引言

隨著各國對污水治理的日益重視和城市污水處理廠不斷新建，污泥的產量不斷地增長，污泥的快速有效處理已經刻不容緩。污泥具有含水率高、含有大量病原體和微生物等有害生物、重金屬及有機物含量高等特點，若在排放前不經處理，則會對環境造成二次污染。通常情況下，污泥處理所需費用高達整個污水治理廠建設和運行費用的50%～60%，因此，污泥的處理面臨著巨大的挑戰。污泥的處理原則是實現污泥的減量化、穩定化、無害化和資源化，其中，污泥減量化無疑是污泥后續處理的關鍵及污泥處置的重點[3]。污泥減量化可有兩種途徑，一是減少污泥中有機物的含量，二是降低污泥的含水率。無論從技術還是資金方面來說，第2個途徑較第一個途徑簡單易行，容易實現。污泥脫水的目的是除去污泥中大量的水分，從而縮小其體積，減輕其重量，以利于污泥的運輸和進一步處理。有研究顯示，如果將污泥含水率從99.3%左右降到60%～80%，其體積可降至原體積的1/10～1/15，大大地減少了污泥外運的費用及進一步處理時產生的滲濾液量。時至今日，雖然污泥脫水理論和技術都取得了較大發展，但污泥脫水仍然是污水治理工程所面臨的一大技術性難題。本文從理論和技術2個方面歸納總結污泥脫水的發展特點和存在的問題，從排水通道的角度重點分析了污泥脫水的微觀過程，認為污泥脫水的微觀研究不能將污泥固體顆粒與水分隔開來，而應該以排水通道為“紐帶”將之視為一個整體，污泥脫水的微觀研究應該注重從排水通道的角度去分析其淤堵機理。隨后著重介紹了國內外污水處理廠的污泥脫水現狀，并基于多場聯合作用闡明污泥脫水的本質、理論核心及技術核心，最后在總結了污泥脫水現狀的基礎上指出未來的研究與發展方向。

1污泥脫水理論及技術研究污泥的脫水是一個固-液分離過程，其基礎理論是在過濾、滲透、沉積等理論的基礎上發展起來的。污泥脫水的理論研究始于20世紀30年代。20世紀30－60年代，污泥脫水的理論研究主要在于基本理論的創立，具體表現為基本概念的提出、脫水模型的建立和修正。意識到只依靠機械外力脫水污泥難度大且效果不理想，提出了助濾的概念。后來出現的絮凝脫水、超聲波脫水、電滲析脫水等技術，本質上都屬于助濾的范疇。20世紀70－90年代，學者們逐漸將研究焦點從脫水模型轉向污泥的物理化學性質，并在物性分析的基礎上探討污泥脫水性能的影響因素，同時污泥調理改性技術開始發展。污泥的物理化學性質如固體顆粒的尺寸、形狀、成分等受到了廣泛關注。在污泥物性研究基礎上，基于物理、化學及生物的污泥調理改性技術開始發展。但該時期的污泥調理改性研究停留在追求污泥脫水性能及效率在宏觀上的改善，缺乏微觀尺度上的調理改性機理分析。20世紀90年代開始，在污泥調理改性技術不斷發展的基礎上，電滲技術、絮凝技術和超聲波技術等受到關注。機械脫水替代自然干化成為污水治理廠的主要脫水技術，但由于傳統的機械脫水方法效果不理想，新技術又有諸多缺陷不能及時克服，不少學者試圖從微觀尺度去解決難題，污泥中水的研究越發受到重視。實際上，早在1956年，就提出將污泥中的水分成自由水和結合水2種，但這樣簡單的分類顯然不能滿足污泥脫水的研究。根據污泥固體顆粒與水的接觸關系將污泥中的水分成自由水、間隙水、吸附水和結合水4類（見圖1）。在接下來的20年中，許多學者對污泥中的水進行了一系列理論及測試手段的研究，取得了大量成果，概括為幾個方面：污泥中水的分布特性，結合水含量測試技術，結合水對污泥脫水性能影響。基于前人關于污泥中結合水的研究，一些學者以結合水為“橋梁”來改善污泥脫水性能，取得了良好效果。污泥的脫水與軟土的固結排水在本質上有異曲同工之處，已有人關注到軟土固結排水過程中其微觀結構的變化特征，而在污泥中此類研究還處于空白，從而導致對污泥脫水及其淤堵機理理解不夠深入，這也是真空預壓法廣泛用于軟土地基處理，而極少用于污泥脫水的原因。實際上，污泥脫水是一個污泥中的水在外力驅動下克服淤堵從排水通道排出的過程，簡化模型如圖2所示（便于討論，認為污泥固體顆粒為球狀且不可壓縮，將污泥中的水分為自由水和結合水）。

隨污泥脫水的進行（階段1→2→3），自由水不斷排出，同時排水通道也在不斷變化，相應地，每個階段的淤堵機制也不一樣。階段1：排出的水主要為自由水，顆粒之間呈連通狀態的自由水作為排水通道；階段2：顆粒之間的自由水不再相互連通，排水通道的形成需要突破結合水的束縛，脫水難度較階段1增大，該階段有少量的結合水隨自由水排出；階段3：污泥中只剩下結合水，結合水的排出不僅要克服自身的束縛，還受固體顆粒的影響。雖然實際情況并不能完全由上述的簡化模型說明，但該模型表明污泥脫水的微觀研究不能將固體顆粒和水分隔開來，而應該以排水通道為“紐帶”將之視為一個整體。目前，研究者們往往將焦點集中在污泥絮體的特征、水的分布特征及含量測試、通過污泥調理改性手段降低結合水的含量等，缺乏對污泥脫水過程中污泥顆粒和水（尤其是結合水）的整體微觀分析及脫水機理探討，如脫水過程中排水通道的變化、脫水過程中的淤堵機理及改善途徑等。導致許多學者在研發新型脫水技術或設備時，往往只注重宏觀上的脫水程度和脫水效率，缺乏基于污泥中固體顆粒與水微觀分析的淤堵機理研究，沒有從本質上解決污泥脫水難的問題。進入21世紀后，圍繞“污泥深度脫水”這一主題，機械脫水技術得到不斷完善和改進，電滲脫水技術進一步發展，基于物理、化學及生物技術的污泥調理改性手段成為研究熱點。在該時期，多技術的聯合使用受到關注，形成了許多以機械脫水為核心的多手段聯合技術。在室內污泥機械脫水裝置上施加電場，結果發現由于電場的作用，污泥中水分的去除率提高了10%～24%。研究了電磁場和化學調理后污泥的脫水性能，結果表明，二者聯合調理污泥的效果要優于單獨調理，說明磁場對污泥脫水性能有改善。則利用濾餅模型從理論上分析了磁場和壓濾改善固 – 液分離效果的機理，并指出磁場增強壓濾這一技術具有很大的應用潛力[37]。國內一些學者研究了不同污泥調理改性技術的聯合使用，如超聲波與絮凝劑、冷融調理與化學調理等[38-39]。鄧立新利用真空桶對污泥進行脫水，并在污泥周圍和中部分別安置放電電極以形成環形電場，初步論證了真空預壓聯合電滲脫水污泥的優勢[40]。湯連生等人在此基礎上進一步設計出真空預壓聯合電滲的雙池式脫水系統，實現“內池脫水，外池排水”。如圖3所示，整個脫水裝置分為內池（a1×a1×b）和外池（a1×a1×(b+c)）2個部分，外池底部設有排水口用于連接真空泵和排水，高出內池的部分用作系統密封，在內池底部和側壁安置網狀放電電極，同時在4個側壁上設計“上大下小”的脫水口（其位置和大小與放電電極相對應），該系統通過改變放電電極的接入方式，實現電流場和滲流場的改變，從而使得污泥脫水更徹底，再者，側壁脫水口“上大下小”的設計方式充分利用了污泥的自重濃縮脫水，同時避脫水口處濾布受力不均的情況。隨后湯連生及其研究團隊將熱水解脫水和閃蒸技術聯合，也取得了不錯的效果。但在脫水設備的產業化上存在不足。總體上講，污泥脫水的多技術聯合使用本質上屬于多場的聯合作用，已取得突破性進展，但是，其脫水系統及設備的研發方面目前還處于進一步探索和優化階段。概括來說，污泥脫水理論及技術的研究大致經歷這樣的發展趨勢：從理論脫水模型到實際脫水設備、從宏觀脫水效率到微觀機理分析、從污泥物性影響脫水性能分析到污泥調理改性研究、從單一技術到多技術的聯合。雖然取得了可觀的理論成果，但缺乏與污泥的脫水實踐聯系，污水處理廠廣泛采用的機械脫水方式已經無法滿足更有效的污泥處置方式，新型技術雖然具有很好的應用前景，由于種種原因還未能得到廣泛應用。

2污水處理廠污泥脫水現狀

20世紀80年代以前，各國都不太注重污泥的處理，污泥脫水主要采用自然干化。隨著城市化的發展，污泥產量劇增，各國開始重視污泥的脫水處理，機械脫水逐漸代替自然干化成為主要的污泥脫水方式。近年來，污泥處理與處置過程中環境問題的凸顯和對低成本低能耗的追求，各國愈發注重污泥的減量化和穩定化，這無疑對污泥脫水提出了更高的要求。然而，污泥脫水實踐遠遠落后于理論研究，進入21世紀以后，這種現象異常明顯。雖然各國的污水處理廠均設置了較為完善的污泥脫水設施，擺脫了初期的干化場和干化塘，但機械脫水仍然占據主導地位，污泥的成分、結構復雜，直接進行機械脫水往往達不到預期的處理效果。雖然電滲脫水、超聲波脫水和絮凝脫水等新技術已經得到論證，但是由于造價和實施不便等原因沒能廣泛推廣運用，并且我國污泥處置起步較晚，無論是制度還是技術都落后于發達國家。在國內，污泥脫水主要存在以下問題：

1）重水輕泥。我國污水工程發展過程中長期存在“重水輕泥”的情況[47]。大部分污水處理廠缺乏快速有效的污泥脫水設備，僅僅將污泥進行簡單濃縮處理后便外運，并未達到減量化、穩定化要求。

2）脫水效率低，深度脫水工藝過于復雜。工程實踐已經表明，傳統的機械脫水已經遠遠無法滿足脫水要求，新型脫水技術（熱水解、超聲波、磁場、電場等）的引進又需要污水處理廠支付高昂的費用，且操作復雜[48]。然而，企業化經營模式導致追求最大的經濟效益成為污水處理廠的根本目的。污泥脫水現狀與污泥脫水要求之間存在很大差距，所以利用低成本、廣泛運用的技術實現高效脫水污泥將是未來城市污泥脫水的有效出路。

3）污水處理分布化與污泥處理集約化矛盾加深，實現污泥的快速有效脫水迫在眉睫。胡維杰從工藝銜接的角度指出污泥處理與污水處理應為一個有機的整。實際上，無論在效率還是模式上都應該注重污泥處理與污水處理的有效銜接。首先，污水處理效率遠遠高于污泥處理，通常情況下，污水處理只需要短短數小時，而污泥處理則耗時幾天，甚至幾個星期。所以，污水處理和污泥處理是隔離開的。其次，隨著污水處理廠的小型化和分布化，單個污水處理廠產生的污泥將相應減少，污泥集約化處理模式成為首要選擇[52]。這就需要在污水處理廠引入快速有效的脫水技術，以達到降低污水處理廠運營成本，同時又滿足污泥減量化、穩定化的要求。縱觀國內外污水處理廠的污泥脫水現狀，可以得知污泥脫水的生產實踐遠遠落后于理論研究，主要由以下2個原因導致：

1）理論研究往往集中在脫水效率、環保等方面，缺乏考慮技術成本和能耗，而污水處理廠的企業化運作模式導致許多企業忽視污泥治理，更別說污泥脫水了，導致一些看似完美的技術淪為空談；

2）許多污泥脫水技術雖然可行，但大多局限于理論分析和模型實驗論證，很少結合污水處理廠的污泥脫水需求開展現場實驗。

3多場聯合作用污水處理廠處理污泥壓濾機脫水的典型流程是：污泥→預濃縮池→機械濃縮→機械脫水→泥餅。無論選用何種脫水技術，污泥脫水的本質就是通過特定的脫水設備實現固 – 液分離，在高含水率的濃縮污泥上施加作用場以得到低含水率的目標污泥。筆者認為，污泥脫水的理論核心是作用場之間以及作用場與污泥之間的相互作用，其技術核心是合理高效的脫水設備。從上述污泥脫水研究現狀及特點可以發現，人們對理論核心的重視程度遠遠超過技術核心。目前，用于污泥脫水的作用場主要包括應力場、溫度場、電場、化學場和磁場等。在以上作用場中，應力場在現有污泥脫水技術中處于核心地位，而溫度場、電場、化學場及磁場多處于輔助地位，其中化學場和磁場常應用于污泥深度脫水的預處理階段。應力場具有獲取容易、實施簡便等優點，也是人們最原始的脫水辦法，例如污泥在自重下排水固結（重力濃縮）、機械脫水等屬于應力場的作用，而污泥自然干化則屬于溫度場的作用，電場作用脫水則是過去20年研究最多的技術。但在單一場作用下污泥的脫水效率太低，無論是脫水時間還是脫水效果，往往不能滿足污水處理廠的實際生產需求，這就需要應力場與其它作用場的聯合作用。然而，現有理論、實驗研究多集中于不同技術的聯合使用，而對場與場的相互作用缺乏更透徹的理解，污泥脫水過程中多場的耦合作用研究幾乎處于空白，所以未來污泥脫水研究的關鍵在于如何創新脫水設備以充分發揮各個作用場的優勢。并且許多研究成果還停留在理論上的可行性，缺乏與污泥脫水實踐結合，也很少注重基于理論的污泥脫水設備研發與創新。

4結 語經過不斷發展，污泥脫水已經擺脫了早期的自然干化，在理論及技術上都取得了較大的進步，機械脫水不斷完善，電滲技術、絮凝技術、超聲波技術及其它污泥調理改性手段受到廣泛關注和研究。由于成本、施工等因素，目前國內外污水處理廠的污泥脫水方式仍以機械脫水為主。但機械脫水無法滿足更有效的污泥處置。所以，污泥脫水研究的重要內容就是要改變“脫水實踐嚴重落后于理論研究”這一現狀。無論選取何種脫水技術和設備，污泥脫水的目的是實現污泥的減量化，其本質是通過特定的脫水設備實現固 – 液分離，在高含水率的濃縮污泥上施加作用場以得到低含水率的目標污泥。脫水過程的理論核心是作用場之間以及作用場與污泥之間的相互作用，其技術核心是合理高效的脫水設備。已有的污泥脫水理論和實驗研究多集中在多技術的聯合使用，而缺乏對污泥脫水過程中多場的相互作用進行透徹的分析，并且現有研究對污泥脫水理論研究的重視程度遠超過脫水設備的研發。所以未來污泥脫水的關鍵是基于多場聯合理論創新污泥脫水設備以充分發揮各個作用場的優勢。現有污泥脫水理論研究多集中于追求宏觀上的脫水效率，而對污泥脫水的微觀機理分析不夠透徹，從而導致不能從本質上解決污泥脫水難的問題。實際上，污泥脫水是水在外力驅動下克服淤堵從排水通道排出的過程，隨著脫水過程的進行，排水通道及相應的淤堵機制都會發生變化，所以污泥脫水的微觀研究應該注重從排水通道的角度分析其淤堵機理，這也是污泥脫水未來的重要研究方向。污泥脫水理論及技術經歷了從理論脫水模型到湯連生等，污泥脫水研究現狀與新認識實際脫水設備、宏觀脫水效率到微觀機理分析、污泥物性影響脫水性能分析到污泥調理改性研究、單一技術到多技術聯合使用的發展，取得了大量研究成果。實踐已經證明，單一技術或設備無法滿足生產的要求，多技術的聯合使用已經成為研究熱點。總體上講，多技術聯合使用本質上屬于多場的聯合作用，已取得突破性進展，但是，其脫水系統及設備的研發方面目前還處于進一步探索和優化階段。由于成本、施工等因素，因此污水處理廠的污泥脫水實踐嚴重落后于理論研究，還存在“重水輕泥”、脫水效率低下等問題。從而導致許多新型污泥脫水技術淪為空談，所以利用低成本的、廣泛運用的技術高效脫水污泥將是城市污泥脫水實踐的有效出路，而如何實現新型技術的產業化成為未來污泥脫水研究的重中之重。污水處理分布化與污泥處理集約化矛盾日益加深，如何在污水處理廠引入快速有效的污泥脫水技術亟待解決。

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