城市污水污泥深度脱水技术研究

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[摘要]随着城市的快速发展，城市用水量不断增加，无处理量逐年增加，污水处理厂每年的污泥总量也在不断的增加，大量的污泥需要妥善的处理处置。污泥深度脱水技术是通过物理、化学等技术手段将含水污泥中的水分去除，将其转化为固态或半固态的一种重要处理技术。围绕化学调理脱水、高压隔膜板框深度脱水、电渗透板框污泥深度脱水、生物沥浸深度脱水、超声波深度脱水等深度脱水技术介绍了污泥深度脱水技术原理，总结了不同脱水方式研究进展情况。结合我国污泥处理处置中存在的问题，对污泥深度脱水技术的发展趋势与应用前景进行分析与展望，以期促进城市污水污泥深度脱水技术的创新与发展。

[关键词]深度脱水；污泥；化学调理；生物沥浸；污水处理

由于城镇化和经济发展需求，我国近年来城市污水排放量和处理量都呈现出一种上升的趋势[1]。污泥作为污水生化处理后的一种主要副产物，近年来其产量也在不断上升，与污泥产量连年递增趋势相不符的是，我国污泥有效处理率仍然偏低。现阶段我国污水处理厂对于污泥的处理能力欠缺、技术手段相对落后，每年都有一定量的污泥没有按照国家标准要求进行妥善的处理处置，这可能会对生态环境产生“二次污染”，对环境和人们生活构成了严重威胁[2]。目前，机械脱水是污泥处理的主要技术手段，一般处理后的污泥含水率约为80%。根据2010年中国环保部办公厅发布的《关于加强城市污水处理厂污泥污染防治的通知》，通知规定“污水处理厂将污泥运出厂界贮存，污泥必须脱水至含水率的50%以下”。显然，就目前污水处理厂传统的脱水技术无法达到规定中对于含水率的要求的[1,3]。国内外学者已经对深度脱水过程和机理开展了相关研究，对污泥进行深度脱水后再进行处理处置是污泥外来的重要研究方向[4-6]。一般来说，泥深度脱水技术可以使处理后的污泥含水率达到60%以下，使用污泥深度脱水技术可以有效的去除污泥的含水量，这可以大大的提高污泥焚烧处理的经济效益和焚烧处理效率。本文对城市污水深度脱水技术的原理与不同脱水方式进行了适当总结，以期促进城市污水污泥深度脱水技术的创新与发展。

1污泥深度脱水技术

污泥一种半固体废物，其含有大量的有机质、细菌、病毒以及胶体重金属等有毒有害物质，作为城市污水处理厂污水处理过程中的副产物其成分非常复杂[7]。城市污水污泥的含水率一般都比较高，具有恶臭气味并且易腐败，如果不能得到妥善处理，不仅会影响污水处理厂的日常运行，还会给周边土壤和水环境等造成污染。污泥深度脱水既是污泥处理过程中一个重要的环节，又是一个最难实现的环节。污泥深度脱水技术是使用物理、化学、生物等手段对含水率较高的污泥进行调理，从而改变污泥结构，释放结合水、吸附水等，提高污泥脱水性能的脱水技术[3,8]。目前，国内较为实用的污泥深度脱水方法有化学调理脱水、机械压榨脱水、生物深度脱水等。

1.1化学调理脱水

化学调理一般是指采用化学试剂对污泥进行调理改性，消除污泥中的水合作用和电排斥作用，改善污泥的脱水性能，以利后续机械压榨脱水。化学调理是污泥调理的重要方法之一，其可以通过化学药品促进污泥的脱水和排水性能，根据调理原理的不同可以分为絮凝剂调理和氧化调理[9-10]。1.1.1絮凝调理组成污泥的固体颗粒通常很小，带负电荷，能够形成稳定的胶体悬浮液，这使得污泥固体与水很难分离。一般通过投加带正电基团的絮凝剂可使污泥胶体脱稳，实现固液相分离，利于溶胶聚沉，所以絮凝调理一般通过添加适当的絮凝剂，改变污泥胶体的稳定性，实现污泥的固液分离。絮凝剂按照化学组成可分为无机和有机絮凝剂[9]。无机絮凝剂利用电性中和、压缩双电层、降低排斥电势，从而降低颗粒间的排斥能。利用分子链对有机絮凝剂进行变性处理，达到混凝的目的。拉长分子链，充分发挥吸附架桥作用，使颗粒与水易于分离。1.1.2氧化调理氧化调理是指采用臭氧、氯气、二氧化氯和Fenton试剂等强氧化剂对污泥进行调理，改善脱水效果，降低后续机械处理后的含水率。氧化调理采用较多的是Fenton调理。Fenton调理机理主要是降低Zeta电位和增强絮体疏水性，提高污泥的脱水性能；另外其较强的氧化性损坏了EPS，可以使细胞中的结合水变成表面吸附水，这改变了污泥性质提高了污泥的脱水性能[11]。Fenton试剂调理深度脱水主要通过三个步骤：酸化、Fenton氧化调理和机械脱水，可使污泥体积减少40%以上，实现深度脱水。

1.2高压隔膜板框深度脱水

现有的污水处理厂的污泥含水率一般都比较高，现阶段国家在大力提倡污泥的脱水减量，为了响应国家号召，满足污泥的填埋、焚烧等处理要求，引进污泥脱水压榨设备，降低污泥含水率。污泥脱水压榨技术是现阶段污泥脱水减量化最有效的形式，其可以满足国家对污泥减量化和稳定化的要求[3]。常用的污泥脱水压榨设备有隔膜式压滤机、板框压滤机、带式压滤机和离心压滤机，一般来说隔膜板框深度脱水效果较佳，而带式压滤机和离心压滤机的脱水效果不能满足低含水率的要求[11]。高压隔膜板框脱水系统主要有高压进料泵、隔膜压榨泵、进料口、空压机、滤板与滤布、冷干机等配套设施组成，与普通压滤机不同，高压隔膜板框脱水系统的基本结构在支撑滤板上另外固定了一块隔膜[12]。将回收后的污泥送入滤室，在滤室内填入污泥进料，向压滤机隔膜板中注入高压水，产生的隔膜张力挤压污泥，从而实现污泥脱水，通过过滤介质(滤布)，留下固体经滤布阻隔收集，形成低含水率物质。高压隔膜板框深度脱水技术通过物理挤压，板框给污泥施加一定的压力，污泥压制滤饼的水含量降低至小于60%，实现污泥含水率降低的目标。高压隔膜板框深度脱水技术具有脱水泥饼含水率低，操作条件气味小，但其设备投资和占地面积相对较大，作业周期较长。总体来说高压隔膜板框深度脱水技术对污泥脱水的减量效果明显，可以达到我国对污泥脱水的减量化、稳定化等要求，在新建的污水处理厂使用较为广泛。

1.3电渗透板框污泥深度脱水

电渗透污泥脱水是利用反离子在电场力的作用下携带水分子向电极运动的方式，配合板框或带式脱水机的压力可以有效地对污泥进行脱水。现阶段，常见的电渗透污泥脱水机主要有电渗透板框式污泥脱水机、电渗透带式污泥脱水机以及电渗透叠螺式污泥脱水机。电渗透板框污泥深度脱水的原理主要为，污泥颗粒表面的胞外聚合物中有带负电的官能团，由于离子吸附作用，容易吸附一些阳离子。在电场作用下，带有部分正电荷的水分子向阴极移动，而污泥颗粒带有负电荷，由于阳极的吸引，其便向阳极方向移动，从而实现了污泥脱水的目的。电渗透板框污泥深度脱水工艺就是常规脱水机处理后的污泥饼通过通电后的电脱水机的滚筒和履带之间，由于滚筒和履带之间形成的电位差，带有部分正电荷的水分子向阴极移动，污泥颗粒带有负电荷向阳极移动，这使得污泥颗粒和水分分别向阴、阳两极定向迁移[13]，再通过加压过滤，从而实现固液分离，这种方法可以有效的脱除污泥的间隙水、吸附水等。电渗透板框污泥深度脱水可以实现不投加如何化学试剂的情况下，实现污泥的减量，为污泥的处理、处置提供技术支持，该技术工艺简单、占地面积小、将电渗析与板框压滤相结合，可以有效的解决我们城市污水污泥的处理处置含水率高的困扰，对于实现污泥减量化与资源化有重要意义。

1.4生物沥浸深度脱水

生物沥浸深度脱水技术是一种基于生物湿法冶金基本原理的一种污泥脱水技术，使用的是不同于污水处理的以自养型微生物为主，结合一部分特殊异养菌共同组成的特殊微生物复合菌群，其很快替代了污泥中原有以异养型微生物为主的污泥菌体胶团，从而破坏了原活性污泥中的菌胶团，包裹其中的毛细水予以释放，从而污泥脱水性能显著提高，这有利于污泥今后的焚烧处理或资源化利用，另外生物沥浸深度脱水技术对有效去除污泥中的重金属等有害物质也有一定的效果。微生物沥浸技术特点是污泥经微生物调理后，可直接注入专门为生物沥浸设计的板框压滤机进行脱水，操作简单，却无需添加化学试剂，一般处理后的含水率可以降低到60%以下，且污泥有机质含量基本不变，容易实现后续资源化利用[14]。对于重金属超标的污泥，可以采取加强特殊微生物菌群的结构，使重金属含量大幅减少，除臭和杀灭病原菌效果也极显著[15]。对于老旧污水处理厂升级改造是如果没有足够的空间改建或扩建污泥深度脱水处理装置，或者没有污泥处理设施的中、小型污水处理厂，都可以将经过常规脱水的污泥集中收集起来进行生物沥浸深度脱水处理。

1.5超声波深度脱水

超声波能产生瞬间高温高压及剪切力，改变疏水性膜物质的理化性质，破坏细菌胶束结构，并分解难降解有机物；可以提高波面传播产生的通道中水分子的通过通量，促进污泥团聚；介质引入超声波时，颗粒与介质一起发生震动，从而加速了颗粒的碰撞和粘合。超声波深度脱水技术是一种利用超声波的能量传输的方式，通过分子震动将污泥表面的吸附水脱除的技术。通过超声波深度脱水技术进行污泥脱水时可以不加如化学试剂，其主要利用超声的连续、高频率作用于污泥颗粒表面，将污泥中的微生物细胞快速的震碎，从而达到较好的物理脱水效果。部分研究表明，从超声波改善污泥脱水性能来看，中低频超声波和较短的超声时间对于污泥脱水效果显著，但是加大超声波频率以及延长超声时间效果相对较差[16]，长时间作可能导致污泥结构的损坏，有可能会使得污泥全部破碎，悬浮的颗粒影响污泥的脱水，降低脱水效果。齐健等[17]发现用超声波技术处理城市污泥时，会产生海绵效应，使水更容易通过波前传播产生的通道，增加水分子的通量，这会导致污泥之间的团聚，增加污泥颗粒尺寸。随着其不断增大，就会发生布朗运动，相互碰撞、结合，最终形成沉淀。使用较短时间就可以改变污泥的结构特征，增强污泥的脱水性能。利用超声波技术的液相中产生的机械效应、化学效应以及空化效应等，超声波技术也可以用于市政厌氧污泥脱水，可以使市政污泥进行厌氧消化，冯力[18]采用超声波联合化学调理技术进行污泥脱水处理，实验结果表明投加合适的化学调理剂和控制合理的超声时间，可以有效的改善污泥脱水性能，实现较好的脱水效果。生物沥浸法具有处理效果好、操作简单快速等优点，被广泛应用于水处理等领域，张慕诗等[18]研究了采用合超声波联合生物沥浸法技术对市政厌氧污泥进行脱水，验证该联合技术在市政厌氧污泥脱水具有良好的可行性，其中厌氧污泥脱水量可以达到99%，研究成果对提高城市污水污泥脱硫效率和脱水效果具有一定的借鉴作用。

2结语

随着我国环保要求的提高、污泥处理处置压力的升高，污泥深度脱水技术将得到更加广泛的重视与应用。现阶段我国深度脱水技术研究目标主要集中在脱水试剂的选择与使用上，大多数脱水药剂都存在造成二次污染的可能，故而今后的研究方法可以向微生物絮凝剂、生物质粉末等无二次污染的环境友好型和低成本的污泥调理脱水药剂。污泥深度脱水技术的研究应该与现在的污泥脱除处理技术紧密联合起来，由于常规单一机械脱水技术一般都无法满足需要的处理效果，通过研发新型污泥资源化技术的同时实现污泥深度脱水，不断地加强对新型污泥脱水处理技术的调研、研究和开发，这才符合我国环境与经济建设的发展需要。污泥深度脱水技术的发展方向不仅仅是发挥单一技术的优点，需要再联合多种深度调理技术共同处理，从而更好地适应我国社会经济和环境发展需求。

作者：王艳 单位：蚌埠市五河县生态环境监测站