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城市污水污泥深度脱水技术的应用

2021-04-27 109 上传者：管理员

摘要：当前我国城市污水污泥数量不断增加，污泥减量化是一项重要的环境措施，污泥焚烧是一种符合我国国情的污泥处置方式。为了提高经济效益，在对污泥焚烧前，需要对城市污泥进行深度脱水。文章对污泥脱水机理、脱水过程的影响因素进行分析，结合多年工作经验，对污泥脱水研究进展、城市污水处理厂污泥处理处置路线进行总结。

关键词：
城市污水污泥
污泥减量化
深度脱水
环境科学
脱水机理
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污泥焚烧已经成为符合我国国情的一种处理处置方式，比较典型的焚烧路线为投加高热值的煤与高含水率的污泥直接掺烧，或者通过外加热源干化后焚烧，这种焚烧是用一次能源消耗污泥热值的一种方式，不仅在经济上不合理，而且必然造成能源浪费等问题。因此，目前最大程度的降低污泥含水率是基于污泥焚烧处理处置方式的研究重点。由此产生的污泥深度脱水技术作为焚烧前处理技术，在逐步得到污泥处理处置领域的认可，污泥深度脱水后不加热源自持焚烧或稍加热源进行焚烧处置，可实现污泥的最大化减量和能源回收。

1、城市污水污泥脱水机理

污泥脱水即是脱出污泥中的水分使其含水率降低到一定程度。而污泥脱水的方式为通过外加能量或药剂以改变污泥絮体结构，使污泥中水更易分离，达到最终脱水的目的。根据水分与污泥颗粒的结合方式可将其分为束缚水和自由水，其中束缚水又根据其结合力的不同细分为间隙水、表面水、结合水。自由水与污泥颗粒依附关系较小，束缚水与污泥颗粒结合紧密，不同形态水分所需的能量不同。自由水在脱水过程中较容易去除，束缚水是限制污泥脱水效率的重要因素之一，去除该部分水分需要较大的能量，去除各种水时污泥含水率的变化趋势与之相关。因此，可根据污泥中液相与固相的结合形式及不同污泥处理处置的含水率要求，采用较为适宜的脱水技术。

2、污泥脱水影响因素

污泥的脱水性能与其絮体的组分、性质密切相关，如污泥胞外聚合物（EPS）及表面电荷的变化、粒径分布的变化等都会对污泥脱水起决定作用。总结污泥脱水的限制因素，主要分为以下三种：胶体颗粒物的难沉降性能、EPS对水的高亲和力以及污泥固体的强压缩性。其中混凝或絮凝作用有利于提高污泥的沉降性能，用不同的技术释放EPS中的水分，添加骨架构架物有利于减弱污泥的可压缩性。污泥脱水的机理与以上三种限制因素密切相关，只要改善其中一种或几种都将提升污泥的脱水性能。

2.1 胶体颗粒物的难沉降性能

污泥颗粒具有双电子层结构，双电子层是指胶核外的吸附层和扩散层，即污泥中含有大量的胶体分子，胶体分子聚合而成的胶体微粒称为胶核，通常将胶核和吸附层合在一起称为胶粒，胶粒与扩散层形成胶团。而污泥胶粒一般带负电，当加入阳离子电解质时，阳离子就会涌入扩散层甚至吸附层，增加双电子层的阳离子浓度，使扩散层变薄，胶核表面的负电性降低，双电层间距变小被压缩，颗粒间的静电斥力就会降低，胶粒聚集能力增强，沉降性能增强。

2.2 胞外聚合物（EPS)

EPS是活性污泥的最重要组成部分之一，它的分子量、化学性质和结构对污染物去除和污泥特性有特殊的重要性。EPS主要为蛋白质、多糖等高分子物质的统称，影响污泥絮凝、沉降和脱水等性质。EPS含量的变化导致污泥处理难度增大由于以下几个因素：细胞间斥力增加、减弱了污泥颗粒絮凝性能；EPS中亲水性物质保留大量的水并增加了间隙水的含量；形成的稳定类胶体结构阻止水从絮体孔中渗出；在过滤介质与污泥泥饼之间形成薄层堵塞水的通道；污泥粘度增加等。

2.3 污泥固体的强压缩性

污泥颗粒因其复杂的胶体结构特性，使污泥在机械脱水过程中，因污泥胶体特性，体积逐渐减小的速率逐渐减小，过滤介质表面逐渐被胶状泥饼覆盖，使污泥进一步压滤脱水难度增大，污泥的比阻会随压力的增加逐渐增大。由于污泥的高压缩性导致污泥颗粒受到压力时容易变形，滤饼增厚同时也导致泥饼与滤布接触的过滤孔隙堵塞，最终降低了污泥的脱水性能。如何提高污泥泥饼的孔隙率降低可压缩性成为研究的新方向，其研究内容主要集中在选用价廉易得且具有高的孔隙率和坚硬结构的环境友好材料作为过滤助剂并充当骨架构建体以降低污泥的压缩性。

3、污泥脱水研究进展

常规的污水处理厂污泥处理方式为采用带式压滤机等低压设备对污泥进行脱水处理，泥饼含水率在80%左右，含有大量水分，污泥不利于后续处置方式的实施。污泥深度脱水技术是指通过对污泥进行预处理，破坏污泥絮体结构，释放束缚水，使污泥的脱水性能进一步增强，再进一步借助如板框压滤机等高压设备进行压滤处理，脱水后污泥泥饼含水率达到60%左右的脱水方式，常规脱水逐步被深度脱水所替代。同时有研究表明，单纯维持高压对污泥进行压滤，由于污泥具有高压缩性而不能实现深度脱水。所以，深度脱水主要关注点在于前期药剂的调理，后续以高压设施作为辅助实现深度脱水效果。为了提高污泥的脱水性能，合适的调理是污泥脱水的前提条件，而调理的目的主要为改变污泥脱水的三大限制因素，使其有利于脱水，当前已知的预处理类型主要分为物理、化学、生物调理三种类型。

3.1 物理调理

早期的物理调理方法中，关于以加热和冷冻为污泥预处理的研究较多，但加热法由于外加能量而导致加热调理技术所需的费用较高，该方法存在能量浪费且经济适用性较差。同时与之相反的冷冻调理技术也同样受地域气候等条件的影响，因此这两种技术推广使用难度较大。当下科研工作者不断研究新的调理技术，其中以超声波调理、微波调理及电渗透脱水技术为主导，除此之外，磁场对污泥性质的影响也在不断研究中。对于物理调理，如热水解、冻融、生物骨架添加等环境友好型预处理方式的研究较少。

最经典的物理调理是添加多孔惰性矿物质，如飞灰、石灰、石膏或者含碳材料，如煤、木屑、麦糠、甘蔗渣、稻壳粉和褐煤等，这些惰性物质在污泥压缩过程中作为助凝剂或者骨架结构提高污泥的机械强度、减小污泥的可压缩性、提高固体物质的可渗透性。这些调理剂易形成污泥的刚性晶格，当污泥被压缩时能够保持多孔渗透的性质。碳材料由于其低灰分、高热值、高孔隙率而优于矿物材料的污泥调理剂，不但能够提高污泥的脱水性能，也能够有利于以焚烧为基础的处理处置形式，总体上提高了其经济学意义。污泥经过褐煤调理后，提高了滤饼的孔隙率和可压缩性，降低了污泥泥饼脱水的阻力，提高过滤速率，降低能耗。物理调理可以单独用于污泥脱水，或者结合化学调理协同污泥脱水。

3.2 化学调理

化学调理是以加入化学药剂的方式通过化学作用改变污泥特性，化学药剂类型主要包括酸、絮（混）凝剂、表面活性剂、氧化剂等。目前因化学调理效果好、操作简单而被广泛使用。化学药剂主要分为传统无机絮（混）凝剂、新型有机絮（混）凝剂、复合絮（混）凝剂。传统无机絮（混）凝剂按分子量大小可分为无机低分子絮（混）凝剂和无机高分子絮（混）凝剂；新型絮凝剂主要包括合成有机高分子絮凝剂、天然高分子絮凝剂和微生物絮凝剂等；复合絮凝剂是由多种无机、有机絮凝剂制备或复配而成的。

化学调理污泥可以在两个层面上解释：电荷中和与粒子架桥作用。对于一种给定的絮凝剂，增加絮凝剂的投加量到一个最佳剂量，絮体趋于稳定，产生大且密实的絮体，且毛细吸水时间最小。所以絮凝剂的最佳投加量应该是被控制的，过量投加絮凝剂会增加运行成本，同时降低污泥脱水性能，增加对人类和生态系统的破坏。不同种类的絮凝剂的评论综述研究表明，絮凝剂用于水处理系统被归类为阴离子、阳离子和非离子型。

虽然这些絮凝剂有些是可以生物消解的，但通常对人类和水生动植物是有毒性的。盐和pH的改变都能改变絮体结构，小颗粒物被释放。絮体结构的破坏主要是因为表面电荷的增加（如氯化钠和氢氧化钠的添加）以及EPS的溶解，因此导致过滤速率的降低。另一方面絮体结构的破坏释放部分水有利于水的去除，而减少泥饼的含水率。从实用性来讲，利用盐或者pH处理污泥似乎是比较难的，盐和碱的处理都减小了过滤动力，但由于细小颗粒的释放导致处理周期增长，在工业规模中并不适用。酸处理虽然提高了脱水速率，但不利于后续的处置。

3.3生物调理

生物或酶对污泥的预处理主要通过EPS的水解作用弱化絮体的胶体结构，以提高污泥的脱水性能。酶是蛋白质，具有环境友好型的特点，这种方法对于取代对人类和生物有毒性的高分子聚合物是十分理想的。有研究通过工业纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶，单一或结合，可以有效减少厌氧消化处理的固体量。发现在相同投加量情况下混合酶消减总固体量为30%-50%，同时可提高污泥的沉降性能。低投加量（10-15g/m3）市场上可以买到的酶Enviro-Zyme216调理厌氧消化污泥，通过CST和最终的含固率可以看出明显提高了污泥的脱水性能。

4、城市污水处理厂污泥处理处置路线

4.1 污泥处理现状

通过调研无锡市十座污水处理厂污泥脱水处理的现状，对各个污水处理厂污泥处理设备和含水率等作出总结，无锡市污水处理厂的污泥脱水处理主要包括两种形式，即常规脱水和深度脱水。常规脱水主要指浓缩池污泥经PAM等化学药剂调理后采用带式压滤机或离心脱水机等进行脱水，脱水后泥饼含水率在80%左右的一种脱水形式。深度脱水是指通过复配药剂对污泥进行调理后，采用板框压滤机进行后续脱水，脱水后的泥饼含水率在60%左右的一种脱水形式。可将含水率60%作为常规脱水和深度脱水的分界点，随着污泥相关标准的更加严格，常规脱水后含水率在80%左右，逐渐不能满足相关的标准。

根据前期无锡市十座污水处理厂的调研结果可知，污泥处理主要以脱水为主，深度脱水污泥量约占总处理量的64%，常规脱水占44%，常规脱水的污泥大部分运往污泥处置中心进行稀释二次深度脱水，因此无锡市城市污泥处理方式主要以深度脱水为主，深度脱水主要分为两种：化学调理+板框压滤、生物沥浸+板框压滤，主要以前者为主。化学调理+板框压滤过程中化学调理药剂一般选取的为低分子无机药剂协同高分子絮凝药剂进行调理，无锡污泥调理药剂主要为氯化铁、生石灰、聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等药剂。目前，无锡市常规脱水污泥大部分运往具有污泥深度脱水设施的厂区稀释至含水率95%左右，进一步调理后进行深度脱水。但常规深度脱水技术也产生了一系列的问题，如投药量大、化学药剂易造成二次污染、污泥有机物含量下降、压滤液水质恶化，增加污水处理负荷等问题。

4.2 污泥的预处理

为了提高脱水性能，污泥需要预处理，而污泥预处理须针对其限制因素予以克服和突破。化学调理剂是絮凝固体颗粒物，可提高污泥的沉降和过滤性能，添加飞灰、木屑废弃物等物理方法能够起到骨架和助凝剂的作用，提高泥饼的多孔性和可压缩性。同时碳基材料作为物理添加剂，因无机材料具有多孔性而具有更好的效果。此外，碳基材料具有低灰分和高热值尤其是当污泥最终用于焚烧时，这种材料由于价廉和环境友好，如果能够具有较好的脱水效果，将极具市场前景。

4.3 深度脱水技术

污泥深度脱水技术是指对脱水污泥进行预处理，通过物理、化学或生物作用破坏污泥絮体结构，尽可能的释放吸附水、结合水和胞内水，提高污泥脱水性能，并进一步借助有效措施使污泥处理后含水率达到60%以下的脱水技术。其中前期对污泥的调理主要是改变污泥脱水的三种限制因素，即胶体颗粒物的难沉降性能、胞外聚合物对水的高亲和力和污泥固体的强压缩性。研究表明，EPS对污泥的束水容量具有重要作用，污泥中大部分的束缚水在EPS中，因此，目前EPS被认为是影响污泥脱水性能的最主要因素。由于污泥具有高压缩性，单纯维持高压不能快速实现深度脱水，因此深度脱水主要关注点与重点在于前期的污泥调理，后续高压设施则作为辅助实现深度脱水的目的。

5、结束语

因我国污水处理厂建设初期存在“重水轻泥”的现象，污泥处理处置设施不够完善，致使污泥大量积压。因此，减量化是目前我国污泥处理流程中重要的环节。目前污水处理厂污泥处理处置系统的主要瓶颈是污泥脱水。现阶段我国污泥深度脱水普遍采用化学调理方式，板框压滤使污泥达到减量、减容的脱水效果，满足了后续焚烧、填埋等处置方式的要求，成为了我国污泥减量化的主流技术。由于国内污泥有机物含量低、含砂量高等原因，导致国外较为成熟的污泥处理处置技术在国内应用受到重重阻碍。目前国内污泥处理形式较为单一，基本以脱水为主，且以氯化铁、生石灰、聚丙烯酰胺等化学药剂组合的深度脱水技术得到了广泛应用，而化学调理造成二次污染的风险较大。

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