剩余污泥是污水處理工藝中不可避免的副產(chǎn)物，其中含有大量的重金屬和難降解有機物。近幾十年來，由于工業(yè)化的發(fā)展、人口的快速增長和污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴格，剩余污泥量迅速增加。據(jù)統(tǒng)計，2016年我國污泥產(chǎn)量已達到4000萬噸左右(按含水率80%計)，預(yù)計2020年剩余污泥產(chǎn)量將達到6000萬噸左右。目前，城市污水廠剩余污泥的含水率在99%以上，濃縮或機械脫水后仍在80%以上。高含水量導(dǎo)致大量的污泥。據(jù)統(tǒng)計，我國處理剩余污泥所需的基建和運行費用分別占城市污水處理廠總基建和運行費用的30%~40%和20%~50%，從而導(dǎo)致城市/[/k2]如何提高剩余污泥的脫水性能和效率成為剩余污泥處理領(lǐng)域的重要課題。因此，本文綜述了近年來傳統(tǒng)、常用和新型污泥脫水技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進展，為剩余污泥的高效脫水提供參考。

1.剩余污泥的水分類型

根據(jù)剩余污泥中水分子與污泥固體顆粒的相互作用，剩余污泥中的水可分為兩種，即自由水和結(jié)合水，結(jié)合水又可細分為間隙水、表面吸附水和化學(xué)結(jié)合水，如表1所示。目前，限制剩余污泥脫水性能的主要原因是機械脫水工藝不能去除污泥中的表面吸附水分和化學(xué)結(jié)合水分。

2.污泥脫水技術(shù)的研究進展

污泥脫水過程主要分為四個部分(圖2)。

2.1傳統(tǒng)污泥脫水工藝

自然干燥過程

有污泥池法、砂干化床、楔形水干化床和冷凍脫水等。而且這種工藝只適用于干燥地區(qū)。中小型污水處理廠主要采用的傳統(tǒng)污泥脫水工藝是砂床脫水工藝，具有成本低、操作簡單的優(yōu)點，但存在脫水不徹底、周期長、二次污染等缺點。近年來，丹麥科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)沙床脫水工藝與垂直流人工濕地相結(jié)合的污泥干化蘆葦床系統(tǒng)(SDRB)對污泥脫水的效果要比單獨的沙床脫水工藝好得多，而SDRB系統(tǒng)比機械脫水工藝成本更低，能耗更少，因為污泥脫水的能量來源于自身重力、太陽輻射和生物過程。SDRB系統(tǒng)通過在沙床中種植蘆葦?shù)戎参?，改善了傳統(tǒng)沙床的性能，延長了沙床的使用壽命(5~10年)。蘆葦?shù)戎参镌谄涓繀^(qū)域形成豐富的微生物系統(tǒng)，為污泥的有機質(zhì)提供養(yǎng)分。同時，植物蒸散能力強，對不同含水量的污泥耐受性強。污泥脫水過程中，污泥干物質(zhì)含量增加，污泥體積減小，有機質(zhì)分解，剩余污泥可用作有機肥。

2.1.2機械脫水

機械脫水工藝是一種常見的剩余污泥脫水工藝，根據(jù)脫水原理可分為真空過濾脫水工藝、離心脫水工藝和壓濾脫水工藝。早期污水處理廠常采用真空過濾脫水工藝，污泥脫水后泥餅含水率一般高于85%。目前，污水處理廠常采用壓濾機脫水工藝，分為帶式和板框壓濾機脫水。帶式壓濾機脫水工藝的進料污泥應(yīng)是不易流動的、含固量高于50%的污泥。如果污泥含固量低于50%，必須采取更換濾布、添加鋸末等措施。污泥的含水率一般在82%左右。鎮(zhèn)安污水處理廠采用帶式壓濾機脫水工藝。板框壓濾脫水工藝通常可將污泥含水率降至65%~75%，但也存在一些缺點，如壓濾壓力低于1.0MPa，濾布上的水膜會阻礙污泥中水分的去除，降低脫水效率，濾布更換麻煩，運行維護費用高等。竹園二廠污水處理采用板框壓濾脫水工藝，使用氧化鈣、聚合氯化鋁等調(diào)理劑后泥餅含水率在75%左右。目前，上海白龍港污水處理廠采用化學(xué)調(diào)理法結(jié)合隔膜壓濾脫水工藝。脫水后污泥體積減少35%以上，泥餅含水率小于60%。離心脫水在很多行業(yè)應(yīng)用廣泛，污泥含水率一般為75%~80%。2010年11月26日，環(huán)保部下發(fā)了《關(guān)于加強城鎮(zhèn)污水處理工廠污泥污染防治的通知》，規(guī)定污水處理工廠必須將污泥脫水至含水率50%以下，可見污水處理工廠現(xiàn)有的常規(guī)機械脫水技術(shù)無法滿足含水率要求。

2.2常用的污泥脫水工藝

酸處理工藝

酸處理工藝的機理是發(fā)現(xiàn)剩余污泥的含水率隨著pH值的變化而變化。在酸性條件下，剩余污泥的胞外聚合物(EPS)水解脫離污泥表面，改變剩余污泥的水分分布，從而提高剩余污泥的脫水性能，達到降低剩余污泥含水率的效果。研究發(fā)現(xiàn)，剩余污泥脫水性能的最佳pH值為2.5左右。何等人的對比研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)硫酸預(yù)處理的污泥脫水性能遠好于經(jīng)陽離子聚丙烯酰胺預(yù)處理的污泥。謝武明等發(fā)現(xiàn)，用硫酸預(yù)處理的污泥脫水性能比高能預(yù)處理提高了30.8%。易等的研究表明，剩余污泥的脫水性能順序為酸性條件下>中性條件下>堿性條件下，當(dāng)調(diào)節(jié)pH值至3.0左右，表面活性劑用量為94.0mg/g時，剩余污泥的含水率降至60.8%。

2.2.2高級氧化工藝

高級氧化工藝的機理是利用強氧化劑破壞剩余污泥中的絮體結(jié)構(gòu)，釋放結(jié)合水，改變污泥中的水分分布，從而提高污泥的脫水性能。Fenton法因其高效、環(huán)保而被認為是一種很有前途的氧化技術(shù)。傳統(tǒng)的芬頓法包括一系列自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，如式1至式8。Fenton預(yù)處理污泥有兩種機理，一種是絮凝作用。Fenton過程中，F(xiàn)e (ⅲ)和OH-生成Fe(OH)3，具有絮凝作用。是氧化。芬頓工藝中，通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成大量羥基(OH)，其高氧化還原電位能快速氧化胞外聚合物，從而改變污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高污泥脫水性能。

李娟等采用Fenton法對污泥進行預(yù)處理。當(dāng)pH值為2.5，反應(yīng)時間為90min，n (H2O2) ∶ n (Fe (ⅱ)) = 8 ∶ 1，反應(yīng)溫度為65~70℃時，污泥含水率顯著下降。梁秀娟等人采用Fenton法預(yù)處理印染污泥。最佳反應(yīng)條件為pH 2.0，反應(yīng)時間90min，n (H2O2) ∶ n (Fe (ⅱ)) = 10 ∶ 1，反應(yīng)溫度80℃，總懸浮固體(TSS)去除率74.2%，毛細管抽水時間(CST)從98.6s縮短到18。劉等采用Fenton法對污泥進行調(diào)理，在較佳條件下，脫水污泥餅含水率為49.5%。

凍結(jié)和解凍過程

凍融過程的機理是剩余污泥中的游離水在凍結(jié)時會形成不規(guī)則的冰針，破壞污泥絮體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，釋放污泥內(nèi)部的間隙水，從而提高污泥的脫水性能。陳等的研究表明，釋放剩余污泥胞內(nèi)有機質(zhì)的最佳凍融溫度為-5℃左右，并改善了剩余污泥的生化性質(zhì)。李等采用凍融結(jié)合化學(xué)調(diào)理工藝來改善剩余污泥的脫水性能。研究表明，在表面活性劑CTAC的協(xié)同作用下，在-15℃下，剩余污泥的含水率比常溫下分別降低了約6.0%和62.8%。高等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷凍時間足以使細胞內(nèi)的水分結(jié)晶時，細胞結(jié)構(gòu)和胞外聚合物被破壞，污泥顆粒發(fā)生聚集，尺寸增大，有利于污泥脫水性能的提高。

化學(xué)調(diào)節(jié)過程

化學(xué)調(diào)理工藝的機理是向剩余污泥中添加調(diào)理劑，改善剩余污泥的理化性質(zhì)和污泥顆粒的沉降性能。它具有處理效率高、經(jīng)濟、適用范圍廣等優(yōu)點，已成為一種常用工藝。目前常用的調(diào)理劑有無機調(diào)理劑、有機高分子調(diào)理劑、表面活性劑等。目前污水處理工廠廣泛使用無機調(diào)理劑(表2)和有機高分子調(diào)理劑。無機調(diào)理劑是一種電解質(zhì)化合物，主要包括鐵和鋁。無機調(diào)理劑的水解產(chǎn)物帶正電荷，中和剩余污泥表面的負電荷，使污泥膠體失去穩(wěn)定性，從而提高剩余污泥的脫水性能。其優(yōu)點是成本低，來源廣，缺點是用量大，治療效果差。近年來，有機高分子調(diào)理劑逐漸成為研究熱點。有機聚合物調(diào)理劑通過吸附架橋?qū)⑹Ｓ辔勰嘀械谋砻嫖剿D(zhuǎn)化為自由水，增大污泥粒徑，從而改善污泥的沉降和脫水性能。有機護發(fā)素可以分為天然和人工兩種。天然有機調(diào)理劑既有經(jīng)濟效益又有環(huán)保效益，但目前還處于研究階段。人工有機調(diào)理劑絮凝能力強，用量少，但成本高。

近年來發(fā)現(xiàn)，復(fù)合調(diào)理劑可以達到單一調(diào)理劑無法達到的治療效果。李等研究比較了有機高分子調(diào)理劑與復(fù)合氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)、氯化鋁(AlCl3)等無機調(diào)理劑的處理效果。結(jié)果表明，復(fù)合調(diào)理劑使剩余污泥的比電阻降低了70.0%，比單獨使用有機高分子調(diào)理劑提高了33.0%。鄧等研究了聚丙烯酰胺和硫酸鐵復(fù)合調(diào)理劑(PAM-Fe2(SO4)3)對剩余污泥的處理效果，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺和硫酸鐵復(fù)合調(diào)理劑的處理效果明顯優(yōu)于單獨的聚丙烯酰胺和硫酸鐵。熊等研究比較了紅石膏與陰離子有機聚合物L(fēng)T25復(fù)合調(diào)理劑對剩余污泥的處理效果，發(fā)現(xiàn)剩余污泥絮體的分形維數(shù)由1.38提高到1.71，泥餅含水率比未經(jīng)紅石膏調(diào)理的泥餅低7.1%。

2.3新型污泥脫水工藝

超聲波處理過程

超聲波處理過程的機理主要是利用超聲波的特殊性質(zhì)。第一，超聲波具有聲化學(xué)性質(zhì)，可以在水中產(chǎn)生空化，局部產(chǎn)生高溫高壓和強大的水剪切力，破壞剩余污泥的細胞結(jié)構(gòu)和細菌膠束，釋放內(nèi)部結(jié)合水，提高剩余污泥的脫水性能。其次，超聲波具有海綿效應(yīng)，使水分子更容易通過超聲波表面的通道，從而增大剩余污泥的粒徑。第三，超聲波具有混凝作用，可以促進污泥顆粒之間的碰撞和粘結(jié)，從而增大剩余污泥粒徑。影響超聲處理效果的主要技術(shù)指標(biāo)是超聲頻率、聲能密度和超聲時間。中低超聲頻率和低超聲時間有利于提高剩余污泥的脫水性能。超聲波處理工藝的缺點是能耗高，限制了其在污泥脫水處理處置中的推廣應(yīng)用。邱等研究了超聲頻率、聲能密度、超聲時間對污泥脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲頻率為25.0kHz、聲能密度為0.08W/mL、超聲時間為1min時，剩余污泥的比阻下降了67.0%。同時發(fā)現(xiàn)過高的聲能密度會導(dǎo)致不利反應(yīng)，惡化剩余污泥的脫水性能。韓等的研究表明，超聲波單獨處理剩余污泥可以降低污泥的含水率，而絮凝劑與超聲波聯(lián)合處理剩余污泥可以進一步提高剩余污泥的脫水性能。污泥脫水性能的最佳超聲條件為超聲時間10min，聲能密度0.8W/mL。馬守貴等人的研究表明，低頻超聲波有利于提高剩余污泥的脫水性能。

生物浸出過程

生物淋濾過程的機理是生物淋濾處理后剩余污泥的pH值降低，剩余污泥的胞外聚合物水解遠離污泥表面，改變了剩余污泥的水分分布，從而提高了剩余污泥的脫水性能。生物淋濾法的優(yōu)點是成本低，無二次污染，能有效去除污泥中的重金屬離子，并能殺滅細菌去除惡臭。2004年，周麗香較早將生物淋濾技術(shù)引入污泥脫水領(lǐng)域。他利用生物淋濾處理制革污泥，發(fā)現(xiàn)生物淋濾具有顯著的污泥脫水效果。肖等的研究表明，當(dāng)生物淋濾的pH值為2.0~2.5時，污泥的脫水性能大大提高，污泥由難脫水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐酌撍疇顟B(tài)。宋永偉等人采用生物淋濾法處理剩余污泥，經(jīng)過2天的生物淋濾，剩余污泥的比電阻降至2.4×1012m/kg。孟維舉等人采用生物淋濾法處理剩余濃縮污泥，泥餅含水率降至65.0%以下。后來發(fā)現(xiàn)生物浸出結(jié)合其他預(yù)處理工藝可以達到更好的效果。陳紅等研究采用生物淋濾結(jié)合Fenton工藝處理印染污泥，剩余污泥比電阻降至1.3×1011s2/g，提高了剩余污泥的脫水性能。

3.結(jié)論

目前，剩余污泥的減量化和資源化是亟待解決的關(guān)鍵問題。目前廣泛使用的無機和有機高分子調(diào)理劑大多會產(chǎn)生二次污染，不利于剩余污泥的后續(xù)資源化利用。因此，研究方向應(yīng)轉(zhuǎn)向?qū)ふ覠o二次污染、不增加泥餅容量、有利于污泥資源化利用的調(diào)理劑。與單一的污泥脫水工藝相比，效果非常有限。今后有必要研究各種污水脫水工藝的協(xié)同過程，既能使各種污泥脫水工藝取長補短，又能達到剩余污泥高效脫水的效果。(來源:上海建筑科學(xué)研究院建筑材料與固體廢物利用研究所、同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)

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