市政污泥化学调理脱水技术研究进展

张兴红

（广州市天河区给排水管理中心，广东 广州 510630）

1 概述

市政污泥含水量高，颗粒较细，有机物含量高，难脱水，其中含有大量的营养物、病原微生物、寄生虫卵和一些重金属。市政污泥中的这些有毒有害物质不仅容易对环境造成严重的二次污染，并且会通过生态系统中的食物链迁移、富集，对生态环境和人类健康造成长期的危害性。有关资料显示，预计到2025年，我国污泥产生量（含水率80%）将达到6000～9000吨[1]。如何实现污泥减量化，已成为今后污水处理行业亟待解决的问题。

研究表明污泥中的胞外聚合物（EPS）是影响污泥絮体理化性质和脱水性能的关键物质。污泥中微生物产生的胞外聚合物（EPS）填充并形成了细菌之间的空间，形成了絮凝体结构，一般EPS带负电荷，其质量分数可占絮体干重的40%～60%。污泥中的EPS分为紧密结合型、松散结合型和悬浮型3种类型，疏水性EPS常分布在污泥表层。随着我国研究的不断深化，在污泥内部结构中发现了分层EPS的差异性，亲水性与疏水性存在较大的差异，但在实际执行中，如多糖相关的亲水性EPS常集中在污泥内，则外层疏水性EPS可能会被破坏，内部亲水性EPS的暴露也难以符合实际需求，不利于后续污泥脱水。

污泥脱水性能最直观的表征方法即采用泥饼含水率或含固率，这也是衡量污泥脱水效果的最终指标，而且测试方法简便快捷。然而，为了更清楚地了解污泥脱水性能与污泥自身性质变化之间存在的某种内在关联性，进一步改善污泥脱水，与污泥性质有关的各种测试指标不断出现。污泥毛细管吸水时间（CST）、污泥比阻（SRF）及污泥束缚水含量是普遍采用的研究方法。

污泥的组成较为复杂，且不同结构存在较大的差异性，在脱水中需要区分自由水、间隙水等，保证水与其他固体物质、微量物质能够关联，如其他物质占总水分70%左右，后续可以通过重力沉淀而分离。间隙水是被束缚在絮体和微生物的间隙和夹缝中的部分，如超过20%后则需要通过施加外力将多余部分排除，因而必须要向污泥施加一定的外力，如借助真空过滤破坏毛细管表面张力，而离心力则可以发挥凝聚作用，使污泥中的自由水或间隙水转化。表面水是通过吸附和粘附固体颗粒表面上的部分，而化学束缚水是通过热干化作用的部分，二者占污泥总水分的10%左右。污泥调理有利于后续的机械脱水，其中自由水和间隙水较易脱除，为了能够进一步提高脱水效率，可以借助化学调理进行优化，一般是通过加入一种或几种适量的化学调理剂改变污泥性质，如絮凝剂、酸碱、氧化剂等，为后续的机械脱水打基础。目前常见的化学调理方法有絮凝脱水、酸碱法、Fenton氧化法、其他氧化法等[2-5]。本文从污泥化学调理技术的原理着手，分析了几种脱水技术的主要影响因素、优点、存在的问题并对其发展前景进行展望，以期为污泥异位减量化技术的研究和工程应用提供参考。

2 絮凝脱水法

投加絮凝剂是污泥脱水过程中常用的方法，常用无机高分子絮凝剂进行分离，此类絮凝剂具有沉降速度快，具有原料易得、制备简单的特点，但在工作中需要预先获取相关参数，避免因成分比例增加导致热值降低，最终配合静电中和、压缩双电层完成相关工作，达到泥水分离的目的。絮凝剂也具有吸附架桥、卷扫凝聚作用，需要在此过程中严格要求pH值和离子的强度，应用比较广泛的有聚合氯化铝（PAC）。有机高分子絮凝剂的分子量较大，对污泥的调理作用较为明显，合理地应用能够有效提高污泥的脱水效率。当前Fenton试剂[4]和O3[6]等无机调理剂较为常见，污泥化学调理必须要从有机絮凝剂和复合絮凝剂方面入手，通过最少的用量适应最大范围，在执行中需要保证无分子链的聚合度，切实发挥吸附架桥作用，但在单独使用时投药量大，为此需要在后续研究中对此进行优化，最终降低污泥脱水剂的用量，为后续工作奠定基础。

有机絮凝剂的来源较为广泛，现如今已经逐渐取代了传统的无机絮凝剂，通过对合成高分子絮凝剂和天然改性高分子絮凝剂进行优化，在此基础上区分阴阳两种离子型，并结合实际情况进行合理应用，经过强碱或酶水解脱去污泥中的杂质部分，从而降低污泥内部的静电斥力。污泥脱水剂的主要成分为无机化合物，常用于现阶段的污水处理厂，应用时需要从负电性方面入手，保证以最小的用量降低渣量，也可以结合实际选择有机合成絮凝剂，强化淀粉和纤维素衍生物沉淀，且有机高分子絮凝剂受pH值的影响小，能够提高污泥的处理效果。反观普通絮凝剂则缺少螯合交联功能，为此可配合新型高分子有机絮凝剂壳聚糖（chitosan），其作为自然界第二大天然高分子化合物，能够经过适当的化学改性，解脱全部乙酞基的反应产物，含量仅次于纤维素。由于所带电荷不同，污泥脱水的效果也存在差异，侧链上有羟基、羟甲基和胺基等活性基团，壳聚糖不仅具有吸附架桥作用，壳聚糖分子链内有一定角度的六元环平面，整体处理效果良好，此类预处理方式现已逐渐普及，能够解决难溶解、脱水效果差的问题，为此需要在后续的工作中合理应用天然改性絮凝剂，以此切实发挥絮凝脱水的作用，避免因此而出现结果偏差[2]。

复合絮凝剂在现阶段处理中也较为常见，在实际应用中能够综合无机、有机絮凝剂的优点，克服各自的缺点，且自身具有良好的污泥脱水性能，在特定条件下污泥脱水率可以达到90%以上。国内外已有许多学者对此进行了研究，作为一种新型絮凝剂，现阶段的发展速度正逐年加快，目前脱水效果比单一药剂调理更好。研究发现，复合絮凝剂投加量为30 mg/L时，投加比例和投加顺序对污泥脱水有很大的影响，为此需要从复合絮凝剂成分入手对污泥脱水的效果进行分析，在沉降速率达到0.55 cm/s后，复合絮凝剂能够节省药剂用量，且最终污泥的滤液浊度＜8 NTU，可在降低调理费用的基础上达到预期效果。

3 酸碱法

酸或碱的添加够能促进细胞壁的溶解，酸性试剂主要有硫酸和盐酸导致膜的溶解，加入后能改变微生物的表面特性（如表面电荷等），酸、碱在有机大分子物质的水解过程中，能使细胞内的物质得到释放，但盐酸对细胞的溶解能力要比硫酸弱得多，为此需要在细胞悬浮液中与细胞壁内脂质进行皂化反应，使细胞外的聚合物产生静电排斥和静态解吸。为了切实发挥出“催化剂”的作用，通过破坏微生物细胞生成碱性试剂，包括NaOH、KOH、CaO等，随着pH值的不断升高，带负电荷的细胞表面内物质可以溶出。在经过酸处理后，需要减小污泥颗粒间的排斥力；同时酸处理还能导致污泥EPS的水解、有机物的溶解和微生物细胞的破坏；另外EPS还能促进污泥颗粒的絮凝，使之更易脱水。当NaOH剂量＜0.5 mol/L时，污泥沉降性能降低，如＞0.5 mol/L则能够保证破碎的污泥絮体发生再絮凝。当pH=2.5时，污泥的表面电荷接近于零，此时具有最佳的脱水性[4]。使用酸碱法调理污泥时，要注意设备的防腐性及重金属的溶出问题，避免对环境造成二次污染。

4 Fenton氧化法

4.1 Fenton技术原理与特点

1894年法国科学家H.Fenton[5]为还原性有机物和选择性氧化有机物提供了一种新的方法，Fe2+同H2O2反应生成的羟自由基（·OH），在此实验中发现酸性水溶液中的Fe2+和H2O2共存时，可以有效地氧化苹果酸，在酸性条件下Fenton体系实际起氧化作用，后人将Fe2+/H2O2命名为Fenton试剂，经证明·OH的氧化电极电位比水处理中常用的其他氧化剂效果更好，这种试剂在应用中被称为Fenton，后续会诱发一系列的自由基链反应，其本身具有更高的氧化活性、更强的氧化能力，最终降解为二氧化碳、水和其它矿物盐。目前，·OH在环境工程中已经得到广泛应用。高级氧化方法及其作用机理是通过不同途径产生·OH，在反应体系中，·OH夺取有机污染物RH中的质子，产生游离基R·，若反应体系中有足够的Fenton试剂，有机物将进一步被氧化生成CO2和H2O，使有机污染物得以降解。

Fenton氧化法具有氧化能力强；选择性小且反应速度快、处理效率高及无二次污染等特点。因此，Fenton氧化法以其巨大的潜力及独特的优势在过去二十多年中脱颖而出。

4.2 Fenton预处理改善污泥脱水性能的研究进展

污泥难以脱水主要是因为污泥中含有大量的胞外聚合物（extracellular polymeric substance，简称EPS）。EPS是存在于细菌细胞壁周围的保湿胶囊或者粘滑的聚合物，EPS对污泥絮状结构和功能有很大影响，主要成分是一些不同类型的高分子物质，如蛋白质、多糖和氨基酸等，具有较高的表面电荷和亲水性，会阻止细胞脱水。

研究结果表明，在Fe2+为5000 mg/L、H2O2为6000 mg/ L时，SRF值降低了93.31%，在Fe2+和H2O2为6000 mg/L时，CST值降低至15.7 s，约为原泥的50%。在pH=3的污泥中加入6000 mg/L的Fe2+/Fe3+和3000 mg/L的H2O2时，Fe2+/H2O2处理后SRF降为原泥的10%，污泥抽滤后泥饼的含水率为75.2%，可能是Fenton试剂的破壁作用将细胞内的聚合物释放出来。

Neyens等[10]利用Fenton处理浓缩后（含固率达6%）的污泥，先将污泥调到pH=3，在H2O2浓度为0.037 g/100 mL污泥、1 mg Fe2+/100 mL污泥条件下，污泥脱水能力（CST）得到显著提高，过滤后的泥饼含固率（DS）增加了约30%，有机固体（ODS）含量减少了20%。据推测，Fenton试剂降解了污泥中的EPS对污泥絮体进行重组，使污泥的脱水性能得到了改善。

尽管Fenton氧化降解有机物的机理研究比较透彻，但是Fenton试剂用于改善污泥脱水性能的机理还不是很清楚：可能由于Fenton的氧化作用，将EPS中的间隙水和结合水释放出来；也可能污泥絮体表面的化合物进行了重组，絮体的大小和结构发生了改变，从而改善了污泥的脱水性能。

Fenton氧化法能够显著改善污泥脱水性能，但由于Fenton试剂的经济因素限制了其在污泥脱水工程中的应用。

5 其他化学氧化法

其它化学方法类似于Fenton预处理，臭氧预处理原理是在污泥中溶入强氧化性的臭氧，具有强氧化性的臭氧、双氧水在实际应用中不会改变污泥的粒径分布，且可以将释放出来的有机物气化为小分子物质甚至溶解状态，以此降低污泥的表面粘度和过滤性能。高铁酸钾等能促进污泥细胞的破解，氧化糖类、脂类、蛋白质等细胞壁组成的物质，使细胞壁破裂而释放出有机物，提高了污泥的溶解性和脱水性能，但由于双氧水和臭氧存在一定的危险性，且价格比较高，所以尚未工业化[6]。

6 结论与展望

化学调理主要是通过改变污泥表面电荷、吸附架桥、卷扫和强氧化等作用，有效提高了污泥的脱水性能，但是，若操作不当易产生二次污染。未来的化学调理试剂应该更加注重环境友好型，并兼顾成本和操作的稳定性等。另外，与物理调理、生物调理技术相结合也是值得研究的方向。