基于骨架构建的污泥脱水调理技术研究进展.pdf
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1、42D0I:10.16056/j.2096-7705.2023.03.007能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)综合论述基于骨架构建的污泥脱水调理技术研究进展齐建1,赵雁滨2 3,杨期勇3*,田先锋4,梅萧5(1.九江市生态环境预警应急管控中心,江西九江332 0 0 0;2.兰州理工大学石油化工学院,兰州4.江西润阳环保科技有限公司,南昌川7 30 0 50;3.九江学院资源环境学院,江西九江330029;5.九江市生态环境科学研究所,江西九江332005;332000)摘要:污泥调理是污泥深度脱水的关键步骤,基于骨架构建的污泥调理技术可以提高污泥滤饼的机械强度和过滤性,进而改善污泥脱
2、水性能。从污泥脱水调理技术研究现状及其面临的挑战、污泥脱水骨架构建起源与发展、骨架构建材料、骨架构建的局限性及骨架构建方法等方面进行了系统阐述。现阶段,基于骨架构建的污泥脱水调理技术主要围绕“絮体分解-骨架构建-再絮凝”的污泥调理思路,设计了基于骨架构建的6 种组合工艺,在污泥滤饼中形成骨架助滤剂、絮凝剂、污泥絮体的刚性结构,提高了污泥脱水性能。基于骨架构建的污泥脱水调理技术可以提高污泥过滤性能,但骨架助滤剂的使用受到污泥脱水方法、骨架助滤剂性质和污泥性质等因素的限制。建议今后主要从骨架材料选择、骨架材料改性、骨架构建机制、污泥滤饼结构与污泥脱水的构效关系等方面开展进一步的研究。关键词:污泥脱
3、水;骨架构建;化学调理;物理调理;胞外聚合物(EPS)中图分类号:X703A Review on Sludge Conditioning Technology based on Skeleton Builde文献标志码:A文章编号:2 0 96-7 7 0 5(2 0 2 3)0 30 0 42-10QI Jian I,ZHAO Yanbing 23,YANG Qiyong 3*,TIAN Xianfeng,MEI Xiao s(1.Jiujiang Ecological Environment Warning Emergency Manage&Control Center,Jiujiang
4、332000,Jiangxi,China;2.College of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China;3.College of Resources&Environment,Jiujiang University,Jiujiang 332005,Jiangxi,China;4.Jiangxi Runyang Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Nanchang 330029,China;5.Jiujiang Instit
5、ute of Ecological and Environmental Sciences,Jiujiang 332000,Jiangxi,China)Abstract:Sludge conditioning is a crucial step for deep sludge dewatering.The mechanical strength and filtration of thesludge filter cake are improved by the sludge dewatering based on skeleton builder,as well as the sludge d
6、ewateringperformance.The research status and limitations of sludge conditioning technology,origin and development of sludgedewatering based on skeleton builder,classification of skeleton builder,limitations and methods of skeleton construction areintroduced in detail.At present,the sludge dewatering
7、 and conditioning technology based on skeleton builder is mainlycombined according to the sludge conditioning concept of flocs decomposition-skeleton builder-reflocculation.Six收稿日期:2 0 2 3-0 6-30基金项目:国家自然科学基金项目(2 2 0 6 6 0 12);江西省科技厅重点研发计划项目(2 0 18 1BBG70043)第一作者:齐建(197 9一),男,工程师,硕士,主要从事固体废弃物技术与管理工作
8、。E-mail:q i j i a n s i n a.c o m*通信作者:杨期勇(197 2 一),教授,博士,主要从事污染控制与废物资源化利用技术研究和教学工作。E-mail:y q y 46 90 1 16 3.c o m引用格式:齐建,赵雁滨,杨期勇,等.基于骨架构建的污泥脱水调理技术研究进展 J.能源研究与管理,2 0 2 3,15(3):42-51.综合论述combination processes based on skeleton builder have been designed to form a rigid structure of skeleton filter a
9、ids,flocculants,and sludge flocs in the sludge filter cake,improving the sludge dewatering performance.Although skeletonbuilder have been proved to be able to aid the sludge dewatering process,the application of the skeleton builder aresometimes limited and affected by factors such as the dewatering
10、 method utilized,the properties of the conditioner,theproperties of the sludge,etc.It is recommended to conduct further research in the future from the selection of skeleton builder,modification of skeleton builder,skeleton construction mechanism,and the structure-activity relationship between sludg
11、efilter cake structure and sludge dewatering.Keywords:sludge dewatering;skeleton builder;chemical conditioning;physical conditioning;extracellular polymeric sub-stances(EPS)能源研究与管理 2 0 2 3,15(3).43.化会导致污泥絮凝体过度解体,产生大量的污泥小引言颗粒和胶体物质,导致滤饼过滤通道堵塞和黏稠致随着我国污水处理能力的快速提高,污水处理密过滤层,释放的结合水和自由水仍然难以排出4。产业快速发展,导致污泥量大
12、幅增加。根据住建部化学絮凝可以使分解的污泥絮凝体结构得到重构,2 0 2 1年城乡建设统计年鉴,截至2 0 2 1年,我国通过降低过滤比阻提高污泥的过滤性能,但污泥滤城市和县城污水处理厂总计459 2 座,处理量为饼颗粒在滤饼生长后的压力下容易变形,导致滤饼2.47亿m/d,干污泥产量合计为16 2 2 万t/a,折合空隙闭合,进而降低污泥的过滤能力。而骨架助滤成湿污泥(含水率8 0%)达到8 110 万t/a,预计剂是解决这个问题的有效尝试,在污泥中投加骨架2025年我国污泥年产量将突破90 0 0 万t。“十四助滤剂可以构建具有良好过滤性能的刚性泥饼结构,五”城镇污水处理及资源化利用发展规
13、划提出,为自由水提供过水通道,污泥骨架构建也逐渐成为至2 0 2 5年城市污泥无害化处置率达90%以上,新增污泥脱水领域的研究热点。污泥无害化处理设施规模将超过2 万t/d,截止2 0 35基于此,本文对污泥脱水调理技术研究现状以年全面实现污泥无害化处置,破解污泥处置难点。及污泥脱水调理技术面临的挑战进行归纳总结。在因此,如何安全地、经济地处置污水处理厂污泥已此基础上,从污泥脱水骨架构建起源与发展、骨架成为污水处理领域急需重点解决的问题。构建材料和骨架构建的局限性对基于骨架构建的污近年来,从能量衡算和磷资源回收的角度,干泥脱水调理技术研究现状进行阐述,重点介绍基于化焚烧成为污泥处置的优选方向,
14、污泥脱水成为污“絮体分解-骨架构建-再絮凝”污泥调理思路的6 种泥处理处置的经济技术瓶颈。污泥深度脱水的限制组合工艺构建方法,探讨骨架构建污泥调理技术未性因素很多,包括污泥颗粒的可压缩性、污泥结合来的发展方向,以期为污泥脱水调理技术研究和工水、污泥表面电荷、污泥胞外聚合物(EPS)等。程实践提供技术参考。其中,EPS约占活性污泥有机物总量的8 0%,为结1污泥脱水调理技术研究现状合水提供了黏附位点和形成高黏度的生物絮体。由于EPS的存在会占据一定的空间,阻止细胞之间的接触,使得污泥絮体无法凝聚,同时EPS凝胶状网络结构束缚了大量的结合水,阻止水从絮凝体的孔隙中渗出,从而降低了污泥固液分离能力和
15、脱水能力。结合水含量与EPS结构和组成密切相关,被认为是影响污泥脱水的关键因素 2 。超声波、高级氧化技术、酸和碱、生物淋滤、紫外线等方法都可以破坏污泥EPS和污泥絮体,促进EPS和污泥絮体的结合水释放出来。如,多金属氧酸盐与FeCl耦合导致紧密结合EPS浸出和细胞裂解,从而破坏了污泥絮凝体结构;同时蛋白质变性暴露了内部的疏水性基团,增强了污泥样品的疏水性。但过度酸化或氧在污泥机械压滤脱水之前需要对污泥进行调理,才能进一步降低含水率,基于物理、化学及生物方法的污泥调理技术逐渐成为污泥处理领域的研究热点。污泥脱水调理技术主要包括热处理、化学调理、超声处理、Fenton预处理、臭氧和电脱水等方法。
16、污泥脱水调理技术依据其调理机制可大致分成物理调理法、化学调理法以及生物调理法3类。物理调理法包括水热解、电脱水、微波、超声、冻融等技术。物理调理技术主要是通过增加饼的孔隙率和降低饼的压缩率来降低污泥比阻和含水率。杜元元等 6 采用热水解预处理含水率8 5%的污泥,在12 0 条件下热水解30 min,污泥的离心干基含44水率从4.0 9 降到了3.8 5。超声波作用通过施加频率为2 0 kHz的超声波来破坏微生物细胞,使PS(多糖)和蛋白质(PN)释放到体相中,过滤污泥样品中的S-EPS(溶解性EPS)、L B-EPS(松散结合型EPS)和TB-EPS(紧密结合型EPS)组分均显著增加,分别从
17、2 5.5、53.5和58.6 mg/L增加到17 3.1、134.4和7 9.4mg/L7。在冻融过程中,污泥中的水分发生相变,当温度低于冻结温度时,污泥内部形成冰晶并迅速生长,随着冰层的增加,污泥絮体颗粒被压缩,EPS被完全破坏,颗粒尺寸增大,污泥脱水能力显著提高 8 。QI 等 9 采用褐煤作为调理剂进行试验,结果表明褐煤可以提高污泥脱水性能,显著提升净污泥产量,具有一定的应用和经济价值。化学调理法包括化学氧化、化学絮凝、酸碱中和、Fenton氧化等。化学调理主要是压缩双电层、吸附架桥和网捕卷扫等联合作用的结果,通过改变污泥颗粒表面带电性、破坏污泥絮体胶体结构,减小污泥与水的亲和力,使污
18、泥颗粒脱稳10 。常用的氧化剂有过氧化氢、过硫酸盐、高铁酸盐、高锰酸盐、芬顿试剂和臭氧等。污泥经聚合态铝调理后,其絮体的致密性和孔隙结构的丰富度显著提高,能够发挥骨架构建体作用促进污泥脱水 。但石灰和混凝剂等无机化学试剂因其用量大、污泥饼中残留多、对焚烧设施有腐蚀威胁等问题一直饱受诉病 12 。LIU等 13 合成了兼具疏水性与亲水性的新型壳聚糖基絮凝剂,采用该絮凝剂调理的污泥滤饼含水率可从9 5%降至7 8%,污泥过滤比阻(SRF)和毛管吸水时间(CST)分别减少90%和95%。LIU等 4采用聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMD)和单宁酸(T A)的联合调理污泥,在最佳投加量下,SRF降低90
19、.6 0%、CST降低6 5.0 8%、泥饼含水率降低53.46%。高级氧化过程(AOPs)是一种典型的化学调理方法,其产生的自由基具有很强的氧化作用,可以分解污泥EPS结构进而释放结合水15。生物调理法包括有微生物调理剂、生物淋滤或生物沥浸等。KANG等 16 考察了-淀粉酶、纤维素酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶等5种生物酶对污泥脱水性能的作用,发现-淀粉酶调理后污泥含水率可达6 8.6 7%,中性蛋白酶调理后污泥含水率可达6 9.8 2%。MOHAMED等17 利用杨氏柠檬酸杆菌(Citrobacter youngaeGTC01314)制备微生物絮凝剂BF01314对污泥进行调理,
20、污泥SRF和CST分别降低9 6%和6 4%。生物淋滤技术可以有效提高污泥的脱水性能,降低污泥中重金属含量,实能源研究与管理 2 0 2 3,15(3)现污泥减量化,污泥可堆肥作为园林绿化及土地改良用营养土。由于污泥的酸碱度缓冲能力非常强,在调节污泥pH值时会消耗大量的无机酸,采用微生物产酸的生物酸化要优于化学酸化。LIU等 18 将生物淋滤酸化效应对污泥脱水性能的影响与化学酸化污泥、物理法处理污泥进行了比较,生物淋滤酸化污泥的脱水性能要优于化学酸化污泥和物理法处理污泥。嗜酸性氧化铁硫杆菌LX5酸化污泥EPS含量快速降低,CST和SRF分别下降了7 4%和8 9%,污泥含水率降为7 0%,而且
21、提高了污泥的脱水速率和程度 19。YANG等 2 0 采用嗜酸性氧化硫硫杆菌酸化氧化剩余活性污泥,发现EPS的分层结构发生了较大的变化,S-EPS大幅增加,LB-EPS显著减少,而TB-EPS少量减少。2污泥脱水调理技术面临的挑战污泥脱水调理技术在改善污泥脱水性能方面起到非常重要的作用。污泥是由微生物菌团、丝状细菌、有机和无机胶粒等多相介质组成稳定的复杂胶体系统,污泥中的水分分布受污泥粒径、EPS、表面电荷、黏度等因素的影响,现有的污泥脱水预处理调理技术依然有许多问题呕待解决。物理调理法的主要问题是能耗大。电解、微波和超声波等物理调理法用于分解污泥EPS分子释放结合水,提高污泥的脱水能力,可以
22、达到污泥深度脱水的要求,然而随着脱水时间的延长,泥饼电阻增加会导致能耗增加 2 1。特别是当污泥量大时,电解、微波和超声波等物理调理法能耗成本高,将其用于工业化生产需要进一步研究 2 。当污泥含水率低至8 0%左右时,水与污泥颗粒的结合强度及由此产生的脱水能量需求将急剧增加。目前超声强化脱水机制尚未完全清楚,如超声处理时间的延长会导致污泥脱水性能恶化,其原因可能是过多能量的输人会使微生物细胞结构遭到彻底破坏,污泥粒径变小,从而吸附更多的水分,使污泥更难进行脱水 2 3。化学絮凝调理存在2 个方面的缺陷:1)化学絮凝剂的投加会增加污泥的黏度,化学絮凝污泥具有很强的保水能力,会恶化絮凝污泥的脱水能
23、力 2 4;2)在机械脱水的压缩阶段,由于化学絮凝污泥的高压缩性,污泥滤饼颗粒很容易在压力下变形,污泥饼的压缩系数反而有所提高,导致污泥滤饼的过滤通道堵塞,降低絮凝污泥的过滤性 2 5。高铁酸钾的强氧化性可以破坏污泥絮体结构,提高污泥的机械脱水程度,但同时污泥EPS含量增加,过多的EPS综合论述综合论述会增加水溶液黏性,使污泥的过滤脱水性能下降 2 0 。无机调理剂生成的絮体较小,调理剂的用量大,增加污泥产量,降低污泥肥效和热值;而且投加化学药剂(甚至含有重金属),对污泥资源化造成二次污染,不利于污泥的资源化利用。如在实际应用中生石灰的添加量为污泥干重的2 0%30%,高剂量生石灰的加入显著降
24、低了脱水污泥中有机物的含量,不利于后续污泥焚烧等资源化利用 2 7 。SMOLLEN等 2 8 在实验室低压条件下离心和过滤污泥中发现,当污泥脱水达到一定程度时,投加聚电解质对最终饼固体浓度大幅提高的帮助不大。生物调理法受微生物菌群的影响较大,且单独处理效果不稳定。酶作为一种具有高催化功能的蛋白质,能够加快酶促反应,改变污泥中EPS的组成和结构,并进一步降解为小分子有机物。但是污泥中成分非常复杂,易导致酶反应失效,酶投加量大增。生物淋滤调理的污泥呈强酸性,污泥脱水性能不是很稳定,仍属难脱水污泥,单独运用生物淋滤调理技术很难使污泥的脱水效果达到预期的目标,需要与其他技术组合才能更有效的提高脱水程
25、度。3污泥脱水骨架构建的研究现状3.1污泥脱水骨架构建起源与发展选用性能良好的助滤材料作为污泥脱水的骨架助滤剂,以此提高污泥滤饼的孔隙率和减小滤饼的压缩性对污泥脱水至关重要。骨架助滤剂可以在污泥压滤脱水过程中形成一个可渗透的不可压缩的框架结构,这种结构在机械压滤脱水的压力下能够保持滤饼内部的多孔性,同时构建了可渗透的透水通道,有助于污泥中自由水的排出。最早关于污泥脱水骨架构建的论文发表于19 41年,COGGER等 2 9 采用16 种骨架助滤材料和板框压滤机对不同类型污泥的进行压滤,研究发现大多数由助滤剂和污泥混合而成的滤饼层具有多孔性,可以保持较高的滤液流失直至临界压力时流量急剧下降。此后
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