水性也成為污泥脫水的巨大障礙。由于復(fù)雜的菌膠團(tuán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和親水性官能團(tuán)（如羥基）的存在，EPS可改變污泥顆粒的表面特性，增加其黏度和親水性能，故而被視為影響污泥脫水效率的最重要因素之一[15]。近年來，研究人員針對不同類型EPS對污泥脫水效率的影響展開了大量的研究工作[11]，部分學(xué)者的研究結(jié)論如表1所示。

表1　污泥脫水性能EPS與的相關(guān)關(guān)系（括號內(nèi)：p值）

由表1可知，目前的研究工作并未明確揭示不同類型EPS在污泥脫水中所扮演的角色，EPS的作用機(jī)理常因提取方法、污泥種類等的不同而存在差異，甚至相互矛盾。一些研究表明，污泥脫水性能與EPS含量呈正相關(guān)[16]或負(fù)相關(guān)[15]，甚至毫無相關(guān)性存在[25]。也有學(xué)者認(rèn)為脫水性能由EPS中PS/PN的比例而非含量決定[26]。在EPS中，PS和PN分別為正電荷和負(fù)電荷的提供者，PS中含有較高比例的親水性基團(tuán)如羥基，PN則主要由疏水性氨基酸物質(zhì)組成，因此PS/PN比例決定了污泥的表面電荷和疏水性，進(jìn)而影響了污泥脫水。而Feng等[5]聲稱脫水性能與S-EPS含量并非存在簡單的線性關(guān)系。低含量SEPS有助于提高污泥的混凝效應(yīng)，促進(jìn)污泥細(xì)小顆粒的聚沉和脫水性能的提高，最優(yōu)的S-EPS含量為400~500 mg/L。然而S-EPS含量一旦高于最優(yōu)范圍，便會因引入大量EPS結(jié)合水而導(dǎo)致脫水性能嚴(yán)重惡化。Yuan等[27]也報(bào)道了相似的研究結(jié)論，但最優(yōu)的S-EPS含量僅為15~18 mg/L。他們進(jìn)一步揭示，對污泥脫水性能起決定性作用的為LB-EPS，而非TB-EPS。LB-EPS位于污泥顆粒外部，是一種開放的疏松結(jié)構(gòu)，因此更易吸附和攜帶自由水進(jìn)入顆粒內(nèi)部，造成污泥絮體與水分分離難度增大。

作為污泥膠體顆粒的重要組成部分，EPS結(jié)構(gòu)與特性復(fù)雜多變，作用機(jī)制尚無明確定論，技術(shù)體系仍待完善。因此，進(jìn)一步探索和揭示EPS精確角色，對于強(qiáng)化污泥脫水效率、促進(jìn)污泥安全管理和生態(tài)處置、研發(fā)和革新污泥脫水新技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

2.2粒徑分布

粒徑分布被認(rèn)為是影響污泥脫水性能的另一關(guān)鍵因素。一般來講，細(xì)小污泥顆粒所占比例越大，污泥脫水性能就越差。Higgins和Novak[28]指出粒徑為1~100 μm的超膠體顆粒對污泥脫水影響最為顯著，超膠體顆粒極易堵塞污泥濾餅或過濾介質(zhì)，進(jìn)而影響污泥過濾和脫水效率。此外，高比例的超膠體顆粒也能大幅提高顆粒表面積/體積比[29]，這不僅會增強(qiáng)污泥顆粒的水合程度，削弱其脫水性能，同時(shí)也會造成脫水調(diào)理劑劑量的明顯增加。

顆粒的凝聚和增大有利于改善污泥脫水性能已成共識，如Ning等[30]采用制革污泥焚燒灰和陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）耦合調(diào)理污泥，發(fā)現(xiàn)兩者的聯(lián)合作用可有效中和顆粒表面負(fù)電荷，壓縮和破壞雙電層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)污泥顆粒的聚沉，膠體粒徑dp90值升高至5 120 μm（dp90是指粒徑分布中累積體積占90%所對應(yīng)的粒徑值，μm），脫水性能明顯改善。但當(dāng)深入分析污泥水分分布規(guī)律時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，增加污泥粒徑僅可減小毛細(xì)結(jié)合水和表面吸附水含量，內(nèi)部結(jié)合水并未受到明顯影響。事實(shí)上，有效的污泥脫水不僅需要毛細(xì)結(jié)合水和表面吸附水的去除，亦必須實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)合水的釋放，但此過程常伴隨著污泥膠體的破壞和細(xì)小顆粒的釋放。Raynaud等[31]在探索NaCl和pH強(qiáng)化污泥壓濾脫水的實(shí)驗(yàn)研究中曾證實(shí)，NaCl的投加和pH的改變雖可實(shí)現(xiàn)污泥膠體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和破壞，促進(jìn)內(nèi)部結(jié)合水的析出，提高壓濾濾餅含固率，但污泥膠體的破壞也會增加細(xì)小顆粒含量，堵塞污泥濾餅和過濾介質(zhì)，降低脫水效率。因此，探索和確定最佳的臨界粒徑，確保內(nèi)部結(jié)合水的最大化驅(qū)除和污泥濾餅與過濾介質(zhì)的無堵塞過濾是實(shí)現(xiàn)污泥成功脫水的關(guān)鍵。Yu等[32]研究表明，CST、SRF和污泥粒徑dp90存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系（R分別為0.859 6和0.909 6），CST和SRF隨dp90的增加而明顯減小，當(dāng)dp90為120~140 μm時(shí)，脫水效果最佳。Feng等[5]亦研究發(fā)現(xiàn)，CST、SRF和污泥粒徑dp90之間存在顯著相關(guān)性（R分別為0.943 6和0.896 0），且CST和SRF隨dp90的增加呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，最佳的dp90范圍為80~90 μm。Chen和Yang[33]也給出了相似的變化趨勢，但最佳的dp90值為129.87 μm，這與Yu等[32]所得結(jié)果較為相似，但與Feng等[5]存在差異。這種輕微的差異可能歸因于污泥種類、來源和理化特性的不同。

2.3Zeta電位

污泥顆粒由帶負(fù)電的微生物菌膠團(tuán)粒子組成，具有雙電層結(jié)構(gòu)。污泥膠體的帶電特性可以用Zeta電位表示，一般污泥絮體的Zeta電位在-30~-10 mV之間[34]。Lee和Liu[35]測定廢活性污泥的Zeta電位為-11.1 mV。Thapa等[2]報(bào)道的厭氧消化污泥的Zeta電位為-16.97 mV。

Zeta電位與污泥表面疏水性能、EPS組成等密切相關(guān)，是表征污泥顆粒間凝聚和顆粒表面特性的重要參數(shù)。Wilén等[36]研究發(fā)現(xiàn)，活性污泥絮體中EPS是影響污泥顆粒表面帶電的重要因素，且EPS中PN和HS對表面電荷的貢獻(xiàn)最大。Wang等[37]在解析好氧污泥顆?；^程中污泥表面性質(zhì)與EPS變化特性中證實(shí)，T-EPS、PN和PS含量均會影響污泥表面帶電特性，但DNA并無顯著作用。Liao等[38]的研究進(jìn)一步揭示，污泥表面帶電性與EPS中的PN/PS或PN/（PS+DNA）比值有關(guān)，而與PN、PS和DNA含量無關(guān)。Zhang等[39]和Zhu等[40]報(bào)道亦指出，污泥表面疏水性和PN/PS比值呈正相關(guān)。在EPS中，PN和PS分別攜帶正電荷和負(fù)電荷，PN主要由疏水性氨基酸（甘氨酸、丙氨酸等）組成，是污泥表面疏水性的主要貢獻(xiàn)者；PS中的酸性糖則含有高比例的親水性基團(tuán)如羥基，是污泥表面親水性的主要貢獻(xiàn)者[40]。PN中帶正電荷的氨基可以中和部分來自PS中的羥基、DNA中的糖醛酸和羧酸以及磷酸基的負(fù)電荷，降低污泥表面Zeta電位[41]。

Zeta電位的高低決定著污泥膠體顆粒的凝聚和沉降性能的優(yōu)劣，因此在污泥濃縮和脫水過程中，研究人員常通過壓縮雙電層、電性中和等手段，降低膠體顆粒表面電位，強(qiáng)化膠體脫穩(wěn)和凝聚速率，以促進(jìn)污泥固液分離。Guan等[42]研究了低溫（50～90℃）條件下CaCl2調(diào)理（3．7～1 110．0 mg/g DS）對污泥脫水性能的影響，當(dāng)CaCl2投加量從0增加到185．0 mg/g DS、調(diào)理溫度為25℃時(shí)，污泥Zeta電位從－26．20 mV快速降至－7．32 mV;調(diào)理溫度為60℃時(shí)，從－26．40 mV降至－7．25 mV；調(diào)理溫度為80℃時(shí)，從－28．90 mV降至－6．85 mV;隨著CaCl2投加量的繼續(xù)增加，Zeta電位增長緩慢，且逐漸趨近于等電點(diǎn)。低溫預(yù)處理通過溶解污泥PN和PS，釋放更多的陽離子結(jié)合位點(diǎn)和聚合物交互位點(diǎn)，以強(qiáng)化Ca2+的螯合或離子鍵效應(yīng)，壓縮雙電層，降低表面Zeta電位，加速污泥顆粒碰撞聚集，提高其脫水效率。

2.4黏度

污泥屬于非牛頓流體，剪應(yīng)力(τ)與剪切應(yīng)變率（γ）之間呈非線性關(guān)系[43]，兼有粘性和彈性雙重特性[44]，符合Herscher－Bulkly塑性流體方程[45]。極限黏度（μ∞）作為表征污泥流變特性的重要參數(shù)之一，可由在恒定剪切速率條件下隨剪切時(shí)間推移趨于穩(wěn)定時(shí)的表觀黏度（μapp=τ/γ）表示。近年來，有關(guān)極限黏度（以下簡稱“黏度”）對污泥脫水性能影響機(jī)理的研究越來越多，黏度作為評價(jià)污泥流變特性、化學(xué)調(diào)理效率和脫水性能的重要參數(shù)，為污泥調(diào)理與強(qiáng)化脫水工藝的比選和優(yōu)化提供重要信息[16]。Li和Yang[22]在探索胞外聚合物（LB－EPS和TB－EPS）對活性污泥絮凝、沉降和脫水性能的影響研究中發(fā)現(xiàn)，污泥黏度受LB－EPS影響顯著（Rp=0．886，p〈0．05），LB－EPS位于污泥膠體和細(xì)胞外緣，含有大量粘性莢膜、黏液層和其它表面大分子物質(zhì)，因此污泥黏度隨LBEPS含量的增加而增大；他們的研究進(jìn)一步揭示，污泥脫水性能 （SRF）與黏度呈顯著正相關(guān)性 （Rp= 0．943，p〈0．05），黏度增加則脫水性能惡化。Ye等[25]在應(yīng)用高鐵酸鉀（K2FeO4）氧化破解廢活性污泥的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鉀的投加可加速污泥膠體破壞、胞外與胞內(nèi)聚合物的大量溶出和降解，進(jìn)而降低污泥黏度，改善其過濾、沉降和脫水性能。Dentel和Abu－Orf[46]也構(gòu)建了污泥CST與黏度之間的相關(guān)關(guān)系（p〈0．01）。Jin等[16]的研究進(jìn)一步證實(shí)，污泥黏度與結(jié)合水含量（Rp=0．636 7，p=0．0143 5）和CST（Rp=0．756 0，p=0．001 7）存在緊密聯(lián)系，當(dāng)污泥黏度從3．8 mPa·s增加到11．0 mPa·s時(shí)，結(jié)合水含量和CST均明顯升高。Chen和Yang[33]研究亦發(fā)現(xiàn)，污泥黏度和濾餅含水率呈強(qiáng)相關(guān)性（R=0．84），但濾餅含水率隨黏度增加呈先降后升的趨勢，最優(yōu)脫水條件下的污泥黏度為20～25 mPa·s。

2.5其它影響因素

污泥脫水性能的影響因素繁多,除EPS含量/組成、粒徑分布、Zeta電位和黏度外,也常因pH值不同而不同。pH值的波動會引起污泥膠體表面特性的改變，其脫水性能也會隨之改變。如Raynaud等[31]研究發(fā)現(xiàn),污泥膠體的表面電荷量會隨pH的減小而降低，電荷量從pH=9時(shí)的－1．16±0．07 meq gDS－1減小至pH=7時(shí)的－1．00±0．09 meq gDS－1；當(dāng)pH降至3時(shí),表面電荷量進(jìn)一步減小到－0．59±0．06 meq gDS－1。表面電荷的降低主要?dú)w因于液相的H+質(zhì)子對污泥膠體表面負(fù)電荷,尤其是對位于EPS表面帶負(fù)電的官能團(tuán)的電中和作用。Liao等[38]給出的最佳pH范圍為2．6～3．6,此時(shí)污泥表面負(fù)電荷量幾乎為0。Liu等[47]在考察生物淋濾(Fe2+/S0)對污泥脫水的影響研究中得出的最佳pH范圍為2．4～2．7,此時(shí)Zeta電位趨近于等電點(diǎn)(0 mV),脫水性能明顯改善（CST=11．0 s）。Wang等[48]建議的最佳pH為4．8,此時(shí)Zeta電位接近等電點(diǎn),污泥絮凝性能最佳。然而,pH值對污泥脫水性能的影響也常會因調(diào)理脫水工藝的不同而有所差異，如Zhang等[49]以微生物絮凝劑P．mirabilis TJ－F1為調(diào)理劑預(yù)處理污泥時(shí)發(fā)現(xiàn),在P．mirabilis TJ－F1和CaCl2溶液（二者濃度均為1．33 g/L）投加量與污泥體積比為2：3：50、pH 7．5時(shí),脫水性能最佳。而Liu等[50]報(bào)道的Fenton試劑—骨架構(gòu)建體（波特蘭水泥和生石灰）聯(lián)合污泥調(diào)理脫水工藝的最佳pH為5．0。同時(shí),污泥來源不同,其物理組成和理化特性不同,脫水性能也往往相差甚遠(yuǎn)。據(jù)Turovskiy和Mathai[29]報(bào)道,不同來源污泥的脫水性能差異較大,原生污泥較易脫水,厭氧消化則會導(dǎo)致污泥比阻增大,脫水性能變差。

此外,污泥脫水還受膠體密度、堿度、分形維數(shù)、絲狀菌豐度等因素影響。不難看出,污泥脫水影響因素復(fù)雜且交互影響,其自身理化特性也具有實(shí)時(shí)性和非典型性,因此要徹底弄清污泥脫水影響機(jī)制、構(gòu)建通用統(tǒng)一的污泥脫水新技術(shù)著實(shí)不易。

3　結(jié)論

污泥組成與絮體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，脫水性能受諸多因素，如EPS（S-EPS、LB-EPS和TB-EPS）、膠體粒徑分布、Zeta電位、黏度、pH、污泥源、pH和溫度等共同影響。因此，污泥調(diào)理預(yù)處理過程中，系統(tǒng)剖析污泥特性影響機(jī)制及變化規(guī)律，可以為揭示污泥強(qiáng)化脫水核心機(jī)理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。但污泥脫水影響因素復(fù)雜，且影響因素交互作用，復(fù)雜多變，因此要徹底闡明污泥脫水影響機(jī)制、構(gòu)建通用統(tǒng)一的污泥脫水新技術(shù)仍需大量研究和不斷探索。

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Factors Affecting the Dewaterability of Waste Activated Sludge

ZHEN Guangyin1,LONG Jisheng2,BAI Li2,ZHAO Youcai1
(1.The State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,School of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Shanghai SUS Environment Co.,Ltd.,Shanghai 200040,China)

The increase in wastewater treatment activities has been confronted with a dramatically increased amount of waste sludge.A common characteristic of different types of sludge is the high moisture content,which represents a major obstacle for sludge treatment and disposal in an environmental friendly manner.The clarification of factors affecting the dewaterability of sludge is very significant for sludge dewatering and subsequent management.In this review,the effects of extracellular polymeric substances(EPS), particle distribution,Zeta potential(ζ),and viscosity etc.on sludge dewaterability,and responsible mechanisms were illustrated systematically,which will further serve as a theoretical basis for the development of innovative and environmentally friendly technologies addressing the sludge issues.

waste activated sludge;water distribution;dewaterability;extracellular polymeric substances(EPS)

X703

A

1004-4345(2015)04-0056-06

2015-05-14

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（0400219152）;國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（No.51278350）;上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(12231202300)。

甄廣?。?984—），男，博士，主要從事固體廢物處理與資源化研究工作。