污泥調(diào)理改性與脫水 不可壓縮泥餅與可壓縮泥餅的效果

 

    由于污泥絮體的親水性結(jié)構(gòu)，會(huì)與污泥中的水分發(fā)生作用而以不同的形式結(jié)合在一起，導(dǎo)致污泥脫水的困難。根據(jù)結(jié)合形式的不同，可以將污泥中的水分為自由水、間隙水、表面結(jié)合水和細(xì)胞內(nèi)部水。

（1）自由水：不受污泥絮體作用，包括污泥絮體間不受毛細(xì)管作用的水分。

（2）間隙水：結(jié)合在污泥絮體及有機(jī)物的間隙和裂縫中的水分。

（3）表面結(jié)合水：吸附或粘連在污泥絮體表面的水分。

（4）細(xì)胞內(nèi)部水：存在于生物細(xì)胞內(nèi)部的水分。

目前使用的污泥脫水方法有污泥干化法和機(jī)械脫水法，機(jī)械脫水法是通過機(jī)械力的作用將污泥中的水分去除的方法，與自然干化法相比，它的脫水效率更高、節(jié)省空間，并且不因天氣變化而影響脫水效果。污泥進(jìn)行機(jī)械脫水之前，一般需要通過物理、化學(xué)或物理化學(xué)作用，改善污泥的脫水性能。通過調(diào)理可改變污泥的組織結(jié)構(gòu)，減少其黏性。污泥經(jīng)調(diào)理后，不僅脫水壓力減少，而且脫水后污泥的含水率可大大降低。

目前主要有三種不同的調(diào)理方法：（1）混凝或絮凝提高污泥的沉降性；（2）降低污泥的可壓縮性以提高污泥的過濾性能；以及（3）污泥絮體或細(xì)胞進(jìn)行破解以釋放EPS中的結(jié)合水。因此，各種方法被用于達(dá)到此目的，從簡(jiǎn)單地加入調(diào)理劑，如石灰和明礬，到加一些具有高孔隙率的惰性材料，例如木屑或褐煤進(jìn)行物理性的改變泥餅，再到更復(fù)雜的方法包括熱、化學(xué)、生物化學(xué)來改變污泥的絮體性能變化。除了脫水性能，調(diào)理過程對(duì)污泥其他性能也有顯著的影響，因此，必須兼顧經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。常見的污泥調(diào)理方法可以分為物理調(diào)理、化學(xué)調(diào)理方法。

1、 物理調(diào)理

在污泥調(diào)理的眾多方法中，使用最普遍的技術(shù)有以下幾種：

（1）空化預(yù)處理

空化作用是液體媒質(zhì)中的一種物理現(xiàn)象。超聲波在液體媒質(zhì)中傳播過程存在著一個(gè)正負(fù)壓強(qiáng)交變的周期。這種空化氣泡在液體媒質(zhì)中產(chǎn)生、閉滅或消失的現(xiàn)象，就叫空化作用。這個(gè)過程產(chǎn)生的沖擊波在幾微秒內(nèi)引起介質(zhì)局部高溫（500~15000 K）和高壓（10~500 MPa）的。在不同的空化方法中，只聲學(xué)和流體動(dòng)力空化已被證明能有效地在生物過程中產(chǎn)生明顯的變化。使用低頻超聲波的產(chǎn)生聲空化。

（2）熱處理

污泥的熱處理溫度一般在40~180 ℃之間。熱處理可以使污泥中的碳水化合物、脂類容易降解，其中，60~180 ℃的中溫?zé)崽幚砜梢云茐募?xì)胞壁，使其蛋白質(zhì)容易降解。其中，熱預(yù)處理和厭氧消化過程中污泥碳水化合物的降解遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)。熱水解作為中間消化步驟可以增強(qiáng)已消化的污泥有機(jī)物降解，可進(jìn)一步降低污泥的質(zhì)量和增加其沼氣轉(zhuǎn)化。尤其是135~170 ℃的嗜中溫條件下，對(duì)各種污泥都有很好的消化效果，同時(shí)，熱處理也可以降低污泥的粘度和觸變性。

但是，熱處理技術(shù)運(yùn)行成本高，以至于該技術(shù)難以產(chǎn)業(yè)化。另外，熱處理必須與其他處理技術(shù)結(jié)合。

（3）冷凍/融解

凍融技術(shù)可使污泥絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，EPS的溶出提高了絮體可壓縮性，使污泥絮體內(nèi)部結(jié)合水流出，使得剩余污泥的pH下降而SCOD上升，同時(shí)，污泥絮體的破壞也造成溶解的氮磷釋放。然而，凍融調(diào)理方式對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛞�求�?yán)格，適宜于寒冷的地區(qū)，否則，所需能耗大，成本高，限制該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用與推廣。

2、 化學(xué)調(diào)理

（1）絮凝（或混凝）劑

目前，用于污泥脫水的藥劑常用的絮凝劑和混凝劑兩大類。絮凝劑主要利用吸附架橋，網(wǎng)捕，卷掃作用等機(jī)理，包括有機(jī)高分子絮凝劑、無機(jī)高分子絮凝劑，微生物絮凝劑等�；炷齽┲饕�利用高價(jià)陽離子的壓縮雙電層的作用，主要是污泥的鋁鹽，鐵鹽等。實(shí)際運(yùn)用過程中，有些無機(jī)高分子絮凝劑（如聚合氯化鋁）往往具備絮凝和混凝的雙重作用。PAM是目前廣泛使用的有機(jī)高分子絮凝劑，由于分子量大，絮凝作用好，形成團(tuán)絮結(jié)構(gòu)疏松，其中絮團(tuán)裹著的水難以脫穩(wěn)。但要注意控制其投加量，如果超過最佳劑量，不但惡化脫水效果而且對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響。

大量的污泥脫水性能實(shí)驗(yàn)表明，依靠無機(jī)混凝劑和高分子絮凝劑的電負(fù)性中和作用與吸附架橋作用能在一定程度上改善污泥脫水性能。但是污泥中的高有機(jī)質(zhì)會(huì)在壓力作用下產(chǎn)生壓縮變形，使得濾餅中的水的過濾通道被堵塞，從而導(dǎo)致機(jī)械脫水效率較低。因此，投加一定的助濾劑可以在一定程度上解決污泥的可壓縮性問題。

（2）助濾劑

助濾劑一般為無機(jī)惰性材料，本身不起混凝作用，因此也稱為物理調(diào)理劑（Physical conditioner）。這些物理調(diào)理劑加入到污泥中一定程度上起到骨架構(gòu)建體（Skeleton builders）的作用，在污泥中形成堅(jiān)硬網(wǎng)格骨架保持多孔結(jié)構(gòu)，因此有效地解決了污泥的可壓縮性問題，改善了污泥的脫水性能。圖1表示了不可壓縮泥餅與可壓縮泥餅的壓縮效果。添加物理調(diào)理劑在污泥中形成了骨架構(gòu)建體，其壓濾過程就類似圖1（a），屬于不可壓縮泥餅，能提高污泥的脫水性能。

 

 

                          圖1  不可壓縮泥餅與可壓縮泥餅的效果

國內(nèi)外研究學(xué)者圍繞物理調(diào)理劑形成骨架構(gòu)建體及其改善污泥脫水性能方面開展了研究。Jonathan較早采用石灰和粉煤灰作為物理調(diào)理劑，其形成的透水和剛性晶格結(jié)構(gòu)，保持了高壓力下泥餅的多孔通道，成功地改善了含油污泥的脫水性能。Zhao利用石膏作為骨架構(gòu)建體來提高鋁鹽絮凝污泥的脫水能力，當(dāng)石膏投加量為污泥干基的60%時(shí)，泥餅含水率降低了7.1%。石膏幫助提供多孔性、滲透性和剛性晶格泥餅結(jié)構(gòu)，降低污泥壓縮性，從而有利于脫水。Lee利用臺(tái)灣地區(qū)海鮮殼等食物殘?jiān)�磨�?xì)粉作為堿性的骨架構(gòu)建體來改善污泥脫水性能，結(jié)果表明，添加化學(xué)調(diào)理劑造成pH明顯降低，導(dǎo)致污泥過濾性能變差，而海鮮殼等細(xì)粉能有效改善污泥脫水。Benitez利用粉煤灰、焚化爐灰、水泥窯灰、蔗渣作為骨架構(gòu)建體，與聚合物一起使用，成功地改善了工業(yè)和市政污水混合污泥的脫水性能。Albertson利用煤粉作為骨架構(gòu)建體提高高分子絮凝劑調(diào)理剩余活性污泥的離心脫水性能，添加0.1~0.3 kg煤/kg干泥，可以將高分子絮凝劑脫水后泥餅的含固率從18%~23%提高到25%~37%，獲得的含煤粉泥餅?zāi)軌蚓S持自燃燒，從而大大減少了污泥焚燒的成本。Thapa等利用褐煤作為骨架構(gòu)建體來改善消化污泥的脫水效率取得了不錯(cuò)的效果。添加污泥干固含量273%的調(diào)理粉煤灰調(diào)理污泥，可使污泥SRF從1.86×10¹³ m/kg下降至4.23×10¹¹ m/kg，含水率從86.90%下降至56.52%。

大量研究中證實(shí)物理調(diào)理劑充當(dāng)骨架構(gòu)建體能降低SRF，改善污泥的脫水性能。然而，大量物理性調(diào)理劑殘留于泥餅中，會(huì)導(dǎo)致泥餅的增容增重，提高后續(xù)的處理處置成本。

（3）酸堿處理

酸堿調(diào)理是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，通常與表面活性劑或熱處理聯(lián)用，使不易降解的復(fù)雜有機(jī)物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。此種調(diào)理技術(shù)的缺陷在于藥劑需求量大，且對(duì)設(shè)備耐腐蝕性要求高。

（4）生物或酶處理

生物水解中，活性酶能改變污泥的親水性，有機(jī)化合物的保水能力，降低污泥的CST和增加濾餅的干基量，另外，亞鐵和硫作為復(fù)合能源物質(zhì)時(shí)，污泥生物浸濾處理是可以去除重金屬的同時(shí)能夠改善污泥脫水性能的技術(shù)，雖有相關(guān)技術(shù)研究報(bào)道，相關(guān)的研究仍在進(jìn)一步的探索過程中。

（5）高級(jí)氧化

化學(xué)氧化法主要是在強(qiáng)氧化作用下，降低膠體顆粒表面負(fù)電荷和雙電層的排斥作用，減小顆粒間的空間位阻，達(dá)到有利于顆粒間碰撞的效果，使水中膠體顆粒易于脫穩(wěn)，從而有利于有機(jī)物降解；通過改變和破壞水中膠體顆粒表面的有機(jī)物結(jié)構(gòu)，達(dá)到強(qiáng)化過濾的效果。

目前較常用的氧化劑種類有高錳酸鹽（MnO₄^-）、Fenton試劑（H₂O₂ + Fe²⁺）、臭氧（O₃）及過硫酸鹽（S₂O₈^2-）等4種。氧化劑的氧化電位愈高，氧化力愈強(qiáng)，愈易將污泥絮體破壞。