污泥脱水预处置技术综述

污泥脱水预解决技术综述随着经济社会的发展和都市化进程的不停加紧，公众的环保意识有了极大的提高，“重水轻泥”的观念得到变化，对\o"污水解决厂新闻专项"污水解决厂产生的剩余污泥的解决、处置问题的关注与日俱增。现在，现行的\o"污泥脱水新闻专项"污泥脱水预解决办法重要涉及铁盐、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。污泥的脱水办法重要涉及自然干化、污泥浓缩、机械脱水和污泥干化等，经上述办法脱水后，污泥的含水率减少至60%～80%，仍高于《城乡污水解决厂\o"污泥处置新闻专项"污泥处置混合填埋用泥质》(GB/T23485—)所规定的含水率低于60%的目的。为了强化污泥深度脱水，减少污泥解决和外运成本，提高污泥减量化、资源化、无害化和稳定化效率，污泥脱水的预解决技术应运而生。污泥脱水预解决是运用物理、化学等办法，通过向污泥中外加能量或者化学试剂等，破坏污泥的絮体构造，使污泥中的部分胞内水和孔隙水释放出来，从而达成减少污泥中的水分含量的目的。由于污泥构成成分复杂，是由有机残片、无机颗粒和细菌菌体等构成的复合物，其中包裹在细菌体周边的胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances,EPS)是一种含有三维构造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含有重要的影响。其包裹在污泥的外部形成保护层，制止污泥细胞的破裂和溶解，从而恶化污泥的脱水性能。因此，在污泥脱水前，需要对污泥进行预解决，破坏稳定的污泥絮体构造，变化胞外聚合物中不同水形态的分布，从而提高污泥脱水性能。本文重要对现在科学研究所聚焦的污泥脱水预解决中的的物理、化学办法进行综述，介绍不同的预解决办法对污泥脱水性的影响。Part1物理预解决办法1.1超声预解决超声预解决是通过声波(20～40kHz)传输过程中的周期性压缩和膨胀，在介质中形成微小气泡，微小气泡的破裂产愤怒穴现象，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，达成破坏微生物细胞的细胞壁，变化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。气穴现象的作用重要涉及物理作用和化学作用，物理作用即超声波在传输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，破坏污泥絮体的构造。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5000K，压强为5×104kPa)促使溶剂蒸汽的离解，产生大量的活性自由基，破坏污泥絮体的构造，有助于污泥絮体内部水分的释放。另外，声波在传输的过程中，能够在介质中产生类似海绵状的构造，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(capillarysuctiontime,CST)、污泥比阻(specificresistancetofiltration,SRF)、胞外聚合物浓度和粒径分布的变化，探究超声预解决对于污泥脱水性能的影响。研究成果表明：在低能量密度超声作用下[4400kJ/(kgTS)]，污泥的脱水性能略有提高，污泥比阻由解决前的2.35×1010m/kg减少至1.20×1010m/kg。这重要是由于在低能量密度超声作用下，污泥的絮体破碎，减少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出4400kJ/(kgTS)时，污泥的脱水性能变差，这重要是由于高密度的超声解决使污泥絮体被破坏，产生大量小污泥絮体颗粒，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减少。薛向东等通过比较污泥超声预解决前后结合水和过滤比阻的变化特性，拟定了超声预解决对污泥脱水性能的影响。实验成果表明，低超声预解决强度(0.1～0.15W/mL)和短超声预解决时间(2～3min)可有效减少污泥过滤比阻，减少污泥中结合水的含量。马德刚等研究了超声预解决过程中的声强和预解决时间对污泥电脱水性能的影响。实验成果表明：当实验过程中的声波频率、电场强度和压力相似时，适宜的声波强度和超声预解决的时间有助于提高污泥的电渗入脱水效率，且最佳预解决工况为0.510W/cm2，预解决时间为3.5min。1.2微波预解决微波预解决所使用的微波波长为1mm～1m，频率为0.3～300GHz。微波预解决的原理重要涉及热效应和非热效应。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，造成污泥絮体细胞破裂。非热效应重要是由于极性分子的偶极取向变化所造成的，非热效应可能会造成氢键的断裂，并且能够使复杂生物分子解折叠和变性。微波预解决能够破碎污泥絮体构造，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，微波解决的过程中，其热效应能够加紧有机物的水解反映速率，破坏菌体的细胞构造，改善脱水性能。当水解温度为170℃、反映时间为10min时，污泥经离心后含水率减少至65.5%。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：微波解决是污泥脱水的有效办法。Fang等通过研究微波解决过程中影响因素对活性污泥脱水特性的影响发现：当用1000W，2450MHz的微波照射污泥时，能够破坏污泥中蛋白质的分子构造，使污泥絮体周边的可溶性蛋白增多，但对污泥的脱水特性不产生明显的影响。当微波照射时间增加时，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。另外，微波照射破坏污泥的絮体内部构造，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电渗析电渗入脱水机理重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互相作用，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。另外，电渗析解决还涉及电化学氧化、电阻加热和pH梯度效应等机理。华海洁研究发现，电渗析能够破坏污泥颗粒表面的毛细构造，增进毛细水的析出。同时，能够破坏污泥细胞的构造，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。实验成果表明：当电解电压不大于20V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15～20V、电解时间为15～20min时，污泥的脱水效果最佳。当电解电压超出30V后，破坏了污泥的絮体构造和完整性，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热水解热水解预解决的温度为40～180℃。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的颗粒与污泥絮体发生分离，从而变化污泥絮体的构造。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。研究成果表明，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，污泥粘度随之减少，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构造在热水解过程中的变化发现：热水解预解决能够破坏污泥的多孔网状构造，使污泥的絮凝体颗粒变小且更加均匀，最后使热水解预解决污泥的脱水性能提高了4.6%±0.5%。表1列出了不同物理预解决办法污泥脱水效果。Part2化学预解决办法2.1混凝(絮凝)解决混凝(絮凝)预解决是指在污泥脱水前向污泥中投加适宜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。其作用机理重要涉及：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次序对污泥的脱水效果含有明显的影响。当混凝剂的投加量为10%PAC+0.5%PAM时，污泥的脱水效果最优，污泥比阻由原来172×1010m/kg减少至12.8×1010～2.51×1010m/kg，Zeta电位由-21.6mV升高至(2.2±0.3)mV，污泥的脱水性能得到明显的升高。2.2酸/碱解决酸/碱预解决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等变化污泥中不同EPS的分布比例，破坏污泥絮体的细胞构造，从而有助于束缚水的释放，从而提高污泥的脱水性。酸性预解决能够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电位由负值增加至靠近于0，减少静电排斥，提高污泥的絮凝效果、聚集性和脱水效果。碱预解决通过膜蛋白的增溶和膜脂的皂化作用，破坏污泥的细胞构造，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列出了不同化学预解决办法污泥脱水的效果。He等通过看待解决的污泥进行硫酸预解决，水解污泥中的胞外聚合物，破坏微生物的细胞构造，变化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等通过研究盐酸预解决对污泥厌氧消化和脱水性能的影响发现，盐酸预解决能够使污泥中的碳水化合物、多糖、COD等溶解，增加反映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。另外，酸性预解决能够减少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，从而有助于后续聚合物对污泥的絮凝作用，提高污泥的脱水效果。Su等采用碱性预解决强化污泥的脱水性能，实验成果表明，当增加Ca(OH)2与NaOH的比例时，污泥的脱水性能得到提高。这重要是由于Ca(OH)2能够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，破坏污泥絮体的构造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能另外，污泥絮体中的胞外聚合物和难降解有机物能够被氧化生成溶解性的有机物，甚至能够直接氧化生成二氧化碳和水，达成污泥减量化的目的。氧化法普通涉及臭氧氧化、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重要涉及：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、细胞构造的破坏、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。臭氧能够破坏细胞膜和菌胶团构造，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。臭氧氧化污泥预解决的作用机理如图1所示。Meng等在臭氧法持续解决污泥的过程中，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12h的持续解决过程中，前4h臭氧与溶液反映强烈，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(158±7)mg/L减少至(138±7)mg/L。这重要是由于臭氧与蛋白质中的酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸残基发生反映，攻击蛋白链上的特定残基，快速减少蛋白质的浓度和荧光物质的浓度。经臭氧氧化后，污泥中蛋白质和多糖的平均分子量减少了4个数量级，表明部分胞外聚合物被臭氧氧化降解，从而使大分子量物质转化成为小分子量的物质。Dytczak等通过对比两组序批式反映器中臭氧的投加量，以污泥体积指数(SVI)和CST为参考，研究部分臭氧化对回流污泥脱水性的影响。实验成果表明：臭氧预解决能够破坏污泥絮体中TB-EPS的构造，使其转化生成溶解性的S-EPS。2.3.2Fenton氧化Fenton氧化预解决是指在酸性条件下，通过催化剂Fe2+和H2O2反映，生成含有强氧化活性的羟基自由基(·OH)，降解污泥胞外聚合物和污泥细胞，释放细胞内物质和结合水，从而达成污泥脱水的目的。Fenton反映的效果重要取决于试剂的浓度、H2O2与Fe2+的比例、反映时间、初始pH和反映温度。Fenton氧化污泥预解决的作用机理如图2所示。He等通过胞外聚合物的破坏、污泥细胞的溶解、结合水的释放和污泥絮体中的典型金属浓度的变化，研究类Fenton办法对污泥脱水的影响。成果表明，污泥经类Fenton试剂解决后，污泥的含水率从80.0%减少至66.1%，污泥絮体构造发生分解，污泥絮体中的重金属(Zn、Mn、Cu、Cd、Pb和Ni)释放进入上清液中。污泥中结合水的含量由原来的1.22g/(gDS)减少至0.30g/(gDS)，这重要是由于污泥经类Fenton试剂解决后，污泥的接触角变大，Zeta电位由负值逐步升高，静电斥力变小，污泥细胞的疏水性得到了提高，污泥细胞疏水的表面热力学特性增进了自由水和表面水的释放，从而提高了污泥的脱水性能。Zhen等通过界面响应法优化H2O2浓度、Fe2+浓度和初始pH等实验参数。实验成果表明，当H2O2浓度为178mg/(gVSS)，Fe2+浓度为211mg/(gVSS)、初始pH值为3.8时，由于Fenton试剂所造成的污泥絮体的破碎和微生物细胞的溶解，污泥的CST减少，污泥的脱水性能得到明显的提高。潘胜等通过污泥CST、泥饼含水率等变化，研究Fenton试剂对污泥脱水性能的影响。实验成果表明：在抽滤脱水过程中，当反映pH值为3、H2O2投加量为3g/L、H2O2/Fe2+质量比为8～12时，泥饼的含水率最低，并且经Fenton试剂解决后，污泥的颗粒粒径变小，上清液中蛋白质和多糖的含量明显升高，改善了污泥的脱水性能。2.3.3过硫酸盐氧化过硫酸盐氧化是指过硫酸盐能够在高温、紫外光照射和过渡金属的激发下，生成含有氧化能力的硫酸根自由基width=56,height=15,dpi=110从而破坏破坏荧光物质的特定官能团，引发聚合链断裂，并且破坏污泥细胞，造成胞外聚合物中的结合水、胞内物质及胞内水的释放，增强污泥的脱水性能。Fe2+和Fe0活化过硫酸盐氧化的过程如图3所示。Zhen等研究了铁活化过硫酸盐氧化对不同的温度条件下(25、40、60、80℃)，中温厌氧消化污泥脱水性能的影响。实验成果表明，当使用铁活化过硫酸盐氧化预解决后，不同温度厌氧消化污泥的CST均呈现明显的减少，且在相似的过硫酸盐投加量状况下，污泥的脱水性能随着温度的升高而提高。这重要是由于过硫酸盐能够通过高温引发反映，当温度升高时，过硫酸盐分解生成width=30,height=14,dpi=110从而增强铁活化过硫酸盐反映，加速胞外聚合物的降解和污泥细胞的溶解。另外，当向污泥中投加铁盐和过硫酸盐时，污泥的Zeta电位也随着升高。这重要是由于铁盐和过硫酸盐投加，污泥絮体的构造被生成的width=30,height=14,dpi=110破坏，并且反映体系中的Fe2+和Fe3+含有电中和的作用，从而使污泥絮体间的静电斥力减少，有助于污泥的絮凝沉降。Part3组合预解决上述的多个预解决办法即使在一定程度上能够提高污泥的脱水效率，但同时这些办法又有某些局限性，如能耗高、药剂投加量高等。表3列出了不同的预解决办法在污泥脱水中的优缺点。组合预解决是指将上述的物理、化学等预解决方式通过一定的次序组合起来，从而消除或者削弱某一单一预解决方式所存在的局限性，充足发挥多个预解决方式的潜力，从而强化污泥的脱水效果。Xiao等通过结合超声预解决和酸性预解决，探究污泥中影响其脱水性的重要有机化合物的性质。成果表明，在高超声功率的条件下，污泥中生物聚合物的浓度增加，污泥的过滤性能变差。然而，当结合后续的酸化预解决时，污泥中有机物的浓度减少，Zeta电位由(-12.45±0.07)mV升高至(0.58±0.02)mV，并且污泥絮体增大，强化了污泥的脱水性。Liu等[将微波解决和酸化解决组合起来用于提高污泥的脱水性，实验成果表明，高能量微波辐射有助于污泥絮体的破碎和污泥中聚合有机物的释放，但会造成污泥絮体表面电位减少，减少了污泥的可脱水性。通过微波-酸化预解决(温度为100℃，pH值=2.5)，增加了聚合有机物的释放，酸化解决通过质子化作用减少了Zeta电位，从而使污泥的CST由原来的37.7s减少至9.2s，结合水的含量由(1.96±0.19)g/(g干污泥)减少至(0.88±0.24)g/(g干污泥)，提高污泥的脱水性。Part4结语4.1物理预解决法超声预解决在本质上是一种物理过程，不会产生二次毒性化合物。超声解决的过程中会产生大量的活性自由基，从而分解污泥中的毒性和难降解有机物，如芳香族化合物、表面活性剂、有机染料等。另外，超声预解决含有效率高、可控性好、解决均匀等优点。在较高的超声辐射能量下，污泥絮体的颗粒粒径变小，减少了污泥的边界效应，即使有助于污泥的再次絮凝，但会造成污泥颗粒吸附大量的自由水从而使污泥的脱水效果变差。另外超声预解决的效果受超声强度、解决时间和工作频率的影响，作用机理复杂，需要对控制参数进行优化才干实现解决效率和能耗的平衡。微波预解决通过容积加热实现对污泥的预解决，与传统的热传递的加热方式不同，微波解决的过程中没有热传递所产生的能量损失，含有加热速度快(约200℃/min)、受热均匀、热效率高、反映敏捷等特点。但是由于微波预解决的过程中，污泥絮体中的蛋白质，多糖，核酸等高分子有机聚合物的释放，会造成污泥比阻和黏度的增加，从而减少污泥的过滤性。电渗析预解决受