不同預(yù)處理技術(shù)對污泥深度脫水的影響

陳思，沈哲，楊亞萍，吳奇

(西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院，陜西 西安 710077)

污水污泥是廢水處理過程中不可避免的副產(chǎn)物，含有大量病原體、微生物及重金屬等有害污染物，具有含水量高、成分復(fù)雜、處理成本高等特點。作為污泥處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，脫水可以最大程度地減少污泥量、促進運輸，減少污泥填埋場的滲濾液產(chǎn)量，極大地減少污泥后續(xù)處理處置成本。然而，污泥固體濃度、污泥絮凝粒度與強度、pH、離子強度以及污泥胞外聚合物組成與結(jié)構(gòu)等都會對污泥脫水性能產(chǎn)生巨大的影響，傳統(tǒng)“污泥濃縮→化學(xué)調(diào)理→機械脫水”處理工藝只能將污泥含水率降至80%左右，已不能滿足污泥處置中對泥餅含水率的要求[1]。此外，污泥還屬于一種非均質(zhì)的膠體系統(tǒng)，小的污泥顆粒在水中極易形成穩(wěn)定的懸浮液，采用機械壓力很難實現(xiàn)固相與液相分離[2]。因此，開發(fā)高效污泥脫水技術(shù)與工藝，全面提高污泥的脫水性能，成為當(dāng)下污泥處理與處置的重要研究方向。

1 污泥中水的組成

污泥中的水通常分為游離水、間隙水和結(jié)合水，其中，污泥顆粒間自由移動的游離水及污泥絮凝物之間的間隙水約占污泥總水分的90%以上，絕大部分可采用機械脫水除去，常用的脫水裝置包括低壓脫水(如：離心機和帶式壓濾機)和高壓脫水(如：板框式壓濾機和膜式壓濾機)等[3]。結(jié)合水僅占污泥總水量的10%左右，主要為胞外聚合物及細胞內(nèi)的結(jié)合水，很難通過機械作用去除，只有通過混凝、高溫、生物降解、化學(xué)氧化等手段對污泥顆粒進行改性和調(diào)節(jié)，或?qū)ξ勰嗟募毎?、膠體及胞外聚合物的組成與結(jié)構(gòu)進行破壞，使結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x水才能達到深度脫水的效果。

2 污泥深度脫水方法

胞外聚合物(EPS)占污泥總量的60%～80%，主要包括多糖、蛋白質(zhì)、腐殖酸等天然有機物質(zhì)。先前的研究表明，EPS是決定污泥脫水的關(guān)鍵因素，并對污泥表面電荷、絮體穩(wěn)定性等理化性質(zhì)具有顯著影響[4-5]。因此，現(xiàn)有大部分污泥深度脫水方法都圍繞著如何調(diào)節(jié)EPS和污泥細胞的組成與結(jié)構(gòu)展開。常見的方法包括以下幾種。

2.1 物理法

物理法主要是指向被污泥中投加某些不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的骨架助洗劑或助濾劑或諸如電、熱等其他物理輔助手段，以此降低污泥的可壓縮性，改善壓縮過程中的滲透性等[6]。

2.1.1 添加多孔材料 在壓縮過程中，污泥內(nèi)部的排水通道受機械作用擠壓關(guān)閉，使得污泥表面形成致密層，導(dǎo)致污泥深度脫水過程受阻，脫水性能大幅度下降。此時，一定量的多孔材料(例如：粉煤灰、沸石、褐煤、石膏以及纖維等)的存在可充當(dāng)骨架來支撐污泥內(nèi)部通道，促使污泥內(nèi)部的水分流出，從而有效改善污泥的脫水性能。

Wu等[7]利用生物炭在污泥體內(nèi)構(gòu)建了多孔結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果表明，當(dāng)生物炭的添加量為70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，濾餅的含水率可從76.9%降至70.3%。Liu等[8]通過實驗驗證，添加一定量的木屑可顯著提高污泥的脫水率，且隨著添加劑量的增加，污泥深度脫水的程度也得到了明顯改善。李建等[9]以改性粉煤灰為主要添加劑，利用高壓帶式連續(xù)脫水設(shè)備將污泥平均含水率從79.80%降至55%，與改造前石灰干化工藝相比具有污泥減量效果好、處理費用低的顯著優(yōu)勢。盡管如此，多孔材料的添加常常會增加脫水污泥的最終體積，增加處置成本。此外，所添加的多孔材料大小受到限制，粒徑過小易造成過濾介質(zhì)堵塞，影響污泥的處理效果，因此，這一方法常作為輔助措施與其他方法聯(lián)合使用，以達到較好的綜合脫水效果。

2.1.2 熱處理與冷凍處理 熱處理通常是指在40～180 ℃條件下，凝膠狀污泥絮凝物受熱分解，污泥絮體內(nèi)的細胞壁破裂、菌膠團表面微生物及其代謝產(chǎn)物溶解，大量脂類、多糖物質(zhì)溶解，蛋白質(zhì)釋放，污泥絮體黏度降低，使得污泥的過濾性和脫水性能提高的污泥預(yù)處理方法[10-11]。凍融處理則是通過循環(huán)冷凍/融化污泥的過程改變污水污泥的絮凝結(jié)構(gòu)，降低污泥黏度、減弱污泥和內(nèi)部水的結(jié)合力、將小顆粒凝集成大顆粒，從而達到污泥深度脫水的目的。

陳悅佳等[12]分別在-20，-10，-5 ℃下對污泥進行凍融預(yù)處理，實驗結(jié)果表明，凍融后的污泥具有較大粒徑分布和更好的脫水性能，且在選定溫度條件下，冷凍溫度越低，污泥脫水性能越好。這是因為當(dāng)溫度足夠低時，污泥顆粒周圍的水冷凍形成冰晶被固定，污泥中的固體顆粒受表面張力作用更易聚合成較大顆粒，融冰后，水被排出，從而實現(xiàn)了固液分離。

2.1.3 超聲處理 根據(jù)伯努利定律，如果局部壓力小于工作溫度下介質(zhì)的蒸汽壓，則速度的增加會引起局部壓力的下降，導(dǎo)致空腔的產(chǎn)生[13]。超聲波作為一種壓力波作用于液體時會產(chǎn)生周期性的局部負(fù)壓，在機械剪切力作用下發(fā)生超聲空化效應(yīng)，使污泥中微生物細胞壁破裂，增強細胞內(nèi)水的釋放，從而改善污泥的脫水性能[14]。Kootenaei等[15]分別考察了不同超聲密度、時間和污泥處理量對毛細管抽吸時間(CST)以及污泥脫水能力的影響。實驗結(jié)果表明，在20 kHz頻率下，當(dāng)超聲處理時間為5 min，超聲密度為1 W/mL，污泥處理量為15%時，測得CST為86 s，可見超聲波的引入可顯著提高污泥處理速度，改善污泥脫水過程。

2.1.4 電滲處理 電滲輔助污泥脫水技術(shù)是將傳統(tǒng)的脫水過程與電動勢相結(jié)合，使帶電的污泥顆粒在電場驅(qū)動下向具有相反電荷的陰極/陽極上積累，以低能耗加速脫水過程，進一步增強液固分離，達到深度脫水的目的[16]。不僅如此，水電解作用還可迫使EPS降解、微生物裂解，從而破壞污泥絮凝物的穩(wěn)定性，降低結(jié)合水的百分比。研究證實，將電滲與傳統(tǒng)板框壓濾技術(shù)結(jié)合可使污泥脫水率降至60%以下[17]。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法是指通過添加無機金屬鹽、有機高分子、污泥改性劑等藥劑破壞污泥的膠體系統(tǒng)，達到絮凝脫水的作用。此外，利用高級氧化、酸/堿處理等方法也可促進EPS溶解，將污泥內(nèi)結(jié)合水轉(zhuǎn)化為游離水并提高污泥的脫水能力。

2.2.1 絮凝 絮凝劑是污泥脫水處理過程中常用的化學(xué)調(diào)理劑，主要包括無機絮凝劑、有機高分子絮凝劑、復(fù)合絮凝劑以及微生物絮凝劑四大類[18]。

無機絮凝劑主要包括Fe/Al/Ti等無機金屬鹽類化合物，常見的有氯化鐵、聚合鋁鹽、鈦鹽以及水滑石類金屬離子-金屬氫氧化物等。其中，鐵鹽因成本低、絮凝速度快、pH范圍廣等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，然而，鐵鹽的存在會加劇金屬的腐蝕，加快攪拌設(shè)備和結(jié)構(gòu)的腐蝕速度，因此，鐵鹽、鈦鹽、鎂鹽等復(fù)合鹽絮凝劑的使用引起越來越多的關(guān)注[19-20]。常見有機絮凝劑包括天然有機聚合物(淀粉、動物膠等)和聚丙烯酰胺(PAM)等，常用于低壓脫水(皮帶和離心脫水)過程中[21]。微生物絮凝劑則是通過提取真菌、細菌、藻類等微生的細胞機構(gòu)及其代謝產(chǎn)物中的活性組分制備而來，具有獨特的生物特性、且不存在毒害和二次污染問題，然而，這一類絮凝劑的生產(chǎn)成本較高、應(yīng)用范圍較窄，目前仍處于研發(fā)階段[22]。表1列舉了不同絮凝劑在污泥脫水處理中的應(yīng)用研究，可以看出，幾種不同類型的絮凝劑主要通過電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃等作用實現(xiàn)了絮凝過程，利用增大密度差來增強固液分離。相比之下，復(fù)合型絮凝劑在改善污泥脫水性能表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，逐漸成為當(dāng)前研究的主要發(fā)展方向。

表1 不同絮凝劑對污泥脫水性能影響Table 1 The influence of different flocculants on sludge dewatering

2.2.2 酸、堿處理 微生物細胞及EPS的等電點為2.6～3.6，這使得污泥絮體表面通常帶負(fù)電，因此，可通過調(diào)節(jié)體系pH范圍改變污泥中的胞外聚合物絮體分布，破壞絮體中微生物結(jié)構(gòu)，將污泥絮體或細胞內(nèi)的部分結(jié)合水釋放出來，從而在短時間內(nèi)提高污泥的脫水效果[30]。

酸處理通常是向污泥基質(zhì)內(nèi)加入H2SO4、HCl、H3PO4和HNO3等酸性溶液，使絮體中羧基和氨基等官能團質(zhì)子化，減少靜電排斥，提高污泥的絮凝效果。此外，EPS水解，蛋白質(zhì)、多糖等有機物質(zhì)釋放到溶液中也可在一定程度上改變污泥中水分的變化，改善污泥脫水效果。然而，隨著pH持續(xù)降低，污泥顆粒內(nèi)微生物細胞的完整性遭到破壞，胞外黏性物質(zhì)減少，污泥絮凝效果的降低導(dǎo)致脫水能力受到影響，不僅如此，過度酸化還可能導(dǎo)致絮體中微小顆粒釋放到液相中，造成過濾介質(zhì)堵塞的風(fēng)險[31]。因此，調(diào)節(jié)污泥脫水性的酸度仍需針對污泥的類型進行確定，且酸處理的最佳pH值范圍通常控制為 2～3[32]。除了上述幾種常見無機酸，單寧酸、過乙酸等一些有機酸在污泥脫水方面也相繼得到報道，其作用原理主要依賴于誘導(dǎo)親水性蛋白質(zhì)物質(zhì)變性或EPS的分子結(jié)構(gòu)來改善污泥脫水能力[33-34]。

堿處理則是指在常溫條件下向基質(zhì)中加入NaOH、Ca(OH)2或CaO等堿性調(diào)節(jié)劑，利用膜蛋白的增溶、脂質(zhì)皂化和RNA水解作用使污泥絮體中緊密結(jié)合的EPS轉(zhuǎn)化為溶解性的有機成分釋放出來，從而提高污泥的過濾脫水性能。從積極的方面來看，堿處理可以破壞污泥中的生物絮團和微生物細胞，促進結(jié)合水的析出，但不利的是，泥漿中有機物的過度積累使得污泥脫水性能變差，增加過濾阻力[35]。因此，采用堿處理調(diào)節(jié)污泥脫水性能時對堿性調(diào)節(jié)劑的類型與加量選擇至關(guān)重要。相關(guān)研究表明，Ca(OH)2在污泥脫水方面比NaOH效果更為理想，其主要原因是Ca2+作為連接與胞外聚合物的關(guān)鍵物質(zhì)，可有效促進可溶性有機成分的再絮凝，從而抵消污泥過度分解帶來的不利影響[36]。相比之下，CaO雖然能夠通過放熱反應(yīng)降低污泥的含水量，但還可能導(dǎo)致污泥體積增加，給污泥后期處理帶來不便。Su等[36]則將Ca(OH)2和Ca(OH)2/NaOH混摻的兩種情況進行對比，發(fā)現(xiàn)單獨添加NaOH或Ca(OH)2均達不到良好的污泥脫水性，而兩者混合后脫水性能得到明顯改善，這與高濃度Ca2+對蛋白質(zhì)的水解抑制作用相關(guān)。

2.2.3 高級氧化技術(shù) 芬頓氧化、O3氧化、濕空氣氧化和超臨界水氧化等高級氧化技術(shù)因具有加速微生物細胞的隱性生長、破壞細胞壁及胞外聚合物，通過氧化將有機物降解為二氧化碳、水和中間體等顯著特點而被廣泛報道用于改善污泥的脫水性[36-38]。

在眾多高級氧化方法中，F(xiàn)enton氧化在污泥調(diào)理與脫水方面受到廣泛關(guān)注，其主要是在酸性條件下利用Fe2+催化H2O2生成強氧化性·OH，促使污泥的胞外聚合物迅速分解為可溶性有機物，內(nèi)部的結(jié)合水釋放轉(zhuǎn)化為游離水。同時，F(xiàn)enton反應(yīng)產(chǎn)生的Fe3+還可作為絮凝劑，將較小的污泥顆粒聚合成高密度、低水結(jié)合力的大尺寸污泥顆粒，進一步促進污泥脫水形成泥餅[39]。除此之外，電-Fenton、微波-Fenton等聯(lián)用技術(shù)也被作為改善活性污泥脫水的處理方法得到諸多研究。Chen等[40]利用電-Fenton技術(shù)對活性污泥進行預(yù)處理，實驗結(jié)果表明，污泥經(jīng)電-Fenton處理后污泥絮體的尺寸明顯減小，絮體結(jié)構(gòu)孔隙度增大，且Zeta電位升高到接近0，由此得出結(jié)論，即電-Fenton可在40～60 min內(nèi)有效提高活性污泥的脫水能力，其主要作用機理為促進了污泥絮體分解，釋放胞外聚合物中的蛋白質(zhì)和多糖組分，促進腐殖化過程。Liang等[41]利用零價鐵(ZVI)、H2O2聯(lián)合厭氧中溫消化(AMD)技術(shù)對活性污泥進行調(diào)理后發(fā)現(xiàn)，處理后的污泥的脫水效果明顯改善，處理后污泥的過濾比電阻與原始污泥相比下降 93.60%，結(jié)合水含量降低15.2%，處理后的泥餅含水量降至(44.18±0.46)%，其主要原因仍基于污泥中胞外聚合物的氧化分解及結(jié)合水的釋放，促使活性污泥黏度降低、污泥脫水能力增加。

2.3 其他方法

2.3.1 酶處理 與高級氧化技術(shù)類似，生物酶可在溫和條件下促進EPS降解，破壞黏性生物絮體，降低污泥的持水能力，因此生物酶在污泥脫水處理中也具有較大的應(yīng)用潛力。Chen等[44]分別研究了蛋白酶和α-淀粉酶對污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)EPS經(jīng)過酶處理后呈現(xiàn)出更松散的絮體結(jié)構(gòu)，可釋放大量生物聚合物，且α-淀粉酶在污泥增溶方面的表現(xiàn)比蛋白酶更為顯著。何品晶等[45]比較了在不同接種比條件下，地衣芽孢桿菌對剩余污泥液化效果和脫水性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，地衣芽孢桿菌在一定接種比下可以促進污泥胞內(nèi)物質(zhì)及污泥中蛋白質(zhì)的溶出和降解，但污泥的脫水性能卻有所劣化。Lu等[46]通過對污泥細胞內(nèi)有機質(zhì)(蛋白質(zhì)、多糖、DNA、熒光有機物)及EPS的空間分布進行量化來確定了淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶、聚半乳糖醛酸酶等幾種不同類型的酶對污泥消化和脫水性的影響。研究結(jié)果表明，在研究的幾種酶中，僅纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶對污泥脫水性能及EPS中有機物質(zhì)的溶出有影響，其中，聚半乳糖醛酸類物質(zhì)水解引起多糖的顯著釋放，多糖溶出總量比原始含量增加了7倍，而蛋白含量幾乎無變化?？傮w而言，大部分水解酶都可通過水解作用促進污泥EPS內(nèi)有機物質(zhì)的溶解而降低污泥的持水能力，與化學(xué)添加劑相比具有用量少、環(huán)境風(fēng)險小的優(yōu)勢，然而，較長的停留時間和苛刻的反應(yīng)條件也限制了酶污泥脫水調(diào)理的擴大應(yīng)用，不僅如此，酶的特異性成為處理污泥處理的障礙，因此選擇合適的酶來處理具有復(fù)雜成分的污水污泥顯得尤為重要。

2.3.2 聯(lián)合法 提高污泥濃縮脫水效率對污泥最終處理與資源化利用至關(guān)重要，因此，污泥的調(diào)理技術(shù)也在不斷更新。Yan等[47]采用超聲聯(lián)合蛋白酶水解技術(shù)對A2/O處理(S1)和氧化溝處理(S2)產(chǎn)生的剩余污泥進行研究，考察了其對蛋白質(zhì)提取效果和污泥脫水性能的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，在選取條件下S1和S2的蛋白質(zhì)提取率達到55.9%和52.3%，污泥脫水性能分別提高49.5%和52.4%，由此證實超聲技術(shù)能夠輔助增強蛋白酶對污泥中蛋白質(zhì)的提取效果，并顯著提高污泥脫水性能。黃錦佳等[48]利用超聲-生物瀝浸-氧化鈣對市政污泥進行聯(lián)合調(diào)理后發(fā)現(xiàn)，污泥比阻率和結(jié)合水去除率達到90.12%和 72.21%，調(diào)理后污泥經(jīng)超高壓壓濾系統(tǒng)處理后泥餅含水率可降至49.94%。Liu等[49]則通過實驗證明熱聯(lián)合超聲預(yù)處理對污水污泥中可溶性蛋白質(zhì)、多糖等有機物的增溶作用更為明顯，與對照組相比，經(jīng)聯(lián)合處理后沼氣產(chǎn)量提高了19%，揮發(fā)性固體(VS)去除率提高到50%以上，毛細抽吸時間減少85%左右，大大提高了污水污泥的脫水性能。Chen等[50]利用響應(yīng)曲面法獲得過硫酸鈉(SPS)聯(lián)合熱水解工藝(THP)改善污水污泥的脫水能力的最佳操作條件，通過實驗證明污泥餅的芳香性和疏水性經(jīng)SPS+THP處理后明顯增加，污泥細胞結(jié)構(gòu)和EPS被破壞，且污泥絮體通過電荷中和作用重新絮凝，形成疏松多孔結(jié)構(gòu)，從而有效促進了污泥脫水性能。由此可見，與單一調(diào)質(zhì)方法相比，物理、化學(xué)或生物聯(lián)合技術(shù)往往表現(xiàn)協(xié)同增強的效應(yīng)，對改善污泥脫水性能具有重要的應(yīng)用意義。為了進一步增強污泥脫水效果，還需要通過更多的實驗來優(yōu)化聯(lián)用條件，且污泥脫水機理有待進一步研究，另外，針對不同的聯(lián)用技術(shù)，開發(fā)與之適應(yīng)的污泥脫水工藝與設(shè)備也是今后的重要研究方向。

3 結(jié)束語

污泥含水率是制約污泥穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而污泥的成分復(fù)雜多變，其中由污泥胞外聚合物EPS形成的凝膠狀結(jié)構(gòu)具有高度親水性和可壓縮性，可在空間位阻的作用下與水分子結(jié)合，使污泥產(chǎn)生黏彈性和觸變性，增加了機械脫水的難度。目前，基于物理和化學(xué)法的熱處理、微波處理、酸/堿調(diào)節(jié)、高級氧化等處理技術(shù)在污泥深度脫水過程已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而基于生物降解法的生物瀝浸、酶處理等方法也取得一定的研究成果，其作用原理大都是通過改變或破壞EPS有機絮體結(jié)構(gòu)及污泥細胞結(jié)構(gòu)，釋放出胞內(nèi)物質(zhì)和結(jié)合水，達到污泥深度脫水的目的。然而，單一的預(yù)處理方法往往無法同時滿足污泥脫水性能和過濾性能的整體提升，需要將物理、化學(xué)及生物處理法聯(lián)合起來協(xié)同處理污泥才能達到較理想的效果，以滿足污泥后續(xù)處理和處置的要求。針對復(fù)雜多變的污泥組分，明確污泥組分的理化性質(zhì)及動態(tài)變化特征，定向研發(fā)高效低耗的調(diào)理劑或調(diào)理技術(shù)，確立準(zhǔn)確的脫水性能定量評價方法和分析方法是今后發(fā)展的重要方向。此外，分析不同調(diào)理技術(shù)對污泥脫水性能和和后續(xù)處理的協(xié)調(diào)性，研究污泥絮體結(jié)構(gòu)、EPS(蛋白質(zhì)、多糖和腐植酸)與有機污染物在處理過程中的相互作用機制，實現(xiàn)脫水效果增強的有機污染物減少的耦合作用具有重要意義。