污泥脫水預(yù)處理技術(shù)研究述評*

劉婷嬌 吳春山

(1.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350007;2.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，福建 福州 350007)

污水處理會產(chǎn)生污泥。我國剩余污泥量逐年遞增[1]，截至2017年6月底，全國城鎮(zhèn)污水處理廠建成投產(chǎn)4063座，含水率80%的污泥年產(chǎn)量5000多萬噸[2]。污泥的組成復(fù)雜，它是各種微生物和有機(jī)物質(zhì)以及它們吸附的無機(jī)物質(zhì)形成的細(xì)菌膠束的集合，此外還包含大量難降解的有機(jī)物、重金屬、病原微生物等[3]，若處理不當(dāng)，容易對環(huán)境和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

目前剩余污泥處理成本占污水處理成本的比例高達(dá)50%[4]，因此如何科學(xué)、有效地處理污泥至關(guān)重要。現(xiàn)有的污泥處理處置技術(shù)包括穩(wěn)定處理、去水處理和最終處置三類。穩(wěn)定處理分為生物法、化學(xué)法和物理法，去水處理主要是濃縮、調(diào)理、脫水和干化，最終處置包括了填地、投海、焚燒和綜合利用[5]，其中投海早已被明令禁止。污泥含有大量的水分，可以達(dá)到99%以上[6]。去水處理是污泥減量化的瓶頸和關(guān)鍵，其核心是降低含水率使污泥減容。去水的主要目的是去除占大多數(shù)的間隙水，由于其絮體具有強(qiáng)親水性，使得污泥脫水成為難題。對絕大部分污泥而言，直接進(jìn)行有效脫水是很難實現(xiàn)的，必須采取一定的調(diào)理措施來改變污泥特性，破壞膠體結(jié)構(gòu)，減小與水的親和力，改善其脫水性能[7]。污泥調(diào)理主要靠污泥預(yù)處理來實現(xiàn)，因此污泥預(yù)處理是污泥脫水的主要手段，主要包括物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理。本文對近些年國內(nèi)外污泥脫水預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行綜述，為企業(yè)開展污泥脫水提供參考。

1 物理預(yù)處理

1.1 熱處理

污泥的熱處理是指在密閉的容器中將污泥加熱，污泥胞外聚合物水解，細(xì)胞破裂，膠體結(jié)構(gòu)破壞，有機(jī)物水解，蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物質(zhì)釋放出來，從而使污泥固體顆粒對水的束縛作用降低。杜元元等[8]研究發(fā)現(xiàn)，單純熱水解時，熱水解污泥離心干基含水率隨著溫度的升高先降低后升高。苑宏英[9]通過水浴加熱預(yù)處理發(fā)現(xiàn)，加熱時間并不是越長越好，加熱時長小于1.5 h時，污泥的脫水性能將會有所改善，而過長的加熱時間反而會使脫水效果越來越差。Liu等[10]研究了不同熱處理條件下污泥脫水性能的變化及其影響因素。實驗結(jié)果表明，在20～170 ℃范圍內(nèi)，熱預(yù)處理對污泥的脫水性能有一定影響，但在一定的溫度閾值(120～150 ℃)以上，污泥的脫水性能下降。Wang等[11]采用水熱處理與機(jī)械表達(dá)相結(jié)合的新技術(shù)，首先對剩余污泥進(jìn)行水熱處理，然后分別在兩個單獨(dú)的細(xì)胞中在高溫下立即采用機(jī)械表達(dá)。結(jié)果表明，在溫度升高的情況下，當(dāng)水分含量進(jìn)一步降低19%～47%時，機(jī)械表達(dá)比室溫下表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。熱處理是效率較高的一種污泥脫水方法。

1.2 超聲波

超聲波預(yù)處理是一種新型的機(jī)械預(yù)處理方法，通過改變污泥性質(zhì)來改善消化能力。Zhang 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波頻率為28.7kHz和30.0kHz時，污泥脫水性能較好。Mao等[13]通過改變超聲波頻率和處理時間觀察污泥含水量、SCOD和水份分布的變化，結(jié)果表明，超聲輻照是一種有效的污泥脫水預(yù)處理工藝。徐慧敏等[14]探索了雙頻超聲預(yù)處理對剩余污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙頻超聲對污泥脫水性能的改善效果遠(yuǎn)優(yōu)于單頻超聲。Xu等[15]對城市污泥的超聲化學(xué)處理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可以降解污泥絮凝結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁，釋放胞內(nèi)有機(jī)質(zhì)，加速水解過程，可以改善污泥的沉淀和脫水性能。

1.3 凍融法

凍融是將污泥冷卻到凝固點以下，然后在室溫下融化的過程。在熔融過程中，污泥的細(xì)胞膨脹開裂，有機(jī)物溶出，膠體顆粒凝結(jié)，顆粒尺寸增大，從而改善污泥的脫水性能。在凍結(jié)過程中，溫度、固化時間和凍融循環(huán)是影響污泥脫水性能和溶解效率的主要參數(shù)。陳悅佳[16]在實驗中發(fā)現(xiàn)，凍融后的污泥內(nèi)固體物質(zhì)溶出主要發(fā)生在未完全冷凍階段，先在較高溫度冷凍，再在較低溫度固化，最后在室溫條件下融化，可以獲得更好的凍融效果。凍融預(yù)處理有很好的破壁溶胞效果，在一定范圍內(nèi)，凍融時間越長，脫水性能越高，在合適的凍融時間內(nèi)脫水性能甚至能成倍提高[17]。Wu等[18]將游離亞硝酸與冷凍預(yù)處理結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)由于共預(yù)處理引起的污泥崩解，導(dǎo)致污泥溶解、有機(jī)物釋放、產(chǎn)甲烷抑制和粒徑變化，游離亞硝酸和冷凍共預(yù)處理具有提高污泥脫水能力的潛力。

2 化學(xué)預(yù)處理

2.1 化學(xué)絮凝技術(shù)

化學(xué)絮凝技術(shù)是指向污泥中投加絮凝劑、助凝劑等化學(xué)藥劑來破壞污泥的絮凝結(jié)構(gòu)，釋放污泥中的結(jié)合水和細(xì)胞水，進(jìn)而提高污泥脫水能力。Yang等[19]研究了在無機(jī)高分子絮凝劑——聚氯化鋁(PACl)的作用下，污泥的固體濃度、可溶性胞外聚合物(SEPS)和堿度對污泥絮凝脫水行為和機(jī)理的影響。結(jié)果表明，提高污泥固相濃度有利于污泥脫水，可以大幅度降低化學(xué)條件下污泥的PACl需求量。蔡靈敏等[20]研究發(fā)現(xiàn)，不同相對分子質(zhì)量的CPAM對污泥脫水性能的影響不同，在30mg/L相對分子質(zhì)量為8×106的CPAM(CPAM-B)調(diào)理下，污泥脫水性能最好,且CPAM-B與FeCl3聯(lián)用的污泥脫水效果優(yōu)于CPAM-B單獨(dú)調(diào)理。羅璐等[21]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺和溶菌酶聯(lián)合使用對脫水性能的改善優(yōu)于2種藥劑單獨(dú)作用，溶菌酶作為一種無毒、無害、無二次污染的生物酶，擁有能水解微生物細(xì)胞壁的特性，有望成為新興的調(diào)理藥劑。Wang等[22]發(fā)現(xiàn)，混凝劑與絮凝劑聯(lián)合使用，污泥的含水率降低效率更高。無機(jī)混凝劑與陽離子聚丙烯酰胺復(fù)合使用比單獨(dú)使用混凝劑或絮凝劑更有利于提高污泥脫水性能。

2.2 高級氧化預(yù)處理

高級氧化技術(shù)可產(chǎn)生大量活性極強(qiáng)的自由基中間體(如·OH)來降解水中的有機(jī)污染物，使其最終氧化分解為H2O和CO2，是一種高效的污泥減量化處理技術(shù)[23]，應(yīng)用較為廣泛。苑宏英等[9]發(fā)現(xiàn)Fenton試劑氧化污泥效果顯著，僅需投加少量H2O2即能明顯改善污泥的脫水性能。陳靜涵[24]發(fā)現(xiàn)，適量投加Fe使泥餅含水率和CST減小，但Fe投加量過高時，會與·OH反應(yīng)，且生成的Fe也能與H2O2反應(yīng)，弱化Fenton試劑的氧化效果，污泥脫水性能變差。臺明青等[25]利用Fenton試劑耦合葉臘石改善生物乙醇厭氧消化污泥脫水性能，研究發(fā)現(xiàn)耦合調(diào)理污泥比單獨(dú)調(diào)理污泥脫水效果更好。

2.3 其他化學(xué)預(yù)處理

化學(xué)預(yù)處理法除了化學(xué)絮凝技術(shù)、高級氧化預(yù)處理外，還有酸處理法、堿處理法、電滲透工藝等。Wei等[26]對污泥進(jìn)行了多次酸化處理，污泥的pH值從7.0持續(xù)調(diào)整到3.0，然后再回到7.0，再次調(diào)整到3.0。當(dāng)污泥酸堿度恢復(fù)到中性時，污泥脫水性能進(jìn)一步惡化。然而，在第二次酸化處理后，污泥的脫水性能提高到了與第一次酸化相同的水平。這些實驗事實是由兩種酸化效應(yīng)引起的。其中之一是酸化可以有效破壞污泥絮體的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致胞外聚合物(EPS)的降解和截留水的釋放。另一種是質(zhì)子化效應(yīng)，它能有效壓縮釋放的EPS，特別是其中的蛋白樣物質(zhì)(PN)。這兩種組合效應(yīng)使污泥具有良好的脫水性能。然而，前者是不可逆的，后者是可逆的。黃殿男等[27]采用電極固定和移動兩種布設(shè)方式分別對機(jī)械脫水后污泥進(jìn)行電動處理，得出移動電極裝置較固定電極裝置的脫水效果好、能耗低的結(jié)論。

3 生物預(yù)處理

3.1 生物淋濾

生物淋濾法又稱生物浸瀝法，是通過氧化硫桿菌過程中產(chǎn)生的 H使污泥酸化，溶出重金屬同時改善剩余污泥脫水性能[28]。Liu等[29]發(fā)現(xiàn)，生物浸出污泥中胞外聚合物物質(zhì)明顯減少，蛋白質(zhì)和多糖分別減少了97.42%和76.00%。在生物浸出過程中，生物浸出污泥中微生物種類逐漸減少，優(yōu)勢菌屬(酸性氧化菌屬)在生物浸出結(jié)束時由7.48%增加到26.49%。影響污泥脫水性能的因素很多，而導(dǎo)致EPS降低的生物替代是提高污泥脫水性能的決定性因素。夏晶等[30]研究發(fā)現(xiàn)，溶解態(tài)蛋白質(zhì)、多糖含量和污泥比阻在淋濾0～2d降低,之后呈上升趨勢,結(jié)合態(tài)蛋白質(zhì)、多糖含量在淋濾0～8d呈下降趨勢,之后略微上升,且硫粉投加量越大,上述變化趨勢越明顯。張鵬飛等[31]發(fā)現(xiàn)生物瀝浸可以聯(lián)合類Fenton作用來提高污泥的脫水能力。

3.2 酶

酶預(yù)處理是生物預(yù)處理的一種，生物方法的操作條件溫和，酶預(yù)處理是通過降解將細(xì)胞壁上的分子轉(zhuǎn)化為厭氧微生物更有用的底物[32]。鄒永杰等[33]研究了不同酶單獨(dú)作用及2種酶聯(lián)合調(diào)理對污泥脫水性能的影響。結(jié)果表明，不同酶單獨(dú)作用時對污泥脫水性能的影響不同，2種酶聯(lián)合作用時污泥脫水性能更加優(yōu)化。陳靜涵等[24]以泥餅含水率和毛細(xì)吸水時間(CST)為評價指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)溶菌酶的調(diào)理效果不如蛋白酶K。

4 結(jié)論與展望

我國污水處理廠數(shù)量多，剩余污泥產(chǎn)量大、含水率高、處理成本高是目前剩余污泥處理的顯著特點。污泥脫水是污泥處理處置的重要環(huán)節(jié)，預(yù)處理是在脫水之前進(jìn)行的污泥調(diào)理過程。預(yù)處理技術(shù)中，化學(xué)調(diào)理法操作簡單，投資成本低，是目前應(yīng)用最廣泛的方法。現(xiàn)在污水處理廠大多投加無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑，但是這些混凝劑會二次污染環(huán)境，條件溫和的生物酶預(yù)處理由于無毒、無害、無二次污染等特征，成為近年來學(xué)術(shù)界廣泛研究的對象。Fenton反應(yīng)性強(qiáng)，可以破壞污泥表面的EPS，大大提高污泥的脫水性能，應(yīng)用也較為廣泛。但是，單一預(yù)處理方法往往難以達(dá)到最佳效果 近年來出現(xiàn)許多聯(lián)合調(diào)理的方法，如水熱處理與超聲相結(jié)合、化學(xué)藥劑與凍融法相結(jié)合、聚丙烯酰胺和溶菌酶聯(lián)合調(diào)理、生物瀝浸聯(lián)合類Fenton氧化等，這樣既可以發(fā)揮單一技術(shù)的優(yōu)點，還能相互間起到互補(bǔ)作用，從而取得預(yù)期的脫水效果，而單一方法的多樣性預(yù)示著聯(lián)合調(diào)理方法的可組合性多、創(chuàng)新性強(qiáng)，聯(lián)合調(diào)理仍然具有很大的研究空間。總之，科學(xué)、有效地將污泥進(jìn)行減量化、資源化、無害化、穩(wěn)定化處理至關(guān)重要。