污泥自身特性及主要脫水手段簡介
行業(yè)動態(tài)
近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快及人口的增長，城市污水處理率逐年提高，污泥產(chǎn)量也急劇增加，對污泥的處理已經(jīng)成為一個極大的問題，如何迅速恰當(dāng)處置污泥迫在眉睫。污泥的成分非常復(fù)雜，除了含有大量水分外，還含有多種病原體、重金屬、難降解的有機物等有害物質(zhì)，且伴有惡臭等特點。如果未經(jīng)恰當(dāng)處理去隨意排放污泥，則會直接給環(huán)境帶來二次污染，不但會降低城市污水處理廠處理系統(tǒng)的有效處理能力，而且會對人體健康及環(huán)境、資源構(gòu)成嚴(yán)重威脅。一般情況下，處理污泥的成本是十分昂貴的，幾乎可以達(dá)到污水處理廠建設(shè)和運行費用的50%～60%，因此，污泥的處理面臨著極大的挑戰(zhàn)。
目前為止，我國對污泥處置處理的主要方法中，陸地填埋約占31%、污泥農(nóng)用約占44.8%、其他處置約占10.5%、沒有處置的約占13.7%，雖然這些所謂的“處理”基本上都是在特定的條件下估算的，嚴(yán)格來說以上數(shù)字將會有很大變化，但卻側(cè)面證明我國對污泥處置處理處于嚴(yán)重滯后狀態(tài)。目前，雖然眾多學(xué)者對污泥脫水的理論及技術(shù)的研究都有較大的突破，但對于污泥脫水的實際操作還存在較大的技術(shù)性難題。
本文將從污泥的自身特性及主要脫水手段兩方面展開介紹，其目的也是為污泥脫水這一問題服務(wù)的。
1 自身特性
污泥是水處理過程中形成的以有機物為主要成分的泥狀物質(zhì)，容易腐化發(fā)臭、顆粒較細(xì)、密度較小、含水率高且不易脫水，呈膠狀結(jié)構(gòu)的親水性物質(zhì)。污泥中有機質(zhì)、N、P含量很高，重金屬含量也很高，同時還含有大量的病原微生物。
1.1 微觀結(jié)構(gòu)
對污泥微觀結(jié)構(gòu)的研究主要是應(yīng)用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行的，掃描電鏡實驗具體步驟在本文不做介紹。
對于污泥的微觀結(jié)構(gòu)，可使用SEM進(jìn)行更加細(xì)微的觀察和分析，可觀察到大量細(xì)菌存在于污泥中，而球狀細(xì)菌是主要的細(xì)菌類群。除了微生物外，其它物質(zhì)如胞外多聚物、有機質(zhì)無機鹽等分散在細(xì)菌的周圍，與細(xì)菌、真菌等一起構(gòu)成污水處理廠中肉眼可見的活性污泥。其中的細(xì)菌有球狀和桿狀，成群聚集在一起，且表面結(jié)構(gòu)完整。污泥的絮體結(jié)構(gòu)的形成經(jīng)歷四個階段，即細(xì)菌增殖、絮狀體形成、絮狀體聚合和絮體結(jié)構(gòu)形成。大量增殖的細(xì)菌逐漸附著于污泥顆粒上并形成菌膠團(tuán)，污泥逐漸凝聚形成小的絮狀體，外觀上污泥的顏色由淺灰變?yōu)橥咙S色，小的絮狀體進(jìn)一步凝聚形成較大且結(jié)構(gòu)致密的絮體結(jié)構(gòu)。對于生活污水處理廠污泥，在微生物類群中球狀菌占據(jù)主導(dǎo)地位。污水中污染物的降解與去除主要是由污泥中的微生物完成，更進(jìn)一步來說，是由占據(jù)多數(shù)的各類細(xì)菌所完成的。
污泥脫水過程是一個動態(tài)變化的過程，每一個污泥脫水的階段，或者通過不同脫水手段對污泥進(jìn)行脫水，污泥單個絮團(tuán)的運動及絮團(tuán)合并的過程有可能不同，水分的散失方式也可能不同，污泥的微觀結(jié)構(gòu)變化也會有所不同。如何證明這一想法，還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
1.2 水分分布
污泥在不同含水率時，水分分布的形式是不同的，且在脫水過程中，水分的存在形式也是不斷變化的。
實際上，早在1956年，有學(xué)者就提出將污泥中的水分成自由水和結(jié)合水2種。但這樣簡單的分類不利于對污泥脫水的進(jìn)一步研究。
而后來的學(xué)者對污泥中的水分進(jìn)行進(jìn)一步研究，簡單來說，活性污泥中的水分主要可分為自由水和結(jié)合水兩大類。為了更換的理解污泥的水分分布，通常將污泥中的水分分為4種：
（1）自由水：與固體顆粒之間無作用力，通過簡單重力沉淀可實現(xiàn)固液分離。
（2）間隙水：絮體或生物體結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙中的水，當(dāng)絮體或生物體結(jié)構(gòu)被破壞時，空隙水可釋放出來。
（3）吸附水：與固體顆粒表面之間通過吸附或黏附結(jié)合的水。
（4）結(jié)合水：與固體顆粒表面通過化學(xué)鍵結(jié)合的水，結(jié)合水只能通過固體顆粒的熱化學(xué)破壞而得到釋放。
1.3 力學(xué)性能
力學(xué)性能對于污泥的處理具有重要意義，國外對于污泥填埋有詳細(xì)的參數(shù)指標(biāo)要求，其中主要的是兩類重要參數(shù)：一是污泥力學(xué)性能（承載能力）參數(shù)指標(biāo)；另一類為有機物含量指標(biāo)。
目前，對土樣的力學(xué)性能研究較多，而對于污泥的力學(xué)性能研究較少，對污泥的填埋、存儲輸送等缺乏理論及實踐經(jīng)驗的指導(dǎo)。因此，深入分析污泥的力學(xué)性能，建立污泥相關(guān)特性關(guān)系曲線，針對污泥的性質(zhì)制定適宜的處理工藝，對污泥的處置具有重要意義。
饒賓期等采用土工試驗，對污泥的密度、含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)等進(jìn)行了實驗研究，為深入了解污泥的工程性質(zhì)，解決污泥的填埋、儲存、輸送等提供參考依據(jù)。根據(jù)其實驗結(jié)果表明：
（1）污泥含水率明顯高于一般的土體。
（2）污泥初始孔隙比遠(yuǎn)高于一般淤泥（e0＞1.5）和淤泥質(zhì)土（1.5＞e0＞1.0）的孔隙比，具有高壓縮性，在某一壓力值（62.5～100KPa）會出現(xiàn)壓縮系數(shù)的極小值，污泥顆粒結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定?？辜魪姸群痛怪眽毫Φ年P(guān)系明顯分成兩部分，在垂直壓力大于某一壓力值時，污泥會出現(xiàn)超固結(jié)現(xiàn)象。
（3）結(jié)實污泥的抗剪強度、內(nèi)聚力都明顯高于松散污泥。
用來表征污泥脫水性能的另一個很重要的力學(xué)指標(biāo)就是污泥比阻，可通過污泥比阻測試測得。污泥比阻作為脫水性能評判標(biāo)準(zhǔn)不很明確。作為衡量污泥脫水性能的參數(shù)，污泥比阻對生產(chǎn)廢水污泥脫水性能的評判并沒有一個確定的標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為比阻小于1×1011m/kg的污泥易于脫水，大于1×1011m/kg的污泥難以脫水。
2 主要脫水手段
2.1 污泥自然干化法
污泥的自然干化是一種簡便經(jīng)濟的脫水方法，但容易形成二次污染。它適合于有條件的中小規(guī)模的污水處理廠。污泥自然干化主要用到干化場地，干化場即是將污泥對方進(jìn)行自然脫水的設(shè)施。干化場可分為自然濾層干化場與人工濾層干化場兩種，包括干化床式和砂濾床式。干化床式是利用太陽熱量和風(fēng)的作用進(jìn)行自然蒸發(fā)脫水，適用于給水污泥、排水污泥等。砂濾床式是依靠砂層過濾脫水以及利用太陽能和風(fēng)進(jìn)行自然蒸發(fā)脫水，適用于給水污泥、排水污泥，脫色廢水、洗毛廢水、電鍍廢水等處理后的污泥。
其脫水途徑為上部蒸發(fā)、底部滲透、中部放泄。自然干化法的影響因素包括自然條件（溫度、濕度、日照、蒸發(fā)量、風(fēng)速等）和滲水層特征等。干化后污泥的含水率可降至65～75%。
2.2 污泥機械脫水法
一般的大中型污水處理廠均采用機械脫水。機械脫水的基本原理都是以過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差作為推動力，使污泥中的水分被強制通過過濾介質(zhì)，形成濾液排出，而固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)上成為脫水后的濾餅，從而實現(xiàn)污泥脫水的目的。目前我國城市污水處理廠廣泛采用的方法是機械脫水，但機械手段對污泥的脫水程度有限（只能將污泥的含水率降至70%～80%）。
（1）真空過濾法
真空過濾法主要用于初沉池污泥和消化污泥的脫水，其特點是連續(xù)運行、操作平穩(wěn)、處理量大、能實現(xiàn)過程操作自動化。缺點是脫水前必須經(jīng)過預(yù)處理，附屬設(shè)備多、工序復(fù)雜、運行費用高、再生與清洗不充分，易堵塞。真空過濾脫水目前應(yīng)用較少。
真空過濾機是一種利用真空脫水原理的固液分離設(shè)備。真空過濾機有轉(zhuǎn)筒式、燒繩式和轉(zhuǎn)盤式三種類型，真空過濾機的主要設(shè)計參數(shù)是過濾機的產(chǎn)率，即單位面積在單位時間產(chǎn)生的干固體重量。以轉(zhuǎn)盤式真空過濾機為例，過濾盤由調(diào)速電機通過減速器及開式齒輪傳動來驅(qū)動過濾盤，在裝滿料漿的槽體中以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。真空泵作用于過濾圓盤的某一濾扇處。在過濾吸附區(qū)，過濾介質(zhì)兩側(cè)形成壓力差，使固體物料吸附在濾布上形成濾餅，而濾液則經(jīng)濾液管及分配頭排出。當(dāng)這一濾扇從料漿液位中脫離而進(jìn)入脫水區(qū)后，真空的抽吸力使得濾餅中的水不斷與濾餅分離，進(jìn)一步從濾液管及分配頭排出，濾餅得以干燥。在卸料區(qū)濾餅自濾盤上卸下，落入排料槽，由集料皮帶運走。整個作業(yè)過程連續(xù)不斷地重復(fù)進(jìn)行。真空過濾機可用于經(jīng)預(yù)處理后的初次沉淀污泥、化學(xué)污泥及消化污泥等的脫水。
（2）壓濾法
壓濾法與真空過濾法的基本理論相同，只是壓濾法推動力為正壓，而真空過濾法為負(fù)壓，常用的壓濾機械有板框壓濾機和帶式壓濾機。壓濾法適用于給水污泥和排水污泥等，由于構(gòu)造復(fù)雜，實用例子也較少。
帶式壓濾機是由上下兩條張緊的濾帶夾帶著污泥層，從一連串有規(guī)律排列的輥壓筒中呈S形經(jīng)過，依靠濾帶本身的張力形式對污泥層的壓榨和剪切力，把污泥層中的毛細(xì)水?dāng)D壓出來，獲得含固量較高的泥餅，從而實現(xiàn)污泥脫水。板框壓濾機工作時，靠壓力將一定數(shù)量的濾板加以固定，濾板表面包有濾布，當(dāng)緊壓在一起時，就形成了一連串相鄰的泥室，泥水進(jìn)入泥室后，在一定壓力的作用下，液體被擠出濾布流走，固體物則被濾布阻擋在泥室內(nèi)，形成含水率很低的泥餅，達(dá)到脫水目的。
（3）離心法
離心就是利用離心機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強大離心力，加快液體中顆粒的沉降速度，把樣品中不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開。離心脫水機就是利用離心力作用將泥水分離的一種機械設(shè)備。
離心過濾機分為臥式和立式。離心脫水機主要由轉(zhuǎn)鼓和帶空心轉(zhuǎn)軸的螺旋輸送器、差速器等組成。污泥由空心轉(zhuǎn)軸送入轉(zhuǎn)筒后，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，立即被甩入轉(zhuǎn)鼓腔內(nèi)。污泥顆粒比重較大，因而產(chǎn)生的離心力也較大，被甩貼在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，形成固體層；水密度小，離心力也小，只在固體層內(nèi)側(cè)產(chǎn)生液體層。固體層的污泥在螺旋輸送器的緩慢推動下，被輸送到轉(zhuǎn)鼓的錐端，經(jīng)轉(zhuǎn)鼓周圍的出口連續(xù)排出，液體則由堰口溢流排至轉(zhuǎn)鼓外，匯集后排出脫水機，達(dá)到泥水分離的目的。
離心脫水中脫水的推動力是離心力，推動的對象是固相，離心力的大小可控制，比重力大幾百倍甚至幾萬倍，因此脫水的效果也比濃縮好。離心脫水機可連續(xù)操作，工作場所衛(wèi)生條件好，占地面積小。同時，離心脫水機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，分離效率高，處理量大，濾餅水分低，附屬設(shè)備少。大型離心脫水機內(nèi)部磨損較快，而且耗電量大，噪聲大。離心脫水進(jìn)泥含水率要求一般為95%～99.5%，出泥含水率一般為75%～80%。目前，離心脫水機在處理廠使用比例逐漸增大。
2.3 污泥熱干燥法
目前，許多國家已在污泥處理中采用熱干燥技術(shù)。按照熱介質(zhì)是否與污泥相接觸，現(xiàn)行的污泥熱干燥技術(shù)可以分為三類：直接熱干燥技術(shù)、間接熱干燥技術(shù)和直接-間接聯(lián)合式干燥技術(shù)。
直接熱干燥技術(shù)又稱對流熱干燥技術(shù)。對流熱干燥是通過熱空氣從污泥表面去除水分。干燥的效率取決于如下兩個因素：空氣運行條件（穩(wěn)點、相對濕度、速度）和污泥的自身結(jié)構(gòu)及特征。在操作過程中，熱介質(zhì)（熱空氣、燃?xì)饣蛘羝龋┡c污泥直接接觸，熱介質(zhì)低速流過污泥層，在此過程中吸收污泥中的水分，處理后的干污泥需與熱介質(zhì)進(jìn)行分離。排出的廢氣一部分通過熱量回收系統(tǒng)回到原系統(tǒng)中再用，剩余的部分經(jīng)無害化后排放。此技術(shù)熱傳輸效率及蒸發(fā)速率較高，可使污泥的含固率從25%提高至85%～95%。但由于與污泥直接接觸，熱介質(zhì)將受到污染，排出的廢水和水蒸氣須經(jīng)過無害化處理后才能排放；同時，熱介質(zhì)與干污泥需加以分離，給操作和管理帶來一定的麻煩。閃蒸式干燥器、轉(zhuǎn)筒式干燥器、帶式干燥器等都屬直接熱干燥裝置類型。
在間接熱干燥技術(shù)中，熱介質(zhì)并不直接與污泥相觸，而是通過熱交換器將熱傳遞給濕污泥，使污泥中的水分得以蒸發(fā)，因而熱介質(zhì)不僅僅限于氣體，也可用熱油等液體，同時熱介質(zhì)也不會受到污泥的傳染，省卻了后續(xù)的熱介質(zhì)與干污泥分離的過程。過程中蒸發(fā)的水分到冷凝器中加以冷凝。熱介質(zhì)的一部分回到原系統(tǒng)中再用，以節(jié)約能源。由于間接傳熱，該技術(shù)的熱傳輸效率及蒸發(fā)速率均不如直接熱干燥技術(shù)，這種技術(shù)的操作設(shè)備有薄膜熱干燥器，圓盤式熱干燥器等。
直接-間接聯(lián)合式干燥技術(shù)則是對流-傳導(dǎo)技術(shù)的整合，如高速薄膜干燥器就屬于這種類型。在所有提及的這些干燥器中，閃蒸式干燥器是目前應(yīng)用較廣的一種。
3 結(jié)論及展望
污泥的自身特性與污泥脫水息息相關(guān)，通過對污泥自身特性的研究，可以掌握污泥的相關(guān)特性，可為污泥如何脫水提供依據(jù)。對污泥的微觀結(jié)構(gòu)、水分分布、力學(xué)特性的觀察分析，都是為以后污泥脫水提供一個可借鑒的基礎(chǔ)。本文還介紹了目前我國污水處理廠的主要脫水手段，但目前這些脫水手段還存在較大缺陷，比如：脫水程度有限，還不能滿足污泥更有效的處置。
污泥脫水已經(jīng)成為污水治理及污泥處置的難題，污泥成為污水處理廠的重大負(fù)擔(dān)，如何對實現(xiàn)污泥的減量化是污泥處理的重點。目前已有學(xué)者對污泥脫水難的問題做了詳細(xì)的研究，污泥脫水理論和技術(shù)都取得較大的進(jìn)展，也提出了一些新的脫水手段來代替現(xiàn)有的脫水手段，但如何將其研究成果應(yīng)用到實踐中，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
