introductory

隨著城市污水污泥的不斷增加，污水污泥處置已成為廣大環境科研工作中亟需研究的重要課題。當前，污泥焚燒是一種符合中國國情的污泥處置方式，首先對污泥進行減量化，通過污泥深度脫水技術，使處理后的污泥含水率達到60%以下，通過減量化，可以提高污泥焚燒的經濟效益和焚燒處理效率。當前，國內外學者已經對深度脫水過程和機理開展了相關研究。本文在總結這些研究成果的基礎上，通過調研無錫市10座污水處理廠污泥脫水處理的現狀和深度脫水技術，對污泥脫水技術進行了探討。通過污泥深度脫水技術來降低污泥含水率，使其成為污泥焚燒前的重要工序，這種方法在污泥處理處置領域也得到了認可。

1城市污水污泥的來源污水污泥是城市污水處理廠處理污水過程中產生的有機和無機沉淀物、懸浮物和膠體的統稱。按照污泥的定義和產生來源可將污泥分為初沉污泥、二沉污泥和化學污泥。初沉污泥主要來自污水處理的初沉池，以無機物為主，包括進水中所含有的所有可沉降性物質；二沉污泥來自污水生物處理系統的二沉池或生物反應池，以有機物為主，產生于BOD（生化需氧量）的生物去除過程，曝氣池活性污泥的沉降產物，常用濃縮法將其濃縮；化學污泥是指用化學除磷藥劑等化學方法處理污水時所產生的污泥，主要以無機物為主，為化學除磷或混凝沉淀去除SS（懸浮物）過程中形成的污泥。大多數研究定義城市污水污泥為三者的混合物。

2城市污水污泥的組成和性質

2.1城市污泥組成污泥是城市污水處理的副產物，主要由固相和液相兩部分構成。固相主要包括有機物和無機物兩種，有機物是指微生物形成的菌膠團及其吸附的水相中部分有機成分，無機物指混入污水處理系統的泥砂、重金屬、鹽類等固體物質；液相主要指水。固相與液相相互混合形成了成分復雜、結構松散、形狀不規則的絮體物質，而水與結構復雜的絮體物質由于力的作用分布在污泥絮體的各個空隙中，使污泥脫水難度較大。

2.2污泥指標污泥泥質主要與污水處理廠進水水質相關，泥質指標主要分為基本控制指標（含水率、密度、有機物含量、pH值等）、脫水性能指標（毛細吸水時間、比阻等）、衛生學指標（糞大腸菌群等）、養分指標（N，P，K等）、重金屬指標、有機成分指標及其他指標。相對于其他泥質指標，污泥含水率高對其處理處置造成的困擾最大，因此，如何提高污泥的脫水性能成為污泥處理處置研究的重點。

2.3污泥中水分污泥含水率較高，污泥經濃縮池濃縮后含水率為95%～97%。污泥的膠體特性及EPS（胞外聚合物）的存在，使污泥易捕獲水分子，水分子存在于污泥絮體表面及絮體、細胞內部，水分子與固體顆粒之間存在一種能量或者結構的束縛作用。為了更加深入地研城市污泥脫水性能與所含水分種類之間的關系，很多研究者將污泥中水分分為以下4種形式：自由水、間隙水、表面水、結合水，其中，自由水約占總水量的70%，間隙水約占20%，而占比僅有3%的結合水，需要在105°C經熱化學破壞才能被釋放。

3深度脫水過程和機理研究

3.1污泥脫水污泥脫水，即脫出污泥中的水分使其含水率降低到一定程度。可根據污泥中液相與固相的結合形式及不同污泥處理處置的含水率要求，采用適宜的脫水技術。污泥脫水的方式為通過外加能量或藥劑以改變污泥絮體結構，使污泥中水更易分離，達到最終脫水的目的。自由水與污泥顆粒依附關系較小，束縛水與污泥顆粒結合緊密，不同形態水分所需的能量不同。自由水在脫水過程中較容易去除，束縛水是限制污泥脫水效率的重要因素之一，去除該部分水分需要較大的能量，去除各種水時污泥含水率的變化趨勢與之相關，表1為污泥中不同形態水分的去除方法。國內外學者對深度脫水藥劑的性質、絮凝機理、投藥量、溫度、pH值及各種化學藥劑的復配對污泥脫水效果的影響有廣泛且深入的研究，但大多數集中于調理藥劑對污泥絮體結構及性質的改變，而對脫水液的組分及其產生機理研究甚少，且實際污泥深度脫水過程中存在投藥量大、有機物含量降低、壓濾液水質惡化從而增加污水處理負荷等問題。同時化學藥劑的投加存在危害人類和生態環境的風險，采用物理或者生物調理或許將是污泥脫水的方向。現階段，中國污泥深度脫水普遍采用化學調理方式，板框壓濾使污泥達到減量、減容的脫水效果，滿足后續焚燒、填埋等處置方式的要求，成為中國污泥減量化的主流技術。

3.2污泥絮體及沉降性能變化污泥調理過程是改變污泥膠體結構和絮體表面或細胞內部水分形態，進而使污泥膠體難沉降性及EPS對水親和力改變的過程。因此，污泥絮體體積和沉降性能的變化與污泥調理效果直接相關。原污泥絮體均勻松散，沉降性能較差，沉降4h后上清液比例僅為3%左右。投加FeCl3后污泥絮體體積和沉降性能均變化較小，僅有部分絮體變得較為密實。但是在投加CaO后，污泥絮體明顯增大，沉降性能顯著改善，然而污泥絮體仍然較為松散。繼續投加CPAM（陽離子聚丙烯酰胺）可以使污泥絮體體積繼續增大，形成的團聚結構較為密實，污泥絮凝能力增強，且具有較好的沉降性能。經FeCl3，CaO和CPAM調理后，污泥內部水得到釋放，顆粒間相互黏附，使結合態束縛水轉換為自由水，強化了污泥脫水效果。

3.3污泥pH值電導率和粒徑變化pH值和電導率的改變都使污泥絮體結構發生變化，當投加NaOH和NaCl時，所形成的偏堿性環境能夠使EPS溶解，進而破壞EPS包裹的絮體結構，使小顆粒物和結合水同時釋放，增強污泥脫水效果。當投加FeCl3后污泥呈弱酸性，污泥粒徑變化較小，但是污泥電導率升高，這主要是因為Fe3+的投加削弱了生物絮凝作用。繼續投加CaO后pH值上升，此時污泥的中值粒徑及平均粒徑降低，絮體變得小而密實，是由于Fe3+具有較高的化合價，能夠與更多帶負電基團結合所致。堿性環境易破壞EPS結構，導致原污泥由膠體狀態分散為小顆粒物，污泥絮體形態的轉化使EPS包裹的結合水被釋放，同時部分離子也隨之溶出，使電導率急劇升高。繼續投加CPAM后pH值和電導率變化較小，但污泥粒徑明顯增大，絮體增大、密實、沉降性能明顯升高，使污泥脫水效果進一步得到改善。

3.4污泥比阻和Zeta電位變化污泥比阻（SRF）是通過測試在相同壓力下污泥過濾速率，從而衡量污泥脫水的難易程度。而Zeta電位則用于描述污泥表面電荷與污泥絮體分布狀況，進而表征其沉降和壓縮性能。污泥深度脫水過程中污泥比阻明顯降低；而Zeta電位明顯升高，增強污泥絮體的可壓縮性及沉降性能。Zeta電位絕對值與比阻SRF的變化趨勢相同，隨著藥劑投加種類的增多，Zeta電位絕對值逐漸減小；在投加FeCl3后污泥比阻SRF變化較為明顯，投加CPAM后對其影響較小，表明CPAM僅起到絮凝作用，對污泥絮體的壓縮性能影響較小。隨著污泥比阻的降低，經深度脫水后污泥含水率總體呈下降趨勢，同時污泥粒徑均勻度的變化以及污泥有機物含量的降低也與污泥比阻降低的結果吻合，證明污泥具有較好的過濾性能。

4城市污水處理廠污泥處理處置路線

4.1污泥處理現狀通過調研無錫市10座污水處理廠污泥脫水處理的現狀，對各個污水處理廠污泥處理設備和含水率等做出總結，無錫市污水處理廠的污泥脫水處理主要包括兩種形式，即常規脫水和深度脫水。所調研的10座污水處理廠污泥含水率基本分布在60%及80%左右，主要與各污水處理廠污泥脫水形式相關，以帶式壓濾為代表的常規脫水形式的脫水泥餅含水率在80%左右，以板框壓濾為代表的深度脫水形式的脫水泥餅含水率在60%左右。污水處理廠污泥處置方式主要以焚燒為主，約占總處置量的64%，土地利用和建材利用（制磚）分別占24%和12%。處置方式決定處理方式，處理方式影響處置方式，因此對污泥深度脫水的研究主要依據污泥焚燒的處置路線開展。

4.2污泥的預處理對無錫市污泥脫水現狀的調研發現，以化學調理機械壓濾為代表的污泥深度脫水技術是無錫市污泥處理的主要形式。傳統的化學調理機械脫水技術主要采用FeCl3、生石灰、聚丙烯酰胺等化學藥劑作為調理劑，脫水污泥滿足后續自持焚燒及填埋的處置需求。為了提高脫水性能，污泥預處理是需要的，化學調理劑是絮凝固體顆粒物，可提高污泥的沉降和過濾性能，添加飛灰、木屑廢棄物等物理方法能夠起到骨架和助凝劑的作用，提高泥餅的多孔性和可壓縮性。但化學藥劑有對人類和生態環境造成危害的風險，傳統深度脫水機理研究的相關試驗表明，化學藥劑的投加在破壞污泥結構、增強其脫水性能的同時，也使吸附在絮體表面的難生物降解的有機物釋放到液相中，導致壓濾液水質惡化，回流至污水處理廠，增加其運行負荷和處理難度。化學藥劑多為無機物且投加量大，導致污泥泥餅有機物含量明顯下降，不利于后續焚燒等能源化處理處置。可采用具有骨架構建作用且價廉易得的生物質粉末作為物理調理劑對污泥進行預處理，對污泥深度脫水技術進行優化研究。同時碳基材料作為物理添加劑因無機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熱值，尤其是當污泥最終用于焚燒時，這種材料價廉、環境友好，如果能夠帶來較好的脫水效果，將極具市場前景。

4.3對污泥深度脫水技術的研究目前，無錫市常規脫水污泥大部分運往具有污泥深度脫水設施的廠區，進行深度脫水。所謂“污泥深度脫水技術”，是指對脫水污泥進行預處理，通過物理、化學或生物作用破壞污泥絮體結構，盡可能地釋放吸附水、結合水和胞內水，提高污泥脫水性能，并進一步借助有效措施使污泥處理后含水率達到60%以下的脫水技術。由前期無錫市10座廠的調研結果可知，污泥處理主要以脫水為主，深度脫水污泥量約占總處理量的64%，常規脫水占44%，無錫市城市污泥處理方式主要以深度脫水為主，深度脫水主要分為兩種：化學調理+板框壓濾、生物瀝浸+板框壓濾，主要以前者為主。化學調理+板框壓濾過程中，化學調理藥劑一般選取低分子無機藥劑協同高分子絮凝藥劑進行調理，無錫市污泥調理藥劑主要為FeCl3、生石灰、聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺等藥劑。但常規深度脫水技術也產生了一系列的問題，如投藥量大、化學藥劑易造成二次污染、污泥有機物含量下降、壓濾液水質惡化、增加污水處理負荷等問題。目前EPS被認為是影響污泥脫水性能的最主要因素，污泥具有高壓縮性，單純維持高壓不能快速實現深度脫水，因此深度脫水主要關注點與重點在于前期的污泥調理，后續高壓設施則作為輔助實現深度脫水。針對污泥脫水的限制因素———污泥顆粒的強壓縮性，采用生物質粉末作為化學藥劑的協同物質對污泥進行調理，在減弱污泥固體強壓縮性的同時增加污泥的有機物含量，為后續污泥能源化處理處置提供便利條件。生物質粉末有機物含量較高且顆粒剛性較強，較適宜減弱污泥膠體的強壓縮性。如竹粉、稻殼粉等有機質粉末主要成分為纖維素、木質素和SiO2，具有一定的韌性和多孔性等特點。其中以網絡狀分布的SiO2是有機質粉末的主要骨架支撐，木質素和纖維素填充在其中，且本身含有大量有機物，作為污泥調理劑，增加熱值的同時還可以防止其對焚燒設備的腐蝕，同時生物質粉末是一種價廉易得的可再生資源。因此，充分利用有機質粉末，變廢為寶，對減少環境污染，提高農民收入，促進經濟增長，具有重大意義。

5結語污泥焚燒已經成為符合中國國情的一種處理處置方式，目前最大程度地降低污泥含水率是基于污泥焚燒處理處置方式的研究重點。由此產生的污泥深度脫水技術作為焚燒前處理技術，正在逐步得到污泥處理處置領域的認可，污泥深度脫水后不加熱源自持焚燒或稍加熱源進行焚燒處置，可實現污泥的最大化減量和能源回收。

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