污泥调理技术发展与研究

胡东东+俞志敏+易允燕

摘 要：污泥脱水是污泥处理与处置前必不可少的步骤，而污泥调理是污泥脱水工艺中的重要环节，其主要作用是改善污泥的沉降性能和脱水性能，提高后续设备对污泥的脱水效率。该文主要介绍了化学、生物、物理和联合4种调理技术对污泥脱水性能的影响及其各自的优缺点，并通过比较各种调理技术，展望了今后污泥脱水过程中调理技术的发展方向。

关键词：污泥脱水；污泥调理；发展；研究

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）18-90-04

1 前言

随着我国经济的飞速发展，环境污染问题日益严重。其中，污泥作为固体废弃物的一种，若不能合理地对其进行处理与处置，则会对环境产生一定的危害。近年来，伴随着城镇化进程的加快，城镇污水处理厂数量不断增多，污泥产生量也随之逐年增多。污泥是在污水处理过程中产生的，污泥中的微生物通过分解、吸附废水中的有机或无机物，最终形成颗粒状絮凝体。污泥是废水生物处理中必不可少的原料，经脱水后的污泥经过相应处理也能被资源化利用，但由于污泥中重金属含量过高，并掺杂一些致病细菌等问题，会对环境产生威胁。因此，如何处理与处置城镇污水处理厂所产生的活性污泥，成为亟待解决的问题。

我国目前对污泥处理与处置的方法主要有卫生填埋、焚烧和堆肥3种方式，但这几种方法都有各自的局限性。卫生填埋的主要缺点是占用大量土地，且产生的垃圾渗滤液会对地下水产生污染风险；焚烧方法的缺点是投资较大且处理要求较高；堆肥是对污泥资源化利用的方法之一，但我国污泥中重金属含量超标一直制约着污泥的资源化利用。污泥在处理与处置过程中的主要问题之一是污泥含水率过高，一般在95%～99%，不仅不易运输，且不利于后续的处理与处置。因此，必须对污泥进行减量化处理，即通过对污泥进行脱水，降低污泥含水率来减小体积，使其转变为固体或半固体形态，再对其进行后续处理与处置。

2 污泥脱水性能指标[2]

2.1 污泥比阻（SRF） 污泥比阻是指污泥过滤特性的综合性指标，单位质量的污泥在一定压力下过滤时，在单位过滤面积上的污泥比阻愈大，表明污泥脱水性能愈差。计算公式为：

比阻r=[2PA2μ×bω]

式中——r：比阻，s2/g；P：过滤时的压强降，g/cm2；μ：滤液粘度，Pa·s；A：过滤面积，cm2；ω：过滤时单位体积滤液在过滤介质上截留的干固体质量，g/mL；B：恒定过滤压力下t/V与V所得直线的斜率。

一般认为比阻在109～1010s2/g的污泥算作难过滤的污泥，比阻在（0.5～0.9）×109s2/g的污泥算作中等，比阻小于0.4×109s2/g的污泥容易过滤。

2.2 毛细吸水时间（CST） 毛细吸水时间（CST）是指污泥在特定的滤纸上渗透一定距离所需要的时间，用来判断污泥脱水性能。CST越小，表明污泥脱水性能越好。

2.3 抽滤后泥饼含水率 经抽滤后的污泥含水率是污泥脱水的重要指标之一。在一定压力下，抽滤时间为30min或20s内无水滴滴下，抽滤后的湿污泥在105℃温度下恒温干燥8h以上，最后计算含水率。计算公式如下：

含水率C（%）=[W3-W1W2-W1×100]

式中——W1：烘干滤纸质量；W2：湿污泥质量；W3：干污泥质量。

3 污泥调理技术

污泥中水分存在形式有4种，分别为：自由水、间隙水、吸附水和内部水，其中自由水和间隙水较易脱除，其他2种较难脱除。污泥调理的目的是让污泥中的水分更多地向自由水或间隙水转化，从而有利于后续的机械脱水，提高脱水效率。目前污泥调理技术主要分为化学调理、生物调理、物理调理和联合调理4类[3]，其中化学调理现阶段应用最广。

3.1 化学调理 化学调理是通过向污泥中投加一种或几种化学药剂并适当的搅拌均匀，化学药剂在污泥中起到骨架作用并中和污泥自身所带电荷，使污泥形成较大的絮凝体，分离污泥中的吸附水，从而改善污泥的脱水性能。一般认为，化学絮凝剂起絮凝作用的主要机理有双电层作用、吸附架桥作用、吸附中和作用和沉淀物网捕机理[4]4种。陈美香、陈梅霞[5]等以实验室小试和现场中试为基础，分别采用了40%Fecl3+80%生石灰，壳聚糖（以40%Fecl3作为溶剂），聚二甲基二烯丙基氯化铵作为污泥调理的絮凝剂，3种絮凝剂都在很大程度上改善了污泥脱水性能，调理后污泥脱水后含水率均在70%以下，甚至达到60%以下。上述3种絮凝剂配方均有各自的优缺点，采用40%三氯化铁+80%生石灰脱水后污泥含水率最低，但投加量较多，污泥产生量也随之增多，且车间内扬尘较多，不宜工人长时间工作；采用后2种调理剂时，化学絮凝剂投加量较少，操作较为简单，但脱水后的污泥泥饼硬度较差，泥饼表面和内部含水率差异明显，说明调理后污泥的疏水性有待提高，存在调质时污泥絮团易打散的问题，对搅拌系统和进料系统的要求相对较高，因此选择合适的化学絮凝剂组合是今后化学调理的重要研究方向之一。于俊杰、汪家权[6]用聚丙烯酰胺（PAM）、壳聚糖（CTS）、硅藻土以及复合絮凝剂对剩余污泥的调理作用，实验结果表明，在适宜的搅拌强度下，它们都有助于改善活性污泥的脱水，通过对污泥比阻的比较和观察污泥絮体大小变化情况，得出这几种单一絮凝剂和复合絮凝剂均有良好的絮凝效果，并对污泥脱水性能有所改善。

3.2 生物调理 生物调理法是指通过在污泥中投加具有污泥调理中起架桥作用的微生物或微生物的代谢产物，使污泥细小颗粒聚集成絮凝体，从而更易脱水。国内外生物调理的主要研究是生物絮凝剂产生菌筛选与性能研究，与传统的絮凝剂相比，其具有无二次污染、安全无害等优点。吴康宁、刘丁榕[7]等从活性污泥中筛选出絮凝剂产生菌，经絮凝活性测定试验筛选得到1株絮凝活性较高且稳定的菌株，其在玉米面为碳源，大豆粉为氮源，培养温度为30℃，pH为7.5以及振荡培养箱转速为150r/min最佳培养条件下，絮凝率达97.89%。生物调理法是目前最具有前景的调理技术之一，但到目前为止生物絮凝剂在实际生产中尚未得到广泛应用，其主要原因是生物絮凝剂生产成本过高且菌种较难稳定。endprint

3.3 物理调理 物理调理是指通过外加能量或应力来改变污泥性质的方法。传统物理调理方式主要包括加热和冷冻调理。加热调理方式的调理机理是通过破坏污泥细胞结构，使得污泥中的水分转为自由水，在机械脱水的过程中改善污泥脱水性能，降低污泥脱水后的含水率。

3.3.1 洗涤调理 洗涤调理可以节省絮凝剂用量和机械脱水的运行费用。洗涤调理主要利用固体颗粒大小、相对密度和沉降速度不同的特点，洗去消化污泥中重碳酸盐的碱度和部分颗粒细小，表面积较大的胶体颗粒，减少混凝剂用量，降低污泥的粘度，从而有效提高污泥浓缩和脱水效果。洗涤过程是用洗涤水稀释污泥、搅拌、沉淀分离、撇除上清液。污泥洗涤预处理缺点是洗涤过程中有机物微粒逐渐富集，污泥中氮素被洗涤水带走，导致污泥肥效降低。

3.3.2 冷融调理 污泥冻融是以冰与水溶液之间的固液相平衡原理为理论基础，将污泥冷冻到凝固点以下再融解，从而使污泥的自然沉降性和脱水性能得到大大的提高。这种方能够使污泥具有紧密的结构，在污泥本身中间隙水在进行脱水后减少很多。污泥冻融后[8]，胶体性质完全被破坏，颗粒迅速凝聚沉降，沉降速度可提高2～6倍，过滤产率比冷冻前提高几十倍，因此可以不用混凝剂处理，自然过滤脱水，节省药剂费。污泥冻融后，真空过滤脱水，含水率可降达50%～70%。黄玉成和张维佳[9]等在人工模拟自然低温条件下研究污泥冷融调理的影响因素，通过实验得出：-6℃条件下冻融，污泥的脱水性能最好，含固率超过10%，经过抽滤含固率可以达到30%以上，泥饼含水率可以达到66%；实验同时表明污泥冷冻后，再继续冷冻污泥对污泥脱水性能改善不明显；在本试验条件下冷冻速率为0.43μm/s时，污泥浓缩明显，污泥中的间隙水减少，颗粒团形成块状，脱水性能大幅度改善。

3.3.3 超声波调理 超声波[10]是指频率在20kHz～10MHz范围内的声波，原理是超声波的空化效应，即存在于液体中的微小泡核在超声波的作用下，经历超声的稀疏相和压缩相，微小泡核的体积生长、收缩、再生长、再收缩，多次震荡，最终高速崩裂的动力学过程。超声波调理污泥主要有以下两方面作用：一是超声波能破坏菌胶团结构，使其中的水释放出来，调整污泥内部结构，改善污泥脱水性能；二是超声波能对污泥产生海绵效应，使水分更易从波面传播产生的通道通过。此外，超声波还会产生局部发热、界面破稳等作用，也有利于改善污泥的脱水性能。

叶运弟、郑莉[11]等以广州沥窑污泥处理厂的回流污泥作为实验材料，在超声波能量为750J，超声时间为15s时，污泥抽滤后含水率、毛细吸水时间（CST）和污泥比阻（SRF）均达到实验最低，过小的超声能量对污泥脱水性能改善不明显，而过大的超声能量处理污泥对污泥脱水性能产生负面影响。

3.3.4 微波调理 微波是指频率为300～300 000MHz（波长为1mm～1m）的电磁波，最常用频率是2 450MHz和915MHz，是非离子化的辐射能，介质在微波场中主要发生离子传导和偶极子转动[12]，在实际应用中2种机理的微波能耗散同时存在。微波调理不仅加热速度快，反应过程易于控制，而且还具有特殊的灭菌功能，所以被认为是很具有发展前景的污泥调理技术[13]。

梁仁礼、雷恒毅[14]等考察了污泥在500、720、900W的微波作用下，污泥性质（粒径，胞外聚合物等）和脱水性能的变化情况，实验结果表明，在900W微波功率作用下辐射60s是该污泥最佳的污泥调理条件，当达到该最佳条件后再增加微波处理时间不但增加能耗，而且也会使污泥脱水性能变差；肖朝伦和唐嘉丽[15]研究了微波频率2 450MHz、功率500W的微波在城市污泥脱水中的穿透性及辐射过程中脱水性的变化，实验得出，在适宜的微波辐射条件下可显著提高污泥的脱水性。周翠红等[16]利用微波加热处理污泥，研究了温度及升温速率对污泥脱水性能的影响，并对经微波调理后污泥的CST、粘度、SV、Zeta电位和形态学特征等进行了测试与分析，实验结果表明，在本实验中最适合的条件为升温速率为10℃/min，温度为70～80℃，同时污泥的形态学特征变化也比较明显。

3.4 联合调理 联合调理是指2种或2种以上调理技术联合处理污泥，基于单独的化学或物理调理都存在一定的缺陷，近年来对于联合调理技术的研究也日益增多，相关研究表明，联合调理往往比单一的化学或物理调理取得较好的效果。

李定龙、张志祥等[17]以城市生活污水处理厂的剩余污泥为研究对象，以污泥比阻和CST作为脱水性能指标，研究了超声波调理技术与聚合硫酸铝铁（PAFS）联用对污泥脱水性能的影响，分析了2种调理技术的排列顺序对调理结果的影响，同时对联合调理时超声波作用时间和PAFS投加量也进行了实验研究，实验结果表明，对于该污泥先超声后投加絮凝剂的联合方式明显优于先投加絮凝剂后超声；当选择最佳超声波参数（20kHz，0.09W/mL，8s）和PAFAS投量为10%时，污泥脱水性能得到最佳改善，CST由92.6s降为23.6s，该种方式调理污泥既能够提高脱水效率也能降低成本。杨国友、石林[18]等采用生石灰与微波协同作用，以广州市猎德污水厂浓缩污泥作为研究对象，试验分别用单独使用生石灰作为化学絮凝剂、单独用超声和两者联合调理3种方法来调理污泥，实验结果表明，单独投加无机絮凝剂生石灰作为调理剂，投加量为40g·L-1时，污泥比阻由原来的4.72×1013m·kg-1降至1.9×1012m·kg-1，降低了约96%；单独使用微波调理污泥，在800W功率微波下处理污泥100s，污泥比阻降低为1.28×1013m·kg-1，降低了约72.9%；当联合条件为生石灰投加量为30g/L，微波功率为800W，处理时间为100s时，污泥比阻进一步降低至0.98×1011m·kg-1，降低了约99.8%，提高了污泥的脱水性能。与单一的化学调理相比，联合调理技术不仅更有利于污泥脱水，且减少了生石灰的投加量，在一定程度上降低了污泥的产量。目前联合调理技术绝大多数还处于研究阶段，应用实例并不多见，今后还需要进一步研究。endprint

4 结论与展望

污泥调理技术是影响污泥脱水性能的关键环节，直接影响着污泥的后续处理与处置。通过比较各种调理技术可知：（1）单一的调理技术往往会有诸多局限性，例如单独使用化学絮凝剂虽然明显改善了污泥脱水性能，但投加的絮凝剂本身在一定程度上也增加了污泥的产生量；（2）联合调理技术从长远角度来看，不仅降低了成本，且对污泥脱水性能的改善更为显著，所以联合调理将成为今后学者们研究的重要方向；（3）部分污泥调理后产生二次污染的问题也值得关注。

目前对于污泥脱水的机理还没有彻底的了解，对一些新出现的污泥调节技术研究不够深入，且经济可行性要进一步论证，这些问题和困难都有待解决。

参考文献

[1]杨宝林.污水处理厂技术概况和发展动向[J].中国给水排水，1991，2（4）：27-30.

[2]周章，曹艳峰，袁莉，等.污水处理厂污泥脱水性能指标测试分析[J].山西建筑，2013，39（22）：36-40.

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[4]罗固源.水污染控制工程.[M].北京：高等教育出版社，2006，147-148.

[5]陈美香，陈梅霞.污水深度脱水絮凝剂的选择[J].科技创新导报，2012，4（12）：123-124.

（下转94页）

（上接92页）

[6]于俊杰，汪家权.絮凝剂对城市污水处理厂污泥的调理研究[J].广州化工，2013，41（10）：180-201.

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[17]李定龙，张志祥，申晶晶，等.超声波联合无机混凝剂对污泥脱水性能的影响[J].环境科学与技术，2011，34（7）：20-22.

[18]杨国友，石林，柴妮，等.生石灰与微波协同作用对污泥脱水的影响[J].环境化学，2011，30（3）：698-701.

（责编：张宏民）endprint

4 结论与展望

污泥调理技术是影响污泥脱水性能的关键环节，直接影响着污泥的后续处理与处置。通过比较各种调理技术可知：（1）单一的调理技术往往会有诸多局限性，例如单独使用化学絮凝剂虽然明显改善了污泥脱水性能，但投加的絮凝剂本身在一定程度上也增加了污泥的产生量；（2）联合调理技术从长远角度来看，不仅降低了成本，且对污泥脱水性能的改善更为显著，所以联合调理将成为今后学者们研究的重要方向；（3）部分污泥调理后产生二次污染的问题也值得关注。

目前对于污泥脱水的机理还没有彻底的了解，对一些新出现的污泥调节技术研究不够深入，且经济可行性要进一步论证，这些问题和困难都有待解决。

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[18]杨国友，石林，柴妮，等.生石灰与微波协同作用对污泥脱水的影响[J].环境化学，2011，30（3）：698-701.

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4 结论与展望

污泥调理技术是影响污泥脱水性能的关键环节，直接影响着污泥的后续处理与处置。通过比较各种调理技术可知：（1）单一的调理技术往往会有诸多局限性，例如单独使用化学絮凝剂虽然明显改善了污泥脱水性能，但投加的絮凝剂本身在一定程度上也增加了污泥的产生量；（2）联合调理技术从长远角度来看，不仅降低了成本，且对污泥脱水性能的改善更为显著，所以联合调理将成为今后学者们研究的重要方向；（3）部分污泥调理后产生二次污染的问题也值得关注。

目前对于污泥脱水的机理还没有彻底的了解，对一些新出现的污泥调节技术研究不够深入，且经济可行性要进一步论证，这些问题和困难都有待解决。

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