城市污水污泥脫水的研究進(jìn)展
行業(yè)動(dòng)態(tài)
截至2014年3月底，全國(guó)累計(jì)建成城鎮(zhèn)污水處理廠3622座，污水處理能力約1.53億m3/d，較2013年底增加約430萬(wàn)m3/d。污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量也逐年攀升。據(jù)報(bào)道，2010年我國(guó)污泥（含水率80%）產(chǎn)生量約為2076萬(wàn)t，2011年超過(guò)3000萬(wàn)t，其中75%～85%未被妥善處理。大多數(shù)污水處理廠利用絮凝劑降低污泥含水率實(shí)現(xiàn)初步減容，但未穩(wěn)定化，“重水輕泥”現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境造成二次污染。為了防止剩余污泥污染環(huán)境，必須對(duì)剩余污泥進(jìn)行妥善的處置。目前剩余污泥的處置有多種方式，如填埋、焚燒和堆肥等，但無(wú)論采用何種方式處置污泥，都必須對(duì)污泥進(jìn)行脫水處理，以減小它的體積，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。污泥脫水已成為污泥處理工藝中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，決定了污泥處理的成本。本文主要介紹了自2006年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)城市污水污泥脫水的研究進(jìn)展。
1 物理方法脫水
1.1 超聲協(xié)同脫水
呂凱等采用超聲波和臭氧處理石化污水處理廠的剩余活性污泥，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較佳超聲條件：輸出電壓70V，超聲時(shí)間2min；較佳臭氧投加量為0.05g/gSS。在較佳處理?xiàng)l件下，經(jīng)超聲處理過(guò)的臭氧化污泥含水率比未超聲處理降低約1%。在傳統(tǒng)的絮凝方法下，再加上超聲和臭氧處理可以使污泥含水率再降低2%以上，絮凝劑用量減少近40%，污泥減量約25%。任占強(qiáng)的研究表明，44W的超聲波對(duì)污泥的脫水效果較好，在此頻率超聲波下，當(dāng)超聲時(shí)間為90s時(shí)，污泥含水率為85%。馬守貴等對(duì)3000kg/d含水率在99%以上的剩余活性污泥進(jìn)行了超聲波協(xié)同處理中試研究，結(jié)果表明，經(jīng)超聲波處理后污泥濾餅含水率比未經(jīng)超聲波處理時(shí)降低12%，體積減量達(dá)8%，同時(shí)減少絮凝劑用量1/3。沈勁鋒等采用超聲波與CPAM聯(lián)合作用的方法處理剩余活性污泥，結(jié)果表明，添加相同比例的CPAM，經(jīng)超聲處理的污泥濾餅含水率要比未經(jīng)超聲處理低約2%，并且使污泥對(duì)CPAM的吸附量降至0.5%，節(jié)約CPAM約30%。沈壯志研究了處理時(shí)間、電功率、pH和絮凝劑用量對(duì)剩余污泥超聲脫水的影響。結(jié)果表明，污泥的脫水應(yīng)在低功率、短時(shí)間內(nèi)完成。Jianguo JIang等的研究表明，在體系pH=3的條件下，與相同污泥脫水率的Fenton試劑（Fe2+和H2O2）用量及反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)超聲頻率為25kHz，能量密度為100W/L時(shí)，F(xiàn)e2+、H2O2用量及反應(yīng)時(shí)間可分別降低66.7%、75.0%。P . Zhang等的研究表明，155J/g的超聲能量能將污泥沉降時(shí)間縮短12h，使污泥沉降效率與添加30mg/L聚丙烯酰胺等效；而大于680J/g的超聲能量會(huì)惡化污泥沉降性能。
超聲有助于污泥脫水，主要是因?yàn)槌暡ǖ目栈?yīng)可形成極端的物理和力學(xué)條件，局部可達(dá)5000℃高溫、50MPa高壓以及強(qiáng)大的剪切力?？栈荨皟?nèi)爆”產(chǎn)生的所謂“熱點(diǎn)”，能迅速殺死污泥微生物，將微生物細(xì)胞壁擊破，釋放出胞內(nèi)物，使細(xì)胞內(nèi)水分釋放出來(lái)。但僅低頻率超聲能改善污泥的脫水性能，高頻率超聲反而會(huì)使污泥的脫水性能惡化。
1.2 微波輻射協(xié)同脫水
田禹等在研究微波輻射對(duì)污泥脫水性能的影響中發(fā)現(xiàn)，在微波輻射作用下，當(dāng)胞外糖含量介于15.8～16.5mg/gMLSS時(shí)，污泥的沉降性及過(guò)濾性較好。適宜的微波輻射可明顯改善污泥結(jié)構(gòu)和脫水性，但過(guò)量的微波輻射能引起微生物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)大量溢出，進(jìn)而破壞污泥的脫水性能。肖朝倫等分別采用500、400、300W的微波加熱城市污水廠含水率為81.97%的剩余污泥14、18、22min，污泥含水率均降到5%，而污泥在烘箱中連續(xù)加熱30min，含水率仍為76.51%。楊國(guó)友等采用生石灰與微波協(xié)同作用對(duì)污泥進(jìn)行脫水處理，結(jié)果表明，單獨(dú)投加40g/L的生石灰，污泥比阻（SRF）可由原來(lái)的4.72×1013m/kg降至1.9×1012m/kg，降低96%；單獨(dú)使用微波調(diào)理污泥，在800W功率下輻射100s，SRF由原來(lái)的4.72×1013m/kg降至1.28×1013m/kg，降低72.9%；采用生石灰與微波協(xié)同作用，SRF可由原來(lái)的4.72×1013m/kg降至9.8×1010m/kg，降低99.8%。微波作用可使污泥中易分解的有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱解，致使污泥完全干化，將生石灰與微波協(xié)同作用，可以強(qiáng)化污泥脫水，并減少了生石灰的用量。
1.3 微波與超聲聯(lián)合脫水
A.M.Yeneneh等對(duì)250mL的污泥首先用2450MHz、800W的微波處理3min，再用0.4W/mL的超聲波處理10min，當(dāng)停留時(shí)間為17d時(shí)，甲烷產(chǎn)量為147mL，明顯高于單獨(dú)超聲處理或微波處理的30mL和16mL，總固體含量和揮發(fā)性固體含量分別減少了56.8%和66.8%。A.M.Yeneneh等采用微波（2450MHz，0～1250W，25～260℃）和超聲（20kHz，1W/mL，15～90min）聯(lián)合處理2個(gè)消化池污泥（池1：由75%濃縮污泥和25%初沉污泥組成；池2：由25%濃縮污泥和75%初沉污泥組成），結(jié)果表明，總固體去除率分別為25%和20%，揮發(fā)性總固體去除率分別為57.8%和76%，COD去除率分別為37.5%和16.8%，毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）明顯降低，污泥脫水性能明顯高于單獨(dú)微波處理或超聲處理。V.K.Tyagi等在pH=12的強(qiáng)堿性條件下，采用超聲（110204kJ，60min）與微波（0.75W/mL，175℃）聯(lián)合處理剩余污泥，結(jié)果表明，與非強(qiáng)堿性條件相比，CST明顯降低。
2 化學(xué)藥劑調(diào)理脫水
2.1 無(wú)機(jī)絮凝劑協(xié)同調(diào)理脫水
劉秉濤等研究了殼聚糖（CTS）與聚合氯化鋁（PAC）復(fù)合絮凝劑對(duì)污泥的脫水效果，結(jié)果表明，PAC復(fù)合CTS對(duì)污泥具有非常好的脫水效果，1mL的CTS復(fù)合一定量PAC可使污泥比阻（SRF）降低74.15%，而單獨(dú)加入CTS，SRF降低60.8%。鄧偉等研究了PAM-Fe2（SO4）3復(fù)合調(diào)理劑對(duì)活性污泥脫水性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合調(diào)理劑對(duì)污泥的脫水效果比單一調(diào)理劑要好，且達(dá)到相同脫水效果時(shí)，PAM和Fe2（SO4）3復(fù)配時(shí)的用量比單獨(dú)使用時(shí)減少一半以上。復(fù)合調(diào)理劑的較佳用量：PAM1000mg/L，F(xiàn)e2（SO4）3500mg/L。劉鵬等分別以FeCl3、Fenton試劑和骨架構(gòu)建體生石灰、褐煤煤粉（CF）為原料制備污泥調(diào)理劑，研究了其對(duì)污泥脫水及干化性能的影響。結(jié)果表明，以FeCl3+CaO和H2SO4+FeSO4+H2O2+CaO作為調(diào)理劑的污泥干化效果明顯優(yōu)于以FeCl3+CaO+CF和H2SO4+FeSO4+H2O2+CaO+CF作為污泥調(diào)理劑。冀海壯等研究了高鐵酸鉀預(yù)處理對(duì)活性污泥脫水性能的影響，研究表明，當(dāng)高鐵酸鉀投加量＞0.004g/gSS時(shí)，隨著高鐵酸鉀投加量的增加，污泥的SVI隨之下降，泥餅含固率隨之增加。王彩霞等進(jìn)行了過(guò)氧乙酰（PAA）和亞鐵聯(lián)用調(diào)質(zhì)強(qiáng)化活性污泥過(guò)濾脫水性能的研究。結(jié)果表明，加入的Fe2+會(huì)與PAA解離后產(chǎn)生的H2O2形成Fenton氧化體系，從而可有效氧化裂解污泥，降解EPS中的蛋白質(zhì)和多糖，促使其中結(jié)合水的釋放。當(dāng)n（Fe2+）：n（H2O2）=2:1，PAA投加量為0.1g/gTSS時(shí)，污泥脫水性能達(dá)到較佳。
Kun Luo等研究發(fā)現(xiàn)，酶促厭氧消化后污泥脫水性能顯著惡化，CST可由原污泥的33.4s增加至80.0s。但若在厭氧消化前加入0.10g/gTS的CaCl2，CST可由原污泥的83.9s降至27.6s，污泥脫水性能得到明顯改善。Danhui Xin等采用鈣鋁石（12CaO·7Al2O3）與硫鋁酸鹽（Ca3Al6O12·CaSO4）合成黏結(jié)劑對(duì)剩余污泥進(jìn)行填埋前的深度脫水研究。研究表明，當(dāng)鈣鋁石與硫鋁酸鹽的質(zhì)量比為2:3時(shí)，其對(duì)SBR和A2O工藝污泥均具有較好的脫水效果，可使污泥試樣的含水率分別由73.64%和72.49%降至36%和40%。周宏倉(cāng)等采用生石灰處理活性污泥，結(jié)果表明，當(dāng)CaO和污泥的質(zhì)量比達(dá)到1:5時(shí)，污泥可以達(dá)到完全脫水。Li Yu等研究發(fā)現(xiàn)，CaO能夠改善污泥脫水性能是因?yàn)镃aO溶解不僅能釋放熱量，而且可使pH升高至8.85±0.06，破壞了污泥的絮凝結(jié)構(gòu)，同時(shí)污泥可壓縮性也得到提高。J.E.Lee等的研究表明，當(dāng)添加污泥干重30%的飛灰時(shí)，泥餅含水率和SRF分別為66.2%和1.3×1014m/kg；當(dāng)添加污泥干重50%的飛灰時(shí)，泥餅含水率和SRF分別可達(dá)29.4%和4.2×1013m/kg。
盡管無(wú)機(jī)絮凝劑能降低污泥的含水率，但無(wú)機(jī)絮凝劑會(huì)產(chǎn)生二次污染，毒害水生生物、植物和微生物，鐵系絮凝劑還會(huì)腐蝕金屬，使其應(yīng)用受到很大限制。生石灰的加入，不但可提高污泥的固體含量，而且可提高污泥的溫度，同時(shí)可增加污泥的堿度，使致病菌和微生物減少，從而實(shí)現(xiàn)了污泥的無(wú)害化處理。但有待解決石灰的適宜用量范圍，以使剩余污泥更利于資源化利用。
2.2 有機(jī)絮凝劑協(xié)同調(diào)理脫水
吳幼權(quán)等以自制的殼聚糖衍生物（CAM）與陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）為原料制備了復(fù)合絮凝劑CAM-CPAM，并考察了該復(fù)合絮凝劑對(duì)污泥的脫水性能。結(jié)果表明，當(dāng)其投加量為30mg/L時(shí)，污泥脫水率可達(dá)90%以上，沉降速率可達(dá)0.55cm/s，濾液濁度＜8NTU，透光率＞85%。李婷等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，CPAM的投加量對(duì)污泥的脫水性能和理化性質(zhì)均可產(chǎn)生明顯的影響，CPAM的較佳用量為4.28～7.13g/kg，此條件下，CST與SRF值分別為（12.62±1.39）s、5.6×1011m/kg，污泥離心上清液中膠體的Zeta電位為正值。劉宏偉等采用PAC+CPAM復(fù)合調(diào)理劑對(duì)煉油廠剩余活性污泥進(jìn)行脫水處理，結(jié)果表明，當(dāng)PAC、CAPM投加量分別為200、25mg/L，溫度為40℃，污泥初始pH為8～10時(shí)，在一定的攪拌強(qiáng)度和時(shí)間下，泥餅含水率可達(dá)到低于81.63%。牛禮躍等的研究表明，PAC與陰離子PAM復(fù)配使用可使污泥SV30小于只投加PAC時(shí)的SV30，但仍大于原液的SV30，且PAC投加量越大，SV30越大，污泥沉降性能越差。趙旭德等研究了PAC、陽(yáng)離子PAM、陰離子PAM和非離子PAM等4種高分子絮凝劑用量對(duì)污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)絮凝劑投加量在90～110mg/L時(shí)，污泥含水率均可降至70%。鄭立慶等以丙烯酰胺為有機(jī)單體、過(guò)硫酸鉀為引發(fā)劑合成了改性PAM，并考察了改性PAM對(duì)污泥的調(diào)理效果。結(jié)果表明，在每1000kg干污泥投加216kg改性PAM的條件下，污泥含水率可由94.13%降至80.11%，SRF可由1.24×1013m/kg降至1.05×1011m/kg。
Huan Li等的研究表明，當(dāng)CPAM投加量為10～30mg/L時(shí)，含水率為95%～98%的剩余污泥的濁度和泥餅含水率顯著下降，有機(jī)物含量?jī)H為40%，與未處理剩余污泥相比，真空過(guò)濾后的污泥脫水性能明顯改善。J.Kim等的研究表明，當(dāng)剩余污泥中分別加入1.6mgAl2（SO4）3/gTS和0.01mgPAM/gTS時(shí)，CST可由138s降至118s，污泥脫水性能得到改善，且泥餅中揮發(fā)性有機(jī)硫顯著降低。Hong Chen等向經(jīng)酸/堿處理后的濃縮污泥中加入表面活性劑十二烷基二甲基芐基氯化銨（DDBAC）進(jìn)行脫水處理。結(jié)果表明，當(dāng)pH=4.84，DDBAC投加量為75mg/g，攪拌時(shí)間為20min時(shí)，脫水污泥的含水率低至58.12%，SRF為5.15×1012m/kg。Ying Huang等開(kāi)發(fā)了以FeCl3·6H2O、Ca（OH）2、Fe2（SO4）3和PAM為主要成分的復(fù)合調(diào)理劑，并考察了該復(fù)合調(diào)理劑對(duì)污泥的調(diào)理效果。結(jié)果表明，當(dāng)Fe2（SO4）3投加量為9%DS，PAM投加量為0.2%DS時(shí)，污泥含水率低至53.5%。而單獨(dú)加入0.2%DS的PAM時(shí)，污泥含水率高達(dá)76.2%。Junyuan Guo等研究了MBFGA1和P（AM-DMC）復(fù)合調(diào)理劑的污泥脫水性能。結(jié)果表明，當(dāng)MBFGA1投加量為1.4g/L，P（AM-DMC）投加量為0.13g/L，CaCl2投加量為56.1mg/L，pH為7.5，攪拌速度為149r/min時(shí)，DS和SRF分別為29.9%和2.2×1012m/kg，污泥脫水性能優(yōu)于使用FeCl3、Al2（SO4）3和PAC。黃振等制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的CPAM水分散乳液，并將其用于污泥的脫水處理。結(jié)果表明，當(dāng)其投加量為濕泥總量的0.005%～0.01%時(shí)，上清液濁度去除率達(dá)96%，濾餅含水率降至68%。
PAM系有機(jī)高分子絮凝劑，其在對(duì)污泥進(jìn)行脫水處理過(guò)程中會(huì)部分水解成丙烯酸和有機(jī)胺等有毒單體，產(chǎn)生二次污染，而且絮凝后污泥中含有的PAM有機(jī)高分子不利于污泥的處置和污泥堆肥資源化利用。
3 微生物絮凝劑調(diào)理脫水
劉杰偉等研究了克雷伯氏菌M-C11生物絮凝劑的污泥脫水性能。結(jié)果表明，當(dāng)污泥pH=6時(shí)，向25mL待測(cè)污泥中加入3mLM-C11和4mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CaCl2調(diào)理后，SRF和污泥含水率分別由原泥的1.164×1013m/kg、98.86%降至4.66×1012m/kg、83.74%，污泥脫水效果明顯優(yōu)于Al2（SO4）3、PAC等無(wú)機(jī)絮凝劑。楊麒等考察了生物表面活性劑鼠李糖脂與溴化十六烷基三甲銨（CTAB）復(fù)配對(duì)活性污泥的脫水效果。研究表明，與原污泥相比，當(dāng)鼠李糖脂投加量為0.1g/g時(shí)，離心脫水污泥和過(guò)濾泥餅的含水率分別下降了2.4%和10.8%。Chaohong Shi等用天然酸性礦山排水（AMD）富集和馴化菌群，并將6種菌群接種于新鮮城市污水污泥。結(jié)果表明，由于AMD中土著鐵細(xì)菌/硫細(xì)菌的協(xié)同作用導(dǎo)致污泥絮體結(jié)構(gòu)改變，Cu、Zn和Cd的生物浸出率（12d）分別為81%～91%、87%～93%和81%～89%，離心污泥脫水率（12d）從73%增加至90%。
朱建平等在自然條件（-19～-13℃）下分別對(duì)Ca（OH）2和NaOH作為堿試劑的發(fā)酵污泥進(jìn)行了凍融處理。結(jié)果表明，凍融對(duì)堿性發(fā)酵污泥能起到較好的調(diào)理效果。對(duì)Ca（OH）2作為堿試劑的發(fā)酵污泥，在自然條件下經(jīng)6h凍融，CST由101.5s下降至21.4s，下降約80%；對(duì)NaOH作為堿試劑的發(fā)酵污泥，在自然條件下凍融24h，CST由1058.6s下降至84.7s，下降約91.99%，均取得了良好的脫水效果。A.H.Molla等采用從IWK污水污泥泥餅中分離出來(lái)的絲狀真菌凍土毛霉屬，在適宜條件下制備了真菌肉湯制劑用于處理IWK污水污泥。結(jié)果表明，當(dāng)處理時(shí)間為4～5d時(shí)，污泥的總固體（TS）、總懸浮固體（TSS）和濁度均有顯著降低。
王學(xué)川等研究發(fā)現(xiàn)，采用陽(yáng)離子膠原蛋白絮凝劑（PCDMC）調(diào)理污泥，PCDMC的投加量、攪拌速度以及污泥溫度和污泥酸堿度等對(duì)污泥絮凝脫水效果均有影響。在一定條件下，經(jīng)PCDMC調(diào)質(zhì)后污泥含水率可由98.72%降低至75.63%。張磊等采用中性纖維素酶和中性蛋白酶對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)調(diào)理，結(jié)果表明，當(dāng)生物酶用量為1%DS時(shí)，CST和污泥抽濾后的含水率均變化明顯。張娜等采用醬油曲霉產(chǎn)生的微生物絮凝劑（MBF）作為污泥絮凝脫水劑，對(duì)城市污水處理廠濃縮污泥進(jìn)行調(diào)理脫水。結(jié)果表明，當(dāng)MBF投加體積分?jǐn)?shù)為6%～8%，污泥溫度為28～32℃，pH為6～7時(shí)，污泥離心脫水率為82.7%，濾餅含水率為77.3%，污泥脫水后體積減至1/5。
微生物絮凝劑是由微生物產(chǎn)生的具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物，主要成分為蛋白質(zhì)、多糖類、酮酸聚合物等，其可使水中不易沉降的懸浮微粒、菌體細(xì)胞等凝聚成高分子物質(zhì)而沉降。但溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)等因素會(huì)影響微生物的活性，進(jìn)而影響其對(duì)污泥的脫水性能。
4 結(jié)語(yǔ)
剩余污泥的減量化和資源化是目前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，大部分無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑對(duì)環(huán)境均會(huì)產(chǎn)生二次污染，限制了污泥的資源化利用。生石灰和粉煤灰雖然能降低剩余污泥中的含水率，且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，但是投加量往往太高，容易造成泥餅增容。而無(wú)毒無(wú)害的微生物絮凝劑的使用受溫度、pH等環(huán)境因素的影響較大。采用超聲或微波等物理方法脫水雖然污泥脫水率明顯降低，但操作條件苛刻。因此，尋找對(duì)環(huán)境無(wú)二次污染、不造成泥餅增容、有利于資源化利用且易于操作的污泥脫水調(diào)理劑是未來(lái)的研究方向。
