污泥脱水预处理技术综述.doc

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1、污泥脱水预处理技术综述随着经济社会的发展和城市化进程的不断加快，公众的环保意识有了极大的提高，“重水轻泥”的观念得到改变，对污水处理厂产生的剩余污泥的处理、处置问题的关注与日俱增。当前，现行的污泥脱水预处理方法主要包括铁盐、铝盐和生石灰等，但脱水后的污泥存在灰分含量增加，脱水后污泥燃烧热值低及污泥碱性提高等缺点。污泥的脱水方法主要包括自然干化、污泥浓缩、机械脱水和污泥干化等，经上述方法脱水后，污泥的含水率降低至60%80%，仍高于城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质(GB/T 234852009)所要求的含水率低于60%的目标。为了强化污泥深度脱水，降低污泥处理和外运成本，提高污泥减量化、资源

2、化、无害化和稳定化效率，污泥脱水的预处理技术应运而生。污泥脱水预处理是利用物理、化学等方法，通过向污泥中外加能量或者化学试剂等，破坏污泥的絮体结构，使污泥中的部分胞内水和孔隙水释放出来，从而达到降低污泥中的水分含量的目的。由于污泥组成成分复杂，是由有机残片、无机颗粒和细菌菌体等组成的复合物，其中包裹在细菌体周围的胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)是一种具有三维结构的亲水性凝胶状物质，表面带有负电荷，约占总污泥重量的60%80%。胞外聚合物对污泥表面的理化性质具有重要的影响。其包裹在污泥的外部形成保护层，阻止污泥细胞的破裂和溶解，从而恶化

3、污泥的脱水性能。因此，在污泥脱水前，需要对污泥进行预处理，破坏稳定的污泥絮体结构，改变胞外聚合物中不同水形态的分布，从而提高污泥脱水性能。本文主要对当前科学研究所聚焦的污泥脱水预处理中的的物理、化学方法进行综述，介绍不同的预处理方法对污泥脱水性的影响。Part 1 物理预处理方法1.1 超声预处理超声预处理是通过声波(2040 kHz)传播过程中的周期性压缩和膨胀，在介质中形成微小气泡，微小气泡的破裂产生气穴现象，从而生成大量的活性自由基(H和OH)，并且产生高能量的振动剪切力，达到破坏微生物细胞的细胞壁，改变不同胞外聚合物所占的比例，合理释放胞内物质的目的，从而提高污泥的脱水效率。气穴现象的

4、作用主要包括物理作用和化学作用，物理作用即超声波在传播的过程中产生微湍流和振动波，从而在介质中产生强烈的对流，破坏污泥絮体的结构。化学作用即在生成的微气泡瞬态坍缩的过程中，会产生一种极端工况(温度为5 000 K，压强为5104 kPa)促使溶剂蒸汽的离解，产生大量的活性自由基，破坏污泥絮体的结构，有利于污泥絮体内部水分的释放。此外，声波在传播的过程中，可以在介质中产生类似海绵状的结构，形成海绵效应，使污泥中的水分通过声波传递所产生的通道释放到污泥絮体的外部，提高污泥的脱水性能。Feng等通过研究不同能量密度作用下，毛细管抽吸时间(capillary suction time, CST)、污泥

5、比阻(specific resistance to filtration, SRF)、胞外聚合物浓度和粒径分布的变化，探究超声预处理对于污泥脱水性能的影响。研究结果表明：在低能量密度超声作用下4 400 kJ/(kg TS)，污泥的脱水性能略有提高，污泥比阻由处理前的2.351010 m/kg降低至1.201010 m/kg。这主要是由于在低能量密度超声作用下，污泥的絮体破碎，降低了絮凝体颗粒的粒径，使包裹在污泥中的水分释放出来，提高了污泥的脱水能力。当超声的能量密度超过4 400 kJ/(kg TS)时，污泥的脱水性能变差，这主要是由于高密度的超声处理使污泥絮体被破坏，产生大量小污泥絮体颗粒

6、，增大了污泥絮体的总面积，增强了污泥的亲水性，从而使污泥的脱水性降低。薛向东等通过比较污泥超声预处理前后结合水和过滤比阻的变化特征，确定了超声预处理对污泥脱水性能的影响。试验结果表明，低超声预处理强度(0.10.15 W/mL)和短超声预处理时间(23 min)可有效降低污泥过滤比阻，减少污泥中结合水的含量。马德刚等研究了超声预处理过程中的声强和预处理时间对污泥电脱水性能的影响。试验结果表明：当试验过程中的声波频率、电场强度和压力相同时，适当的声波强度和超声预处理的时间有利于提高污泥的电渗透脱水效率，且最佳预处理工况为0.510 W/cm2，预处理时间为3.5 min。1.2 微波预处理微波预

7、处理所使用的微波波长为1 mm1 m，频率为0.3300 GHz 。微波预处理的原理主要包括热效应和非热效应。热效应即在振荡电磁场下，通过偶极子旋转产生热量，使污泥中的水分加热至水的沸点，导致污泥絮体细胞破裂。非热效应主要是由于极性分子的偶极取向变化所导致的，非热效应可能会导致氢键的断裂，并且可以使复杂生物分子解折叠和变性。微波预处理可以破碎污泥絮体结构，释放细胞内的有机质、降解大分子有机物从而提高污泥的脱水性。乔玮等研究表明，微波处理的过程中，其热效应可以加快有机物的水解反应速率，破坏菌体的细胞结构，改善脱水性能。当水解温度为170 、反应时间为10 min时，污泥经离心后含水率降低至65.

8、5%。傅大放等通过研究不同微波照射功率所对应的含水率得出结论：微波处理是污泥脱水的有效方法。Fang等通过研究微波处理过程中影响因素对活性污泥脱水特性的影响发现：当用1 000 W，2 450 MHz的微波照射污泥时，可以破坏污泥中蛋白质的分子结构，使污泥絮体周围的可溶性蛋白增多，但对污泥的脱水特性不产生明显的影响。当微波照射时间增长时，污泥颗粒分解为较小的颗粒，增大了污泥的表面积和结合水的能力，使污泥的沉降性能变差。此外，微波照射破坏污泥的絮体内部结构，使更多的多糖溶解在上清液中，从而使污泥的脱水性能变差。1.3 电渗析电渗透脱水机理主要基于所施加的电场与存在于污泥絮体颗粒表面的电荷之间的相

9、互作用，由于电场的作用，固体-液体界面上电离流动液体的移动确保了水的迁移，从而通过粘性动量传递驱动液体在中心通道中的迁移，使带负电的污泥絮体颗粒向阳极产生定向移动，在滤布的作用下进行泥水分离，进而在阳极实现污泥浓缩的目的。此外，电渗析处理还涉及电化学氧化、电阻加热和pH梯度效应等机理。华海洁研究发现，电渗析可以破坏污泥颗粒表面的毛细结构，促进毛细水的析出。同时，可以破坏污泥细胞的结构，使污泥中的吸附水和内部水析出，从而提高污泥的脱水效率。Yuan等通过比较污泥的CST、SRF、 EPS浓度和污泥破碎程度(DDSCOD)的变化研究电化学条件对于污泥脱水性的影响。试验结果表明：当电解电压小于20

10、V时，存储水分的污泥絮体遭到破坏，污泥絮团变小，EPS含量有较小幅度的增加，污泥絮体中的水分释放到污泥中，从而提高了污泥的脱水性能。当电解电压为1520 V、电解时间为1520 min时，污泥的脱水效果最好。当电解电压超过30 V后，破坏了污泥的絮体结构和完整性，产生了大量的细小颗粒，加速了细胞内蛋白质和多糖的释放，增加了污泥的粘度，不利于污泥的脱水。1.4 热水解热水解预处理的温度为40180 。在此温度内，污泥絮体的细胞壁破裂，污泥细胞中的脂肪、多糖和蛋白质等高分子的有机化合物得以释放，污泥中的难降解有机氮、难降解有机碳的含量升高。菌胶团表面的微生物及其代谢产物发生溶解，使包裹在污泥絮体中

11、的颗粒与污泥絮体发生分离，从而改变污泥絮体的结构。当温度高于某一阈值时，污泥中的有机物会转化生成难降解COD化合物，且存在污泥脱水性能恶化的风险。Higgins等研究不同的热水解温度对厌氧消化、脱水及滤液特性的影响。研究结果表明，热水解温度越高，污泥中的溶解性有机物浓度升高，污泥减量化效果明显，甲烷产量随之增大。在高水解温度下，污泥粘度随之降低，表明污泥中的结合水加速释放到液相中，从而提高污泥的脱水性能。Zhang等通过研究污泥网状结构在热水解过程中的变化发现：热水解预处理可以破坏污泥的多孔网状结构，使污泥的絮凝体颗粒变小且更加均匀，最终使热水解预处理污泥的脱水性能提高了4.6%0.5%。表1

12、列出了不同物理预处理方法污泥脱水效果。Part 2 化学预处理方法2.1 混凝(絮凝)处理混凝(絮凝)预处理是指在污泥脱水前向污泥中投加适当浓度的混凝剂或絮凝剂对污泥进行调质，从而提高污泥的脱水性能。其作用机理主要包括：电中和、吸附架桥、压缩双电层、沉淀物卷扫和骨架作用等。牛美青等通过氯化铁，液态聚合氯化铝(PAC)，液态高效聚合氯化铝(HPAC)和阳离子型聚丙烯酰胺(PAM) 4种混凝剂，研究无机和有机混凝剂对污泥的调质机理。研究表明，无机混凝剂和有机混凝剂的投加量和投加顺序对污泥的脱水效果具有显著的影响。当混凝剂的投加量为10% PAC+ 0. 5% PAM时，污泥的脱水效果最优，污泥比阻

13、由原来1721010 m/kg降低至12.81010 2.511010 m/kg，Zeta电位由-21.6 mV升高至(2.20.3) mV，污泥的脱水性能得到显著的升高。2.2 酸/碱处理酸/碱预处理是指通过向基质中加入酸(HCl、H2SO4、H3PO4和HNO3等)或碱 NaOH、KOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaO等改变污泥中不同EPS的分布比例，破坏污泥絮体的细胞结构，从而有利于束缚水的释放，从而提高污泥的脱水性。酸性预处理可以将污泥絮体中的带负电的官能团(羧基和氨基等)质子化，从而将污泥的Zeta电位由负值增加至接近于0，减少静电排斥，提高污泥的絮凝效果、聚集性和脱水效果。

14、碱预处理通过膜蛋白的增溶和膜脂的皂化作用，破坏污泥的细胞结构，溶解污泥中的EPS，将污泥絮体中的TB-EPS转化为以有机物形式存在的液体。表2列出了不同化学预处理方法污泥脱水的效果。He等通过对待处理的污泥进行硫酸预处理，水解污泥中的胞外聚合物，破坏微生物的细胞结构，改变水分在污泥中的分布比例，使污泥内部的间隙水和细胞内部的间隙水转化成自由水，从污泥中分离出来，提高污泥的脱水性。Devlin等通过研究盐酸预处理对污泥厌氧消化和脱水性能的影响发现，盐酸预处理可以使污泥中的碳水化合物、多糖、COD等溶解，增加反应体系中可溶性碳水化合物的浓度，使污泥中可溶性碳水化合物和蛋白质的含量分别增加4倍和6倍

15、。此外，酸性预处理可以降低污泥絮体的总负电荷，形成分形维数较低，颗粒较小的污泥絮体，从而有利于后续聚合物对污泥的絮凝作用，提高污泥的脱水效果。Su等采用碱性预处理强化污泥的脱水性能，试验结果表明，当增加Ca(OH)2与NaOH的比例时，污泥的脱水性能得到提升。这主要是由于Ca(OH)2可以增强污泥的絮凝能力，提高污泥絮体的强度和密度，减少污泥中的结合水和污泥絮体之间的水分，从而提高污泥的脱水性能。2.3 氧化法氧化法指通过向污泥中投加一定比例的氧化剂，如臭氧、Fenton试剂和过硫酸盐等，破坏污泥絮体的结构和污泥细胞的细胞壁，降解大分子的有机物，释放污泥中的间隙水和胞内水，从而改善污泥的脱水性

16、能此外，污泥絮体中的胞外聚合物和难降解有机物可以被氧化生成溶解性的有机物，甚至可以直接氧化生成二氧化碳和水，达到污泥减量化的目的。氧化法一般包括臭氧氧化、Fenton试剂氧化、Fe2+活化过硫酸盐氧化和高锰酸盐氧化等。氧化法所涉及的机理主要包括：污泥絮体的氧化，疏松结合胞外聚合物(LB-EPS)的分解，结合水的释放和转化、细胞结构的破坏、污泥颗粒的絮凝等。2.3.1 臭氧氧化臭氧氧化是一种应用最广泛的氧化过程。臭氧可以破坏细胞膜和菌胶团结构，加速胞内物质的释放，并将其氧化生成小分子物质，提高污泥的脱水性能。臭氧氧化污泥预处理的作用机理如图1所示。Meng等在臭氧法连续处理污泥的过程中，通过胞外聚合物浓度、官能团、分子量级的变化，研究臭氧与污泥之间的作用机理。研究发现，在12 h的连续处理过程中，前4 h臭氧与溶液反应强烈，臭氧大量被消耗，胞外聚合物中的蛋白质含量减少了30%12%，TOC的浓度由(1587