物理与化学联用技术调理改善污泥脱水性能研究进展

罗宿星，伍远辉，徐禅，刘发增

（遵义师范学院化学化工学院，贵州遵义563006）

自然科学研究

物理与化学联用技术调理改善污泥脱水性能研究进展

罗宿星，伍远辉，徐禅，刘发增

（遵义师范学院化学化工学院，贵州遵义563006）

污泥处理与处置问题是世界性难题，而在污泥最终处置或再利用前对污泥进行调理非常关键。物理调理和化学调理是较为普遍的手段，但单独使用其中一种方法不能获得良好的效果，使用物理和化学调理联用对改善污泥脱水性能有重要现实应用意义。作者综述了超声波结合化学调理、微波结合化学调理、电化学与化学调理、冷融与化学调理四种联用技术在污泥调理应用方面的研究进展。

污泥脱水；污泥调理；联合调理

我国城镇污水处理量的快速增加导致污泥量的急剧增加，污泥含有大量水分且水分难以脱除成为污泥处理与处置的瓶颈问题[1-4]。污泥中所含水分有间隙水（Interstitialwater）、自由水（Free water)、表面吸附水（Surfacewater)、内部结合水（Intracellularandchemically bond water)[5-6]四种形态，如图1所示。

由于污泥含水量高，体积大，因此在污泥最终处置或再利用前进行调理至关重要，污泥调理可改善污泥的性质，提高污泥浓缩脱水的效率，从而经济地对污泥进行后续处理。

图1 污泥中水分的存在形式示意图

污泥调理最常见的是物理调理和化学调理[7]。物理调理常采用热处理法、冷冻-融化、超声、微波、电化学等，进而改善污泥的脱水性能。化学调理是向污泥中添加化学药品，克服水静电排斥作用从而使污泥脱水[8]。但单独使用一种技术效果并不理想[9]，目前不少学者使用物理和化学联用技术调理，探究效果更好、更易操作与运行的方法。

鉴于物理技术和化学调理联用对改善污泥脱水性能有重要现实应用意义，本文对其进行了系统的分析和综述，旨在为污泥的脱水干化提供可靠的参考资料。

1 超声波与化学调理联用技术

超声波作用于污泥时，空化效应产生的空化泡具有强烈的剪切作用，瞬时破坏污泥的菌胶团和EPS，较低频率和声能密度的超声波能有效地破坏污泥细胞结构，从而改善污泥的脱水性能[10-11]。但单一的超声调理污泥的结合水转移的量不多，效果不理想，如进行过度的超声，污泥中其它物质大量溶出，导致污泥脱水性能恶化[12-13]。化学调理可释放出污泥内部的结合水，超声波与化学调理联用，可达到优势互补，具有一定的操作可行性和优越性。

Zhang Guangming等[14]比较了超声波脱水和超声联合FeCl3和PAM的脱水效果，结果表明，超声联合FeCl3和PAM可明显减少调理剂的用量（40%～50%），且最佳条件下污泥的最终含水量为72%。Xun-an Ning等[15]以印染污泥为目标物，探讨了超声波联合芬顿试剂对污泥脱水性能及结构的影响，结果表明，超声波联合芬顿试剂技术优于任一单一技术，污泥的平均粒径明显降低，污泥经芬顿试剂处理后产生的羟基会导致污泥絮体表面EPS的部分氧化和重组，如图2（b）所示，经超声联合芬顿试剂处理后，超声波空化效应产生的空化泡具有强烈的剪切作用，使污泥絮体结构进一步遭到破坏，如图2（c）所示。上清液中蛋白质、多糖、羟基自由基含量明显增加，改善了污泥的脱水性和稳定性。

图2 印染污泥的SEM图

Xinbo Tian等[16]研究了超声波联合NaOH对污泥性能的影响，溶解性化学需氧量（SCOD）从1200mg/L增加到11000 mg/L，污泥的厌氧生物降解达到37.8%。苏建文等[17]研究了超声波或生石灰单独及联合使用对污泥脱水性能的影响，研究发现，超声波单独对污泥进行处理时，污泥释放大量的胞外聚合物，增加污泥离心出水的COD，使水质变差。超声波与生石灰联合使用不仅减少了生石灰的投加量，还能降低污泥离心出水的COD，改善出水水质。朱书卉等[18]探讨了超声波联用复合絮凝剂技术对污泥脱水的影响，结果表明，复合絮凝剂优于单一絮凝剂，再经20kHz、400W/m2超声处理2.5min后，污泥体积缩小86%左右，含水率可降至79%，比无超声作用时污泥干基含水率减少7%左右。周翠红等[19]通过对市政污泥进行超声处理、PAM处理和超声结合PAM处理，结果发现，超声结合PAM处理可使污泥絮体团聚更紧密，提高了污泥的脱水性能。

2 微波与化学调理联用技术

微波辅助能有效提高污泥脱水性能，微波处理具有所需时间短、反应过程易于控制以及有特殊的灭菌功能等优点，通过微波产生的高频电磁场作用可促使污泥结构脱稳[20-21]。短时间的微波辐射能使污泥内部产生温度梯度，破坏结合水与EPS之间的结合力，从而使难处理的内部水和结合水转化为易处理的自由水[22-23]。Qingcong Xiao等[24]采用均匀实验设计研究了微波-H2O2对污泥性能的影响，研究发现，经过均匀实验优化，H2O2的用量减少了3.87倍。Yawei Wang等[25]采用星点设计-效应面法优化了微波-H2O2联用技术预处理对污泥破解的影响并建立了相关的二次模型，结果表明，pH值在整个联用技术中至关重要。

Nalan Bilgin Oncu等[26]研究了微波-H2O2和微波-S2O82-对污泥脱水性能的影响，结果表明，相对于微波-H2O2，微波-S2O82-在更低温度、更少氧化剂用量条件下，污泥的脱水性能提高2倍。Jae-HoLee等[27]比较了微波与H2SO4、NaCl和CaCl2联用时对活性污泥增溶性的影响，结果表明，微波与NaCl联用是一条可行的途径。魏源送[28]研究表明微波-碱、微波-H2O2联用技术对污泥中含碳有机物、含氮物质具有明显的溶出作用，同时可促进污泥中磷的溶出。Qi Yang等[29]研究了微波联合碱预处理对污泥破解及酸化的影响，结果表明，pH为11，比能量为38,400kJ/kg时，剩余污泥的破解率达65.87%。韩洪军等[30]研究了微波联合PAM对污泥脱水性能的影响，结果表明联用技术可使PAM投加量节省33%左右，适宜的微波与PAM联用对污泥的脱水性能有明显改善。林颐等[31]研究了高铁酸钾-微波耦合对印染污泥脱水性能的影响，在最佳条件下，泥饼含固率相比原污泥增加14.58%，微波耦合高铁酸钾能有效破坏污泥絮体结构，随着高铁酸钾投量增加，上清液的蛋白质含量持续增加，多糖含量则先增加后减少。JingZhang[32]研究了微波联合芬顿试剂和微波耦合对污泥脱水性能的影响，结果表明，该方法能有效改善污泥的脱水性能，最佳条件下，污泥比阻降至1.85×109s2g1，污泥含水量为65.93%。

3 电化学与化学调理联用技术

电化学氧化污泥减量是在特定的电化学反应器内，利用形成的强氧化性·OH基团破坏污泥EPS，从而提高污泥脱水性能。电化学污泥减量一般无需很多化学药品，后续处理简单，占地面积小，管理方便，符合污泥处理稳定化、无害化、减量化和资源化的总体要求[33-34]。Nan-wen Zhu课题组系统研究了电化学联合化学处理技术对污泥脱水性能的影响，一定的电压和电解时间会改善污泥的脱水性能，电压过高会使污泥的脱水性能变差，如图3（a）所示，电化学处理前污泥菌胶团结构较为完整，30V、30min处理后污泥菌胶团结构遭到破坏，释放自由水，污泥脱水性能得到改善，如图3（b）所示，50V、30min处理后污泥菌胶团结构严重破碎，如图3（c）所示，污泥脱水性能变差[35]。

图3 不同处理条件下污泥SEM电镜比较

Nan-wen Zhu课题组研究结果表明[36-39]，不管是否使用电化学技术，十二烷基硫酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）会对污泥的脱水性能产生负面影响，聚合硫酸铁与电化学没有耦合效应，而电化学技术与阳离子聚丙烯酰胺（PAM）、甲基溴化铵（CTAB）共同使用时，污泥EPS被破坏，脱水性能大幅提高。Hamed Gharibi等[40]采用新型电解/电凝技术处理污泥，结果与Nan-wen Zhu课题组一致。Ali Reza Rahmani等[41]优化了电化学-芬顿联用技术处理污泥的条件，结果表明，在最优条件下NaCl存在时，COD去除率达到72%，总大肠菌类去除率达到100%。Emna Feki等[42]比较了双氧水氧化、电化学、电化学-双氧水联用技术、热-碱联用技术对污泥厌氧消化的影响。结果表明，电化学-双氧水联用技术对污泥的溶出率最大，达到了28%，该联用技术使沼气产率比空白提高了78%，可有效改善污泥厌氧消化性能。傅金祥等[43]研究表明，NaOH作为电解质时，电化学破解污泥效果最佳，实现污泥的减量，改善污泥的沉降性能。

4 冷融与化学调理联用技术

冷融处理是一种有效的污泥调理手段，可使泥水两相分离，破坏污泥胶团结构，使疏松的颗粒结构转变为致密形态，同时也是一种有效灭活污泥细菌的方法。James Diak等[44]研究了冷融技术联用高铁酸钾对污泥脱水性能的影响，表明该联用技术可破坏污泥胶团结构，增加污泥粒径，有利于污泥脱水。W.Gao等[45]研究了在酸性和碱性条件下的冷融作用，研究表明，冷融作用使污泥颗粒变大，脱水性能提高。

5 结论

污水处理中的污泥具有很高的亲水性，污泥中的水分与污泥固体胶粒的结合力很强，单独的一种处理技术难以达到处理标准，通过对污泥进行物理和化学技术联用调理，改变污泥颗粒的表面物理化学性质，破坏污泥颗粒部分胶体结构，降低与水的亲和力，从而提高污泥的脱水性能，展现出了良好的应用前景。但为了使预处理效果最优化，需要通过进一步的实验找出合适的联用条件，且污泥脱水机理有待进一步研究；另外，针对不同的物理化学联用技术，开发新的污泥脱水技术与设备并应用于实际工程，这些都是今后的研究方向。

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（责任编辑：朱彬）

Progress on the physical and chemical control combination to improve sludgedewatering

LUO Su-xing，WU Yuan-hui,XU Chan,LIU Fa-zeng
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China）

Treatment and disposal of sludge are the present challenges of the world.The sludge conditioning is an important part for any sludge dewatering procedure.The most common technology is physical and chemical conditioning,but if only one method is used,there will be some shortcomings.Using physical and chemical control combination to improve sludge dewatering properties has very important significance in practical application.This paper describes the research progress on the physical and chemical control combination technology to improve sludge dewatering,such as sonication-chemical combination technology,microwave-chemical combination technology,electrochemical-chemical combination technology,and freeze/thawing-chemical combination technology.

sludge dewatering;sludge conditioning;combined conditioning

X705

A

1009-3583（2017）-0101-05

2016-12-02

遵义市创新人才团队培养资助项目[遵市科合(2015)39号];国家自然科学基金项目(51561033)；贵州省科技厅·遵义市科技局·遵义师范学院三方科技合作计划项目(黔科合J字LKZS[2014]01号)；贵州省教育厅市州地普通本科高校教育质量提升科研(2011-11)资助；全国大学生创新创业训练计划（201510664020）

罗宿星，女，四川眉山人，遵义师范学院化学化工学院教授，在读博士研究生，主要从事环境化学研究。