污泥脱水预处理技术研究述评*

刘婷娇 吴春山

(1.福建师范大学环境科学与工程学院，福建 福州 350007;2.福建师范大学环境科学研究所，福建 福州 350007)

污水处理会产生污泥。我国剩余污泥量逐年递增[1]，截至2017年6月底，全国城镇污水处理厂建成投产4063座，含水率80%的污泥年产量5000多万吨[2]。污泥的组成复杂，它是各种微生物和有机物质以及它们吸附的无机物质形成的细菌胶束的集合，此外还包含大量难降解的有机物、重金属、病原微生物等[3]，若处理不当，容易对环境和人体健康构成严重威胁。

目前剩余污泥处理成本占污水处理成本的比例高达50%[4]，因此如何科学、有效地处理污泥至关重要。现有的污泥处理处置技术包括稳定处理、去水处理和最终处置三类。稳定处理分为生物法、化学法和物理法，去水处理主要是浓缩、调理、脱水和干化，最终处置包括了填地、投海、焚烧和综合利用[5]，其中投海早已被明令禁止。污泥含有大量的水分，可以达到99%以上[6]。去水处理是污泥减量化的瓶颈和关键，其核心是降低含水率使污泥减容。去水的主要目的是去除占大多数的间隙水，由于其絮体具有强亲水性，使得污泥脱水成为难题。对绝大部分污泥而言，直接进行有效脱水是很难实现的，必须采取一定的调理措施来改变污泥特性，破坏胶体结构，减小与水的亲和力，改善其脱水性能[7]。污泥调理主要靠污泥预处理来实现，因此污泥预处理是污泥脱水的主要手段，主要包括物理预处理、化学预处理、生物预处理。本文对近些年国内外污泥脱水预处理技术进行综述，为企业开展污泥脱水提供参考。

1 物理预处理

1.1 热处理

污泥的热处理是指在密闭的容器中将污泥加热，污泥胞外聚合物水解，细胞破裂，胶体结构破坏，有机物水解，蛋白质、多糖等有机物质释放出来，从而使污泥固体颗粒对水的束缚作用降低。杜元元等[8]研究发现，单纯热水解时，热水解污泥离心干基含水率随着温度的升高先降低后升高。苑宏英[9]通过水浴加热预处理发现，加热时间并不是越长越好，加热时长小于1.5 h时，污泥的脱水性能将会有所改善，而过长的加热时间反而会使脱水效果越来越差。Liu等[10]研究了不同热处理条件下污泥脱水性能的变化及其影响因素。实验结果表明，在20～170 ℃范围内，热预处理对污泥的脱水性能有一定影响，但在一定的温度阈值(120～150 ℃)以上，污泥的脱水性能下降。Wang等[11]采用水热处理与机械表达相结合的新技术，首先对剩余污泥进行水热处理，然后分别在两个单独的细胞中在高温下立即采用机械表达。结果表明，在温度升高的情况下，当水分含量进一步降低19%～47%时，机械表达比室温下表现出明显的优势。热处理是效率较高的一种污泥脱水方法。

1.2 超声波

超声波预处理是一种新型的机械预处理方法，通过改变污泥性质来改善消化能力。Zhang 等[12]研究发现，超声波频率为28.7kHz和30.0kHz时，污泥脱水性能较好。Mao等[13]通过改变超声波频率和处理时间观察污泥含水量、SCOD和水份分布的变化，结果表明，超声辐照是一种有效的污泥脱水预处理工艺。徐慧敏等[14]探索了双频超声预处理对剩余污泥脱水性能的影响，发现双频超声对污泥脱水性能的改善效果远优于单频超声。Xu等[15]对城市污泥的超声化学处理进行研究发现，超声波可以降解污泥絮凝结构和细胞壁，释放胞内有机质，加速水解过程，可以改善污泥的沉淀和脱水性能。

1.3 冻融法

冻融是将污泥冷却到凝固点以下，然后在室温下融化的过程。在熔融过程中，污泥的细胞膨胀开裂，有机物溶出，胶体颗粒凝结，颗粒尺寸增大，从而改善污泥的脱水性能。在冻结过程中，温度、固化时间和冻融循环是影响污泥脱水性能和溶解效率的主要参数。陈悦佳[16]在实验中发现，冻融后的污泥内固体物质溶出主要发生在未完全冷冻阶段，先在较高温度冷冻，再在较低温度固化，最后在室温条件下融化，可以获得更好的冻融效果。冻融预处理有很好的破壁溶胞效果，在一定范围内，冻融时间越长，脱水性能越高，在合适的冻融时间内脱水性能甚至能成倍提高[17]。Wu等[18]将游离亚硝酸与冷冻预处理结合起来，发现由于共预处理引起的污泥崩解，导致污泥溶解、有机物释放、产甲烷抑制和粒径变化，游离亚硝酸和冷冻共预处理具有提高污泥脱水能力的潜力。

2 化学预处理

2.1 化学絮凝技术

化学絮凝技术是指向污泥中投加絮凝剂、助凝剂等化学药剂来破坏污泥的絮凝结构，释放污泥中的结合水和细胞水，进而提高污泥脱水能力。Yang等[19]研究了在无机高分子絮凝剂——聚氯化铝(PACl)的作用下，污泥的固体浓度、可溶性胞外聚合物(SEPS)和碱度对污泥絮凝脱水行为和机理的影响。结果表明，提高污泥固相浓度有利于污泥脱水，可以大幅度降低化学条件下污泥的PACl需求量。蔡灵敏等[20]研究发现，不同相对分子质量的CPAM对污泥脱水性能的影响不同，在30mg/L相对分子质量为8×106的CPAM(CPAM-B)调理下，污泥脱水性能最好,且CPAM-B与FeCl3联用的污泥脱水效果优于CPAM-B单独调理。罗璐等[21]研究发现，聚丙烯酰胺和溶菌酶联合使用对脱水性能的改善优于2种药剂单独作用，溶菌酶作为一种无毒、无害、无二次污染的生物酶，拥有能水解微生物细胞壁的特性，有望成为新兴的调理药剂。Wang等[22]发现，混凝剂与絮凝剂联合使用，污泥的含水率降低效率更高。无机混凝剂与阳离子聚丙烯酰胺复合使用比单独使用混凝剂或絮凝剂更有利于提高污泥脱水性能。

2.2 高级氧化预处理

高级氧化技术可产生大量活性极强的自由基中间体(如·OH)来降解水中的有机污染物，使其最终氧化分解为H2O和CO2，是一种高效的污泥减量化处理技术[23]，应用较为广泛。苑宏英等[9]发现Fenton试剂氧化污泥效果显著，仅需投加少量H2O2即能明显改善污泥的脱水性能。陈静涵[24]发现，适量投加Fe使泥饼含水率和CST减小，但Fe投加量过高时，会与·OH反应，且生成的Fe也能与H2O2反应，弱化Fenton试剂的氧化效果，污泥脱水性能变差。台明青等[25]利用Fenton试剂耦合叶腊石改善生物乙醇厌氧消化污泥脱水性能，研究发现耦合调理污泥比单独调理污泥脱水效果更好。

2.3 其他化学预处理

化学预处理法除了化学絮凝技术、高级氧化预处理外，还有酸处理法、碱处理法、电渗透工艺等。Wei等[26]对污泥进行了多次酸化处理，污泥的pH值从7.0持续调整到3.0，然后再回到7.0，再次调整到3.0。当污泥酸碱度恢复到中性时，污泥脱水性能进一步恶化。然而，在第二次酸化处理后，污泥的脱水性能提高到了与第一次酸化相同的水平。这些实验事实是由两种酸化效应引起的。其中之一是酸化可以有效破坏污泥絮体的结构，从而导致胞外聚合物(EPS)的降解和截留水的释放。另一种是质子化效应，它能有效压缩释放的EPS，特别是其中的蛋白样物质(PN)。这两种组合效应使污泥具有良好的脱水性能。然而，前者是不可逆的，后者是可逆的。黄殿男等[27]采用电极固定和移动两种布设方式分别对机械脱水后污泥进行电动处理，得出移动电极装置较固定电极装置的脱水效果好、能耗低的结论。

3 生物预处理

3.1 生物淋滤

生物淋滤法又称生物浸沥法，是通过氧化硫杆菌过程中产生的 H使污泥酸化，溶出重金属同时改善剩余污泥脱水性能[28]。Liu等[29]发现，生物浸出污泥中胞外聚合物物质明显减少，蛋白质和多糖分别减少了97.42%和76.00%。在生物浸出过程中，生物浸出污泥中微生物种类逐渐减少，优势菌属(酸性氧化菌属)在生物浸出结束时由7.48%增加到26.49%。影响污泥脱水性能的因素很多，而导致EPS降低的生物替代是提高污泥脱水性能的决定性因素。夏晶等[30]研究发现，溶解态蛋白质、多糖含量和污泥比阻在淋滤0～2d降低,之后呈上升趋势,结合态蛋白质、多糖含量在淋滤0～8d呈下降趋势,之后略微上升,且硫粉投加量越大,上述变化趋势越明显。张鹏飞等[31]发现生物沥浸可以联合类Fenton作用来提高污泥的脱水能力。

3.2 酶

酶预处理是生物预处理的一种，生物方法的操作条件温和，酶预处理是通过降解将细胞壁上的分子转化为厌氧微生物更有用的底物[32]。邹永杰等[33]研究了不同酶单独作用及2种酶联合调理对污泥脱水性能的影响。结果表明，不同酶单独作用时对污泥脱水性能的影响不同，2种酶联合作用时污泥脱水性能更加优化。陈静涵等[24]以泥饼含水率和毛细吸水时间(CST)为评价指标，发现溶菌酶的调理效果不如蛋白酶K。

4 结论与展望

我国污水处理厂数量多，剩余污泥产量大、含水率高、处理成本高是目前剩余污泥处理的显著特点。污泥脱水是污泥处理处置的重要环节，预处理是在脱水之前进行的污泥调理过程。预处理技术中，化学调理法操作简单，投资成本低，是目前应用最广泛的方法。现在污水处理厂大多投加无机絮凝剂和有机絮凝剂，但是这些混凝剂会二次污染环境，条件温和的生物酶预处理由于无毒、无害、无二次污染等特征，成为近年来学术界广泛研究的对象。Fenton反应性强，可以破坏污泥表面的EPS，大大提高污泥的脱水性能，应用也较为广泛。但是，单一预处理方法往往难以达到最佳效果 近年来出现许多联合调理的方法，如水热处理与超声相结合、化学药剂与冻融法相结合、聚丙烯酰胺和溶菌酶联合调理、生物沥浸联合类Fenton氧化等，这样既可以发挥单一技术的优点，还能相互间起到互补作用，从而取得预期的脱水效果，而单一方法的多样性预示着联合调理方法的可组合性多、创新性强，联合调理仍然具有很大的研究空间。总之，科学、有效地将污泥进行减量化、资源化、无害化、稳定化处理至关重要。