高含水率污泥真空快速脱水处理研究综述

杨瑞敏章振宁卢芬汤友胜

安徽科技学院建筑学院安徽滁州233100

摘要：城市污泥具有含水率高、有机质含量高、颗粒细含量高和脱水困难的特征，本文分析了污泥填埋、焚烧和土地利用对污泥含水率的要求，明确城市污泥真空快速脱水研究的现状及存在的问题，提出了城市污泥真空快速脱水固结研究展望。

关键词：高含水率；城市污泥；变真空；真空预压

一、引言

十三五规划提出了“绿色发展”的主题，城市污染物的控制被列为重点内容。近年来，随着我国城镇化步伐的不断加快，城市污水处理量大幅增长，必将产生大量的污泥。城市污泥主要来源于污水处理过程中产生的沉淀物质，据不完全统计[1,2],2017年我国城镇湿污泥（含水率80%）产量超过4000万吨/年，预计至2020年我国城镇湿污泥产量将超过6000万吨/年。根据《安徽省城镇污水处理及再生利用设施建设规划通知》的目标[3]，2017年底安徽省辖市将完成污水处理厂污泥处理处置设施的配套建设，实现污泥无害化处理率达到70%（合肥市达到80%），县（市）和重点镇实现污泥的减量化处理。然而，目前我国污水处理行业“重水轻泥”的思想仍然存在，城市污泥产量大与污泥处理能力不足、处理手段落后的矛盾日益突出，大量的湿污泥随意外运、简单填埋或堆放，致使许多城市出现“污泥围城”的现象，污泥处理问题已成为当今社会无法回避而又亟待解决的城市环境问题。

二、污泥特征与处置要求

污泥是污水处理过程中悬浮态、胶体态或溶解态的物质析出后形成的产物，具有含水率高（可达99%以上）、有机质含量高、颗粒细和脱水困难等特性，同时含有病原菌、寄生虫及大量重金属等有害物质[4-6]。目前，常用的污泥处置方法有填埋、焚烧及土地利用等。根据国家标准《城镇污水处理厂污泥处置——混合填埋用泥质》与《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》的规定[7,8]，城镇污水处理厂污泥进入生活垃圾填埋场混合填埋处置时，应经预处理改善污泥的高含水率、高黏度、易流变、高持水性和低渗透系数的特性，改善后的泥质应达到如下指标：（1）含水率≦60%；（2）无侧限抗压强度≧50Kpa；（3）十字板抗剪强度≧25Kpa；（4）渗透系数为10-6cm/s～10-5cm/s。焚烧前污泥需要进行预脱水处理，根据国家标准《城镇污水处理厂处置——单独焚烧用泥质》的规定[9],焚烧污泥的含水率应低于50%，因为高含水率污泥的热值很低（例如含水率为80%时，热值约为500kJ/kg；含水率为50%时，热值约为5000kJ/kg），直接入炉焚烧需要消耗大量的辅助燃烧，运行成本高。根据国家标准《城镇污水处理厂污泥处置——土地改良用泥质》和《城镇污水处理厂污泥处置——农用泥质》的规定[10,11]，污泥土地改良和污泥农用的含水率应分别低于65%和60%，因此土地利用前应对高含水率污泥进行预脱水处理。

三、污泥真空脱水研究现状

高含水率污泥后期处置（填埋、焚烧、土地利用等）前均需要进行预脱水处理，以降低污泥的含水率，实现减量化，提高污泥强度、降低流变性，减少渗滤液排放，从而满足污泥填埋、焚烧及土地利用的要求。目前污泥的脱水方式主要有自然脱水、机械脱水和热力干燥等，污泥一般由有机物、无机物和水分组成，其中水分的存在状态为自由水、间隙水、表面水和结合水四种[12-15],污泥中水分的存在状态是污泥可脱水性的依据[16]。自然脱水能除去部分间隙水，投资小、费用低，但占地面积大、脱水效果差，脱水时间长；机械脱水的极限只能脱除污泥中的自由水和间隙水，要除去污泥中的表面水和结合水，通常需要采用热力干燥的方法将水分蒸发除掉，由于水气化潜热的影响，污泥脱水过程中需要消耗大量的能量，从而使污泥脱水处理成本大大增加[17,18]。众多工程实践表明[19-21]，机械脱水后污泥含水率仅降低至80%左右，依靠传统机械脱水方式很难进一步降低含水率，难以满足污泥后期处置的要求。导致污泥脱水困难的因素除了污泥的物质组成和结构特性之外，还与污泥的脱水设备、脱水技术等有关。前者主要表现为[22-25]:（1）污泥颗粒粒径小、黏度大、比表面积大，与水的结合能力强，难以脱水；（2）污泥中由细菌细胞、有机物和无机颗粒等组成活性污泥絮体，外胞聚合物（EPS）将絮体联接，并形成的立体凝胶状网络结构，外胞聚合物使絮体结构具有较高的亲水性，大量水分被束缚在EPS立体结构或絮体结构中，常规机械脱水方式难以除去。后者主要表现为由于运行成本高、维护量大、操作困难，导致先进的脱水设备、脱水技术难以普及，而传统的机械脱水方法难以除去污泥中的表面水和结合水[26]。为了解决污泥脱水困难的问题，一般需要在脱水前进行调节处理（如物理预处理、化学预处理和微生物预处理等），但调节处理存在成本高、二次污染严重的问题[26]。

四、污泥真空快速脱水存在的问题及展望

目前国内一些学者[27-31]对传统真空预压技术进行改良，对高含水率疏浚淤泥进行快速泥水分离和快速固结，从而有效降低含水率，实现疏浚泥大幅度减量化。随着我国污泥产量的急剧增加，常规的污泥脱水方法已经不能满足目前污泥处置的要求，国内一些学者[32-37]试图将真空预压技术用于高含水率污泥的脱水固结处理，例如真空预压与堆载预压联合处理、真空预压与电渗联合处理、增压式真空预压处理等，主要存在如下问题：（1）由于城市污泥有机质含量高、颗粒细，脱水过程中细颗粒迁移容易导致排水板於堵，於堵问题尚未有效解决；（2）於堵的机理、影响因素及脱水过程中颗粒、水分的迁移规律尚未明确；（3）为达到最佳的脱水效果和大幅度减量化，如何选取合理的处理压力有待探索；（4）压力传递沿途衰减的问题尚未有效解决，压力传递规律尚未明确；（5）污泥脱水固结机理及影响因素有待明确。高含水率城市污泥真空快速脱水技术的研究，能够有效降低污泥含水率、实现大幅度的减量化，从而满足污泥后期处置（填埋、焚烧及土地利用等）的要求，具有较高的学术价值、巨大的经济效益和社会民生意义。

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基金项目：国家自然科学基金项目（51378118）；安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2018A0539）；安徽科技学院人才引进项目（JZYJ201601）；国家大学生创新训练项目（201810879027）；安徽省大学生创新训练项目（2018S10879026）。

作者简介：杨瑞敏（1984-），男，讲师，博士，主要从事高含水率疏浚土物理力学特性及其处理技术研究。