引言

工業廢水及城市生活污水的處理造成了大量污泥（含有大量的有機物、病原微生物和重金屬等）堆積，污泥作為一種常見的固體廢棄物，對環境和動植物健康造成嚴重危害，因此對污泥的無害化處置已成為迫切需求。常規的污泥處置技術包括衛生填埋、污泥焚燒、土地利用和建材利用等，而污泥脫水工序則是這些處置技術中所面臨的共同難題。因為污泥本身具有含水率高（含水率95%以上）且膨脹性強等特點，所以對污泥進行脫水處理能夠有效壓縮污泥體積，從而節約運輸成本及占地空間。污泥的脫水與其常見的基本單元—絮體直接相關，因而明確絮體的特征和組成是深入理解污泥脫水的前提。絮體是指尺寸在(129±109)μm范圍內且具有分層和多樣性結構的團聚物。污泥中的絮體由微生物（單細胞/絲狀細菌/微菌落）、有機纖維、無機顆粒、胞外聚合物（extracellular polymeric sub-stances，EPS） 和水組成，其中EPS與污泥中水的釋放密切相關。污泥中的EPS分為3類：緊密結合型、松散結合型和懸浮型，它們主要由多種大分子（如，蛋白質、胡敏酸類、多糖、核酸和脂類）組成，其質量分數可占絮體干重的40%～60%[5]。一般情況下的EPS帶負電，其電荷密度為0.1～2 meq/g。近期研究還提出，污泥中不同分層結構EPS的親-疏水性存在明顯差異，其中，與蛋白質相關的疏水性EPS常分布在污泥表層，而與多糖相關的親水性EPS常集中在污泥內部，當外層疏水性EPS被破壞后，內部親水性EPS的暴露并不利于污泥脫水。污泥中水的種類多樣，包括自由水、間隙水和結合水（表面水及細胞內和化學結合水），其含水量分別占污泥總含水量的65%～85%、10%～25%和10%（以質量分數計，下同）。污泥中的自由水和間隙水可分別采用重力沉降法和機械脫水法去除，而結合水的脫水難度相對較大。現今污水處理廠污泥的脫水工藝是將污泥通入濃縮池進行濃縮處理，然后將生成的濃縮污泥（含水率95%～97%，以質量分數計，下同）泵入調理池與投加的試劑（如，聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺、生石灰）充分混合，最后將均勻混合的污泥泵送至機械脫水裝置（如，帶式壓濾脫水機、板框式壓濾機、離心脫水機、疊螺式脫水機和螺壓脫水機），并將分離的泥餅（含水率70%～80%） 和濾液水分別進行后續處理。該脫水工藝主要用于去除污泥中的自由水，然而該方法產生的泥餅中的含水率依舊高達70%，基于污泥中3種水的質量分數可知，自由水的脫失量僅占原自由水總質量的17%～28%，說明后續還需進一步聚焦對污泥中自由水的脫失。本文綜述了多種因素（包括水的硬度及導電率，濾餅壓縮性及堵塞，污泥pH值、類型、處理系統、儲存條件、泵送和攪拌） 對污泥脫水的影響，并總結了常規的污泥脫水預處理技術（包括破解法、化學絮凝法、化學法、生物法、熱水解法和聯合調理技術），為深入理解污泥脫水奠定堅實的理論基礎，并為實現污泥高效脫水提供技術指導。

1污泥脫水的影響因素

1.1水的硬度和導電率水溶液中的離子類型及其濃度決定了水的硬度和導電率。水的硬度隨體系中二價陽離子D++（如：Ca2+、Mg2+等） 的濃度增加而增大。由于D++常采用架橋方式以鹽的形態存在于絮體內部，故增強了絮體結構的強度，從而促進污泥脫水。體系中單價陽離子M+（如K+、Na+等） 的濃度與水的導電率呈正相關。當污泥體系中含有大量M+時，絮體結構中的D++與M+產生離子交換，最終降低絮體結構的強度，從而抑制污泥脫水。針對不同類型離子濃度的影響，前人提出當M+/D++的濃度比＜2時，污泥脫水性最好，因此在污泥脫水預處理過程中，可通過調控體系中的M+/D++比來促進污泥脫水。

1.2濾餅壓縮性和堵塞濾餅的孔隙率和壓縮性受污泥中膠體顆粒的絮凝情況影響，最終控制污泥的脫水效率。由于污泥普遍具有高壓縮性的特征，所以在濾餅壓縮過程中，污泥中的微結構極易發生變形、坍塌和遷移，導致排水孔道堵塞。目前常采用添加剛性骨架（如礦物和碳材料等） 的方法來提升濾餅滲透性，進而輔助污泥的物理脫水。比如，類-水滑石礦物（Ca/Mg/Al-LDH） 作為一種良好的剛性骨架材料，可有效降低污泥比阻（specific resistance to filtration，SRF）和毛細吸水時間（capillary suction time，CST），最終促進污泥脫水。此外，還有研究表明，采用剛性骨架材料與其他調理技術聯用的方法均優于單一調理劑的脫水效果。

1.3污泥pH值污泥過濾前的pH值也會影響其脫水性能。當污泥pH值較低時，體系中含有較少的膠體顆粒，而這些膠體顆粒的數量會隨pH值的升高而增多，從而降低污泥的脫水能力。此外，EPS的電荷也受體系pH控制，pH值介于2.6～3.6時絮體中的EPS不帶電，此時污泥中的細胞和EPS更易溶解，促進了污泥脫水。目前，常見的污泥酸處理包括硫酸、鹽酸和草酸酸化，其中草酸對污泥脫水的促進作用最強。與鹽酸和硫酸相比，草酸不僅能夠提供H+，還進一步促進污泥中Fe3+和Al3+的溶出，兩種機制的耦合作用共同促進污泥脫水。

1.4污泥類型及處理系統不同類型污泥的脫水性質存在較大差異。常見的污泥類型包括活性污泥、膜-生物反應器污泥、中溫厭氧污泥和高溫厭氧污泥，它們的大分子含量、平均絮體尺寸、剪切敏感性和過濾流速（spec-ific filtration flow rate，SFF）均不同。通常活性污泥中大分子含量最高、平均絮體尺寸和SFF最大、剪切靈敏度最小，因而也更易脫水。此外，不同污水廠產生相同類型的污泥，因污泥組分存在差異其脫水性質也明顯不同。不同污水廠產生污泥的脫水性質差異，是大規模污泥處置的難題。

1.5污泥儲存條件污泥儲存條件將影響后期脫水。如果污泥儲存在厭氧環境中，會伴隨EPS水解、Fe3+被還原為Fe2+、硫還原菌產生的S2-與Fe3+和Fe2+發生沉淀；同時厭氧儲存會導致污泥中單細胞數量和導電率增加，造成SFF降低80%。在實際工藝中，污泥厭氧儲存后的脫水負效應可通過暴氣或添加硝酸獲得改善。

1.6污泥泵送和攪拌污泥泵送和攪拌會形成剪切力，而高剪切力會破壞絮體尺寸并增加單細胞數量，從而不利于濾餅脫水。如果污泥中的絮體強度因厭氧儲存而降低，則絮體在高剪切力條件下更易被破壞。因此建議污水廠在進行污泥脫水的過程中，應當緩慢泵送、緩慢混合、避免儲存在儲罐和管道中，以及避免管道急彎。

2污泥脫水預處理技術

2.1破解法破解法主要是指通過外加能量或應力來改變污泥的性質。常見的破解預處理技術包括凍融處理和機械處理（如，球磨法、高壓噴射法、微波法、超聲波法等）。凍融處理是通過冷凍、融解的方式破壞污泥原有的絮體結構，降低結合水的質量百分含量，從而改善污泥沉降、過濾和脫水性能。凍融速率、固相濃度和冷凍時間是影響污泥凍融處理的主要因素，其中后兩者的作用更為顯著。機械處理主要通過壓力、正能量和旋轉能量來破壞污泥中的細胞。以微波法為例，污泥中帶負電的膠粒在高頻電場作用下發生高速旋轉，使得膠粒與EPS和水的界面形成極強的剪切力，促進膠粒與水的分離。雖然破解法也存在不足，例如，凍融處理受制于地域限制、微波輻射可能對人體有害且運行成本高等，但此類方法簡便易操作，在后續的工業化應用中具有較好的發展前景。

2.2化學絮凝法化學絮凝法是指通過添加無機或有機絮凝劑來改善污泥的脫水性能。常見的無機絮凝劑為鋁鹽和鐵鹽體系，其中鋁鹽主要包括硫酸鋁、明礬和三氯化鋁，而鐵鹽主要包括三氯化鐵、氯化亞鐵、綠礬和硫酸鐵。有機絮凝劑按離子類型可劃分為非離子、陰離子和陽離子高分子絮凝劑，它們的離子性能隨溶液pH值變化。因污泥中的膠粒表面帶負電荷，故陽離子高分子絮凝劑對污泥脫水具有最好的效果，目前陽離子聚丙烯酰胺是污泥脫水常用的一種陽離子有機絮凝劑。在污泥脫水的體系中，化學絮凝劑的作用機理包括壓縮雙電層、吸附架橋和網捕作用。但由于實際脫水工藝中絮凝劑的調理效果不僅與其本身的物化性質相關，還與污泥性質及水質條件等相關，因而需要深入研究最佳化學絮凝劑的種類和投加量，故該方法的使用需要堅實的理論研究作為指導，以避免化學絮凝劑（尤其是鋁鹽）投加量過大，造成脫水效果不理想甚至是嚴重的環境污染問題。

2.3化學法化學法是指通過添加芬頓試劑、臭氧、酸堿等改變污泥的性質。芬頓試劑主要是構建H2O2與Fe2+氧化體系，通過強氧化性破解污泥中的有機物質，從而改善污泥脫水性能。芬頓試劑氧化法能有效促進污泥中EPS降解、細胞溶解和結合水釋放[28]。芬頓試劑處理后的污泥pH值低，需要添加堿性試劑中和，因而成本較高且操作復雜。但芬頓試劑的環境安全性比高分子聚合物更高，故從可持續發展角度考慮，該類方法仍具有廣闊的應用前景。臭氧氧化技術主要是利用臭氧的強氧化性破壞細胞壁和細胞膜，釋放胞內物質，將難降解的有機物氧化為可降解的低分子，以提高污泥的可生化性[29]。酸堿法則是利用H+質子效應或H+質子與高價金屬離子的耦合效應，促進污泥中結合水的釋放及多糖的水解。

2.4生物法生物法指直接利用生物細胞或投加生物絮凝劑（包括細胞提取物、細胞代謝物等） 實現污泥高效脫水的方法。例如，一種土豆淀粉中的提取物能將原始污泥的SRF降低50%，從而提升污泥的脫水速率[30]。生物絮凝劑具有無毒、無二次污染、可生物降解、污泥絮體密實、對環境和人類無害等優勢，但目前對于生物絮凝劑的研究水平較低且研究成本較高。

2.5熱水解法熱水解法是指通過高溫（高于100°C）或低溫（低于100°C）熱水解，促使污泥中的微生物絮體解散、細胞破壞、蛋白質、多糖、脂類等大分子水解的方法，最終實現污泥脫水性能的改善。熱水解的原理是高溫高壓下通過熱效應促使細胞結構破壞，釋放出污泥中的大分子物質的同時，將胞內水轉變為自由水，釋放出的有機物進一步水解為小分子物質，繼而有機分子中的氨基與醛基發生聚合生成縮聚氨酸、氨氮、類黑素和腐殖質等褐色物質[32]。熱水解過程中的水熱溫度是控制污泥脫水速率的重要因素，遵循溫度越高脫水速率越快的原則。熱水解法具有極大的發展空間，但應當注意以減少能量消耗為前提確定最佳熱水解溫度。

2.6聯合調理技術聯合調理技術主要包括多種調理技術的復合使用（包括化學調理劑復合使用和物理調理劑與化學調理劑復合使用）。例如，芬頓試劑與十六烷基三甲基溴化銨的復合作用[34]、酸處理與超聲波的復合作用及剛性骨架材料與化學調理劑的復合作用[19]能有效破壞污泥中的絮體結構和污泥的滲透性，最終提高污泥的脫水性能。目前研究發現，大多數聯合調理技術對污泥的脫水性能及生物降解性能均具有不同程度的改善作用，且優于單一調理劑的效果。不過聯合調理技術也具有局限性，其中剛性骨架材料與化學調理劑的復合使用需嚴格根據脫水后污泥的處置途徑進行選擇，因為剛性骨架材料的添加雖然能夠有效提升污泥的滲透性，但同時也增大了污泥的總體積，因此需要經過嚴格的實驗配比確定剛性材料最佳的投加量，在合理控制污泥總體積的基礎上獲得最佳脫水效果。

3 結論該綜述基于污泥的減量化、無害化和資源化利用中存在的難題，回顧了影響污泥脫水的常見因素及常規預處理技術。雖然目前已經對污泥脫水的影響因素有了充分的認識，但污泥經過當前常規的機械脫水工藝之后的含水率依舊高達70%。文中提出，明確污泥滲透性及絮體的結構變化有助于從根本上判斷污泥的脫水效率。因此，研發不同聚合度的有機陽離子絮凝劑、提取生物絮凝劑或研究不同種類絮凝劑的最佳配比，致力于構筑高強度、大尺寸的絮體以進一步降低污泥的含水率，依舊是當今的發展方向。同時，針對污泥脫水所采用聯合調理技術的多樣性和機理探索仍有待深入發展，而該方法的使用需依據脫水后污泥的處置途徑進行合理調整。

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