隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，公眾的環(huán)保意識(shí)有了極大的提高，“重水輕泥”的觀念得到改變，對(duì)污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥的處理、處置問(wèn)題的關(guān)注與日俱增。當(dāng)前，現(xiàn)行的污泥脫水預(yù)處理方法主要包括鐵鹽、鋁鹽和生石灰等，但脫水后的污泥存在灰分含量增加，脫水后污泥燃燒熱值低及污泥堿性提高等缺點(diǎn)。污泥的脫水方法主要包括自然干化、污泥濃縮、機(jī)械脫水和污泥干化等，經(jīng)上述方法脫水后，污泥的含水率降低至60%~80%，仍高于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》(GB/T23485—2009)所要求的含水率低于60%的目標(biāo)。為了強(qiáng)化污泥深度脫水，降低污泥處理和外運(yùn)成本，提高污泥減量化、資源化、無(wú)害化和穩(wěn)定化效率，污泥脫水的預(yù)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
污泥脫水預(yù)處理是利用物理、化學(xué)等方法，通過(guò)向污泥中外加能量或者化學(xué)試劑等，破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)，使污泥中的部分胞內(nèi)水和孔隙水釋放出來(lái)，從而達(dá)到降低污泥中的水分含量的目的。由于污泥組成成分復(fù)雜，是由有機(jī)殘片、無(wú)機(jī)顆粒和細(xì)菌菌體等組成的復(fù)合物，其中包裹在細(xì)菌體周圍的胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances，EPS)是一種具有三維結(jié)構(gòu)的親水性凝膠狀物質(zhì)，表面帶有負(fù)電荷，約占總污泥重量的60%~80%。胞外聚合物對(duì)污泥表面的理化性質(zhì)具有重要的影響。其包裹在污泥的外部形成保護(hù)層，阻止污泥細(xì)胞的破裂和溶解，從而惡化污泥的脫水性能。因此，在污泥脫水前，需要對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，破壞穩(wěn)定的污泥絮體結(jié)構(gòu)，改變胞外聚合物中不同水形態(tài)的分布，從而提高污泥脫水性能。本文主要對(duì)當(dāng)前科學(xué)研究所聚焦的污泥脫水預(yù)處理中的的物理、化學(xué)方法進(jìn)行綜述，介紹不同的預(yù)處理方法對(duì)污泥脫水性的影響。
一、物理預(yù)處理方法
1.1 超聲預(yù)處理
超聲預(yù)處理是通過(guò)聲波(20~40kHz)傳播過(guò)程中的周期性壓縮和膨脹，在介質(zhì)中形成微小氣泡，微小氣泡的破裂產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，從而生成大量的活性自由基(H•和•OH)，并且產(chǎn)生高能量的振動(dòng)剪切力，達(dá)到破壞微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁，改變不同胞外聚合物所占的比例，合理釋放胞內(nèi)物質(zhì)的目的，從而提高污泥的脫水效率。氣穴現(xiàn)象的作用主要包括物理作用和化學(xué)作用，物理作用即超聲波在傳播的過(guò)程中產(chǎn)生微湍流和振動(dòng)波，從而在介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流，破壞污泥絮體的結(jié)構(gòu)。化學(xué)作用即在生成的微氣泡瞬態(tài)坍縮的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一種極端工況(溫度為5000K，壓強(qiáng)為5×104kPa)促使溶劑蒸汽的離解，產(chǎn)生大量的活性自由基，破壞污泥絮體的結(jié)構(gòu)，有利于污泥絮體內(nèi)部水分的釋放。此外，聲波在傳播的過(guò)程中，可以在介質(zhì)中產(chǎn)生類似海綿狀的結(jié)構(gòu)，形成海綿效應(yīng)，使污泥中的水分通過(guò)聲波傳遞所產(chǎn)生的通道釋放到污泥絮體的外部，提高污泥的脫水性能。
Feng等通過(guò)研究不同能量密度作用下，毛細(xì)管抽吸時(shí)間(capillarysuctiontime，CST)、污泥比阻(specificresistancetofiltration，SRF)、胞外聚合物濃度和粒徑分布的變化，探究超聲預(yù)處理對(duì)于污泥脫水性能的影響。研究結(jié)果表明：在低能量密度超聲作用下[4400kJ/(kgTS)]，污泥的脫水性能略有提高，污泥比阻由處理前的2.35×1010m/kg降低至1.20×1010m/kg。這主要是由于在低能量密度超聲作用下，污泥的絮體破碎，降低了絮凝體顆粒的粒徑，使包裹在污泥中的水分釋放出來(lái)，提高了污泥的脫水能力。當(dāng)超聲的能量密度超過(guò)4400kJ/(kgTS)時(shí)，污泥的脫水性能變差，這主要是由于高密度的超聲處理使污泥絮體被破壞，產(chǎn)生大量小污泥絮體顆粒，增大了污泥絮體的總面積，增強(qiáng)了污泥的親水性，從而使污泥的脫水性降低。薛向東等通過(guò)比較污泥超聲預(yù)處理前后結(jié)合水和過(guò)濾比阻的變化特征，確定了超聲預(yù)處理對(duì)污泥脫水性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，低超聲預(yù)處理強(qiáng)度(0.1~0.15W/mL)和短超聲預(yù)處理時(shí)間(2~3min)可有效降低污泥過(guò)濾比阻，減少污泥中結(jié)合水的含量。馬德剛等研究了超聲預(yù)處理過(guò)程中的聲強(qiáng)和預(yù)處理時(shí)間對(duì)污泥電脫水性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程中的聲波頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度和壓力相同時(shí)，適當(dāng)?shù)穆暡◤?qiáng)度和超聲預(yù)處理的時(shí)間有利于提高污泥的電滲透脫水效率，且最佳預(yù)處理工況為0.510W/cm2，預(yù)處理時(shí)間為3.5min。
1.2 微波預(yù)處理
微波預(yù)處理所使用的微波波長(zhǎng)為1mm~1m，頻率為0.3~300GHz。微波預(yù)處理的原理主要包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。熱效應(yīng)即在振蕩電磁場(chǎng)下，通過(guò)偶極子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量，使污泥中的水分加熱至水的沸點(diǎn)，導(dǎo)致污泥絮體細(xì)胞破裂。非熱效應(yīng)主要是由于極性分子的偶極取向變化所導(dǎo)致的，非熱效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致氫鍵的斷裂，并且可以使復(fù)雜生物分子解折疊和變性。微波預(yù)處理可以破碎污泥絮體結(jié)構(gòu)，釋放細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)質(zhì)、降解大分子有機(jī)物從而提高污泥的脫水性。
喬瑋等研究表明，微波處理的過(guò)程中，其熱效應(yīng)可以加快有機(jī)物的水解反應(yīng)速率，破壞菌體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，改善脫水性能。當(dāng)水解溫度為170℃、反應(yīng)時(shí)間為10min時(shí)，污泥經(jīng)離心后含水率降低至65.5%。傅大放等通過(guò)研究不同微波照射功率所對(duì)應(yīng)的含水率得出結(jié)論：微波處理是污泥脫水的有效方法。Fang等通過(guò)研究微波處理過(guò)程中影響因素對(duì)活性污泥脫水特性的影響發(fā)現(xiàn)：當(dāng)用1000W，2450MHz的微波照射污泥時(shí)，可以破壞污泥中蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，使污泥絮體周圍的可溶性蛋白增多，但對(duì)污泥的脫水特性不產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)微波照射時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)，污泥顆粒分解為較小的顆粒，增大了污泥的表面積和結(jié)合水的能力，使污泥的沉降性能變差。此外，微波照射破壞污泥的絮體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使更多的多糖溶解在上清液中，從而使污泥的脫水性能變差。
1.3 電滲析
電滲透脫水機(jī)理主要基于所施加的電場(chǎng)與存在于污泥絮體顆粒表面的電荷之間的相互作用，由于電場(chǎng)的作用，固體-液體界面上電離流動(dòng)液體的移動(dòng)確保了水的遷移，從而通過(guò)粘性動(dòng)量傳遞驅(qū)動(dòng)液體在中心通道中的遷移，使帶負(fù)電的污泥絮體顆粒向陽(yáng)極產(chǎn)生定向移動(dòng)，在濾布的作用下進(jìn)行泥水分離，進(jìn)而在陽(yáng)極實(shí)現(xiàn)污泥濃縮的目的。此外，電滲析處理還涉及電化學(xué)氧化、電阻加熱和pH梯度效應(yīng)等機(jī)理。
華海潔研究發(fā)現(xiàn)，電滲析可以破壞污泥顆粒表面的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)毛細(xì)水的析出。同時(shí)，可以破壞污泥細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，使污泥中的吸附水和內(nèi)部水析出，從而提高污泥的脫水效率。Yuan等通過(guò)比較污泥的CST、SRF、EPS濃度和污泥破碎程度(DDSCOD)的變化研究電化學(xué)條件對(duì)于污泥脫水性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)電解電壓小于20V時(shí)，存儲(chǔ)水分的污泥絮體遭到破壞，污泥絮團(tuán)變小，EPS含量有較小幅度的增加，污泥絮體中的水分釋放到污泥中，從而提高了污泥的脫水性能。當(dāng)電解電壓為15~20V、電解時(shí)間為15~20min時(shí)，污泥的脫水效果最好。當(dāng)電解電壓超過(guò)30V后，破壞了污泥的絮體結(jié)構(gòu)和完整性，產(chǎn)生了大量的細(xì)小顆粒，加速了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和多糖的釋放，增加了污泥的粘度，不利于污泥的脫水。
1.4 熱水解
熱水解預(yù)處理的溫度為40~180℃。在此溫度內(nèi)，污泥絮體的細(xì)胞壁破裂，污泥細(xì)胞中的脂肪、多糖和蛋白質(zhì)等高分子的有機(jī)化合物得以釋放，污泥中的難降解有機(jī)氮、難降解有機(jī)碳的含量升高。菌膠團(tuán)表面的微生物及其代謝產(chǎn)物發(fā)生溶解，使包裹在污泥絮體中的顆粒與污泥絮體發(fā)生分離，從而改變污泥絮體的結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度高于某一閾值時(shí)，污泥中的有機(jī)物會(huì)轉(zhuǎn)化生成難降解COD化合物，且存在污泥脫水性能惡化的風(fēng)險(xiǎn)。
Higgins等研究不同的熱水解溫度對(duì)厭氧消化、脫水及濾液特性的影響。研究結(jié)果表明，熱水解溫度越高，污泥中的溶解性有機(jī)物濃度升高，污泥減量化效果明顯，甲烷產(chǎn)量隨之增大。在高水解溫度下，污泥粘度隨之降低，表明污泥中的結(jié)合水加速釋放到液相中，從而提高污泥的脫水性能。Zhang等通過(guò)研究污泥網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在熱水解過(guò)程中的變化發(fā)現(xiàn)：熱水解預(yù)處理可以破壞污泥的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使污泥的絮凝體顆粒變小且更加均勻，最終使熱水解預(yù)處理污泥的脫水性能提高了4.6%±0.5%。表1列出了不同物理預(yù)處理方法污泥脫水效果。
二、化學(xué)預(yù)處理方法
2.1 混凝(絮凝)處理混凝(絮凝)
預(yù)處理是指在污泥脫水前向污泥中投加適當(dāng)濃度的混凝劑或絮凝劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì)，從而提高污泥的脫水性能。其作用機(jī)理主要包括：電中和、吸附架橋、壓縮雙電層、沉淀物卷掃和骨架作用等。
牛美青等通過(guò)氯化鐵，液態(tài)聚合氯化鋁(PAC)，液態(tài)高效聚合氯化鋁(HPAC)和陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺(PAM)4種混凝劑，研究無(wú)機(jī)和有機(jī)混凝劑對(duì)污泥的調(diào)質(zhì)機(jī)理。研究表明，無(wú)機(jī)混凝劑和有機(jī)混凝劑的投加量和投加順序?qū)ξ勰嗟拿撍Ч哂酗@著的影響。當(dāng)混凝劑的投加量為10%PAC+0.5%PAM時(shí)，污泥的脫水效果最優(yōu)，污泥比阻由原來(lái)172×1010m/kg降低至12.8×1010~2.51×1010m/kg，Zeta電位由-21.6mV升高至(2.2±0.3)mV，污泥的脫水性能得到顯著的升高。
2.2 酸/堿處理
酸/堿預(yù)處理是指通過(guò)向基質(zhì)中加入酸(HCl、H2SO4、H3PO4和HNO3等)或堿[NaOH、KOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaO等]改變污泥中不同EPS的分布比例，破壞污泥絮體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而有利于束縛水的釋放，從而提高污泥的脫水性。酸性預(yù)處理可以將污泥絮體中的帶負(fù)電的官能團(tuán)(羧基和氨基等)質(zhì)子化，從而將污泥的Zeta電位由負(fù)值增加至接近于0，減少靜電排斥，提高污泥的絮凝效果、聚集性和脫水效果。堿預(yù)處理通過(guò)膜蛋白的增溶和膜脂的皂化作用，破壞污泥的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，溶解污泥中的EPS，將污泥絮體中的TB-EPS轉(zhuǎn)化為以有機(jī)物形式存在的液體。表2列出了不同化學(xué)預(yù)處理方法污泥脫水的效果。
He等通過(guò)對(duì)待處理的污泥進(jìn)行硫酸預(yù)處理，水解污泥中的胞外聚合物，破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，改變水分在污泥中的分布比例，使污泥內(nèi)部的間隙水和細(xì)胞內(nèi)部的間隙水轉(zhuǎn)化成自由水，從污泥中分離出來(lái)，提高污泥的脫水性。Devlin等通過(guò)研究鹽酸預(yù)處理對(duì)污泥厭氧消化和脫水性能的影響發(fā)現(xiàn)，鹽酸預(yù)處理可以使污泥中的碳水化合物、多糖、COD等溶解，增加反應(yīng)體系中可溶性碳水化合物的濃度，使污泥中可溶性碳水化合物和蛋白質(zhì)的含量分別增加4倍和6倍。此外，酸性預(yù)處理可以降低污泥絮體的總負(fù)電荷，形成分形維數(shù)較低，顆粒較小的污泥絮體，從而有利于后續(xù)聚合物對(duì)污泥的絮凝作用，提高污泥的脫水效果。Su等采用堿性預(yù)處理強(qiáng)化污泥的脫水性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)增加Ca(OH)2與NaOH的比例時(shí)，污泥的脫水性能得到提升。這主要是由于Ca(OH)2可以增強(qiáng)污泥的絮凝能力，提高污泥絮體的強(qiáng)度和密度，減少污泥中的結(jié)合水和污泥絮體之間的水分，從而提高污泥的脫水性能。
2.3 氧化法
氧化法指通過(guò)向污泥中投加一定比例的氧化劑，如臭氧、Fenton試劑和過(guò)硫酸鹽等，破壞污泥絮體的結(jié)構(gòu)和污泥細(xì)胞的細(xì)胞壁，降解大分子的有機(jī)物，釋放污泥中的間隙水和胞內(nèi)水，從而改善污泥的脫水性能。此外，污泥絮體中的胞外聚合物和難降解有機(jī)物可以被氧化生成溶解性的有機(jī)物，甚至可以直接氧化生成二氧化碳和水，達(dá)到污泥減量化的目的。氧化法一般包括臭氧氧化、Fenton試劑氧化、Fe2+活化過(guò)硫酸鹽氧化和高錳酸鹽氧化等。氧化法所涉及的機(jī)理主要包括：污泥絮體的氧化，疏松結(jié)合胞外聚合物(LB-EPS)的分解，結(jié)合水的釋放和轉(zhuǎn)化、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞、污泥顆粒的絮凝等。
2.3.1 臭氧氧化
臭氧氧化是一種應(yīng)用最廣泛的氧化過(guò)程。臭氧可以破壞細(xì)胞膜和菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，加速胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，并將其氧化生成小分子物質(zhì)，提高污泥的脫水性能。臭氧氧化污泥預(yù)處理的作用機(jī)理如圖1所示。
Meng等在臭氧法連續(xù)處理污泥的過(guò)程中，通過(guò)胞外聚合物濃度、官能團(tuán)、分子量級(jí)的變化，研究臭氧與污泥之間的作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，在12h的連續(xù)處理過(guò)程中，前4h臭氧與溶液反應(yīng)強(qiáng)烈，臭氧大量被消耗，胞外聚合物中的蛋白質(zhì)含量減少了30%±12%，TOC的濃度由(158±7)mg/L降低至(138±7)mg/L。這主要是由于臭氧與蛋白質(zhì)中的酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸殘基發(fā)生反應(yīng)，攻擊蛋白鏈上的特定殘基，快速降低蛋白質(zhì)的濃度和熒光物質(zhì)的濃度。經(jīng)臭氧氧化后，污泥中蛋白質(zhì)和多糖的平均分子量降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)，表明部分胞外聚合物被臭氧氧化降解，從而使大分子量物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為小分子量的物質(zhì)。Dytczak等通過(guò)對(duì)比兩組序批式反應(yīng)器中臭氧的投加量，以污泥體積指數(shù)(SVI)和CST為參考，研究部分臭氧化對(duì)回流污泥脫水性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：臭氧預(yù)處理可以破壞污泥絮體中TB-EPS的結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化生成溶解性的SEPS。
2.3.2 Fenton氧化
Fenton氧化預(yù)處理是指在酸性條件下，通過(guò)催化劑Fe2+和H2O2反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化活性的羥基自由基(•OH)，降解污泥胞外聚合物和污泥細(xì)胞，釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和結(jié)合水，從而達(dá)到污泥脫水的目的。Fenton反應(yīng)的效果主要取決于試劑的濃度、H2O2與Fe2+的比例、反應(yīng)時(shí)間、初始pH和反應(yīng)溫度。Fenton氧化污泥預(yù)處理的作用機(jī)理如圖2所示。
He等通過(guò)胞外聚合物的破壞、污泥細(xì)胞的溶解、結(jié)合水的釋放和污泥絮體中的典型金屬濃度的變化，研究類Fenton方法對(duì)污泥脫水的影響。結(jié)果表明，污泥經(jīng)類Fenton試劑處理后，污泥的含水率從80.0%降低至66.1%，污泥絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生分解，污泥絮體中的重金屬(Zn、Mn、Cu、Cd、Pb和Ni)釋放進(jìn)入上清液中。污泥中結(jié)合水的含量由原來(lái)的1.22g/(gDS)降低至0.30g/(gDS)，這主要是由于污泥經(jīng)類Fenton試劑處理后，污泥的接觸角變大，Zeta電位由負(fù)值逐漸升高，靜電斥力變小，污泥細(xì)胞的疏水性得到了提高，污泥細(xì)胞疏水的表面熱力學(xué)特性促進(jìn)了自由水和表面水的釋放，從而提高了污泥的脫水性能。Zhen等通過(guò)界面響應(yīng)法優(yōu)化H2O2濃度、Fe2+濃度和初始pH等試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)H2O2濃度為178mg/(gVSS)，F(xiàn)e2+濃度為211mg/(gVSS)、初始pH值為3.8時(shí)，由于Fenton試劑所造成的污泥絮體的破碎和微生物細(xì)胞的溶解，污泥的CST降低，污泥的脫水性能得到顯著的提高。潘勝等通過(guò)污泥CST、泥餅含水率等變化，研究Fenton試劑對(duì)污泥脫水性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在抽濾脫水過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)pH值為3、H2O2投加量為3g/L、H2O2/Fe2+質(zhì)量比為8~12時(shí)，泥餅的含水率最低，并且經(jīng)Fenton試劑處理后，污泥的顆粒粒徑變小，上清液中蛋白質(zhì)和多糖的含量明顯升高，改善了污泥的脫水性能。
2.3.3 過(guò)硫酸鹽氧化
過(guò)硫酸鹽氧化是指過(guò)硫酸鹽可以在高溫、紫外光照射和過(guò)渡金屬的激發(fā)下，生成具有氧化能力的硫酸根自由基(SO-4•)，從而破壞破壞熒光物質(zhì)的特定官能團(tuán)，引起聚合鏈斷裂，并且破壞污泥細(xì)胞，導(dǎo)致胞外聚合物中的結(jié)合水、胞內(nèi)物質(zhì)及胞內(nèi)水的釋放，增強(qiáng)污泥的脫水性能。Fe2+和Fe0活化過(guò)硫酸鹽氧化的過(guò)程如圖3所示。
Zhen等研究了鐵活化過(guò)硫酸鹽氧化對(duì)不同的溫度條件下(25、40、60、80℃)，中溫厭氧消化污泥脫水性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)使用鐵活化過(guò)硫酸鹽氧化預(yù)處理后，不同溫度厭氧消化污泥的CST均呈現(xiàn)明顯的降低，且在相同的過(guò)硫酸鹽投加量情況下，污泥的脫水性能隨著溫度的升高而提高。這主要是由于過(guò)硫酸鹽可以通過(guò)高溫引發(fā)反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，過(guò)硫酸鹽分解生成SO-4•從而增強(qiáng)鐵活化過(guò)硫酸鹽反應(yīng)，加速胞外聚合物的降解和污泥細(xì)胞的溶解。此外，當(dāng)向污泥中投加鐵鹽和過(guò)硫酸鹽時(shí)，污泥的Zeta電位也隨著升高。這主要是由于鐵鹽和過(guò)硫酸鹽投加，污泥絮體的結(jié)構(gòu)被生成的SO-4•破壞，并且反應(yīng)體系中的Fe2+和Fe3+具有電中和的作用，從而使污泥絮體間的靜電斥力降低，有利于污泥的絮凝沉降。
三、組合預(yù)處理
上述的各種預(yù)處理方法雖然在一定程度上可以提高污泥的脫水效率，但同時(shí)這些方法又有一些局限性，如能耗高、藥劑投加量高等。表3列出了不同的預(yù)處理方法在污泥脫水中的優(yōu)缺點(diǎn)。
組合預(yù)處理是指將上述的物理、化學(xué)等預(yù)處理方式通過(guò)一定的順序組合起來(lái)，從而消除或者減弱某一單一預(yù)處理方式所存在的不足，充分發(fā)揮各種預(yù)處理方式的潛力，從而強(qiáng)化污泥的脫水效果。
Xiao等通過(guò)結(jié)合超聲預(yù)處理和酸性預(yù)處理，探究污泥中影響其脫水性的主要有機(jī)化合物的性質(zhì)。結(jié)果表明，在高超聲功率的條件下，污泥中生物聚合物的濃度增加，污泥的過(guò)濾性能變差。然而，當(dāng)結(jié)合后續(xù)的酸化預(yù)處理時(shí)，污泥中有機(jī)物的濃度降低，Zeta電位由(-12.45±0.07)mV升高至(0.58±0.02)mV，并且污泥絮體增大，強(qiáng)化了污泥的脫水性。Liu等將微波處理和酸化處理組合起來(lái)用于提高污泥的脫水性，試驗(yàn)結(jié)果表明，高能量微波輻射有利于污泥絮體的破碎和污泥中聚合有機(jī)物的釋放，但會(huì)導(dǎo)致污泥絮體表面電位降低，降低了污泥的可脫水性。通過(guò)微波-酸化預(yù)處理(溫度為100℃，pH值=2.5)，增加了聚合有機(jī)物的釋放，酸化處理通過(guò)質(zhì)子化作用降低了Zeta電位，從而使污泥的CST由原來(lái)的37.7s降低至9.2s，結(jié)合水的含量由(1.96±0.19)g/(g干污泥)降低至(0.88±0.24)g/(g干污泥)，提高污泥的脫水性。
四、結(jié)語(yǔ)
4.1 物理預(yù)處理法
超聲預(yù)處理在本質(zhì)上是一種物理過(guò)程，不會(huì)產(chǎn)生二次毒性化合物。超聲處理的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的活性自由基，從而分解污泥中的毒性和難降解有機(jī)物，如芳香族化合物、表面活性劑、有機(jī)染料等。此外，超聲預(yù)處理具有效率高、可控性好、處理均勻等優(yōu)點(diǎn)。在較高的超聲輻射能量下，污泥絮體的顆粒粒徑變小，降低了污泥的邊界效應(yīng)，雖然有利于污泥的再次絮凝，但會(huì)導(dǎo)致污泥顆粒吸附大量的自由水從而使污泥的脫水效果變差。此外超聲預(yù)處理的效果受超聲強(qiáng)度、處理時(shí)間和工作頻率的影響，作用機(jī)理復(fù)雜，需要對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)處理效率和能耗的平衡。
微波預(yù)處理通過(guò)容積加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的預(yù)處理，與傳統(tǒng)的熱傳遞的加熱方式不同，微波處理的過(guò)程中沒(méi)有熱傳遞所產(chǎn)生的能量損失，具有加熱速度快(約200℃/min)、受熱均勻、熱效率高、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。但是由于微波預(yù)處理的過(guò)程中，污泥絮體中的蛋白質(zhì)，多糖，核酸等高分子有機(jī)聚合物的釋放，會(huì)導(dǎo)致污泥比阻和黏度的增加，從而降低污泥的過(guò)濾性。
電滲析預(yù)處理受電場(chǎng)強(qiáng)度、溶液pH、電極形狀等因素的影響。電滲析設(shè)備具有脫水效率高、運(yùn)行穩(wěn)定性好、調(diào)理劑投加量少等優(yōu)點(diǎn)。但由于電滲析的過(guò)程中陰極和陽(yáng)極的作用機(jī)理的不同，存在兩極間電阻率和脫水效率相差比較大等缺點(diǎn)。
熱水解的過(guò)程中，由于污泥具有含水率高，比熱容大，傳熱效率低等特性，導(dǎo)致污泥在熱水解的過(guò)程中存在傳熱不均、耗能高、腐蝕性強(qiáng)等缺點(diǎn)，限制了其大范圍的推廣。當(dāng)前的熱水解技術(shù)主要應(yīng)用在污泥消化等相關(guān)領(lǐng)域，借助污泥熱水解的過(guò)程中降解有機(jī)聚合物所生成的小分子有機(jī)物，可以加快細(xì)菌與污泥的反應(yīng)速率，從而提高甲烷產(chǎn)量。
一般情況下，單一的物理預(yù)處理方法因其存在一定的局限性，污泥的物理預(yù)處理過(guò)程都會(huì)與其他的預(yù)處理方式進(jìn)行組合，從而提高脫水效果。
4.2 化學(xué)預(yù)處理
混凝預(yù)處理具有投加設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于混凝劑的種類繁多，需根據(jù)不同的處理?xiàng)l件選取適合的混凝劑種類。在混凝劑對(duì)投加設(shè)備具有腐蝕性，投加量需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改變。
酸/堿預(yù)處理具有反應(yīng)迅速、投加設(shè)備簡(jiǎn)單、操控方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，不同的酸/堿預(yù)處理方法其作用機(jī)理不同，對(duì)于不同的污泥其脫水效果影響較大。同時(shí)，酸堿預(yù)處理方法也存在設(shè)備腐蝕，投加量難以確定等缺點(diǎn)。
氧化預(yù)處理均具有操作簡(jiǎn)單，設(shè)備投入比較小反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。同時(shí)，氧化預(yù)處理存在投加量難以確定，當(dāng)投加量比較小時(shí)，無(wú)法達(dá)到氧化破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)的目的，從而降低污泥的脫水效果，當(dāng)投加量超出最佳投加量時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生二次污染物，這與無(wú)害化處理的目標(biāo)相悖，因此需要對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。
4.3 組合預(yù)處理
當(dāng)前，通過(guò)組合與處理的方式提高污泥的脫水效果得到了廣泛的關(guān)注。組合預(yù)處理方式可以降低或消除單一的預(yù)處理方法所存在的局限性，充分的發(fā)揮各個(gè)預(yù)處理方式的優(yōu)勢(shì)，從而更好地提高污泥的脫水效果。但是，當(dāng)前預(yù)處理方式相比較于單一的預(yù)處理方式，存在著設(shè)備復(fù)雜，耗能高，經(jīng)濟(jì)性差等問(wèn)題。因此，需要對(duì)過(guò)程中所涉及的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而在充分的挖掘各個(gè)預(yù)處理方式脫水潛力的基礎(chǔ)上，提高組合式預(yù)處理方式的應(yīng)用前景。( >
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