引言

近年來，隨著我國經濟快速發展和城市化水平不斷提高，生活污水排放量日益增多，在污水處理過程中，會產生大量污泥，約占總量的0.3%~0.5%。假定其中70%的污水采用生物法[1]處理，按每萬噸的污水產生的污泥干質量為2.7 t計算，那么污泥全年產量將達1 389.7萬t，因此污泥處理成為建設綠色環保城市面臨的一個巨大問題。國務院于2015年4月16日發布《水污染防治行動計劃》，又 稱“水十條”，對污泥壓濾機的處理處置提出了明確要求：地級及以上城市污泥無害化處理處置率應于2022年底前達到90％以上。污泥處理方式主要有4種：直接填埋、農業堆肥、建材利用及焚燒處理。這4種處理方式的前提都須要降低污泥含水率，進行污泥脫水濃縮減量，目的是為了實現污泥水分的固液分離，減少污泥的體積。根據污泥中水分與污泥固體顆粒的相互作用可將污泥中的水分劃分為間隙水、吸著水、毛細水與結合水4大類。

目前，污泥脫水處理方法大多針對污泥中的間隙水與毛細水，間隙水占比則高達70%，毛細水占比約20%；吸著水和結合水合計占比約%10，是 目前污泥中最難以處理的部分，大多數時候，這兩類水分需要熱處理或化學工藝等過程脫除。本文基于最新研究成果和工程應用情況，擬對多項污泥脫水處理技術及原理進行分析。1 污泥脫水減量污泥處理整個工藝流程中的關鍵技術之一便是污泥脫水處理。流態原生污泥在進行多道脫水工序處理后，體積進大大縮小，固體成分在污泥中所占比例也大大提高。經過脫水減量處理的污泥具有運輸、處理、處置與再利用的便利條件。一般污水處理廠產生的污泥主要成分為99%左右的水分和1%的固體成分，而這部分固體成分主要是由有機殘片、無機顆粒、膠體、細菌菌體及絮凝處理時所添加的藥劑等組成的，包含磷化物、多環芳烴、氮化物、病原體、重金屬離子及農藥殘留等。污水處理及污泥處理工藝流程如圖2所示。從以上分析可知，污泥通過濃縮、脫水、干燥等處理方式可降低污泥含水率，達到污泥濃縮減量的目的。2 污泥脫水處理技術污泥處理一般經歷4個過程：污泥脫水濃縮，即污泥初步脫水；污泥調理，改變絮體結構；污泥深度脫水；污泥最終處理處置。

2.1 干化脫水技術 污泥脫水技術最初以自然干化脫水處理為主，熱能作為核心工作能源，實現污泥水分蒸發干化。該技術不需要對污泥進行預處理。但自然干化受氣候影響嚴重，所需場地面積大且環境污染嚴重，工人勞動量繁重、時間長，且會殘留有毒有害物質，現在已很少采用。20世紀中期以來，污泥脫水干化處理技術迅速發展，出現了流化干燥、間壁干燥、對撞流干燥、過熱蒸汽干燥、紅外輻射干燥等[6]。目前，歐美常見的干化工藝主要以轉鼓干化、流化床干化、盤式干化為主，此外還有碟片式、帶式、日光式，閃蒸式等干化工藝。利用熱源對污泥進行整體性的加熱處理，對干化處理的固體顆粒進行二次回收，儲存進入固體顆粒儲存倉庫，節約資源和減少能耗。經過干化處理，污泥最終含水率可低于%10，但是其投資和運行成本過高，一般適合集中處理。

2.2 機械脫水技術 污泥機械脫水技術主要有壓濾式脫水、離心式脫水和疊螺式脫水等[9]。壓濾式脫水主要依靠過濾介質兩邊的壓力差，強制水分通過過濾介質，污泥固體顆粒被截留，實現泥水分離。壓力差有正壓和負壓之分，則壓濾式脫水又細分為正壓的板框壓濾脫水和帶式壓濾脫水以及負壓的真空壓濾脫水。無錫市蘆村污水處理廠四期，采用隔膜板框壓濾機結合化學調理等輔助工藝，污泥含水率可降低到60%甚至更低。發達國家，離心式污泥脫水因設備成熟、技術先進、生產衛生等原因而得到廣泛應用。我國城市污水處理廠雖然引進了離心脫水機，但離心機所需要的能耗過高，因而在實際生產中使用頻率較低。不同污泥脫水機械均存在某些不足。真空過濾機運行費用高，維修復雜，運行車間環境差；帶式脫水機開敞式運行，占地面積和沖洗水量均較大，易出現濾布堵塞、濾帶跑偏，脫水機車間環境差；板框式脫水機附屬設備較多，故障率高，占地面積大，無法實現連續進泥處理，工作時設備為開敞式，工作環境較差；離心脫水機電耗高，噪聲大，維修率高。污泥機械脫水能耗大，脫水前往往須要進行污泥調理，運行費用高，中小型城鎮污水處理廠，尤其在欠發達地區很難維持2.3 超聲波脫水技術 超聲波是指頻率在20 kHz至10 MHz范圍內的聲波，空化效應是超聲波技術的關鍵，即超聲波傳導在污水中產生“空穴”。在超聲波的液態條件下，極其微小的泡核顆粒將產生周期性震蕩。超聲波作為聲波，其傳導過程中具備疏相、密相周期性反復的特點。在這種周期性沖擊下，泡核顆粒體積也隨之增加、減小呈周期性循環，最終導致瞬態崩裂，使得菌膠團結構損毀，從而提高污泥的脫水率。超聲波對污泥的作用效果主要受超聲波作用時間、頻率及強度的影響。賈舒婷等研究發現，在污泥的厭氧發酵過程中，用適當強度適當時間的超聲波處理，能促進污泥中微生物的生長，去除有機物能力提高。研究發現，當超聲波強度較小、處理時間較短時，更加有利于減少污泥的結合水含量，反之亦然[。研究發現，最佳的超聲處理時間是10 min，強度是0.8 W·mL-1 。綜上，影響超聲波作用效果的因素非常復雜且互相影響，使得超聲波處理技術難以廣泛化應用。

2.4 熱處理脫水技術

熱處理是通過對污泥進行加熱分解和破壞污泥中的的固體顆粒，使得污泥固體顆粒中的內部結合水游離出來，以提高污泥脫水效果[19]。熱處理工藝俗稱為蒸煮處理，主要針對活性污泥正常脫水處理效果十分不理想而采用的處理方法。污泥熱處理技術與超聲波有著異曲同工之妙。在高溫環境下，微生物及其在微生物表面的代謝物溶解，其中包裹的固體顆粒自然脫離，與有機質分離，類似于細胞體因熱膨脹而破裂，形成細胞膜碎片。在碎裂過程中，蛋白質、膠體和礦物質等逃逸，具有揮發性的細胞內物質迅速分解。有機質揮發分解產生大量氣體，諸如二氧化碳、甲烷、揮發性醇類或酸類等。在氣體分子的疏浚下產生釋水通道，間隙水與毛細管水得以迅速排出。同時，在高溫環境下變得脆弱失穩的膠體結構，會在被破壞的同時凝聚沉淀并釋放出大量內部結合水。因此，污泥熱處理也是重金屬鈍化和微生物滅毒最有效的方法之一。熱處理還可以有效改善污泥的厭氧消化，有機物在高溫下分解，脂肪類、蛋白質、糖類等大分子在熱處理過程中轉化為小分子，微生物分解脂肪酸為氨基酸、甲烷、氨氣等小分子時將更有效率。熱處理法主要分為高溫法和低溫法2種工藝。高溫法是污泥在溫度170~200 °C、壓力1.8~2 MPa、反應時間為1~2 h的環境下進行脫水處理。這種處理方式結合機械脫水最終含水率可降到45%~55%[23]。低溫熱處理法則是將污泥處理溫度控制在150 °C以下。熱處理法的問題有污泥熱容、熱傳導及加熱升溫緩慢不均勻等。

2.5 電滲析脫水技術

電滲析脫水的主要原理是在電場的基礎上實現固液分離。電場作用下，固體顆粒和液體分子根據電場方向做定向運動，多孔濾膜截留固體顆粒。電滲析法的基本理論依據來自固液分離中膠粒的雙電層理論。在電場中，由于膠體顆粒與擴散層的電荷性不同，形成滑動面，擴散層帶走液體。經電滲析脫水處理后，污泥含水率可降至35%~45%。電滲析過程中，電極材料、電場強度及絮凝劑等均不同程度影響到脫水效果。李亞林等對污泥電滲透脫水工藝參數優化的結果表明，電滲透技術可以改善污泥的脫水性能 。還將鐵鹽及過硫酸鹽與電滲透相結合，將污泥的含水率降低到60%以下，相對于單獨使用電滲透技術，泥餅更加均勻。電滲透技術已在敦煌市污水處理廠成功應用，可將污泥含水率由 99.5%降至 80%。電滲析技術在低耗能的同時能有效避免二次污染。電滲析耗能低，脫水效率高，有很強的應用性。但電滲析技術存在兩電極間脫水速率的差異導致兩電極間電阻率和電壓不均衡的問題。

2.6 絮凝劑脫水技術 污泥絮劑凝脫水一般不作為污泥脫水處理的單獨方法，更多的是作為污泥脫水處理中的一道重要工序，是提升污泥脫水效率的必要保障手段[28]。絮凝劑一般分為天然絮凝劑（如淀粉等）和人工合成絮凝劑（如聚合鋁類、聚合鐵類和聚丙烯酰胺類等）。絮凝劑的脫水性能主要與碳鏈長度和所帶電荷有關，而絮凝劑的特性、投加方式及污泥成分都會對污泥的最終沉淀效果造成影響。天然絮凝劑不常用，多為人工絮凝劑。天然高分子絮凝劑，經濟環保，但依舊處于研制階段。需要注意的是絮凝劑還可能存在生態隱患，所以在考慮采用絮凝劑脫水處理之前，需要嚴格把關，確保絮凝脫水處理方法不會對自然環境造成破壞。另外，絮凝劑添加量非常重要，過量添加絮凝劑，絮凝劑的正電荷被污泥顆粒吸附后，污泥顆粒將產生同極相斥的靜電斥力，影響污泥脫水。

3 結論從以上分析知，每種污泥脫水技術均有各自的優勢與不足。因此，綜合各種技術的優勢，采用多種技術聯合處理是污泥脫水發展的趨勢，例如Fenton試劑與CPAM聯合調理污泥脫水[31]，無機混凝劑聯合殼聚糖調理污泥脫水，優化超聲波聯合絮凝劑強化污泥脫水等。我國白龍港污泥處理廠采用“中溫厭氧消化+離心脫水+部分脫水污泥熱干化”集成工藝，很好地解決了污泥脫水的問題。時至今日，我國仍存在嚴重的“重水輕泥”的思想，污泥處理與發達國家還存在很大差距。目前，添加絮凝劑已經成為了每一種工藝流程中必備的輔助手段，但在污泥處理過程中應當杜絕絮凝劑產生的二次污染。總而言之，降低處理成本、減少環境污染、提高脫水效率和效果，是污泥脫水技術發展的方向。

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