introductory

工業(yè)廢水及城市生活污水的處理造成了大量污泥（含有大量的有機物、病原微生物和重金屬等）堆積，污泥作為一種常見的固體廢棄物，對環(huán)境和動植物健康造成嚴(yán)重危害，因此對污泥的無害化處置已成為迫切需求。常規(guī)的污泥處置技術(shù)包括衛(wèi)生填埋、污泥焚燒、土地利用和建材利用等，而污泥脫水工序則是這些處置技術(shù)中所面臨的共同難題。因為污泥本身具有含水率高（含水率95%以上）且膨脹性強等特點，所以對污泥進(jìn)行脫水處理能夠有效壓縮污泥體積，從而節(jié)約運輸成本及占地空間。污泥的脫水與其常見的基本單元—絮體直接相關(guān)，因而明確絮體的特征和組成是深入理解污泥脫水的前提。絮體是指尺寸在(129±109)μm范圍內(nèi)且具有分層和多樣性結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚物。污泥中的絮體由微生物（單細(xì)胞/絲狀細(xì)菌/微菌落）、有機纖維、無機顆粒、胞外聚合物（extracellular polymeric sub-stances，EPS） 和水組成，其中EPS與污泥中水的釋放密切相關(guān)。污泥中的EPS分為3類：緊密結(jié)合型、松散結(jié)合型和懸浮型，它們主要由多種大分子（如，蛋白質(zhì)、胡敏酸類、多糖、核酸和脂類）組成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可占絮體干重的40%～60%[5]。一般情況下的EPS帶負(fù)電，其電荷密度為0.1～2 meq/g。近期研究還提出，污泥中不同分層結(jié)構(gòu)EPS的親-疏水性存在明顯差異，其中，與蛋白質(zhì)相關(guān)的疏水性EPS常分布在污泥表層，而與多糖相關(guān)的親水性EPS常集中在污泥內(nèi)部，當(dāng)外層疏水性EPS被破壞后，內(nèi)部親水性EPS的暴露并不利于污泥脫水。污泥中水的種類多樣，包括自由水、間隙水和結(jié)合水（表面水及細(xì)胞內(nèi)和化學(xué)結(jié)合水），其含水量分別占污泥總含水量的65%～85%、10%～25%和10%（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計，下同）。污泥中的自由水和間隙水可分別采用重力沉降法和機械脫水法去除，而結(jié)合水的脫水難度相對較大。現(xiàn)今污水處理廠污泥的脫水工藝是將污泥通入濃縮池進(jìn)行濃縮處理，然后將生成的濃縮污泥（含水率95%～97%，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計，下同）泵入調(diào)理池與投加的試劑（如，聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺、生石灰）充分混合，最后將均勻混合的污泥泵送至機械脫水裝置（如，帶式壓濾脫水機、Plate and frame filter presses、離心脫水機、疊螺式脫水機和螺壓脫水機），并將分離的泥餅（含水率70%～80%） 和濾液水分別進(jìn)行后續(xù)處理。該脫水工藝主要用于去除污泥中的自由水，然而該方法產(chǎn)生的泥餅中的含水率依舊高達(dá)70%，基于污泥中3種水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可知，自由水的脫失量僅占原自由水總質(zhì)量的17%～28%，說明后續(xù)還需進(jìn)一步聚焦對污泥中自由水的脫失。本文綜述了多種因素（包括水的硬度及導(dǎo)電率，濾餅壓縮性及堵塞，污泥pH值、類型、處理系統(tǒng)、儲存條件、泵送和攪拌） 對污泥脫水的影響，并總結(jié)了常規(guī)的污泥脫水預(yù)處理技術(shù)（包括破解法、化學(xué)絮凝法、化學(xué)法、生物法、熱水解法和聯(lián)合調(diào)理技術(shù)），為深入理解污泥脫水奠定堅實的理論基礎(chǔ)，并為實現(xiàn)污泥高效脫水提供技術(shù)指導(dǎo)。

1污泥脫水的影響因素

1.1水的硬度和導(dǎo)電率水溶液中的離子類型及其濃度決定了水的硬度和導(dǎo)電率。水的硬度隨體系中二價陽離子D++（如：Ca2+、Mg2+等） 的濃度增加而增大。由于D++常采用架橋方式以鹽的形態(tài)存在于絮體內(nèi)部，故增強了絮體結(jié)構(gòu)的強度，從而促進(jìn)污泥脫水。體系中單價陽離子M+（如K+、Na+等） 的濃度與水的導(dǎo)電率呈正相關(guān)。當(dāng)污泥體系中含有大量M+時，絮體結(jié)構(gòu)中的D++與M+產(chǎn)生離子交換，最終降低絮體結(jié)構(gòu)的強度，從而抑制污泥脫水。針對不同類型離子濃度的影響，前人提出當(dāng)M+/D++的濃度比＜2時，污泥脫水性最好，因此在污泥脫水預(yù)處理過程中，可通過調(diào)控體系中的M+/D++比來促進(jìn)污泥脫水。

1.2濾餅壓縮性和堵塞濾餅的孔隙率和壓縮性受污泥中膠體顆粒的絮凝情況影響，最終控制污泥的脫水效率。由于污泥普遍具有高壓縮性的特征，所以在濾餅壓縮過程中，污泥中的微結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形、坍塌和遷移，導(dǎo)致排水孔道堵塞。目前常采用添加剛性骨架（如礦物和碳材料等） 的方法來提升濾餅滲透性，進(jìn)而輔助污泥的物理脫水。比如，類-水滑石礦物（Ca/Mg/Al-LDH） 作為一種良好的剛性骨架材料，可有效降低污泥比阻（specific resistance to filtration，SRF）和毛細(xì)吸水時間（capillary suction time，CST），最終促進(jìn)污泥脫水。此外，還有研究表明，采用剛性骨架材料與其他調(diào)理技術(shù)聯(lián)用的方法均優(yōu)于單一調(diào)理劑的脫水效果。

1.3污泥pH值污泥過濾前的pH值也會影響其脫水性能。當(dāng)污泥pH值較低時，體系中含有較少的膠體顆粒，而這些膠體顆粒的數(shù)量會隨pH值的升高而增多，從而降低污泥的脫水能力。此外，EPS的電荷也受體系pH控制，pH值介于2.6～3.6時絮體中的EPS不帶電，此時污泥中的細(xì)胞和EPS更易溶解，促進(jìn)了污泥脫水。目前，常見的污泥酸處理包括硫酸、鹽酸和草酸酸化，其中草酸對污泥脫水的促進(jìn)作用最強。與鹽酸和硫酸相比，草酸不僅能夠提供H+，還進(jìn)一步促進(jìn)污泥中Fe3+和Al3+的溶出，兩種機制的耦合作用共同促進(jìn)污泥脫水。

1.4污泥類型及處理系統(tǒng)不同類型污泥的脫水性質(zhì)存在較大差異。常見的污泥類型包括活性污泥、膜-生物反應(yīng)器污泥、中溫厭氧污泥和高溫厭氧污泥，它們的大分子含量、平均絮體尺寸、剪切敏感性和過濾流速（spec-ific filtration flow rate，SFF）均不同。通常活性污泥中大分子含量最高、平均絮體尺寸和SFF最大、剪切靈敏度最小，因而也更易脫水。此外，不同污水廠產(chǎn)生相同類型的污泥，因污泥組分存在差異其脫水性質(zhì)也明顯不同。不同污水廠產(chǎn)生污泥的脫水性質(zhì)差異，是大規(guī)模污泥處置的難題。

1.5污泥儲存條件污泥儲存條件將影響后期脫水。如果污泥儲存在厭氧環(huán)境中，會伴隨EPS水解、Fe3+被還原為Fe2+、硫還原菌產(chǎn)生的S2-與Fe3+和Fe2+發(fā)生沉淀；同時厭氧儲存會導(dǎo)致污泥中單細(xì)胞數(shù)量和導(dǎo)電率增加，造成SFF降低80%。在實際工藝中，污泥厭氧儲存后的脫水負(fù)效應(yīng)可通過暴氣或添加硝酸獲得改善。

1.6污泥泵送和攪拌污泥泵送和攪拌會形成剪切力，而高剪切力會破壞絮體尺寸并增加單細(xì)胞數(shù)量，從而不利于濾餅脫水。如果污泥中的絮體強度因厭氧儲存而降低，則絮體在高剪切力條件下更易被破壞。因此建議污水廠在進(jìn)行污泥脫水的過程中，應(yīng)當(dāng)緩慢泵送、緩慢混合、避免儲存在儲罐和管道中，以及避免管道急彎。

2污泥脫水預(yù)處理技術(shù)

2.1破解法破解法主要是指通過外加能量或應(yīng)力來改變污泥的性質(zhì)。常見的破解預(yù)處理技術(shù)包括凍融處理和機械處理（如，球磨法、高壓噴射法、微波法、超聲波法等）。凍融處理是通過冷凍、融解的方式破壞污泥原有的絮體結(jié)構(gòu)，降低結(jié)合水的質(zhì)量百分含量，從而改善污泥沉降、過濾和脫水性能。凍融速率、固相濃度和冷凍時間是影響污泥凍融處理的主要因素，其中后兩者的作用更為顯著。機械處理主要通過壓力、正能量和旋轉(zhuǎn)能量來破壞污泥中的細(xì)胞。以微波法為例，污泥中帶負(fù)電的膠粒在高頻電場作用下發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，使得膠粒與EPS和水的界面形成極強的剪切力，促進(jìn)膠粒與水的分離。雖然破解法也存在不足，例如，凍融處理受制于地域限制、微波輻射可能對人體有害且運行成本高等，但此類方法簡便易操作，在后續(xù)的工業(yè)化應(yīng)用中具有較好的發(fā)展前景。

2.2化學(xué)絮凝法化學(xué)絮凝法是指通過添加無機或有機絮凝劑來改善污泥的脫水性能。常見的無機絮凝劑為鋁鹽和鐵鹽體系，其中鋁鹽主要包括硫酸鋁、明礬和三氯化鋁，而鐵鹽主要包括三氯化鐵、氯化亞鐵、綠礬和硫酸鐵。有機絮凝劑按離子類型可劃分為非離子、陰離子和陽離子高分子絮凝劑，它們的離子性能隨溶液pH值變化。因污泥中的膠粒表面帶負(fù)電荷，故陽離子高分子絮凝劑對污泥脫水具有最好的效果，目前陽離子聚丙烯酰胺是污泥脫水常用的一種陽離子有機絮凝劑。在污泥脫水的體系中，化學(xué)絮凝劑的作用機理包括壓縮雙電層、吸附架橋和網(wǎng)捕作用。但由于實際脫水工藝中絮凝劑的調(diào)理效果不僅與其本身的物化性質(zhì)相關(guān)，還與污泥性質(zhì)及水質(zhì)條件等相關(guān)，因而需要深入研究最佳化學(xué)絮凝劑的種類和投加量，故該方法的使用需要堅實的理論研究作為指導(dǎo)，以避免化學(xué)絮凝劑（尤其是鋁鹽）投加量過大，造成脫水效果不理想甚至是嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。

2.3化學(xué)法化學(xué)法是指通過添加芬頓試劑、臭氧、酸堿等改變污泥的性質(zhì)。芬頓試劑主要是構(gòu)建H2O2與Fe2+氧化體系，通過強氧化性破解污泥中的有機物質(zhì)，從而改善污泥脫水性能。芬頓試劑氧化法能有效促進(jìn)污泥中EPS降解、細(xì)胞溶解和結(jié)合水釋放[28]。芬頓試劑處理后的污泥pH值低，需要添加堿性試劑中和，因而成本較高且操作復(fù)雜。但芬頓試劑的環(huán)境安全性比高分子聚合物更高，故從可持續(xù)發(fā)展角度考慮，該類方法仍具有廣闊的應(yīng)用前景。臭氧氧化技術(shù)主要是利用臭氧的強氧化性破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，釋放胞內(nèi)物質(zhì)，將難降解的有機物氧化為可降解的低分子，以提高污泥的可生化性[29]。酸堿法則是利用H+質(zhì)子效應(yīng)或H+質(zhì)子與高價金屬離子的耦合效應(yīng)，促進(jìn)污泥中結(jié)合水的釋放及多糖的水解。

2.4生物法生物法指直接利用生物細(xì)胞或投加生物絮凝劑（包括細(xì)胞提取物、細(xì)胞代謝物等） 實現(xiàn)污泥高效脫水的方法。例如，一種土豆淀粉中的提取物能將原始污泥的SRF降低50%，從而提升污泥的脫水速率[30]。生物絮凝劑具有無毒、無二次污染、可生物降解、污泥絮體密實、對環(huán)境和人類無害等優(yōu)勢，但目前對于生物絮凝劑的研究水平較低且研究成本較高。

2.5熱水解法熱水解法是指通過高溫（高于100°C）或低溫（低于100°C）熱水解，促使污泥中的微生物絮體解散、細(xì)胞破壞、蛋白質(zhì)、多糖、脂類等大分子水解的方法，最終實現(xiàn)污泥脫水性能的改善。熱水解的原理是高溫高壓下通過熱效應(yīng)促使細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，釋放出污泥中的大分子物質(zhì)的同時，將胞內(nèi)水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤尫懦龅挠袡C物進(jìn)一步水解為小分子物質(zhì)，繼而有機分子中的氨基與醛基發(fā)生聚合生成縮聚氨酸、氨氮、類黑素和腐殖質(zhì)等褐色物質(zhì)[32]。熱水解過程中的水熱溫度是控制污泥脫水速率的重要因素，遵循溫度越高脫水速率越快的原則。熱水解法具有極大的發(fā)展空間，但應(yīng)當(dāng)注意以減少能量消耗為前提確定最佳熱水解溫度。

2.6聯(lián)合調(diào)理技術(shù)聯(lián)合調(diào)理技術(shù)主要包括多種調(diào)理技術(shù)的復(fù)合使用（包括化學(xué)調(diào)理劑復(fù)合使用和物理調(diào)理劑與化學(xué)調(diào)理劑復(fù)合使用）。例如，芬頓試劑與十六烷基三甲基溴化銨的復(fù)合作用[34]、酸處理與超聲波的復(fù)合作用及剛性骨架材料與化學(xué)調(diào)理劑的復(fù)合作用[19]能有效破壞污泥中的絮體結(jié)構(gòu)和污泥的滲透性，最終提高污泥的脫水性能。目前研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)聯(lián)合調(diào)理技術(shù)對污泥的脫水性能及生物降解性能均具有不同程度的改善作用，且優(yōu)于單一調(diào)理劑的效果。不過聯(lián)合調(diào)理技術(shù)也具有局限性，其中剛性骨架材料與化學(xué)調(diào)理劑的復(fù)合使用需嚴(yán)格根據(jù)脫水后污泥的處置途徑進(jìn)行選擇，因為剛性骨架材料的添加雖然能夠有效提升污泥的滲透性，但同時也增大了污泥的總體積，因此需要經(jīng)過嚴(yán)格的實驗配比確定剛性材料最佳的投加量，在合理控制污泥總體積的基礎(chǔ)上獲得最佳脫水效果。

3 結(jié)論該綜述基于污泥的減量化、無害化和資源化利用中存在的難題，回顧了影響污泥脫水的常見因素及常規(guī)預(yù)處理技術(shù)。雖然目前已經(jīng)對污泥脫水的影響因素有了充分的認(rèn)識，但污泥經(jīng)過當(dāng)前常規(guī)的機械脫水工藝之后的含水率依舊高達(dá)70%。文中提出，明確污泥滲透性及絮體的結(jié)構(gòu)變化有助于從根本上判斷污泥的脫水效率。因此，研發(fā)不同聚合度的有機陽離子絮凝劑、提取生物絮凝劑或研究不同種類絮凝劑的最佳配比，致力于構(gòu)筑高強度、大尺寸的絮體以進(jìn)一步降低污泥的含水率，依舊是當(dāng)今的發(fā)展方向。同時，針對污泥脫水所采用聯(lián)合調(diào)理技術(shù)的多樣性和機理探索仍有待深入發(fā)展，而該方法的使用需依據(jù)脫水后污泥的處置途徑進(jìn)行合理調(diào)整。

Disclaimer: The copyright of this article belongs to the original author and the original source.

Welcome to call us for consultation, technical exchange, and material experiment.