城镇剩余污泥深度脱水技术方案研究

城镇剩余污泥深度脱水技术方案研究摘 要：随着城镇污水量的不断增加，污水处理厂的剩余污泥量亦随之增大，而实现污泥减量化的重要且简单易行的途径包括污泥浓缩、污泥脱水以及污泥消化等。本文对现有污泥深度脱水技术进行了深入全面的研究，着重介绍目前广泛应用的技术方案：污泥调理预处理配合机械脱水主处理的技术方案。关键词：污泥 深度脱水 污泥调理 机械脱水StudyondehydrationtechniqueofurbantreatmentsludgeAbstract:Astheamountofurbansewagecontinuestoincrease,theamountofsewagetreatmentsludgealsoincreases.Importantandsimplewaystoachievesludgereductionincludesludgeconcentration,sludgedehydration,andsludgedigestion.Inthispaper,thein-depthandcomprehensiveresearchontheexistingsludgedeepdehydrationtechnologyiscarriedout,andthetechnicalsolutionswidelyusedatpresentareintroduced:thetechnicalschemeofsludgeconditioningpretreatmentcombinedwithmechanicaldehydrationmaintreatment.Keywords:sewagetreatmentsludge deepdehydration sludgeconditioning mechanicaldehydration引言目前我国每年产生3000多万吨污泥，大部分污泥经常规机械脱水后含水率达80%。预计到2020年，我国的污泥产量将达到6000万吨以上[1-2]。污泥处理的四大原则是减量化、稳定化、无害化和资源化，实现污泥减量化的重要且简单易行的主要途径就是降低污泥含水率[3]。目前，污泥深度脱水技术日趋改善，能够更好地实施污泥脱水，降低污泥含水率。本文主要阐述了城镇剩余污泥深度脱水技术及其发展趋势。1污泥深度脱水城镇污水处理厂剩余污泥的含水率一般为96%左右，经机械脱水后污泥的含水量仍在80%左右。堆肥、焚烧、土地利用和填埋等污泥最终处置方法对污泥的含水量要求一般在55%～65%之间，因此污泥深度脱水成为污泥处理最紧迫的任务和行业共识[4-5]。污泥中水的分布形态主要有四种：间隙水（或游离水）、毛细水、表面吸附水和内部结合水[6]，常规污泥脱水技术一般只能将部分间隙水和部分自由水去除。目前，很多学者对污泥深度脱水进行多方面研究，归结起来主要有：一是在机械脱水前对污泥进行调理；二是对污泥脱水机械设备进行优化设计。污泥深度脱水技术应用较成熟的方法有：电渗析脱水法和超声波脱水法，本质上都属于助滤的范畴。随着机械脱水技术的不断改进，在结合污泥调理的基础上，形成了以机械脱水为核心的多手段联合技术[7]。2影响污泥脱水的主要因素污泥颗粒具有高亲水性，与水结合力很强，如无预处理，则污泥脱水难度极大。影响污泥脱水的主要因素包括：胞外聚合物（EPS）、粒径分布、Zeta电位和黏度。2.1胞外聚合物(EPS)研究表明，EPS是一种聚集在污泥胶体细胞外的大分子聚合物，在污泥中占有很大比重。EPS具有空间分布的特征，包括紧缚EPS（TB-EPS）、松散EPS（LB-EPS、Slime层和溶解态EPS(S-EPS)，其中污泥的Slime层和溶解态EPS(S-EPS)具有高持水性[8]。胡梦竹等[9]研究发现，NaCl的投加降低EPS各层疏水能力，使污泥生物絮凝能力变差，利于污泥脱水，降低污泥的体积。然而众多学者的研究并没有达成一致，如李亚林等[10]研究认为污泥的脱水性能与紧缚EPS和松散EPS中的PN存在显著相关性，与溶解态EPS中PN的无显著相关性。而Ｙｕａｎ等[11]研究得出最优的松散EPS含量仅为15-18ｍｇ／Ｌ，过高的松散EPS反而会导致污泥脱水困难。所以污泥中的EPS作用机理仍需不断地深入研究。2.2粒径分布细小颗粒在污泥中所占的组分比例越大，污泥脱水性能就越差。高比例的超微小胶体颗粒会使污泥颗粒表面积／体积比提高，故导致污泥颗粒的水合作用增强，降低其脱水性能[12]。污泥颗粒的凝聚和增大能提高污泥脱水效果已成共识。如Ning等[13]研究结果表明：同时加入制革污泥焚烧灰和阳离子聚丙烯酰胺可以提高污泥颗粒的聚集沉淀效果，脱水性能明显改善。2.3Zeta电位污泥颗粒具有双电层结构，Zeta电位会影响污泥胶体的凝聚和沉降，因此在污泥脱水过程中常通过降低污泥颗粒表面电位，强化污泥胶体颗粒的脱稳和沉降效果。一般情况下，污泥絮体的Zeta电位在-30-10mV之间。Guan等[14]研究发现低温(50~90℃)条件下用CaC12调理污泥，压缩双电层，降低污泥表面Zeta电位，使污泥颗粒聚沉，提高污泥脱水性能。2.4黏度污泥作为非牛顿流体，具有黏度和弹性两种特性。近年来，污泥黏度对污泥脱水性能的影响越来越引起研究学者的关注。污泥黏度作为评价污泥脱水性能的重要影响参数，为污泥深度脱水技术的优化方法提供极其重要的评价数据。Li等[15]研究发现，胞外聚合物对污泥黏度影响显著，而污泥黏度随胞外聚合物中的LB—EPS含量的增加而增大，他们的研究进一步揭示，污泥脱水性能(SRF)与黏度呈显著正相关性，黏度增加则脱水性能恶化。3污泥调理城镇污水剩余污泥具有高度亲水性，使污泥脱水困难，须对污泥进行调理，提高污泥的脱水效果。目前，污泥调理方法主要有物理调理、化学调理、微生物调理和复合调理。污泥单一调理法均有一定的不足，多种调理法联合作用可以使污泥脱水效果更佳，故污泥复合调理研究最多，应用广泛。3.1物理调理法物理调理主要有加热调理、微波调理、超声波调理和电渗透脱水技术。污泥加热调理可以使污泥中的细胞分解，改变颗粒结构，使有机物水解，从而使细胞膜中的内部结合水游离出来，改善污泥的脱水性能[16]。但高温导致的臭味、腐蚀以及经济成本等问题，限制了加热调理的大规模应用。微波调理是对污泥进行热处理改性，能有效地破坏污泥细胞结构，具有升温快、加热均匀等特点，能改善污泥脱水性能。与微波调理类似，单一超声波调理对污泥脱水性能影响存在最佳的辐射能量限值，以及能耗等问题[17]。电渗透脱水主要用于高含水率、低渗透性污泥的二次脱水，能够将污泥含水率降低至60%以下，但电渗透脱水过程缓慢，耗时较长[18]。李亚林等[19]研究了电渗透脱水技术对污泥的脱水效果，结果表明，采用电渗透脱水技术，可使污泥含水率降至49.14%。3.2化学调理法污泥化学调理法指通过向污泥中投加一定量的调理剂，使污泥颗粒凝聚或增大，从而提高污泥的脱水性能。污泥调理剂主要有无机絮凝剂、有机絮凝剂、复合絮凝剂和助凝剂等。无机絮凝剂制备简单、价格便宜，调理污泥作用明显，但对污泥的pH值和离子强度有限制。无机絮凝剂用得比较多的有聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硅酸铝等。王馨悦等[20]研究了单独投加聚合氯化铝(PAC)和三氯化铁(FeCl3)时对污泥脱水性能影响的试验。研究表明，PAC和FeCl3对污泥脱水性能改善效果都比较明显。但从经济成本考虑，PAC比FeCl3更为经济合适。黄绍松等[21]研究结果表明，Fenton氧化联合氧化钙对污泥脱水效果明显，联合作用改变絮体的大小，同时去除部分胞外聚合物，从而改善了污泥脱水效果。有机絮凝剂絮凝能力好，受污泥pH值影响小，但有毒性强、难溶解和费用高等缺点，故有机絮凝剂实际应用受限。张梅杰等[22]对比研究了5种有机絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺对污泥脱水性能的影响，研究发现污泥比阻(SRF)与毛细吸水时间(CST)比值明显线性相关，因此能为污泥调理提供相关的研究数据。Yan等[23]探讨研究了非离子PAM、阳离子PAM和阴离子PAM絮凝剂对污泥脱水效果的影响，研究得出阳离子PAM对污泥脱水效果比其他两种絮凝剂更好。复合絮凝剂是通过两种或两种以上絮凝剂的复合协同作用来有效提高污泥脱水效果。ZhaiLF等[24]研究了由氯化铁、PAM和钙质矿物粉组成的复合絮凝剂对污泥脱水效果的影响，研究表明，复合絮凝剂比单一药剂调理污泥脱水效果显著要好，且药剂用量要减少一半，但问题是复合絮凝剂制备较复杂，成本高，反应条件限制多。助凝剂改善污泥脱水性能的机理是助凝剂与污泥混合后，使污泥内部结构变硬，形成更多的空隙结构，以利于脱水过程中自由水的渗出。助凝剂使用较多的有石灰和粉煤灰。姜惠民等[25]分别研究了石灰，粉煤灰，硅藻土，工业石灰，飞灰和十二烷基磺酸钠单独使用时对污泥脱水性能的影响，结果表明，单独使用时污泥脱水性能最好的是石灰，复合投加时污泥脱水效果最好的是粉煤灰加石灰。刘强等[26]研究了粉煤灰与生石灰复配对城镇污水污泥脱水效果的影响。研究表明，粉煤灰与生石灰联用可较好提高污泥脱水性能，使污泥含水率降低到60％以下。3.3微生物调理法近年来，微生物调理法成为较热门的污泥调理技术，其作用机理是利用微生物或微生物的代谢产物来提高污泥的脱水性能。微生物絮凝剂具有易生物降解、无二次污染和对污泥自身条件具有良好的适应性等优点，但制备成本高，故目前还是和传统絮凝剂联合使用调理污泥。微生物调理法以生物沥浸为代表，目前在实际工程中推广应用最多。何足道等[27]分别用生物沥浸法(BC)、Fenton法和石灰/三氯化铁/PAM法(石灰法)对同一批城市污泥进行调理。研究结果表明，与Fenton法和石灰法调理相比，生物沥浸法既具有能大幅提高污泥脱水性能，脱水滤液水质相对较好的优点，又具有泥饼有机质和氮磷养分高，重金属含量低的优点。刘杰伟等[28]研究了微生物絮凝剂对污泥脱水性能的影响，并将其与常规调理剂的调理效果对比研究。结果表明，经微生物调理后的污泥脱水性能明显优于硫酸铝、聚合氯化铝(PAC)等无机絮凝剂。3.4复合调理法目前污泥复合调理法是国内外研究的热点，多种调理法联用可以克服单一调理法各自的缺点，起到较好的协同效果，提高污泥脱水性能。李亚林等[29]采用电渗透/过硫酸盐耦合对某市政污水处理厂的脱水污泥进行二次脱水。结果表明，与电渗透脱水相比，电渗透/过硫酸盐耦合工艺能耗增加，但脱水时间可以减少44%；同时电渗透/过硫酸盐耦合脱水对于细胞结构的破坏程度优于传统电渗透，得到的脱水污泥具有更好的干燥特性。郭俊元等[30]通过将微生物絮凝剂与聚合氯化铝进行复配，研究其复配调理剂对污泥脱水性能的影响。结果表明，微生物絮凝剂与聚合氯化铝复配均优于单独采用微生物絮凝剂和PAC时的污泥脱水效果。罗璐等[31]研究了聚丙烯酰胺絮凝剂和溶菌酶联用对城镇污水污泥脱水效果的影响，研究结果表明，絮凝剂和溶菌酶分别单独作用于污泥脱水时，均可改善污泥的脱水性能；但2种药剂共同作用时，能同时提高污泥沉降性能和脱水速度，且脱水程度较2种药剂单独处理时进一步提升。高雯等[32]研究了臭氧、超声波和微生物絮凝剂三种方式，单一调理和组合调理对污泥脱水效果的影响。结果表明：臭氧、超声波和微生物絮凝剂组合联用，对破坏污泥菌体结构有较好的效果，对提高污泥脱水性能有显著效果。4优化污泥脱水机械工艺污泥先调理，同时优化污泥脱水机械工艺，形成高效低成本的污泥深度脱水技术是目前污泥脱水的主要研究方向。污泥脱水常用的机械脱水设施有带式压滤脱水、离心脱水和板框压滤脱水设施。广东省机械研究所研发的新型高压压滤脱水设备保留传统压滤脱水机的优点，并做了大量改进优化和设计创新。经过试验，新型高压压滤脱水设备可将调理改性后的市政污泥实现深度脱水，污泥含水率可降低到40％[33]。马维超等[34]研究结果表明，用新型高压板框式污泥脱水机对污泥进行脱水，污泥的脱水率比其他污泥脱水设备提高5%以上。5结语城镇污泥脱水性能的提升有利于污泥后续的减量化、无害化处理，而污泥调理配合污泥机械脱水核心工艺成为了污泥深度脱水目前应用最为广泛的技术方案之一。本文对此进行了深入全面的分析总结，并着重指出：根据污泥的性质选择合适的污泥调理方法以及合适的脱水设备，研究开发新型的绿色高效的污泥调理絮凝剂（助凝剂），仍旧是今后污泥脱水研究的主要方向。参考文献[1]QianX．WangY．ZhengH．2016．Migrationanddistributionofwaterandorganicmatterforactivatedsludgeduringcouplingmagneticconditioninghorizontalelectro—dewatering(CM—HED)[J]．WaterResearch，88：93-103．[2]ZhanTL，ZhanX，LinW，ela1．2014．FieldandlaboratoryinvestigationongeotechnicalpropertiesofsewagesludgedisposedinapitatChanganlandfill，Chengdu，China[J]．EngineeringGeology，170：24-32．[3]李立欣，赵乾身，马放，等．废水处理中污泥减量技术现状及发展趋势[J]．水处理技术，2015，41(1)：1-4．[4]董立文，张鹤清，汪诚文，等．造纸污泥的电渗透脱水效果［J］．环境工程学报，2012，6(11):4185-4190.[5]汤连生，张龙舰，罗珍贵．污泥中水分布形式划分及脱水性能研究［J］．生态环境学报，2017，26(2):309－314．[6]VaxelaireJ，CezacP．Moisturedistributioninactivatedsludge:Areview［J］．WaterResearch，2004，38(9):2215-2230.[7]汤连生，罗珍贵，张龙舰，宋晶，邓立新．污泥脱水研究现状与新认识［J］．水处理技术，2016，42(6):12-17.[8]YuGH，HePJ，ShaoLM.Novelinsightsintosludgedewaterabilitybyfluorescenceexcitation-emissionmatrixcombinedwithparallelfactoranalysis［J］.WaterResearch，2010，44（3）：797-806.[9]胡梦竹，张海丰，梁毅，汪浩.NaCl对污泥脱水性能及胞外聚合物分层结构的影响.工业水处理［J］，2018，38(12):64-68.[10]李亚林，刘蕾，张景玉，任萌萌等．电渗透耦合Fe2+过硫酸钠污泥脱水过程中EPS的变化特性[J].环境工程学报,2019,13(2):431-440.[11]Yuan，H．P．N．W．Zhu，andF．Y．Song，Dewaterabilitycharacteristicsofsludgeconditionedwithsurfactantspretreatmentbyelectrolysis［J］．BioresourceTechnology，2011(102)：2308—2315.[12]Turovskiy，I．S．andP．K．M．Mathai，Wastewatersludgeprocessing［M］．JohnWiley＆Sons，Inc．，Hoboken：NewJersey：62-63．[13]Ning，X．，etal．，Effectsoftannerysludgeincinerationslagpretreatmentonsludgedewaterability［J］．ChemicalEngineeringJournal，2013．221：1-7．[14]Guan，B．H．，etal．，ImprovementofactivatedsludgedewaterabilitybymildthermaltreatmentinCaCI2solution［J]．WaterRes．，2012(6)：425-432．[15]Ye，F．X．，X．W．Liu，andY．Li，EffectsofpotassiumferrateonExtracellularpolymericsubstances(EPS)andphysicoehemiealpropertiesofexcessactivatedsludge［J］．Hazard．Mater．，2012(199-200)：158-163．[16]庄修政，阴秀丽，黄艳琴，吴创之．城市污泥水热脱水处理的工业应用与研究进展[J]．化工进展，2017，36(11)：4224-4231.[17]刘吉宝，魏源送，王亚炜，才兴，邵春岩．基于预处理的强化污泥脱水研究进展[J]．中国给水排水，2014,30（14）：1-6.[18]MahmoudA,HoadleyAFA,ConrardyJB,etal.Influenceofprocessoperatingparametersondrynesslevelandenergysavingduringwastewatersludgeelectro-dewatering[J].WaterResearch,2016,103：109-123.[19]李亚林，刘蕾，魏添，张素冰，任萌萌．电渗透污泥脱水的影响因素分析及响应曲面优化[J]．应用化工，2017,46（1）：127-131.[20]王馨悦，胡红旗，朱文芳．使用无机调理剂改善污泥脱水性能的试验研究[J]．环境与可持续发展，2017,5：174-176.[21]张梅杰，左剑恶，李晓霞，等．城市剩余污泥脱水性能指标的相关性研究［J］．环境科学与技术，2016，12(39):170－171．[22]黄绍松，梁嘉林，张斯玮，黄锦佳，徐启智，戴永康等．Fenton氧化联合氧化钙调理对污泥脱水的机理研究［J］．环境科学学报，2017，34(4):1－23．[23]YanaWL，WangaYL，ChenYJ．EffectofconditioningbyPAMpolymerswithdifferentchargesonthestructuralandcharacteristicevolutionsofwatertreatmentresiduals［J］．WaterＲesearch，2013，47(17):6445-6456.[24]ZhaiaLF，SunaM，SongW，etal．Anintegratedapproachtooptimizethe