污泥浓缩脱水及相关技术研究进展
摘要:文章对污泥浓缩、污泥调理、污泥脱水技术发展现状进行了介绍，着重对主流污泥脱水技术及设备选型进行了分析比较，强调了污泥处理技术具有各自的适用范围。此外还介绍了超声波技术在污泥处理领域应用的前景。
目前国内针对污水处理厂的污泥处理的主要技术手段是稳定后浓缩脱水，但选择不同的污泥浓缩脱水技术和调理方法对于污水处理厂污泥的处理效果、运行费用将会产生较大影响。
1 污泥浓缩
污水处理厂的剩余污泥的含水率很高，一般达到96%～99.3%（市政污水处理厂剩余污泥含水率一般为99.2%）。污泥浓缩的目的在于降低污泥中的水分含量，减少污泥体积，以利于运输（保持其流动性）及后续处理和处置利用。污泥中水的存在形式有以下几种：
（1）游离水或自由水。与污泥颗粒无关，可通过过滤去除，在不同种类污泥中，其含量变化很大。
（2）毛细水。存在于污泥固体颗粒内部毛细管内，由于表面张力作用而存在，一般占污泥非自由水分的20%左右，可离心去除。
（3）间隙水。存在于污泥固体颗粒间隙中，为固体颗粒污泥所包围，一般可通过浓缩去除，约占污泥中非自由水分的70%。
（4）表面吸附水。又称湿存水，吸附在污泥颗粒表面并形成一层薄的水膜，其含量与颗粒表面特性有关，约占污泥非自由水分的7%，可通过蒸发、离心去除。
（5）内部水。又称结合水，存在于颗粒内部或微生物细胞内，约占污泥非自由水分的3%，靠机械方法难以去除。
污泥浓缩常用的方法有重力浓缩、加压过滤浓缩和离心浓缩 3 种，此外还有气浮浓缩、隔膜浓缩等，但应用领域十分有限。浓缩后的污泥含水率仍会高达90%以上（市政污水处理厂浓缩污泥含水率一般为97%），故污泥浓缩仅仅能去除污泥中的部分自由水和间隙水。
2 污泥调理
由于有机污泥是以有机物微粒为主体的悬浊液，颗粒很细且具有胶体特性，与水有很大的亲和力，浓缩后的含水率仍在90%～97%，尤其是活性污泥更是如此，脱水性能较差。因此，有必要对污泥进行调理，改善污泥的脱水性能，提高污泥脱水效率。污泥调理方法主要有：
2.1 污泥洗涤
污泥洗涤又称污泥淘洗，是利用处理后的回用水与污泥混合（水∶泥=2～5∶1）淘洗后将污泥沉淀下来的一种预处理方法。目的是降低污泥的碱度和粘度，节省药剂的用量，提高机械脱水的效果，降低污泥脱水的运行费用。该方法主要用于消化污泥的预处理，不适用于生污泥。生污泥洗涤效果较差，一般采取直接加药调理。
洗涤法处理污泥简单方便，但效果一般。
2.2 加药调理（化学调理）
加药调理法是通过向污泥加入助凝剂、絮凝剂等化学药剂，促使污泥颗粒絮凝并改善其脱水性能的一种预处理方法。污泥中的固体粒子属于细小带负电水合粒子，会和污泥形成一种稳定的胶体悬浮液，影响固液分离效果。加药调理就是通过减少污泥粒子与水的亲和力，使污泥粒子凝聚力增大并形成粗粒化。
其原理为：各类混凝剂产生带正电荷的离子，与污泥颗粒上的负电荷相互吸引而中和，使电荷减小，从而降低相互间的排斥力，在范德华力作用下克服静电排斥力而凝聚。加入混凝剂后增加了污泥中的离子浓度，通过正负电荷静电引力，使离子相互迅速靠近，破坏污泥中原有的漫伞双电层，使其变薄，而颗粒凝聚度增大，从而改善污泥的沉降性能和脱水性能。
加药调理法处理效果较好，但运行成本较高。
2.3 加热调质
污泥加热调质又称污泥蒸煮处理，通过加热使部分有机质分解、亲水性有机胶体水解、细胞分解，细胞膜中的水分游离出来，从而改善污泥浓缩及脱水性能。该方法对于活性污泥的脱水预处理特别有效。其优点是调质效果较好，滤饼不增容，可灭菌；缺点是换热器易腐蚀结垢，蒸汽口有恶臭，设备较复杂，费用较高。
污水处理厂附近有可利用的废热时可以考虑采用加热法处理污泥。
2.4 冻融调理
冻融调理法是将污泥冷冻至零下20℃后再融化的一种改善污泥沉降性能的预处理方法。
其原理为：由于温度大幅度变化，使污泥胶体脱稳凝聚且细胞膜破裂，细胞内水分游离出来，从而提高了污泥的沉降性能和脱水性能，沉降速度可提高2～6倍，过滤产率可提高到200kg/m2·h，滤饼含水率为50%～70%。目前已被广泛应用于给水污泥处理。其优点是无需加混凝剂，不增加滤饼量。
以污泥做肥料再利用时，为防止有效成分分解常采用冻融法。
3 污泥脱水
污泥浓缩后，用物理方法进一步降低污泥的含水率，便于污泥的运送、堆积、利用或作进一步处置。污泥脱水有自然蒸发法和机械脱水法两类。习惯上称机械脱水法为污泥脱水，称自然蒸发法为污泥干化。
3.1 自然蒸发法
将浓缩后的污泥在污泥干化场上铺成薄层，污泥所含水分一部分自然蒸发，一部分渗入土壤或滤水层。渗滤水通过铺设在地下的排水管集中排走。排水管下面还须用粘土压实形成不透水层（或铺设防渗摸），以防止污染地下水。这种方法可使污泥的含水率降到65％～80％，污泥已没有了流动性，可用作肥料。夏季温度高，蒸发量大，周期短，污泥自然蒸发一般也需要10天以上，因此占地面积较大。此法在干燥少雨且土地资源较宽裕的地区可以采用，还可以作为机械脱水系统的事故应急处置方法。
自然蒸发法方法简单，易于管理，但占地大，受气候影响大，卫生条件差，对某些不易脱水的污泥效果不好。
3.2 机械脱水法
在污泥采用机械脱水前，一般先采用加药调理法，用化学调理的措施改善污泥的脱水特性，提高效率。冻融调理措施也是常用的一种污泥调节措施，能破坏污泥的亲水胶体结构，并大幅度提高脱水率。
常用的机械脱水法有：
（1）真空过滤法
机械型式较多，分为转鼓式、盘式、带式等多种。水处理行业中多使用转鼓式，一般是用横断面为圆形的滚筒，外张滤布，部分浸入污泥槽中。滚筒内抽为真空，部分水分透过滤布排出,污泥被截留在滤布上后随着滚筒的转动脱落下来，收集处理。脱水后的污泥的含水率约为80％。
（2）加压过滤法
加压过滤法分为带式压滤、鼓式压滤和板框压滤等。目前在水处理行业的污泥脱水中，大多使用带式压滤机，污泥用滤布挤压脱水，压力为3～5kgf／cm2。脱水后污泥含水率为70％～85％。
（3）离心分离法
离心脱水机分为立式和卧式两种，目前国内水处理行业主要使用卧式离心脱水机中的卧式螺旋沉降离心机形式（简称卧螺离心机），离心机转速为2000～4000转／分。污泥中的固体物在离心作用下向离心机转筒周壁上密集，并经固定在中轴上的螺旋叶片推出筒外收集。离心分离法的优点是容易操作，比上述两种过滤法节省运行费用；但分离液中仍有50％～60％的悬浮物，会给后续处理造成一定困难。
机械脱水法占地面积较小，不受气候条件影响，脱水效果比较稳定，但需要设备和动力，管理比较复杂。
3.3 污泥脱水设备选型
一般大中型污水处理厂均采用机械脱水，使用较多的是带式压滤机、卧螺离心机两类。
3.3.1 带式压滤脱水机
带式压滤脱水机是由上下两条张紧的滤带夹带着污泥层，从一连串有规律排列的辊压筒中呈S形经过，依靠滤带本身的张力形成对污泥层的压榨和剪切力，把污泥层中的毛细水挤压出来，获得含固量较高的泥饼，从而实现污泥脱水。
一般带式压滤脱水机由滤带、辊压筒、滤带张紧系统、滤带调偏系统、滤带冲洗系统和滤带驱动系统构成。作机型选择时，应从以下几个方面加以考虑：
（1）滤带。要求其具有较高的抗拉强度、耐曲折、耐酸碱、耐温度变化等特点，同时还应考虑污泥的具体性质，选择适合的编织纹理，使滤带具有良好的透气性能及对污泥颗粒的拦截性能。
（2）辊压筒的调偏系统。一般通过气动装置完成。
（3）滤带的张紧系统。一般也由气动系统来控制。滤带张力一般控制在0.3～0.7MPa，常用值为0.5MPa。
（4）带速控制。不同性质的污泥对带速的要求各不相同，即对任何一种特定的污泥都存在一个最佳的带速控制范围，在该范围内，脱水系统既能保证一定的处理能力，又能得到高质量的泥饼。
带式压滤脱水机受污泥负荷波动的影响较小，并具有出泥含水率较低且工作稳定能耗小、管理控制相对简单、对运转人员的素质要求不高等特点。同时，由于带式压滤脱水机进入国内较早，已有相当数量的厂家可以生产这种设备。在污水处理工程建设决策时，可以选用带式压滤机以降低工程投资。
3.3.2 卧式离心式脱水机
卧式离心脱水机的核心部分由转毂和带空心转轴的螺旋输送器组成，污泥由空心转轴送入脱水机后，在高速旋转产生的离心力作用下，立即被甩人转毂腔内。污泥颗粒比重较大，因而产生的离心力也较大，被甩贴在转毂内壁上后形成固体层；水密度小，离心力也小，只在固体层内侧产生液体层。固体层的污泥在螺旋输送器的缓慢推动下，被输送到锥端，经周围的出口连续排出，汇集后排出脱水机。
卧式离心脱水机的关键部件是转毂，转毂的直径越大，脱水处理能力就越大，污泥的含固率就越高，但由于其制造及运行成本都相当高，很不经济。使用过程中，转速是一个重要的控制参数，控制转毂的转速，使其既能获得较高的污泥含固率又能降低能耗，是离心脱水机运行效果的关键。目前，多采用低速离心脱水机。在进行离心式脱水机选型时，因转轮或螺旋的外缘极易磨损，对其材质要有特殊要求。新型离心脱水机螺旋外缘大多做成装配块，以便更换。装配块的材质一般为碳化钨，价格昂贵。
卧式离心脱水机有噪音大、能耗高、处理能力较低等缺点。国内目前只有为数不多的几个企业可以生产小型离心脱水机，如果选择大型离心脱水机，就只能依靠进口，这样就会增加工程投资；同时，离心脱水机受污泥负荷的波动影响较大，对运行人员的素质要求较高。近几年来，随着科技进步，离心式脱水机的应用范围越来越广泛，其泥饼含固率可达30％以上，而且操作也是在全封闭的环境中进行，脱水机周围没有污泥、污水及恶臭，大大改善了运行人员的工作环境。
4 超声波技术在污泥脱水中的应用
利用超声波处理浓缩污泥是采用超声波段为20～100kHz的声波对经消化单元处理后的污泥进行处理。该方法可有效提高沼气生成量，增强对有机物的降解能力，提高污泥脱水能力，破坏分解污泥中的丝状菌，使整个生化处理系统的剩余污泥减量化，降低运行成本。
超声波处理污泥是近几年国际上新推出的污泥处理辅助技术。德国已经开始推广使用超声波技术处理浓缩污泥，英国、瑞典、美国、澳大利亚等国家也在测试这项技术。实验显示，浓缩污泥经过超声波处理后再进行厌氧消化，可以更有效地分解污泥和细菌，而且可以产生更多甲烷，并且处理过程不会产生其他副产品。欧洲国家的应用经验证明，使用超声波技术可使分解污泥的效率和沼气发生率都提高20%以上。
超声波处理浓缩污泥技术的控制参数（如超声波降解的时间、密度和浓度等），必须依污泥成分并经过实验确定。因此超声波技术在国内污泥处理领域的真正推广应用尚需时日。
5 结语
污水处理厂的污泥处理作为一类成熟技术也存在着很多不足，因此无论采用哪种技术都必需根据应用对象的实际情况，有针对性地选择。此外，还需要注意污泥处理的目标是在减量化、无害化的基础上最终实现资源化，污泥处理技术的选择应该立足长远，充分考虑到污泥作为一种资源应该被合理有效利用。
参考文献：
仲伟刚，王涛.结构设计对带式压滤机处理能力影响的探析[J].中国给水排水，2003（3）：90.
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