引言

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(huán)境科研工作中亟需研究的重要課題。當(dāng)前，污泥焚燒是一種符合中國(guó)國(guó)情的污泥處置方式，首先對(duì)污泥進(jìn)行減量化，通過(guò)污泥深度脫水技術(shù)，使處理后的污泥含水率達(dá)到60%以下，通過(guò)減量化，可以提高污泥焚燒的經(jīng)濟(jì)效益和焚燒處理效率。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)深度脫水過(guò)程和機(jī)理開(kāi)展了相關(guān)研究。本文在總結(jié)這些研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)研無(wú)錫市10座污水處理廠(chǎng)污泥脫水處理的現(xiàn)狀和深度脫水技術(shù)，對(duì)污泥脫水技術(shù)進(jìn)行了探討。通過(guò)污泥深度脫水技術(shù)來(lái)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(lǐng)域也得到了認(rèn)可。

1城市污水污泥的來(lái)源污水污泥是城市污水處理廠(chǎng)處理污水過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)和無(wú)機(jī)沉淀物、懸浮物和膠體的統(tǒng)稱(chēng)。按照污泥的定義和產(chǎn)生來(lái)源可將污泥分為初沉污泥、二沉污泥和化學(xué)污泥。初沉污泥主要來(lái)自污水處理的初沉池，以無(wú)機(jī)物為主，包括進(jìn)水中所含有的所有可沉降性物質(zhì)；二沉污泥來(lái)自污水生物處理系統(tǒng)的二沉池或生物反應(yīng)池，以有機(jī)物為主，產(chǎn)生于BOD（生化需氧量）的生物去除過(guò)程，曝氣池活性污泥的沉降產(chǎn)物，常用濃縮法將其濃縮；化學(xué)污泥是指用化學(xué)除磷藥劑等化學(xué)方法處理污水時(shí)所產(chǎn)生的污泥，主要以無(wú)機(jī)物為主，為化學(xué)除磷或混凝沉淀去除SS（懸浮物）過(guò)程中形成的污泥。大多數(shù)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(zhì)

2.1城市污泥組成污泥是城市污水處理的副產(chǎn)物，主要由固相和液相兩部分構(gòu)成。固相主要包括有機(jī)物和無(wú)機(jī)物兩種，有機(jī)物是指微生物形成的菌膠團(tuán)及其吸附的水相中部分有機(jī)成分，無(wú)機(jī)物指混入污水處理系統(tǒng)的泥砂、重金屬、鹽類(lèi)等固體物質(zhì)；液相主要指水。固相與液相相互混合形成了成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)松散、形狀不規(guī)則的絮體物質(zhì)，而水與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的絮體物質(zhì)由于力的作用分布在污泥絮體的各個(gè)空隙中，使污泥脫水難度較大。

2.2污泥指標(biāo)污泥泥質(zhì)主要與污水處理廠(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)相關(guān)，泥質(zhì)指標(biāo)主要分為基本控制指標(biāo)（含水率、密度、有機(jī)物含量、pH值等）、脫水性能指標(biāo)（毛細(xì)吸水時(shí)間、比阻等）、衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)（糞大腸菌群等）、養(yǎng)分指標(biāo)（N，P，K等）、重金屬指標(biāo)、有機(jī)成分指標(biāo)及其他指標(biāo)。相對(duì)于其他泥質(zhì)指標(biāo)，污泥含水率高對(duì)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(diǎn)。

2.3污泥中水分污泥含水率較高，污泥經(jīng)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(xì)胞內(nèi)部，水分子與固體顆粒之間存在一種能量或者結(jié)構(gòu)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(lèi)之間的關(guān)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(jié)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(jié)合水，需要在105°C經(jīng)熱化學(xué)破壞才能被釋放。

3深度脫水過(guò)程和機(jī)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?？筛鶕?jù)污泥中液相與固相的結(jié)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(shù)。污泥脫水的方式為通過(guò)外加能量或藥劑以改變污泥絮體結(jié)構(gòu)，使污泥中水更易分離，達(dá)到最終脫水的目的。自由水與污泥顆粒依附關(guān)系較小，束縛水與污泥顆粒結(jié)合緊密，不同形態(tài)水分所需的能量不同。自由水在脫水過(guò)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(shí)污泥含水率的變化趨勢(shì)與之相關(guān)，表1為污泥中不同形態(tài)水分的去除方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深度脫水藥劑的性質(zhì)、絮凝機(jī)理、投藥量、溫度、pH值及各種化學(xué)藥劑的復(fù)配對(duì)污泥脫水效果的影響有廣泛且深入的研究，但大多數(shù)集中于調(diào)理藥劑對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的改變，而對(duì)脫水液的組分及其產(chǎn)生機(jī)理研究甚少，且實(shí)際污泥深度脫水過(guò)程中存在投藥量大、有機(jī)物含量降低、壓濾液水質(zhì)惡化從而增加污水處理負(fù)荷等問(wèn)題。同時(shí)化學(xué)藥劑的投加存在危害人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，采用物理或者生物調(diào)理或許將是污泥脫水的方向?，F(xiàn)階段，中國(guó)污泥深度脫水普遍采用化學(xué)調(diào)理方式，板框壓濾使污泥達(dá)到減量、減容的脫水效果，滿(mǎn)足后續(xù)焚燒、填埋等處置方式的要求，成為中國(guó)污泥減量化的主流技術(shù)。

3.2污泥絮體及沉降性能變化污泥調(diào)理過(guò)程是改變污泥膠體結(jié)構(gòu)和絮體表面或細(xì)胞內(nèi)部水分形態(tài)，進(jìn)而使污泥膠體難沉降性及EPS對(duì)水親和力改變的過(guò)程。因此，污泥絮體體積和沉降性能的變化與污泥調(diào)理效果直接相關(guān)。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(shí)。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(xù)投加CPAM（陽(yáng)離子聚丙烯酰胺）可以使污泥絮體體積繼續(xù)增大，形成的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，污泥絮凝能力增強(qiáng)，且具有較好的沉降性能。經(jīng)FeCl3，CaO和CPAM調(diào)理后，污泥內(nèi)部水得到釋放，顆粒間相互黏附，使結(jié)合態(tài)束縛水轉(zhuǎn)換為自由水，強(qiáng)化了污泥脫水效果。

3.3污泥pH值電導(dǎo)率和粒徑變化pH值和電導(dǎo)率的改變都使污泥絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，當(dāng)投加NaOH和NaCl時(shí)，所形成的偏堿性環(huán)境能夠使EPS溶解，進(jìn)而破壞EPS包裹的絮體結(jié)構(gòu)，使小顆粒物和結(jié)合水同時(shí)釋放，增強(qiáng)污泥脫水效果。當(dāng)投加FeCl3后污泥呈弱酸性，污泥粒徑變化較小，但是污泥電導(dǎo)率升高，這主要是因?yàn)镕e3+的投加削弱了生物絮凝作用。繼續(xù)投加CaO后pH值上升，此時(shí)污泥的中值粒徑及平均粒徑降低，絮體變得小而密實(shí)，是由于Fe3+具有較高的化合價(jià)，能夠與更多帶負(fù)電基團(tuán)結(jié)合所致。堿性環(huán)境易破壞EPS結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致原污泥由膠體狀態(tài)分散為小顆粒物，污泥絮體形態(tài)的轉(zhuǎn)化使EPS包裹的結(jié)合水被釋放，同時(shí)部分離子也隨之溶出，使電導(dǎo)率急劇升高。繼續(xù)投加CPAM后pH值和電導(dǎo)率變化較小，但污泥粒徑明顯增大，絮體增大、密實(shí)、沉降性能明顯升高，使污泥脫水效果進(jìn)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(guò)測(cè)試在相同壓力下污泥過(guò)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(jìn)而表征其沉降和壓縮性能。污泥深度脫水過(guò)程中污泥比阻明顯降低；而Zeta電位明顯升高，增強(qiáng)污泥絮體的可壓縮性及沉降性能。Zeta電位絕對(duì)值與比阻SRF的變化趨勢(shì)相同，隨著藥劑投加種類(lèi)的增多，Zeta電位絕對(duì)值逐漸減??；在投加FeCl3后污泥比阻SRF變化較為明顯，投加CPAM后對(duì)其影響較小，表明CPAM僅起到絮凝作用，對(duì)污泥絮體的壓縮性能影響較小。隨著污泥比阻的降低，經(jīng)深度脫水后污泥含水率總體呈下降趨勢(shì)，同時(shí)污泥粒徑均勻度的變化以及污泥有機(jī)物含量的降低也與污泥比阻降低的結(jié)果吻合，證明污泥具有較好的過(guò)濾性能。

4城市污水處理廠(chǎng)污泥處理處置路線(xiàn)

4.1污泥處理現(xiàn)狀通過(guò)調(diào)研無(wú)錫市10座污水處理廠(chǎng)污泥脫水處理的現(xiàn)狀，對(duì)各個(gè)污水處理廠(chǎng)污泥處理設(shè)備和含水率等做出總結(jié)，無(wú)錫市污水處理廠(chǎng)的污泥脫水處理主要包括兩種形式，即常規(guī)脫水和深度脫水。所調(diào)研的10座污水處理廠(chǎng)污泥含水率基本分布在60%及80%左右，主要與各污水處理廠(chǎng)污泥脫水形式相關(guān)，以帶式壓濾為代表的常規(guī)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(chǎng)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?jīng)Q定處理方式，處理方式影響處置方式，因此對(duì)污泥深度脫水的研究主要依據(jù)污泥焚燒的處置路線(xiàn)開(kāi)展。

4.2污泥的預(yù)處理對(duì)無(wú)錫市污泥脫水現(xiàn)狀的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以化學(xué)調(diào)理機(jī)械壓濾為代表的污泥深度脫水技術(shù)是無(wú)錫市污泥處理的主要形式。傳統(tǒng)的化學(xué)調(diào)理機(jī)械脫水技術(shù)主要采用FeCl3、生石灰、聚丙烯酰胺等化學(xué)藥劑作為調(diào)理劑，脫水污泥滿(mǎn)足后續(xù)自持焚燒及填埋的處置需求。為了提高脫水性能，污泥預(yù)處理是需要的，化學(xué)調(diào)理劑是絮凝固體顆粒物，可提高污泥的沉降和過(guò)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(xué)藥劑有對(duì)人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境造成危害的風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)深度脫水機(jī)理研究的相關(guān)試驗(yàn)表明，化學(xué)藥劑的投加在破壞污泥結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)其脫水性能的同時(shí)，也使吸附在絮體表面的難生物降解的有機(jī)物釋放到液相中，導(dǎo)致壓濾液水質(zhì)惡化，回流至污水處理廠(chǎng)，增加其運(yùn)行負(fù)荷和處理難度。化學(xué)藥劑多為無(wú)機(jī)物且投加量大，導(dǎo)致污泥泥餅有機(jī)物含量明顯下降，不利于后續(xù)焚燒等能源化處理處置?？刹捎镁哂泄羌軜?gòu)建作用且價(jià)廉易得的生物質(zhì)粉末作為物理調(diào)理劑對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)污泥深度脫水技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。同時(shí)碳基材料作為物理添加劑因無(wú)機(jī)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(dāng)污泥最終用于焚燒時(shí)，這種材料價(jià)廉、環(huán)境友好，如果能夠帶來(lái)較好的脫水效果，將極具市場(chǎng)前景。

4.3對(duì)污泥深度脫水技術(shù)的研究目前，無(wú)錫市常規(guī)脫水污泥大部分運(yùn)往具有污泥深度脫水設(shè)施的廠(chǎng)區(qū)，進(jìn)行深度脫水。所謂“污泥深度脫水技術(shù)”，是指對(duì)脫水污泥進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)物理、化學(xué)或生物作用破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)，盡可能地釋放吸附水、結(jié)合水和胞內(nèi)水，提高污泥脫水性能，并進(jìn)一步借助有效措施使污泥處理后含水率達(dá)到60%以下的脫水技術(shù)。由前期無(wú)錫市10座廠(chǎng)的調(diào)研結(jié)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(guī)脫水占44%，無(wú)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(xué)調(diào)理+板框壓濾、生物瀝浸+板框壓濾，主要以前者為主。化學(xué)調(diào)理+板框壓濾過(guò)程中，化學(xué)調(diào)理藥劑一般選取低分子無(wú)機(jī)藥劑協(xié)同高分子絮凝藥劑進(jìn)行調(diào)理，無(wú)錫市污泥調(diào)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(guī)深度脫水技術(shù)也產(chǎn)生了一系列的問(wèn)題，如投藥量大、化學(xué)藥劑易造成二次污染、污泥有機(jī)物含量下降、壓濾液水質(zhì)惡化、增加污水處理負(fù)荷等問(wèn)題。目前EPS被認(rèn)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(shí)現(xiàn)深度脫水，因此深度脫水主要關(guān)注點(diǎn)與重點(diǎn)在于前期的污泥調(diào)理，后續(xù)高壓設(shè)施則作為輔助實(shí)現(xiàn)深度脫水。針對(duì)污泥脫水的限制因素———污泥顆粒的強(qiáng)壓縮性，采用生物質(zhì)粉末作為化學(xué)藥劑的協(xié)同物質(zhì)對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，在減弱污泥固體強(qiáng)壓縮性的同時(shí)增加污泥的有機(jī)物含量，為后續(xù)污泥能源化處理處置提供便利條件。生物質(zhì)粉末有機(jī)物含量較高且顆粒剛性較強(qiáng)，較適宜減弱污泥膠體的強(qiáng)壓縮性。如竹粉、稻殼粉等有機(jī)質(zhì)粉末主要成分為纖維素、木質(zhì)素和SiO2，具有一定的韌性和多孔性等特點(diǎn)。其中以網(wǎng)絡(luò)狀分布的SiO2是有機(jī)質(zhì)粉末的主要骨架支撐，木質(zhì)素和纖維素填充在其中，且本身含有大量有機(jī)物，作為污泥調(diào)理劑，增加熱值的同時(shí)還可以防止其對(duì)焚燒設(shè)備的腐蝕，同時(shí)生物質(zhì)粉末是一種價(jià)廉易得的可再生資源。因此，充分利用有機(jī)質(zhì)粉末，變廢為寶，對(duì)減少環(huán)境污染，提高農(nóng)民收入，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，具有重大意義。

5結(jié)語(yǔ)污泥焚燒已經(jīng)成為符合中國(guó)國(guó)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(diǎn)。由此產(chǎn)生的污泥深度脫水技術(shù)作為焚燒前處理技術(shù)，正在逐步得到污泥處理處置領(lǐng)域的認(rèn)可，污泥深度脫水后不加熱源自持焚燒或稍加熱源進(jìn)行焚燒處置，可實(shí)現(xiàn)污泥的最大化減量和能源回收。

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