引言

隨著我國經濟的發展，城市化水平不斷提高，城市用水和污水排放量日益增加，導致市政污泥產量急劇增加，預計到 2022 年底我國市政污泥年產量將超過 6 000 萬 t。根據《“十三五”生態環境保護規劃》，至 2020 年底，地級及以上城市污泥無害化處置率要至少達到 90%。市政污泥是錯置的資源，含有豐富的有機質及氮、磷、鉀等營養元素，若處置不當會造成大氣、水體、土壤環境污染。按照“減量化、穩定化、無害化和資源化”的處置目標，常見的處置方法包括填埋、焚燒、農用、建筑和工程制品等。脫水是現階段污泥處置的限制性環節，市政污泥含水量一般超過 90%，在污泥無害化和資源化處理前，必須將污泥的含水量降至低于 60%，污泥制磚或其他建筑和工程材料時，含水率需要降至低于 40%，污泥制肥料或焚燒發電等方面時含水量需要降至低于 30%。因此，快速、高效脫水是污泥處理技術的關鍵環節。高產量市政污泥的高水分和強流動性導致其運輸和處置增加了巨大的經濟和環境負擔。因此，人們需要對市政污泥進行脫水處理來減少污泥體積和質量，以供后續處理。然而，市政污泥富含親水物質，如聚丙烯酰胺、聚氯化鋁等[7]，而且受到污泥顆粒表面帶負電產生的靜電斥力的阻礙，體積大，不易脫水。傳統的污泥脫水主要使用物理和化學方法[9]，只能去除 20% ～ 25% 的游離水，而且添加劑會殘留金屬離子和有毒的有機化合物而造成二次污染。當前，我國積極實施生態文明建設戰略，全面加強生態環境保護，號召人民堅決打好污染防治攻堅戰，傳統的高能耗、易產生污染等污泥脫水措施逐步受到限制，而生態脫水技術因其成本低、節能環保等優點逐漸獲得廣闊的發展空間，符合我國資源循環利用和可持續發展的要求。本文以市政污泥脫水技術為研究點，剖析當前研究文獻，跟蹤污泥生態脫水技術的研究熱點，在評述的基礎上提出微生物技術應用于市政污泥脫水中亟待解決的問題，為市政污泥脫水新技術發展提供參考。

1 市政污泥性質市政污泥是城市水處理廠在自來水、污水等水體處理過程中產生的、由各種微生物形成的菌膠團及其吸附的有機成分和無機成分組成、含水率極高的固體混合物，有機成分來自污水中的多肽、脂類和碳水化合物，無機成分來自土壤顆粒和人工合成聚合物等。按照從水中的分離過程先后，市政污泥通常分為初沉污泥、剩余污泥和消化污泥。初沉污泥是在初沉池中通過重力或氣浮去除了廢水中 40% ～ 50%的固體得到的污泥；剩余污泥是經過二次沉淀池排出的污泥，由微生物、蛋白質、多糖以及未降解的有機和無機物質組成，含有大量氮、磷、有機質營養物質以及重金屬、病原體、寄生蟲等有毒有害物質；消化污泥是在消化池中經過好氧消化或厭氧消化，去除殘留懸浮固體和養分而產生的污泥。市政污泥呈膠狀液態，含水率可達 99%，其性質主要受水質和處理工藝影響，表征其性質的指標主要有含水率、理化性質、胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）含量、脫水性能等。與脫水性能密切相關。降低污泥 pH，能夠有效破壞絮凝物，降解 EPS 釋放自由水、表面水和結合水，提高脫水性能。污泥有機物含量高影響膠凝性能，導致高孔隙率和低黏結強度，脫水困難。EPS 是微生物分泌具有黏性的凝膠狀高分子聚合物，主要成分為蛋白質、多糖、腐殖酸等物質，其高親水性使污泥具高黏彈和可壓縮性，影響污泥脫水。Zeta 電位（Zeta potential）表征污泥表面電荷量，Zeta 電位越高，污泥絮體越穩定，脫水性能越差。污泥脫水性能與揮發性固體含量密切相關，污泥中小膠體顆粒合并成大黏結性聚集體，增加顆粒粒徑，提高脫水性能。過濾比阻（Specific Resistance to Filtration，SRF）和毛細吸水時間（Capillary Sop Time，CST）是污泥脫水性能的公認參數，SRF 是表征污泥過濾特性的綜合指標，SRF 值越高 ,污泥越不容易脫水；CST 值表示污泥保留水分的能力強弱，CST 值越小，污泥可脫水性能越好。

2 市政污泥常規脫水技術市政污泥不同脫水工藝的優缺點如表? 所示。

2.1 熱干化脫水技術熱干化脫水技術因其高效和易控的優勢成為污泥脫水采用最廣泛的方法。通過熱介質加熱污泥蒸散水分，脫水干化后的污泥性質穩定，呈顆粒或粉末狀，減量化效果顯著，污泥中絕大部分病菌、蟲卵等微生物可被殺滅。熱干化脫水技術主要包括電能干化法、蒸汽干化法[34]、太陽能干化法[35]等。電能干化法存在能耗高、效率低的缺點，不適于用電緊張、泥量大的水處理廠，同時需要高溫高壓脫水設備，者也限制了其工業規模[17]；蒸汽干化法利用蒸汽熱能，經過換熱器殼層進行熱交換，具有效率高、操作彈性大、穩定性好、能耗較低的優點，目前被廣泛應用[34]；基于太陽能利用的太陽能干燥法，借助傳統溫室干燥工藝，但是受限于太陽輻射的不穩定[36]。熱干化過程中，氨氣等有害氣體揮發易造成大氣污染。因此，熱干化法的脫水技術在能耗、生態和環保方面具有一定的局限性。

2.2 水熱脫水技術污泥水熱脫水技術，是在密閉壓力容器中120～240 °C的溫度下進行污泥熱水解脫水的技術[38]。水熱處理過程中，EPS 溶解或分解釋放其結合水，細胞壁破壞溢出細胞內水，并將難降解有機物質轉化為易降解物質，提高其生物降解性。研究顯示，180 °C 水熱處理 30 min 即可改善污泥的脫水性，壓濾后含水量從 85% 降低至 33%。水熱處理過程中，水熱溫度和反應時間[42]對污泥脫水有顯著影響。污泥中的水作為水熱反應介質，進一步將污泥中有機物轉化為甲烷和氫氣等清潔能源，提供產生熱源的原料，但副反應形成焦炭和焦油限制了該技術的實際應用。水熱炭化期間，污泥表面炭化產生的碳氫化合物會生成疏水基團，增強了脫水性能。與熱干化脫水技術相比，水熱脫水技術綜合能耗顯著降低。

2.3 機械脫水技術機械脫水技術是通過對污泥兩側施加壓力，強制性地將污泥固液分離的脫水方式，有過濾法和離心法。過濾法常用的機械有真空過濾機、板框壓濾機和帶式過濾機，離心法常用高速沉降離心機脫水，其中轉筒離心機和帶式過濾機作為污泥脫水的主要機械在國內外得到廣泛應用。帶式過濾是將污泥輸入連續轉動的兩塊濾布之間，通過濾布的張力和壓力實現泥水的分離，脫水后污泥的含水率可降至 80%；優點是可以連續自動運行，操作和運行費用比較少，缺點是受污泥性質影響較大，需要投加聚合物。離心法是利用污泥顆粒與水分的密度差異，在離心力的作用下實現泥水的分離，污泥含水率可降至低于 75%；該方法使用機械設備結構緊湊，占地面積小，缺點是設備易損壞且運行費用高。機械脫水能耗為熱干化脫水的 3% ～ 5%。由于污泥高電荷的 EPS 與水分子結合形成穩定的凝膠狀懸浮結構，機械脫水技術不能達到理想的脫水效果，脫水后含水量仍高達70% ～ 85%。機械脫水需要對污泥進行預處理，例如，添加氯化鐵等有毒的高酸性化學物質[46]，同時機械脫水需要不斷優化和開發新型設備，以達到低成本、高效、深度脫水效果。

2.4 深度脫水技術深度脫水技術脫水效率高且能耗低，是目前應用相對廣泛和成熟的污泥減量化措施，分為前期調理和后續脫水兩部分。首先，調理污泥，釋放污泥中的自由水、間隙水、表面水及部分結合水，改善污泥脫水速率和過濾性能，污泥含水率可降至低于 50%；后續脫水工藝主要是通過機械脫水或熱干化法等進一步降低污泥含水率。相較于污泥直接熱干化技術或機械脫水技術，深度脫水技術能夠大幅降低能耗，提高脫水效率。深度脫水技術前期調理分為物理調理法、化學調理法和生物調理法。物理調理法是經過外加能量等方式來改變污泥的結構及性質，破壞絮體、膠體等結構，提高污泥的脫水性能，例如，利用超聲波破壞污泥絮凝結構，改善其沉降和脫水性能，使污泥顆粒結塊并增加粒徑。化學調理法是添加化學調理劑（混凝劑、助凝劑）打破污泥中原有電荷分布，減弱顆粒間斥力，減少水分吸附等方式，提高污泥脫水性能，包括加酸、加堿和氧化處理技術等。電化學芬頓（Electro-Fenton）氧化處理可降解 EPS，降低蛋白質含量，釋放細胞中結合水，提高污泥脫水性能[。零價鐵與自身氧化形成的 Fe3+構成支架將污泥絮凝物聚集成大且致密顆粒，提高污泥過濾性能。化學調理法原料易得、操作簡單，應用范圍比較廣，但污泥處理后產生廢水生物降解難。生物調理法是利用生物源物質或者生物體，改變污泥膠體結構和化學物質，提升污泥沉降性能和脫水性能。生物源物質包括纖維類絮凝劑、微生物多聚物絮凝劑等；生物體主要為污泥土著微生物或者補充外源微生物。生物調理法包括微生物絮凝、生物浸提等技術，具有能耗低、工藝簡單、實用性強和環境友好等優點，但目前研究不深入，處理成本高。

3 市政污泥微生物脫水技術

3.1 微生物絮凝技術用于污泥脫水的無機凝結劑和有機合成高分子絮凝劑，特別是基于明礬和聚丙烯酰胺為原料的絮凝劑，金屬離子殘留和有毒的有機單體易引起二次污染。微生物絮凝劑（Microbial Flocculant，MBF），是微生物代謝過程合成的聚合物[55]，具有高效絮凝作用[56]，是一種安全、高效，能自然降解、無二次污染的水處理劑和污泥調理劑。污泥中的小懸浮膠體在絮凝過程中通過電荷中和與橋接作用形成大絮凝物，增加污泥脫水速率和固體含量 , 改善沉淀和脫水性能[57]。研究顯示，微生物絮凝劑對污泥pH、鹽度等條件具有良好的適應性[58]，脫水效果顯著優于硫酸鋁、聚合氯化鋁等無機絮凝劑，同時具有成本低廉、易生物降解、無二次污染等優點[59]，而且能夠顯著提升 CaO2等單一化學絮凝劑的脫水效果。

3.2 生物酶脫水技術生物酶脫水技術是通過投加蛋白酶、纖維素酶等改善污泥脫水性能，被認為是提高污泥生物降解性的有效預處理措施。生物酶可以識別多糖以及糖類復合物，酶處理后，污泥可以釋放高分子聚合物，提高自身脫水性能。特定的酶針對一種底物具有高效的催化作用，單一酶的低環境適應性限制了其應用效果，復合酶溶解效果優于單一酶。酶處理污泥釋放大量 EPS，形成較疏松的絮狀結構，有利于絮凝劑加速固體物質沉降。生物酶來源廣泛，價格低廉，處理成本低，對環境友好，不會給環境帶來二次污染，具有較大的應用推廣空間。

3.3 生物干化技術生物干化是將有機物耗氧分解產生的熱量用于干燥污泥過程，已被用于干化各種廢棄生物質，如城市固體廢物、紙漿和造紙污泥、污水污泥等，被認為是市政污泥病原體消除、污染物降解和水分脫除最有潛力的方法。微生物呼吸產熱提供脫水驅動力，生物干化能發揮高效能的重要因素之一是具備逐漸演替的高效穩定微生物群落[68]。市政污泥添加含水率低且結構疏松的木屑、樹皮、秸稈類的輔料，改變污泥含水率高、質地黏稠、透氣性差的特性，滿足微生物發酵對氧的需求[69]，提高微生物呼吸作用，產生熱量，蒸散污泥中的水分。微生物的呼吸作用和自溶作用促進污泥中有機物礦化為有效植物養分，減少污泥利用二次污染問題。生物干化市政污泥最大限度殺滅病原菌，所需周期維持在 10 ～ 25 d[71]。這樣大幅提高污泥脫水性能，實現半干化脫水（污泥含水率≤ 60%），脫水濾液水質好，泥餅有機質和熱值高、養分損失少，可轉化為可再生固體燃料、植物用基質等，實現資源利用最大化。

4 市政污泥微生物脫水技術面臨的問題

4.1 成本相對較高污泥脫水是污水處理過程中資源消耗最大的環節，占污水處理總運營成本的 50%[74]。現階段已發現了很多用于污泥絮凝、沉降和脫水的微生物菌種，相較于化學添加劑，但其微生物源添加劑成本高、效率低，微生物源添加劑廉價生產為目前該領域研究的重點，例如，利用農業固體廢棄物水稻秸稈、甘蔗渣等作為生產微生物添加劑的培養材料。

4.2 影響因素多微生物脫水技術主要依靠微生物的生命過程及其代謝物，污泥性質、環境溫度、環境 pH、微生物投放劑量、水溶性有機物等都會影響微生物活力。表 4 列出了不同因素對污泥微生物脫水技術的影響，最廣泛使用的硫和鐵氧化細菌為嗜酸性細菌，對污泥初始 pH 依賴性強；微生物絮凝劑熱穩定性較差，對溫度比較敏感，在處理過程中，隨著污泥溫度的變化，其絮凝活性顯著變化；單株功能菌株往往和其他菌株存在正向或者負向的協同作用。現階段，微生物脫水技術存在功能微生物復配手段單一、復配方法不成熟、產品運行不穩定等問題，更穩定、高效脫水的功能微生物產品是當前研究熱點。

4.3 脫水周期長、效率低微生物源添加劑種類多，但適用范圍窄，難以完全沉淀和降解，普遍存在反應周期長、處理效率低的缺點，限制了基于微生物技術的污泥脫水技術的發展。生物干化技術中，微生物快速產熱需要調節污泥基質碳氮比、含水量、通氧參數、溫度，選用專用微生物菌種等，現階段缺乏系統的研究，嚴重限制微生物脫水技術普遍應用。

5 結論本文總結了市政污泥脫水技術的研究現狀，重點分析了基于微生物技術的市政污泥脫水技術的機理、影響因素及面臨問題，關注市政污泥脫水效率的提高途徑、常規脫水技術的開發、微生物技術優勢和缺點。當前，市政污泥脫水技術的理論研究集中在提高脫水效率方面，沒有充分考慮技術成本和能耗，導致污泥脫水的生產實踐遠遠落后于理論研究，市政污泥常規脫水技術中取得較好經濟、社會、環境效益的并不多，在脫水設備研發、降低熱干化能耗、減少環境污染等方面需要進一步完善，從而促進其產業化和規模化應用。與市政污泥常規脫水技術相比，微生物脫水技術更節能、無污染、更易操作與運行，但存在成本高、微生物培養復雜、周期長等問題，需要開展更多微生物脫水技術的研究。當前，人們要積極開發市政污泥微生物脫水新技術并進行成果轉化，并將其應用到實際生產中，這是今后市政污泥脫水技術的發展趨勢。未來，人們要重點從三個方面開發市政污泥脫水技術。一是高效污泥脫水微生物（源）產品。要依托生物技術的發展，開發穩定性高、實用性強、適用范圍廣的高效微生物菌劑及其相關產品。二是基于微生物應用的高效脫水工藝。市政污泥前期調理需要應用微生物技術，人們要開發操作簡單、脫水周期短、安全高效、后續污泥處置成本低的脫水工藝。三是基于微生物技術的復合工藝。要將微生物脫水技術和物理、化學脫水技術相耦合，研究復合工藝的脫水機理和最優脫水條件，實現優勢互補。

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