胡芝娟，董涛，钱秋兰，沈序辉，赵利卿
（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津，300400）
摘 要
水泥窑协同处置剩余污泥避免了其他方式处置不彻底，存在二次污染等问题，是一种理想的污泥处置手段。污泥入窑前的干化脱水过程需要消耗大量的热量和电能，导致成本偏高。采用化学调质+机械压滤的深度脱水方式先将污泥含水率降到55%以下，避开污泥的粘滞区，再采用废烟气余热进行干化，则可以显著降低污泥脱水的成本。本文概述了国内外污泥化学调质的研究进展，分析了污泥深度脱水和普通脱水的区别，以期为污泥化学调质和深度脱水方法的选择提供参考。
关键词：污泥；化学调质；深度脱水
1.前言
赫塔米勒
活性污泥法处理污水过程中，会产生大量的剩余污泥，其体积约占处理水量的0.5%~1.0%（以含水率97%计）[1]。随着污水处理率的提高和处理程度的深化，在污水处理过程产生的污泥量将大量增加。污泥中含有大量病原菌、重金属含量高、且易腐败产生恶臭，如处置不当，将引起严重的二次污染[2]。与填埋、堆肥和焚烧等目前常用的处置方式相比，用水泥窑来协同处置剩余污泥是一种非常理想处置手段。水泥窑的高温避免了二噁英等有害物质的产生，污泥中的大量重金属被固定在水泥熟料中，从而避免了其他方式处置不彻底，存在二次污染等问题。
一般污水处理厂出厂污泥的含水率在对立统一80%~85%，含有大量水分。目前，用水泥窑处置污泥的方式有两种，湿污泥直接入窑和湿污泥干化后入窑，这些协同处置方式均有工程实例。重庆拉法基南山工厂将污水厂来的污泥直接泵入分解炉中，由于污泥含水量大，为了避免破坏窑的热工制度，污泥的处理量较小，约为150t/d恐惧的总和。湿泥干化后入窑可采用烟气间接干燥或直接干燥。我院参与设计的北京水泥厂污泥焚烧项目采用水泥厂高温烟气先对污泥进行间接干燥，然后投入回转窑中焚烧。我院设计的广州越堡水泥公司水泥窑处置污泥项目则采用烟气对污泥进行直接干燥，然后再入窑焚烧。湿泥干燥后，含水率降低到30%以下，减少了
水分对窑况的影响，污泥处理量显著提高，以越堡为例，处置能力达730t/d[3]。
去除污泥中水分的过程是能量净消耗的过程，高能耗导致的高处理成本，成为污泥深度脱水的瓶颈。特别是，含水率在55%~65%之间的污泥，处于粘滞区域[4]。此时，污泥粘性大，输送和干燥的能耗电耗很高，也导致整个污泥干化过程能耗电耗居高不下。如果能先将污泥脱水至含水率55%以下，则可以大大降低污泥干化的能耗，同时还可以采用水泥厂余热发电出来的废热（~180℃）作为干化热源，不但降低了污泥处置的成本，同时也降低了水泥生产的成本。
污泥深度脱水是指对污泥进行调理，破除细胞壁，释放结合水、吸附水和细胞内水，改善污泥的脱水性能，使处理后的污泥含水率达到60%以下的脱水方式。目前来说，比较现实可行的污泥深度脱水方式是“化学调质+机械脱水”。污泥先经化学调质，使污泥中的间隙水和部分结合水释放出来，然后通过机械压榨将水分离出来。采用的压榨设备最好是隔膜压滤机或板框压滤机，离心式和带式压滤机无法满足低含水率要求。本文从污泥化学调质的角度，对目前污泥深度脱水的调质方法加以总结和论述。
2.污泥中的水分
污泥是由菌胶团和悬浮固体形成的胶体结构。由于污泥颗粒表面特性和污泥团的结构所决定，污泥颗粒表面吸附有各种荷电离子以及由微生物在其代谢过程中分泌于细胞体外的胞外聚合物等。这些荷电离子和胞外聚合物具有很强的持水性。污泥颗粒相互聚集组成污泥团，形成许多的毛细孔道。
图1 污泥中水分的分类 图2 污泥胶体的双电层结构
污泥中的水分按其状态共分为四种（图1）：（1）间隙水或游离水，间隙水是存在于污泥
颗粒间隙中的游离水分，一般占污泥总含水量的70%左右；（2怀柔一中）毛细水，毛细水是污泥颗粒之间或颗粒裂隙中由于毛细作用与污泥颗粒结合在一起的水分，占总水量的20%左右；（3客户联盟）吸附水，吸附水是由于表面张力的作用吸附在污泥颗粒表面的水分，由于污泥颗粒小，具有极强的表面吸附力；（4）结合水或细胞水，结合水是包含在污泥中微生物细胞内的水分，或无机污泥中金属化合物所带的结晶水等，只有改变污泥颗粒的内部结构才能将结合水分离，结合水和吸附水共占污泥中总含水量的10%左右[5]秩序边缘。但这种划分目前没有定量测定的方法，因此在大多数对水分的定量测定中简单的将污泥中的水分划分为自由水和束缚水[6,7]。
四种水分的结合强度依次为间隙水<毛细水<吸附水<结合水。间隙水理论上容易脱除，可通过重力沉淀（浓缩压密）而分离，但是由于污泥是有絮状的胶体集合而成，颗粒很细而且很软，由于软颗粒具有一定的压缩性，当外力增加时，颗粒会在过滤介质表面形成一层空隙非常小的膜，从而使水很难通过，脱水也就显得异常困难。毛细水可通过施加离心力、负压力等外力，破坏毛细管表面张力和凝聚力的作用力而分离。吸附水可采用混凝方法，通过胶体颗粒相互絮凝，排除附着在表面的水分。而毛细水，吸附水和结合水则较难
去除，特别是微生物细胞内的结合水，必须从细胞内渗出才能去除[8]。一般的污泥重力浓缩法和机械方法仅能去除污泥中的间隙水和部分毛细水[9]。污泥颗粒表面的吸附水和部分毛细水，与污泥表面的结合力很强，无法用机械方法去除。因此研究污泥深度脱水，应将重点放在对毛细水、吸附水和结合水的去除上，有效改变污泥的化学、生化学、物理特性是去除这两部分水的重要方法。
3.污泥的化学调质
3.1污泥化学调质的作用
污水厂污泥中的固体物质主要是胶质微粒，与水的亲和力很强，若不作适当的预处理，脱水将非常困难。污泥颗粒带有同性电荷，它们之间的静电斥力阻止微粒间彼此接近聚集成较大的颗粒；其次，带电荷的胶粒和反离子都能与周围的水分子发生水合作用，形成一层水化膜，阻碍颗粒相互结合。剩余活性污泥的含水率一般在99.5％～99.8％。经过浓缩作用和机械脱水后，污泥的含水率仍高达75％～85％，解决不了污泥干化时消耗大量能量的问题[10]。
在污泥脱水前进行的预处理，称为污泥调质。其作用是使污泥粒子改变物化性质，破坏污泥的胶体结构，减少其与水的亲和力，从而改善其脱水性能，现在常用的方法有物理调质和化学调质两大类。物理调质有冻融法、超声波法及热调质等，化学调质则主要向污泥中投加化学药剂，改善其脱水性能。以上调质方法在实际中都有应用，但以化学调质为主，原因在于化学调质流程简单，操作不复杂，且调质效果很稳定。
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