污泥调理改性与脱水 不可压缩泥饼与可压缩泥饼的效果

 

    由于污泥絮体的亲水性结构，会与污泥中的水分发生作用而以不同的形式结合在一起，导致污泥脱水的困难。根据结合形式的不同，可以将污泥中的水分为自由水、间隙水、表面结合水和细胞内部水。

（1）自由水：不受污泥絮体作用，包括污泥絮体间不受毛细管作用的水分。

（2）间隙水：结合在污泥絮体及有机物的间隙和裂缝中的水分。

（3）表面结合水：吸附或粘连在污泥絮体表面的水分。

（4）细胞内部水：存在于生物细胞内部的水分。

目前使用的污泥脱水方法有污泥干化法和机械脱水法，机械脱水法是通过机械力的作用将污泥中的水分去除的方法，与自然干化法相比，它的脱水效率更高、节省空间，并且不因天气变化而影响脱水效果。污泥进行机械脱水之前，一般需要通过物理、化学或物理化学作用，改善污泥的脱水性能。通过调理可改变污泥的组织结构，减少其黏性。污泥经调理后，不仅脱水压力减少，而且脱水后污泥的含水率可大大降低。

目前主要有三种不同的调理方法：（1）混凝或絮凝提高污泥的沉降性；（2）降低污泥的可压缩性以提高污泥的过滤性能；以及（3）污泥絮体或细胞进行破解以释放EPS中的结合水。因此，各种方法被用于达到此目的，从简单地加入调理剂，如石灰和明矾，到加一些具有高孔隙率的惰性材料，例如木屑或褐煤进行物理性的改变泥饼，再到更复杂的方法包括热、化学、生物化学来改变污泥的絮体性能变化。除了脱水性能，调理过程对污泥其他性能也有显着的影响，因此，必须兼顾经济和环境效益。常见的污泥调理方法可以分为物理调理、化学调理方法。

1、 物理调理

在污泥调理的众多方法中，使用最普遍的技术有以下几种：

（1）空化预处理

空化作用是液体媒质中的一种物理现象。超声波在液体媒质中传播过程存在着一个正负压强交变的周期。这种空化气泡在液体媒质中产生、闭灭或消失的现象，就叫空化作用。这个过程产生的冲击波在几微秒内引起介质局部高温（500~15000 K）和高压（10~500 MPa）的。在不同的空化方法中，只声学和流体动力空化已被证明能有效地在生物过程中产生明显的变化。使用低频超声波的产生声空化。

（2）热处理

污泥的热处理温度一般在40~180 ℃之间。热处理可以使污泥中的碳水化合物、脂类容易降解，其中，60~180 ℃的中温热处理可以破坏细胞壁，使其蛋白质容易降解。其中，热预处理和厌氧消化过程中污泥碳水化合物的降解遵循一级动力学。热水解作为中间消化步骤可以增强已消化的污泥有机物降解，可进一步降低污泥的质量和增加其沼气转化。尤其是135~170 ℃的嗜中温条件下，对各种污泥都有很好的消化效果，同时，热处理也可以降低污泥的粘度和触变性。

但是，热处理技术运行成本高，以至于该技术难以产业化。另外，热处理必须与其他处理技术结合。

（3）冷冻/融解

冻融技术可使污泥絮体结构发生不可逆变化，EPS的溶出提高了絮体可压缩性，使污泥絮体内部结合水流出，使得剩余污泥的pH下降而SCOD上升，同时，污泥絮体的破坏也造成溶解的氮磷释放。然而，冻融调理方式对当地气候要求严格，适宜于寒冷的地区，否则，所需能耗大，成本高，限制该技术的进一步应用与推广。

2、 化学调理

（1）絮凝（或混凝）剂

目前，用于污泥脱水的药剂常用的絮凝剂和混凝剂两大类。絮凝剂主要利用吸附架桥，网捕，卷扫作用等机理，包括有机高分子絮凝剂、无机高分子絮凝剂，微生物絮凝剂等。混凝剂主要利用高价阳离子的压缩双电层的作用，主要是污泥的铝盐，铁盐等。实际运用过程中，有些无机高分子絮凝剂（如聚合氯化铝）往往具备絮凝和混凝的双重作用。PAM是目前广泛使用的有机高分子絮凝剂，由于分子量大，絮凝作用好，形成团絮结构疏松，其中絮团裹着的水难以脱稳。但要注意控制其投加量，如果超过最佳剂量，不但恶化脱水效果而且对人类和生态系统造成不利影响。

大量的污泥脱水性能实验表明，依靠无机混凝剂和高分子絮凝剂的电负性中和作用与吸附架桥作用能在一定程度上改善污泥脱水性能。但是污泥中的高有机质会在压力作用下产生压缩变形，使得滤饼中的水的过滤通道被堵塞，从而导致机械脱水效率较低。因此，投加一定的助滤剂可以在一定程度上解决污泥的可压缩性问题。

（2）助滤剂

助滤剂一般为无机惰性材料，本身不起混凝作用，因此也称为物理调理剂（Physical conditioner）。这些物理调理剂加入到污泥中一定程度上起到骨架构建体（Skeleton builders）的作用，在污泥中形成坚硬网格骨架保持多孔结构，因此有效地解决了污泥的可压缩性问题，改善了污泥的脱水性能。图1表示了不可压缩泥饼与可压缩泥饼的压缩效果。添加物理调理剂在污泥中形成了骨架构建体，其压滤过程就类似图1（a），属于不可压缩泥饼，能提高污泥的脱水性能。

 

 

                          图1  不可压缩泥饼与可压缩泥饼的效果

国内外研究学者围绕物理调理剂形成骨架构建体及其改善污泥脱水性能方面开展了研究。Jonathan较早采用石灰和粉煤灰作为物理调理剂，其形成的透水和刚性晶格结构，保持了高压力下泥饼的多孔通道，成功地改善了含油污泥的脱水性能。Zhao利用石膏作为骨架构建体来提高铝盐絮凝污泥的脱水能力，当石膏投加量为污泥干基的60%时，泥饼含水率降低了7.1%。石膏帮助提供多孔性、渗透性和刚性晶格泥饼结构，降低污泥压缩性，从而有利于脱水。Lee利用台湾地区海鲜壳等食物残渣磨细粉作为碱性的骨架构建体来改善污泥脱水性能，结果表明，添加化学调理剂造成pH明显降低，导致污泥过滤性能变差，而海鲜壳等细粉能有效改善污泥脱水。Benitez利用粉煤灰、焚化炉灰、水泥窑灰、蔗渣作为骨架构建体，与聚合物一起使用，成功地改善了工业和市政污水混合污泥的脱水性能。Albertson利用煤粉作为骨架构建体提高高分子絮凝剂调理剩余活性污泥的离心脱水性能，添加0.1~0.3 kg煤/kg干泥，可以将高分子絮凝剂脱水后泥饼的含固率从18%~23%提高到25%~37%，获得的含煤粉泥饼能够维持自燃烧，从而大大减少了污泥焚烧的成本。Thapa等利用褐煤作为骨架构建体来改善消化污泥的脱水效率取得了不错的效果。添加污泥干固含量273%的调理粉煤灰调理污泥，可使污泥SRF从1.86×10¹³ m/kg下降至4.23×10¹¹ m/kg，含水率从86.90%下降至56.52%。

大量研究中证实物理调理剂充当骨架构建体能降低SRF，改善污泥的脱水性能。然而，大量物理性调理剂残留于泥饼中，会导致泥饼的增容增重，提高后续的处理处置成本。

（3）酸碱处理

酸碱调理是国内外研究的热点，通常与表面活性剂或热处理联用，使不易降解的复杂有机物结构发生变化。此种调理技术的缺陷在于药剂需求量大，且对设备耐腐蚀性要求高。

（4）生物或酶处理

生物水解中，活性酶能改变污泥的亲水性，有机化合物的保水能力，降低污泥的CST和增加滤饼的干基量，另外，亚铁和硫作为复合能源物质时，污泥生物浸滤处理是可以去除重金属的同时能够改善污泥脱水性能的技术，虽有相关技术研究报道，相关的研究仍在进一步的探索过程中。

（5）高级氧化

化学氧化法主要是在强氧化作用下，降低胶体颗粒表面负电荷和双电层的排斥作用，减小颗粒间的空间位阻，达到有利于颗粒间碰撞的效果，使水中胶体颗粒易于脱稳，从而有利于有机物降解；通过改变和破坏水中胶体颗粒表面的有机物结构，达到强化过滤的效果。

目前较常用的氧化剂种类有高锰酸盐（MnO₄^-）、Fenton试剂（H₂O₂ + Fe²⁺）、臭氧（O₃）及过硫酸盐（S₂O₈^2-）等4种。氧化剂的氧化电位愈高，氧化力愈强，愈易将污泥絮体破坏。