物理調理技術改善污泥脫水性能的研究進展

陳姝婷， 伍昌年， 薛莉娉， 邵 磊， 劉壯壯， 宋永蓮

(1.安徽建筑大學 水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室， 安徽 合肥 230601； 2.安徽中環環保科技股份有限公司， 安徽 合肥 230051)

當前,污水處理過程存在污泥含水量高、污泥粘性大等難以解決的問題[1-4]。污泥的結構較為特殊，親水能力強大，能使水分潤濕并附著在其表面難以去除。根據水分與污泥顆粒的結合程度[5]以及水分在污泥顆粒中所處的位置，可將污泥中的水分劃分為4種類型[6]：含量最多的是不受固體顆粒影響的自由水，占比為65%～86%；其次是毛細結合水，這種類型的水分因固液表面吸附力和液體表面張力的作用而形成，占比是15%～25%；再有是因吸附或粘附作用形成的表面吸附水，這種類型的水分主要存在于固體顆粒表面，占比為7%；含量最少的是微生物內部結合水，主要存在于微生物細胞內，占比約為3%左右。污泥中各種類型水分的分布如圖1所示。

圖1 污泥中水分存在形式示意圖

污泥深度脫水技術是為了解決污泥中含水率過高的問題，通常采用預處理、高壓處理、脫水等工序，進一步減少污泥中的水分含量，使污泥含水率符合標準要求(45%以下)。污泥深度脫水技術一般包括濃縮、調理、壓濾脫水3個步驟。

1 脫水性能表征及脫水機理

污泥脫水性能主要用來判定污泥脫水的難易程度，可用污泥含水率(Wc)、污泥壓濾比阻(SRF)、毛細吸水時間(CST)等進行表征[7]。

1.1 脫水性能表征

1.1.1 含水率(Wc)

污泥中含有水分的多少即為含水量，通常用含水率(Wc)表示：

式中：m表示污泥樣品烘干前的質量，g；m1是指污泥樣品在105 ℃條件下烘干至恒重后的質量，g。

1.1.2 污泥壓濾比阻(SRF)

污泥壓濾比阻(SRF)是衡量污泥過濾性能的指標，物理意義是單位質量的污泥在固定的壓力條件下單位面積所受的過濾阻力。SRF值越高，污泥越不易脫水。一般而言，SRF小于1×1011m/kg的污泥更容易脫水，SRF大于1×1011m/kg的污泥較難脫水[8]。

1.1.3 毛細吸水時間(CST)

毛細吸水時間(CST)是表示污泥脫水速度的指標，與結合水含量和污泥含水率成正比。CST的物理意義是污泥水分在濾紙上發生毛細作用擴散1 cm距離所消耗的時間。一般來說，CST數值越大，污泥脫水性能越差。CST削減率(Tred)[9]能夠表征污泥脫水前后性能的變化，計算公式為

式中：Tr為污泥樣品初始毛細吸水時間，s；Tpre為污泥預處理后毛細吸水時間，s。

1.2 脫水機理

物理調理污泥脫水技術的原理是借助各種方式改變細胞外聚合物(EPS)的有機絮狀結構。EPS在污泥中占比很高，在污泥脫水過程中具有重要作用。EPS是一種帶有許多電荷的聚合物，狀態為凝膠，能夠與水分子發生相互作用[10]。EPS遇水膨脹，可以吸收大量水分，同時又不溶于水。污泥顆粒是一種雙層結構[11]。污泥顆粒的絮狀結構如圖2所示，內層為結構緊密的EPS(TB-EPS)，與細胞表面之間的作用力強大而穩定，外層為結構疏松的EPS(LB-EPS)，是一個松散且脆弱的薄膜，不具備明顯的頂端。TB-EPS是組成EPS致密層的核心結構，如果能夠把TB-EPS分解為LB-EPS或者溶解性胞外聚合物(SEPS)，便可以同時釋放出胞內物質以及內部難以脫除的結合水，從而顯著提升污泥脫水率，實現污泥的深度脫水[12]。

圖2 污泥顆粒結構示意圖

2 物理調理改善污泥深度脫水技術

目前，使用最多的污泥調理技術包括物理調理、化學調理和生物調理。其中，物理調理主要是利用物理調理劑并借助加熱、凍融、超聲波或微波的形式輸入能量來改善污泥的脫水性。物理調理技術能夠在很大程度上打破污泥顆粒的原有結構，使蘊含的結合水析出轉化為自由水，明顯降低污泥含水率。

2.1 加熱調理

加熱調理的過程為：提高污泥的溫度，EPS絮狀結構在高溫下發生分解，微生物細胞分解破裂，內層的結合水從結構破開的污泥顆粒中解析出來，從而使污泥的含水率大幅度降低。這一過程的原理主要有兩個方面：一方面，污泥顆粒中粒子運動易受溫度影響，根據熱力學原理，當污泥顆粒的溫度升高時，粒子間的碰撞和結合頻率也隨之提高，污泥顆粒中粒子的相互結合更容易發生；另一方面，溫度升高后，污泥和微生物細胞結構將發生改變，能夠釋放出更多的結合水，同時，升溫會使污泥中結合水的部分氫鍵斷裂，結合水降解成為自由水，而自由水通過簡單的沉降濃縮即可脫除，污泥的含水率得到進一步提高[13,14]。

水熱技術屬于加熱調理的范疇，通過在密閉的容器中用高溫蒸汽對污泥進行蒸煮，達到加熱的目的。倪金等[15]發現污泥的脫水性能與溫度正相關，如圖3所示。FISHER等[16]對十幾種污泥進行研究發現，當水熱溫度大于150 ℃時，大多數類型的污泥含水率將下降，溫度繼續升高至180 ℃以上，脫水性能更好。BROOKS[17]對城市污水污泥的試驗表明，水熱溫度為165～180 ℃時取得最佳的水熱處理效果。荀銳等[18]發現結合水含量對于污泥的脫水效果有著決定性的作用，加熱調理能夠使污泥中的結合水含量大幅度降低，進而在很大程度上改善污泥脫水效果，如圖4所示。LI等[19]發現反應時間對污泥脫水性能影響很小，達到一定時間后污泥水分分布幾乎不隨時間發生改變，如圖5所示。

圖3 不同水熱溫度下的污泥含水率 圖4 結合水含量隨水熱處理溫度的變化

圖5 水熱前后污泥泥餅中水分分布

水熱條件可以誘發一系列常溫環境下無法發生的轉化：水解、脫水、脫羧和芳構化。水熱處理適用范圍廣，可以處理絕大多數種類的污泥，在高溫和特定壓力條件下能顯著降低污泥的含水率，通?？山档?5%以下，與化學調理相比效果更加顯著，而且水熱技術具有簡單易控制的優點，更容易實現大規模的工業化應用，同時在能量利用率方面也有著較大優勢。然而，由于美拉德反應的存在，水熱處理的最大缺點是產生大量含有氮雜環化合物的難降解有機廢水。

2.2 冷凍融化調理

冷凍融化法是一種有效的污泥脫水前調理方法，先將污泥在低于冰點的溫度下凍結，再放在室溫中融化，模擬自然凍融過程。污泥在冷凍狀態下，未凝結的水分會攜帶部分破碎細胞析出，脫水性能得到很大提升。水與冰存在密度差異，反復凍融操作使得EPS和微生物細胞中水分結晶且不斷喪失自由水，污泥顆粒被包裹在冰晶內，體積發生膨脹，污泥內層結構微生物所含水分得以釋放，污泥顆粒變成致密的大顆粒，物理結構獲得不可逆的轉變。此外，毛細作用促使污泥顆粒發生物理性脫水，結合水大量流失，脫水性能穩步上升。凍融調理過程是不可逆的，即使再用機械攪拌也不會使污泥顆粒重新回到膠體狀態。冷凍融化調理中使用的冷凍床下層設置濾沙和排水管，上方依次為凍結污泥層和液體污泥，最上方設置輸泥管，如圖6所示。

圖6 冷凍融化設備示意圖

凍結速率是決定凍融性能效率的一個重要參數。TUAN等[20]發現緩慢的凍結速度顯著改善了污泥脫水性。當凍結速率較高時，污泥顆粒被截留在發育的冰層中，削弱污泥的脫水能力。如果凍結速率緩慢，絮體將被排斥但不會被截留，它們在冰晶生長前已經遷移，很大程度上提高污泥脫水率。冷凍溫度也是影響凍融效果的重要因素。陳悅佳等[21]發現污泥的冷凍溫度越低脫水性能越好，如圖7所示。這是由于冷凍溫度影響著污泥顆粒中粒子的運動和結合速率，如果溫度低于一定的臨界值，污泥顆粒中的自由水便會形成相互連結的冰晶，使得污泥顆粒凝聚成更大的顆粒。

圖7 冷凍溫度對污泥CST的影響

冷凍融化調理技術不需要添加額外的化學試劑，具有成本低、利用自然條件便可自發進行的優勢。此外，在冷凍污泥的過程中還能夠消除其中的致病細菌，減小污泥可能造成的危害。但冷凍條件通常適用于我國東北部嚴寒天氣超過3個月、土壤凍結深度超過0.3 m的區域，尤其是在冬季到春季過渡時，溫度變化對于凍融的誘導十分有利。因此，凍融技術的使用范圍具有一定的局限性。

2.3 超聲波調理

超聲波調理主要是利用超聲波的幾個特殊性質：一是聲化學性質，即在最短的時間內產生高溫、高壓和剪切力，促使污泥內部結構發生改變，讓原本結合緊密的水分能夠迅速脫出；二是海綿效應，使水更容易通過超聲波在污泥顆粒中傳播而形成的通道，促使污泥顆粒凝聚為更大的顆粒；三是凝固特性，污泥顆粒在超聲波中發生震動，粒子運動變得更加強烈，污泥顆粒之間更容易發生聚合。超聲波調理污泥的一些研究結果如表1所示。超聲波對污泥脫水性既有促進作用也有抑制作用，污泥的脫水性能并不是與聲強、功率和超聲處理時長成正相關的。殷絢等[26]研究發現，在400 W/m2的較小聲強下超聲處理2～4 min可有效減少污泥結合水的含量。QUARMBY等[27]發現，污泥的脫水性隨著聲強的增加而降低(CST隨超聲強度的增加而逐漸增加)。同時，污泥的脫水性隨著超聲處理時長的增加而減弱(超聲處理60 min后，CST從197.4 s增加到488.9 s；在更高功率水平下，結合水含量增加了4倍)，這是因為超聲處理后形成的小顆粒數量增加導致了更大的持水表面積[28]。GONZE等[29]得出在較低的超聲功率水平和較短的超聲時間下，污泥CST將會降低(污泥脫水性能提升)；但在相同的功率水平下，隨著超聲時間的增加，CST值將會增加；因為在較低的功率水平和較短的超聲時間下，污泥顆粒結構沒有轉變為較小的顆粒，較低的功率水平設置有利于污泥脫水。葉運弟等[30]發現，超聲能量為700 J時對污泥進行超聲處理15 s，污泥含水率、比阻和毛細吸水時間都達到實驗最佳效果。污泥中水分分布在超聲波處理后發生了顯著的變化如圖8所示，結合水大量轉化為自由水，證明超聲波處理可以改善污泥脫水性能。

表1 超聲波調理污泥效果

圖8 超聲波處理后污泥的水分分布

超聲波調理具有效率高、綠色環保、節能高效等優勢，可使微生物細胞內物質瞬間釋放達到高效脫水性能。但超聲波的各項參數設置與污泥脫水的關系較為復雜，還需要進行更深入的研究。

2.4 微波調理

微波調理是傳統加熱調理的升級技術。微波對污泥的加熱不局限于污泥顆粒表面，它能穿透污泥并提升污泥顆粒內部的熱量。微波調理技術利用污泥導熱性差的特點，使污泥內層到外層形成溫度差異，破壞EPS與結合水之間的作用力，打碎污泥顆粒絮狀結構，析出更多的結合水，改善污泥脫水性能。

微波功率和接觸時間是影響污泥物化性質變化的主要因素。林頤等[31]發現，在3 240 W·L-1的微波下輻射100 s后，污泥的SRF減少了18.89%。QIANG等[32]研究微波調理的最佳條件是功率為900 W，接觸時間為60 s，如圖9所示。然而，當接觸時間進一步延長時，CST值迅速增加。由此可知，在較大的微波能量下，需要控制較短的接觸時間以產生最大的脫水性。污泥絮狀結構與水分子緊密結合，在短時間內被分解成更疏松的小碎片，在絮凝劑的幫助下，這些小碎片可以重新絮凝成更緊密的顆粒，從而降低污泥含水率。張霞等[33]發現，功率為800 W和接觸時間為10 min時污泥含水率最低。李延吉等[34]發現，功率為540 W，最優接觸時間為2～5 min，而在合適的接觸時間下，540～900 W都能顯著降低污泥含水率。

與傳統加熱調理相比，微波調理具有處理時間短、能量利用率高、反應易控制且有滅菌功能的優點。但微波穿透深度有限，要控制好污泥的量。此外，微波產生的輻射能夠傷害人體，調理時應當保持足夠的密封性。

圖9 微波能量和停留時間對CST的影響

3 結 語

加熱調理、冷凍融化調理、超聲波調理和微波調理對于強化和改善污泥脫水性能都具有良好的效果，都可以有效破解污泥的EPS結構，完成污泥內部水分之間的轉化，實現更高效的水分脫除效果。加熱調理與凍融調理都可使污泥含水率降至45%以下，加熱調理使用范圍廣，操作簡易且能耗低，脫水性能提升顯著，能達到深度脫水的要求，冷凍調理可在天然條件下自發進行且不可逆，成本低，污泥還可得到有效地無害化處理，但使用條件與范圍具有很大的局限性。超聲波調理效率高且綠色環保，但其控制條件還有待進一步研究。微波調理節省時間，加熱速度快，污泥脫水性能顯著改善，且能達到特殊的滅菌功效，但微波輻射在安全方面還有待考量。