关于污泥脱水的研究
摘 要：城市污水处理厂处理过程中会产生大量污泥，含水率很高。文章叙述了污泥中所含水分的类型，并具体介绍了几种常见的脱水方法。
关键词：污泥，水分，脱除
在城市污水处理厂处理过程中，产生大量含水量很高的污泥是必然的，而且这些污泥具有容量大、不稳定、易腐败、有恶臭的特点，若不加处理，任意排放，将引起严重的二次污染。目前，从国外到国内，污泥处理的方法主要从四个方面去考虑。一是稳定化，消除恶臭；二是无害化，杀死虫卵及病菌；三是减容化，便于运输处置；四是资源化，实现污泥的*终利用[1]。本文就减容化中污泥的水分及脱除作进一步的探讨。
1、污泥的产生
城市污水厂的污泥是指处理污水时所产生的固态、半固态及液态的废弃物，含有大量的有机物、重金属以及致病菌和病原菌等，如果不加处理任意排放，会对环境造成严重的污染。对污泥处理总的要**稳定化、无害化和减量化。
2000年我国工业和城市生活废水排放总量为415亿吨，其中工业废水排放量为194亿吨，城市生活污水排放量为221亿吨。化学需氧量（COD）排放量1445万吨，其中工业废水中COD排放量705万吨，生活污水中COD排放量为740万吨。由此可见工业废水和生活污水平均COD浓度大致相同。如果万吨废水污泥产生量的平均值为2.7 吨（干重），415亿吨废水65％用生物处理，则将产生污泥728万吨（干重）。2000年国内工业废水处理率为94.7％，生活污水25％，按此计算我国每年产生的污泥量约420万吨。这些数量巨大的污泥将成为未来急需处理的难题[2]。
2、污泥中的水分
污泥中含有大量的水分，这可以用含水率来表示。污泥的含水率是指污泥中所含水分的质量百分比，它直接与污泥的收集、储存、输送、处理处置相关，对于有机性污泥的含水率还与污泥稳定性有关。含水率也是衡量脱水设备的工作性能和污泥回收产品质量的重要指标。通常污泥含水率随有机物含量的增加而升高。污泥的体积V、质量W、含水率p和固体浓度C之间存在如下数量关系：
V1/V2＝W1/W2＝（100－p2）/（100-p1）＝C2/C1[3]
式中，各项参数指污泥脱水前后的污泥体积（L或m3）、质量（kg或T）、含水率（％）、固体浓度（mg/L或g/L）。
含水率很高几乎是一切污泥的共性，城市污水厂的初沉污泥含水率一般为95％～97％，而二沉污泥含水率则高达99％以上。污泥含水率很高，导致体积庞大，不但给输送、处理与处置带来很大的负担，而且对回收利用也不利。另外，含有大量微生物的有机性污泥在高含水率条件下特别容易腐败变质。总而言之，降低含水率是污泥处理处置的**道工序，是所有污泥处理中的重中之重[3]。经过脱水处理后的污泥其体积大大减少，易于开展综合利用。
图1 污泥所含水分示意图[2]
污泥中的水分大致分为四类（见图1）：颗粒间的空隙水，约占污泥水分的70％，一般用浓缩法分离；在污泥颗粒间形成一些小的毛细管，其中充满的水称毛细水，约占20％，可采用高速离心机脱水、负压或正压过滤机脱水；颗粒的吸附水被吸附在颗粒表面，约占7％左右，可用加热法脱除；存在于污泥颗粒内部或微生物细胞内的水称为内部水，约占污泥的3％，可采用生物法破坏细胞膜除去胞内水或高温加热法、冷冻法去除。污泥中水分与污泥颗粒结合的程度由大到小的顺序为：内部水>吸附水>毛细水>空隙水，结合程度越高，越难脱除。
3、污泥中水分的脱除
污泥处理与处置的主要目的是减少水分，为后续处理、利用和运输创造条件；消除污染环境的有毒有害物质；回收能源和资源。污泥的处理处置工艺包括污泥的浓缩、消化、脱水、干化及焚烧等方法以及*终处理。在这些方法中，减容是*重要的过程，其投资约占污水厂总投资的12％～30％，而污泥脱水是其中费用较高，机理*不清楚的过程之一。高效脱出占污泥含量95％以上的水分，成为经济、高效处理污水污泥的关键环节。我国城镇建设行业标准之城市污水处理厂污水泥排放标准第4.3条指出：在厂内经稳定处理后城市污水处理厂污泥宜进行脱水处理，其含水率宜小余80％。国内现有的污泥处理处置基本是浓缩和脱水，污泥经浓缩和脱水后，一般含水率也只能降低到80%左右，而发达国家正逐步要求污泥的含水率降低到20%～30%。另外，我国不具有污泥脱水处理的污水厂约占48.65％。因此，摆在我们面前的是一个严峻的问题。
3.1 污泥脱水的指标要求[9]
污泥脱水指标主要包括脱水效果和经济性两方面。
脱水效果主要反映设备的污泥脱水分离性能是否符合要求，主要指标有：滤清液含固率、泥饼含固率、污泥回收率等。
经济性指标主要指设备运行成本，主要指标有：絮凝剂投加量、污泥处理量、电耗
等。
絮凝剂投加量：指每吨干污泥（不含水分）与干粉絮凝剂投加量之比，单位：kg/T或0/00，絮凝剂一般占到运行成本的3/4左右，是一个重要的经济指标。
污泥处理量：是设备的污泥处理能力，反应劳动生产率。
电耗：反应设备能耗。
表1是城市污泥脱水对这些指标具体要求。
表1 污泥脱水指标
指标 | 泥饼含固率（％） | 滤清液含固率（％） | 污泥回收率（％） | 絮凝剂投加量（‰） |
要求 | ≥20 | ≤0.3 | ≥95 | 2～4 |
3.2 污泥脱水方法
污泥脱水的方法主要有自然干化和机械脱水两种。
3.2.1自然干化
自然干化在干化场中完成。它是将污泥放到砂场上利用自然的力量进行干化，同时，一部分水还通过砂层过滤而去除。其具体过程由过滤、沉淀、干化等几个阶段组成，其中过滤和沉淀是通过重力作用，蒸发干化则是利用太阳的热能进行的。但是，在具体的操作过程中，要掌握好各个阶段是比较困难的。同时，过滤、沉淀、干化等的效率明显受到地理条件限制。由于干化场需要相当大的面积，在用地少的国家是不太适用的，但在欧洲则被广泛采用[4]。
3.2.2机械脱水
机械脱水能有效降低污泥体积，可以为污泥的后续处置打下良好基础。
3.2.2.1污泥的调理
为了提高脱水机械的生产能力和降低运行电耗，在进行污泥机械脱水前往往对污泥进行必要的预处理，此过程通常称为污泥的调理或调解。常用的方法有化学调理、淘洗调理、热法调理、冷却调理和辐射调理。淘洗法仅用于消化污泥的调理，而其它方法主要用于降低污泥比阻。
① 化学调理
污泥脱水的关键是改善污泥的脱水性能，投加混凝剂、助凝剂等化学药剂，使污泥凝聚、提高脱水性能因操作简单、效果好而成为比较常用的方法。其作用原理是絮凝剂通过絮凝作用，减小了污泥与水的亲和力，改变了污泥中水分的存在形式，从而达到易于脱水的目的。
常用的絮凝剂有无机与有机两大类。无机絮凝剂包括铝盐、铁盐两类，主要是对水中具有相反的电荷的胶体起中和、压缩双电层作用。从而使胶体脱稳凝聚，实现固液分离，但投加量大，效果不佳。有机絮凝剂包括聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）等，主要是对已脱稳的凝聚颗粒起吸附架桥作用，从而使其快速形成大的絮体，易于分离，但悬浮物的回收率低，滤饼含水率高。从近几年的发展来看，PAM的效果比较好，因而应用比较广泛。同时，郭亚萍等也将无机絮凝剂与有机絮凝剂复合使用，效果也不错[5]。
另外，同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室研究了表面活性剂及酸处理对污泥脱水性能的影响[6]，指出：表面活性剂无论单独或与FeCl3和CaO混合使用，都能提高离心脱水的效果。而且他们还提出了表面活性剂和酸处理的作用机理，表面活性剂的作用原理是：分散作用使污泥絮体结构分散解体，释放出原絮体内部的结合水；增溶作用可溶解有高度水合作用的ECP；酸处理的作用机理是：H＋与污泥的结合，改变了污泥的表面电荷特性，促进了污泥絮体间进一步的絮凝；使ECP水解，降低了絮体对水的亲和力。
化学调理中一般选用石灰作助凝剂，用来调节污泥的pH值。
混凝剂的投加量以占污泥固体干重的百分比计，一般无机混凝剂投加量约为7～20％，高分子聚合电解质（如PAM）投加量约为1％以下[2]。
② 热法调理[2][3][7]
热法调理的原理是将污泥加热，使污泥中的细胞物质破坏分解，细胞膜中内部水游离出来，亲水性有机胶体物质解体，从而提高污泥脱水性能。该法除了提高脱水性外，不需加药剂，不增加滤饼量，能杀死病原菌，从卫生学角度看是有利的，并且特别适宜脱水性能差的污泥处理。但也存在下述缺点：管道弯头磨损、腐蚀较严重，容易在管道壁结垢；向处理厂四周散发恶臭，环境状况不好；污泥可溶性有机物浓度高，需二次处理；加热加压处理时间长，设备费用、运行费用均高；处理后的污泥热值低。
按照加热温度的不同，可以分为高温加压调理（170～200℃，1.0～1.5MPa）和低温加压调理（150℃以下，0.3～0.4MPa）两种。高温加压调理后的污泥，含水率可降至80％～87％，比阻降到0.1×109m/kg，经过机械脱水后污泥含水率可降低到30％～40％（而直接脱水后污泥含水率为70％以上）；但设备易结垢，热交换率降低，分离液中溶解性物质增多，致使分离液处理困难。因此，低温加压调理近年得到发展，它使有机物的水解受到控制，分离液BOD5较高温加压调理低40％～50％。
③ 冷却调理[2][3]
污泥经过反复冷冻后可破坏固体与水的结合力和破坏胶体的结构（类似于冷冻后的
内脂豆腐），使胶体脱稳凝聚且细胞膜破裂，污泥颗粒迅速沉降，脱水速度比冷冻前提
高几十倍。冷却调理在国外发展较快，它不需药剂，处理后的污泥适用于肥料或饲料，
且比热法处理节省能源。
④ 淘洗[3][7]
淘洗是将固体或固液混合物与液体完全混合，使某些组分转移到液体中去。淘洗调理适宜于消化污泥的预处理，因为它可以除去消化污泥中可能消耗大量调理剂的某些可溶性有机物和无计组分,其反应情况大致如下：
当用氯化铁作为絮凝剂时：
FeCl3＋3NH4CO3 → Fe（OH）3＋3NH4Cl＋3CO2
当用铝盐作为絮凝剂时：
Al3＋＋3HCO3→ Al（OH）3＋3CO2
一般情况下，经淘洗厚，调理剂的消耗量可减小50％～80％。但是，淘洗污泥的费用往往超过由于降低调理剂所节省的费用，因此，这种方法现在较少采用。
3.2.2.2污泥的机械脱水
污泥经过调理后，就进入具体的机械脱水阶段。污泥的机械脱水是以过滤介质两面的压力差为推动力，使污泥中的水分被强制通过过滤介质（称滤液），从而使固体颗粒被截留在介质上（称滤饼），达到脱水的目的。
污泥是否适合机械脱水处理,主要取决于其脱水性能。污泥比阻是判断污泥脱水性能的综合性指标,它是单位过滤面积上单位干重滤饼所具有的阻力，在数值上等于粘滞度为1g/(s·cm)时,滤液通过单位质量的滤饼产生单位滤液流速所需的压差。一般认为比阻值r﹥1.0×109s2/g的污泥难于机械脱水，而r﹤0.5×109s2/g的污泥易于机械脱水[8]。污泥的比阻大小与污泥中有机物含量及其成分有关，废水生物处理排出的有机性污泥中多聚糖类粘性物质含量很高，炼油化工厂隔油池底泥粘性高、含水率高，这些都是比阻很大的污泥[3]。
常见的污泥机械脱水方法有压滤法、离心法等。不同的脱水方法其工艺原理、脱水
设备及适宜的处理对象也有较大差异。表3为上述几种污泥脱水方法的优缺点、使用范
围及一般情况下脱水泥饼的含水率。
表3 几种污泥脱水方法的优缺点、适用范围及泥饼含水率[3][7]
脱水方法 | 优 点 | 缺 点 | 适用范围 | 泥饼含水率 |
带式压滤机 1.连续脱水 2.机械挤压 | 能连续操作，运行平稳，可以自动控制，污泥处理量较大，滤饼含水率较低。 | 污泥脱水前需进行预处理,附属设备多，工艺复杂,运行费用较高。 | 适于初次沉淀污泥和消化污泥的脱水 | 60%～80% |
板框式压滤机 1. 间歇脱水 2. 液压过滤 | 制造方便，适应性强，自动压滤机进料、卸料及滤饼均可自动操作，自动化程度较高，滤饼含水率低 | 间歇操作，处理量较低 | 适于各种污泥脱水 | 45%～80% |
离心脱水机 1.连续脱水 2.离心作用 | 能连续生产，可自动化控制，占地面积小，卫生条件好。 | 污泥预处理要求较高，电耗量较大，机械部件易磨损，分离液不清，滤饼含水率较高。 | 不适于含砂粒量高的污泥。 | 80%～85% |
造粒脱水机 造粒脱水 | 设备简单，电耗低，管理方便，处理量大。 | 钢材消耗量大，混凝剂消耗量较高，污泥泥丸紧密性较差。 | 适于含油污泥的脱水 | |
参考文献
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[5] 郭亚萍等.复合絮凝剂对生活污泥脱水的研究[J].工业用水与废水，2003，34（3）:73～76.
[6] 袁园等. 表面活性剂及酸处理对污泥脱水性能影响的研究[J]. 四川环境，2003，22（5）:1～8.
[7] 韩洪军.污水处理构筑物设计与计算[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.
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[9] 李振威.LWD430—W 型卧螺离心式污泥脱水机组介绍[J].过滤与分离，2000，10（1）:21～23.
Study On the Water Containedin Sludge
Song Xianqiang
School of EnvironmentalScience and Engineering
Sun yat-sen University, Guangzhou,510275
Abstract：Sewagedisposal plants in city bring much sludge in the process ofoperating.The water content rate is very high. The paper introducesthe type of the sludge waterand several methods ofdewatering.
Keywords:sludge, water,dewatering