物理调理技术改善污泥脱水性能的研究进展

陈姝婷， 伍昌年， 薛莉娉， 邵 磊， 刘壮壮， 宋永莲

(1.安徽建筑大学 水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室， 安徽 合肥 230601； 2.安徽中环环保科技股份有限公司， 安徽 合肥 230051)

当前,污水处理过程存在污泥含水量高、污泥粘性大等难以解决的问题[1-4]。污泥的结构较为特殊，亲水能力强大，能使水分润湿并附着在其表面难以去除。根据水分与污泥颗粒的结合程度[5]以及水分在污泥颗粒中所处的位置，可将污泥中的水分划分为4种类型[6]：含量最多的是不受固体颗粒影响的自由水，占比为65%～86%；其次是毛细结合水，这种类型的水分因固液表面吸附力和液体表面张力的作用而形成，占比是15%～25%；再有是因吸附或粘附作用形成的表面吸附水，这种类型的水分主要存在于固体颗粒表面，占比为7%；含量最少的是微生物内部结合水，主要存在于微生物细胞内，占比约为3%左右。污泥中各种类型水分的分布如图1所示。

图1 污泥中水分存在形式示意图

污泥深度脱水技术是为了解决污泥中含水率过高的问题，通常采用预处理、高压处理、脱水等工序，进一步减少污泥中的水分含量，使污泥含水率符合标准要求(45%以下)。污泥深度脱水技术一般包括浓缩、调理、压滤脱水3个步骤。

1 脱水性能表征及脱水机理

污泥脱水性能主要用来判定污泥脱水的难易程度，可用污泥含水率(Wc)、污泥压滤比阻(SRF)、毛细吸水时间(CST)等进行表征[7]。

1.1 脱水性能表征

1.1.1 含水率(Wc)

污泥中含有水分的多少即为含水量，通常用含水率(Wc)表示：

式中：m表示污泥样品烘干前的质量，g；m1是指污泥样品在105 ℃条件下烘干至恒重后的质量，g。

1.1.2 污泥压滤比阻(SRF)

污泥压滤比阻(SRF)是衡量污泥过滤性能的指标，物理意义是单位质量的污泥在固定的压力条件下单位面积所受的过滤阻力。SRF值越高，污泥越不易脱水。一般而言，SRF小于1×1011m/kg的污泥更容易脱水，SRF大于1×1011m/kg的污泥较难脱水[8]。

1.1.3 毛细吸水时间(CST)

毛细吸水时间(CST)是表示污泥脱水速度的指标，与结合水含量和污泥含水率成正比。CST的物理意义是污泥水分在滤纸上发生毛细作用扩散1 cm距离所消耗的时间。一般来说，CST数值越大，污泥脱水性能越差。CST削减率(Tred)[9]能够表征污泥脱水前后性能的变化，计算公式为

式中：Tr为污泥样品初始毛细吸水时间，s；Tpre为污泥预处理后毛细吸水时间，s。

1.2 脱水机理

物理调理污泥脱水技术的原理是借助各种方式改变细胞外聚合物(EPS)的有机絮状结构。EPS在污泥中占比很高，在污泥脱水过程中具有重要作用。EPS是一种带有许多电荷的聚合物，状态为凝胶，能够与水分子发生相互作用[10]。EPS遇水膨胀，可以吸收大量水分，同时又不溶于水。污泥颗粒是一种双层结构[11]。污泥颗粒的絮状结构如图2所示，内层为结构紧密的EPS(TB-EPS)，与细胞表面之间的作用力强大而稳定，外层为结构疏松的EPS(LB-EPS)，是一个松散且脆弱的薄膜，不具备明显的顶端。TB-EPS是组成EPS致密层的核心结构，如果能够把TB-EPS分解为LB-EPS或者溶解性胞外聚合物(SEPS)，便可以同时释放出胞内物质以及内部难以脱除的结合水，从而显著提升污泥脱水率，实现污泥的深度脱水[12]。

图2 污泥颗粒结构示意图

2 物理调理改善污泥深度脱水技术

目前，使用最多的污泥调理技术包括物理调理、化学调理和生物调理。其中，物理调理主要是利用物理调理剂并借助加热、冻融、超声波或微波的形式输入能量来改善污泥的脱水性。物理调理技术能够在很大程度上打破污泥颗粒的原有结构，使蕴含的结合水析出转化为自由水，明显降低污泥含水率。

2.1 加热调理

加热调理的过程为：提高污泥的温度，EPS絮状结构在高温下发生分解，微生物细胞分解破裂，内层的结合水从结构破开的污泥颗粒中解析出来，从而使污泥的含水率大幅度降低。这一过程的原理主要有两个方面：一方面，污泥颗粒中粒子运动易受温度影响，根据热力学原理，当污泥颗粒的温度升高时，粒子间的碰撞和结合频率也随之提高，污泥颗粒中粒子的相互结合更容易发生；另一方面，温度升高后，污泥和微生物细胞结构将发生改变，能够释放出更多的结合水，同时，升温会使污泥中结合水的部分氢键断裂，结合水降解成为自由水，而自由水通过简单的沉降浓缩即可脱除，污泥的含水率得到进一步提高[13,14]。

水热技术属于加热调理的范畴，通过在密闭的容器中用高温蒸汽对污泥进行蒸煮，达到加热的目的。倪金等[15]发现污泥的脱水性能与温度正相关，如图3所示。FISHER等[16]对十几种污泥进行研究发现，当水热温度大于150 ℃时，大多数类型的污泥含水率将下降，温度继续升高至180 ℃以上，脱水性能更好。BROOKS[17]对城市污水污泥的试验表明，水热温度为165～180 ℃时取得最佳的水热处理效果。荀锐等[18]发现结合水含量对于污泥的脱水效果有着决定性的作用，加热调理能够使污泥中的结合水含量大幅度降低，进而在很大程度上改善污泥脱水效果，如图4所示。LI等[19]发现反应时间对污泥脱水性能影响很小，达到一定时间后污泥水分分布几乎不随时间发生改变，如图5所示。

图3 不同水热温度下的污泥含水率 图4 结合水含量随水热处理温度的变化

图5 水热前后污泥泥饼中水分分布

水热条件可以诱发一系列常温环境下无法发生的转化：水解、脱水、脱羧和芳构化。水热处理适用范围广，可以处理绝大多数种类的污泥，在高温和特定压力条件下能显著降低污泥的含水率，通常可降到45%以下，与化学调理相比效果更加显著，而且水热技术具有简单易控制的优点，更容易实现大规模的工业化应用，同时在能量利用率方面也有着较大优势。然而，由于美拉德反应的存在，水热处理的最大缺点是产生大量含有氮杂环化合物的难降解有机废水。

2.2 冷冻融化调理

冷冻融化法是一种有效的污泥脱水前调理方法，先将污泥在低于冰点的温度下冻结，再放在室温中融化，模拟自然冻融过程。污泥在冷冻状态下，未凝结的水分会携带部分破碎细胞析出，脱水性能得到很大提升。水与冰存在密度差异，反复冻融操作使得EPS和微生物细胞中水分结晶且不断丧失自由水，污泥颗粒被包裹在冰晶内，体积发生膨胀，污泥内层结构微生物所含水分得以释放，污泥颗粒变成致密的大颗粒，物理结构获得不可逆的转变。此外，毛细作用促使污泥颗粒发生物理性脱水，结合水大量流失，脱水性能稳步上升。冻融调理过程是不可逆的，即使再用机械搅拌也不会使污泥颗粒重新回到胶体状态。冷冻融化调理中使用的冷冻床下层设置滤沙和排水管，上方依次为冻结污泥层和液体污泥，最上方设置输泥管，如图6所示。

图6 冷冻融化设备示意图

冻结速率是决定冻融性能效率的一个重要参数。TUAN等[20]发现缓慢的冻结速度显著改善了污泥脱水性。当冻结速率较高时，污泥颗粒被截留在发育的冰层中，削弱污泥的脱水能力。如果冻结速率缓慢，絮体将被排斥但不会被截留，它们在冰晶生长前已经迁移，很大程度上提高污泥脱水率。冷冻温度也是影响冻融效果的重要因素。陈悦佳等[21]发现污泥的冷冻温度越低脱水性能越好，如图7所示。这是由于冷冻温度影响着污泥颗粒中粒子的运动和结合速率，如果温度低于一定的临界值，污泥颗粒中的自由水便会形成相互连结的冰晶，使得污泥颗粒凝聚成更大的颗粒。

图7 冷冻温度对污泥CST的影响

冷冻融化调理技术不需要添加额外的化学试剂，具有成本低、利用自然条件便可自发进行的优势。此外，在冷冻污泥的过程中还能够消除其中的致病细菌，减小污泥可能造成的危害。但冷冻条件通常适用于我国东北部严寒天气超过3个月、土壤冻结深度超过0.3 m的区域，尤其是在冬季到春季过渡时，温度变化对于冻融的诱导十分有利。因此，冻融技术的使用范围具有一定的局限性。

2.3 超声波调理

超声波调理主要是利用超声波的几个特殊性质：一是声化学性质，即在最短的时间内产生高温、高压和剪切力，促使污泥内部结构发生改变，让原本结合紧密的水分能够迅速脱出；二是海绵效应，使水更容易通过超声波在污泥颗粒中传播而形成的通道，促使污泥颗粒凝聚为更大的颗粒；三是凝固特性，污泥颗粒在超声波中发生震动，粒子运动变得更加强烈，污泥颗粒之间更容易发生聚合。超声波调理污泥的一些研究结果如表1所示。超声波对污泥脱水性既有促进作用也有抑制作用，污泥的脱水性能并不是与声强、功率和超声处理时长成正相关的。殷绚等[26]研究发现，在400 W/m2的较小声强下超声处理2～4 min可有效减少污泥结合水的含量。QUARMBY等[27]发现，污泥的脱水性随着声强的增加而降低(CST随超声强度的增加而逐渐增加)。同时，污泥的脱水性随着超声处理时长的增加而减弱(超声处理60 min后，CST从197.4 s增加到488.9 s；在更高功率水平下，结合水含量增加了4倍)，这是因为超声处理后形成的小颗粒数量增加导致了更大的持水表面积[28]。GONZE等[29]得出在较低的超声功率水平和较短的超声时间下，污泥CST将会降低(污泥脱水性能提升)；但在相同的功率水平下，随着超声时间的增加，CST值将会增加；因为在较低的功率水平和较短的超声时间下，污泥颗粒结构没有转变为较小的颗粒，较低的功率水平设置有利于污泥脱水。叶运弟等[30]发现，超声能量为700 J时对污泥进行超声处理15 s，污泥含水率、比阻和毛细吸水时间都达到实验最佳效果。污泥中水分分布在超声波处理后发生了显著的变化如图8所示，结合水大量转化为自由水，证明超声波处理可以改善污泥脱水性能。

表1 超声波调理污泥效果

图8 超声波处理后污泥的水分分布

超声波调理具有效率高、绿色环保、节能高效等优势，可使微生物细胞内物质瞬间释放达到高效脱水性能。但超声波的各项参数设置与污泥脱水的关系较为复杂，还需要进行更深入的研究。

2.4 微波调理

微波调理是传统加热调理的升级技术。微波对污泥的加热不局限于污泥颗粒表面，它能穿透污泥并提升污泥颗粒内部的热量。微波调理技术利用污泥导热性差的特点，使污泥内层到外层形成温度差异，破坏EPS与结合水之间的作用力，打碎污泥颗粒絮状结构，析出更多的结合水，改善污泥脱水性能。

微波功率和接触时间是影响污泥物化性质变化的主要因素。林颐等[31]发现，在3 240 W·L-1的微波下辐射100 s后，污泥的SRF减少了18.89%。QIANG等[32]研究微波调理的最佳条件是功率为900 W，接触时间为60 s，如图9所示。然而，当接触时间进一步延长时，CST值迅速增加。由此可知，在较大的微波能量下，需要控制较短的接触时间以产生最大的脱水性。污泥絮状结构与水分子紧密结合，在短时间内被分解成更疏松的小碎片，在絮凝剂的帮助下，这些小碎片可以重新絮凝成更紧密的颗粒，从而降低污泥含水率。张霞等[33]发现，功率为800 W和接触时间为10 min时污泥含水率最低。李延吉等[34]发现，功率为540 W，最优接触时间为2～5 min，而在合适的接触时间下，540～900 W都能显著降低污泥含水率。

与传统加热调理相比，微波调理具有处理时间短、能量利用率高、反应易控制且有灭菌功能的优点。但微波穿透深度有限，要控制好污泥的量。此外，微波产生的辐射能够伤害人体，调理时应当保持足够的密封性。

图9 微波能量和停留时间对CST的影响

3 结 语

加热调理、冷冻融化调理、超声波调理和微波调理对于强化和改善污泥脱水性能都具有良好的效果，都可以有效破解污泥的EPS结构，完成污泥内部水分之间的转化，实现更高效的水分脱除效果。加热调理与冻融调理都可使污泥含水率降至45%以下，加热调理使用范围广，操作简易且能耗低，脱水性能提升显著，能达到深度脱水的要求，冷冻调理可在天然条件下自发进行且不可逆，成本低，污泥还可得到有效地无害化处理，但使用条件与范围具有很大的局限性。超声波调理效率高且绿色环保，但其控制条件还有待进一步研究。微波调理节省时间，加热速度快，污泥脱水性能显著改善，且能达到特殊的灭菌功效，但微波辐射在安全方面还有待考量。