绿色生物菌剂协同化学药剂对污泥深度脱水的研究进展

李信宝，余 冉，张思源

（1.南京华净环保科技有限公司，江苏 南京 211599；2.东南大学，江苏 南京 210096）

引言

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，城市用水量不断增加，污水和污泥的排放量也逐年增加。污泥在湿重状态下，其内部绝大部分为水分[1]。污泥一般具有含水率极高、病原体繁殖快和致病性微生物的寄生株量高以及含重金属物质及大分子有机物含量高等特点。污泥是污水处理的必然产物，未经科学合理处置的污泥进入环境后，会直接给生态系统带来严重的二次污染，不但降低了自然界本身的自我修复能力，还会给人类的日常活动带来严重威胁，所以污泥的处理处置成为大众关心的焦点问题[2]。为达到“双碳”的环保要求，水务行业低碳化已经迫在眉睫，提高污水处理效能是提高国内大循环效率不可或缺的一环[3]。通过开展污泥脱水可以降低污泥水分含量并减少污泥体积，不仅便于污泥的运输、贮存，而且有助于开展后续的各种无害化处理和处置工艺。

20世纪80年代前，各国在污泥处理领域的研究深度不够、处理工艺相对粗暴，污泥脱水主要采用自然干化等方式。随着工业化及城市化的深入发展，污泥产量剧增，环境问题变得愈发严重。各国开始重视污泥废弃物的无害化、脱水化处理，但从总体来看，污泥脱水的实际应用还远远落后于理论。我国城市污水处理厂关于如何合理处理污泥的技术研究同样起步较晚，很多污水处理厂只是简单地进行浓缩脱水，处理不彻底，导致出现运输压力大、二次污染严重等一系列问题。目前，全国所有污水处理系统中，只有不到的四分之一的污水处理设施有完善可行的高效污泥稳定分离处理设施装备和脱水工艺，且污水处理厂分布较为广泛，与污泥处理集中化的矛盾日益加深。污水处理厂引入快速有效的污泥脱水技术，从而进行协同处理的问题亟待解决[4]。目前常见的污泥脱水处理方法有生物脱水、化学脱水、生物菌剂协同化学药剂脱水以及其他脱水方法。本文从各种方法的应用条件入手，对比分析现有方法中影响脱水的因素及优劣性等，重点探究绿色生物菌剂和化学药剂协同作用的深度脱水，以期为污泥减量化处理和研究提供参考。

1 常见的脱水方法及特性分析

1.1 生物脱水的原理及特点

生物调理脱水是一项具有较好污泥脱水效果的技术[5]，其原理是通过向污泥中添加活性物质，高效催化其中含有的大分子有机物，使其降解成小分子物质，然后通过细胞膜被微生物利用，同时大量释放大分子有机物束缚水，从而改善污泥脱水性能。生物脱水技术可以在较低的温度条件下进行，因此适用于对温度敏感的物质。生物脱水技术可以将有机废物转化为有用的产物，还能显著去除污泥中的重金属，实现污泥减质、减量化[6]。处理完成后排出的有机污泥颗粒可循环进行生物堆肥并广泛用作建筑园林绿化肥料及城镇土地改良用生物营养土。但生物脱水技术可能会受到微生物种类和数量的影响，因此对操作条件和环境因素要求较高，且生物脱水技术需要较长的处理时间。生物污泥脱水方法按照投入物性质可以分为生物酶处理和生物沥浸。

1.1.1 生物酶处理技术

生物酶的处理方法是通过投喂生物友好型蛋白质酶、纤维素酶液等物质来提高污泥系统的脱水性能，但污泥经生物酶法处理后，存在一定弊端，如剪切强度差等问题，所以在脱水工程选择时会有一定的局限性。解决办法以带式压滤机为例，可以通过增加聚合物用量或使用抗剪聚合物，补偿离心机所带来的不利影响[7]。

1.1.2 生物沥浸技术

生物沥浸技术是近些年新兴的一种针对污泥的生物调理技术，其利用生物的氧化和酸化能力，将难溶重金属氧化成易溶的盐，以达到去除污泥中有毒重金属的目的。去除的重金属回收及再利用率高、处理速度快，还可以消除大量病原物。生物沥浸技术所使用的菌群一次性投入后可以保持长期效用，省去了部分维护成本。目前，生物沥浸技术已经工程化应用于城市剩余活性污泥的深度脱水。对于不同来源的污泥，生物沥浸法的脱水效果仍需要进一步研究[8]。

1.2 化学药剂脱水

化学药剂脱水方法主要是在污泥中加入具有普适性、无害性、安全性的化学调理剂，改变污泥内部物质的形态。目前常用的化学调理方法有絮凝脱水法、酸碱法、Fenton氧化法等[9]。

1.2.1 絮凝脱水法

絮凝脱水的主要原理是向污泥中加入絮凝剂，促使其中悬浮的细小颗粒和胶体微粒聚合，形成较大的絮团，随着絮团体积的增大，其受到重力影响，沉降速度加快，从而能够更好地进行过滤。目前，絮凝剂根据化学成分和性质可以分为有机絮凝剂、无机絮凝剂和复合絮凝剂。无机絮凝剂制备简单，原料易得，但需要相关人员进行深入研究，以确定成分比例，还需要配合静电中和等方法才能达到水、泥分离的目的；有机絮凝剂因其分子量大的特点，脱水效率更高，但在实际应用中需要注意有机物分子链的聚合程度；复合絮凝剂在目前的污泥处理过程中也较为常见[9]，其克服了过去单一絮凝剂投入量较大等问题，且具有可靠的污泥脱水性能。

1.2.2 酸碱法

酸碱法脱水的主要原理是将污泥中的某些成分（如某些难溶于水的生物碱）处于酸水液下进行溶解，随后加入碱水液形成水沉淀从而析出。酸碱法可以改变原污水的可生化性，可有效减少处理时间和处理能耗，所用空间体积较小；其对固体有机物的处理效果明显，降解能力强，产生污泥量少。

1.2.3 Fenton氧化法

Fenton氧化法主要是指在酸性环境下，H2O2在Fe2+的作用下，会产生羟基自由基（OH），其具有强氧化能力，可以引起连锁反应，并引发更多活性氧进行反应，提高有机物的降解率。该法以OH的产生为反应的开始，其他的各种活性氧基团作为整个链上的中间节点，直到各种活性氧被完全反应，导致反应终止。Fenton氧化法处理后会产生少量CO2和H2O等无机物，对大气环境污染较小。其氧化速度快，只需要0.5～2小时即可完成，相关人员可以根据输入污水的水质进行调控，改变处理条件。该法可操作性强，投资成本只有一般化学方法的三分之一到四分之一。

1.3 绿色生物菌剂与化学药剂协同脱水

生物酶-化学药剂联合技术与常见的污泥调理方式相比，能取得更好的脱水效益，具有安全、温和的特点[10]。在性质上，生物菌剂与化学药剂的融合制剂具备广谱的pH值和温度适应性，能够应对恶劣的环境条件，深度脱水效果好，脱水质量高。在经济效益上，该技术后续所需设备投资少、操作简单、流程类似，使用不同的接种物和调理剂即可对不同污泥进行脱水处理，并且没有二次污染，具有良好的社会及经济效益。图1为某生物方法脱水的流程图。

图1 某生物与化学协同方法脱水流程图[10]

马宇浩[11]根据生物酶联合氧化法，提出了一种生物与化学协同作用提高污泥脱水性能的方法，此方法致力于研究一种或多种生物酶与氧化法结合并联合作用于污泥，加强脱水性能，筛选出能高效破坏污泥EPS的生物酶。在此基础上构建生物酶联合氧化法污泥调理体系，深入探究生物酶和氧化法联合调理体系提高污泥脱水性能的内在机制[11]。但该法在应用中，由于实际工业条件恶劣，对生物酶的活性有一定影响，且在时间成本上还有待突破。

1.4 其他方法

1.4.1 自然干化

自然干化通常分为晒沙场、干化厂两种方法。晒沙场是针对沉砂池中的沉渣进行脱水的一种方法，后者通常用于处理各类混合式污泥的沉积脱水。污泥干化厂处理方法技术水平比较落后，但是对工业污泥脱水处理较为简便实用，其主要除水分的方式包括渗透、蒸发、撇除等。由于地理环境状况的明显差异和处理污泥所含污染物成分的明显不同，脱除水所含的有害物质也不同。这种脱水方法具有较长的脱水周期，日常维护管理难度大，并且污泥通常会伴有刺激性气味，对环境影响较大，一般适用于村镇型小型污水处理厂。

1.4.2 污泥浓缩

污泥浓缩通常粗略划分为四类：重力浓缩、气浮浓缩、离心浓缩、水力旋流浓缩。污泥浓缩是一种可以迅速有效减小污泥容积并较为成熟安全，且经济效益较高的处理方法。无论选用何种方式来净化处理污泥，污泥的浓缩处理均是必不可少的环节。

1.4.3 机械脱水

机械脱水可以通过调节参数来实现不同的脱水效果，适用于各种类型的脱水，包括固体、液体和气体。

机械脱水设备类型有厢式压滤机、板框压滤机、厢式高压压滤机等，还有多种新兴机械脱水技术，如电渗透污泥深度脱水技术、新型LCSS离心脱水技术等[12]。其中，板框压滤机能耗最高[13]。近年来，厢式压滤机技术应用较为广泛，尤其是在生物活性污泥处理和有机亲水性污泥处理领域，已经被用作污泥脱水的主要设备。厢式压滤机的主要运行方式是通过压滤布上的机械张力和空气压力对污泥物料进行机械挤压以达到脱水目的，而且不需要真空机或空气加压处理设备等各种辅助设备，电能消耗量较少，可以真正实现长时间的连续脱水操作。其稳定脱水效率只取决于滤布挤压能力，即使在负荷不稳定的工况下，仍然可以稳定地完成脱水工作。

但机械脱水受制于设备，当机械脱水设备因压力逐步提高导致运行成本上升，此时选用必要的污泥调理技术可以有效弥补机械脱水设备的不足，机械脱水设备与污泥调理技术的协同配合使用尤为重要[14]。

1.5 几种常用脱水方法的性能对比

目前几种常用脱水方法的性能对比如表1所示。

表1 几种常用脱水方法性能对比

污水随着经济的发展而逐渐增多，从而对过量污泥的处理提出了更高的技术要求[15]。使用传统的单一方法对污泥进行深度脱水已经不能满足污泥脱水高效、低能耗的标准，最为经济可行的发展方向是利用生物化学方法来达到过量污泥的减量化[15]。绿色生物菌剂协同化学药剂对污泥深度脱水技术应运而生，由于其环境适应性强，可以根据不同污泥性质进行针对性处理的特点，使得这项技术应用具备广泛的发展前景，可能会在未来成为污泥深度脱水的重要研究方向。

2 结论与展望

结论与展望：（1）常见的脱水方法有生物脱水、化学药剂脱水、绿色生物菌剂与化学药剂协同脱水、基于物理方法的其他脱水方式等，其中生物菌剂与化学药剂协同作用脱水方法经过一系列实验探究和实际项目测试，污泥中水分减量率较其他现行方法更高，剩余污泥脱水与处理成本比常规工艺更加节省，具有环境适用性强、脱水质量高、投资少的优点。（2）生物菌剂与化学药剂协同作用脱水技术虽在技术、经济效益等方面存在较为显著的优势，但是其对生物菌种和化学药剂的匹配性要求高，投入实际生产仍涉及较多的技术难题需要攻关和进一步探究。建议相关人员加大对生物与化学协同脱水的科技研发力度，生物与化学协同作用提高污泥脱水减量性能，可能成为未来城市污水处理的应用热点及污泥脱水处理的新趋势。（3）在未来的科技进步和政策支持下，积极推动污泥脱水领域的研究和应用实践将有助于实现对污泥的有效处理和资源化利用。基于城市可持续发展及低碳运行理念，并考虑我国不同地区的不同污泥特性，“因地制宜，多种处理技术联合应用”的技术框架，在未来城市污水污泥处理领域中的发展前景值得关注。