污泥不同脫水方法的實驗分析及脫水機理探討
行業(yè)動態(tài)
污泥脫水是污泥減量化的關鍵與重點，有效地降低污泥含水率有助于污泥的后續(xù)處理。污泥脫水工藝主要包括自然干化和機械脫水兩方面。目前，污水處理廠廣泛采用機械脫水，脫水后污泥含水率高達80%，仍不滿足后續(xù)處置要求，所以出現了很多輔助的手段與技術，如超聲波、電場、電解、冷凍等，可顯著提高污泥脫水性能，但仍有占地面積大、建設費用及能耗高等問題。
污泥的成分十分復雜，含有大量有機質、微生物、重金屬等物質，污泥中水分脫出的難易程度與污泥的性質密切相關，因此導致污泥中水分很難脫除。影響污泥脫水的因素很多，包括胞外聚合物（EPS）、結合水含量、污泥顆粒粒徑、有機質含量等。實際上，無論是何種原因導致了污泥脫水難，其本質都是這些因素的存在改變了污泥中水的存在形式，而污泥脫水的目標也是改變污泥中水的存在形式，從而改善污泥脫水性能。但現有研究關于污泥中水分難以脫除的原因沒有形成統(tǒng)一的認識。20世紀60年代，HEUKELEKIAN等提出將污泥中的水分成自由水和結合水，但這樣簡單的分類顯然難以滿足污泥脫水的研究。TSANG等根據污泥固體顆粒與水的接觸關系將污泥中的水分成4類：自由水、間隙水、吸附水、結合水。但在實際研究中，缺乏多種水分定量方法，只能采用簡單區(qū)分自由水、結合水的“二分法”。以上研究對象的雙重標準，造成理論與實際測量的脫節(jié)。目前對于污泥中水分的存在形式還無法形成統(tǒng)一的認識，總體來說，關于污泥脫水難原因的研究雖然取得了可觀的理論成果。但關于污泥脫水的微觀機理分析還不夠深入。湯連生等在前人的基礎上依據污泥中的水分與固體顆粒、污泥中氣體的接觸關系和水分脫除難易程度而把污泥中水分重新劃分為4種類型：重力水、封閉水、包裹水和內質結合水。
本研究從污泥中水分的存在形式入手，分析污泥中水分的組成，在此基礎上開展理論和宏觀微觀實驗研究，分析污泥脫水特性，并借助光學顯微鏡和掃面電鏡（SEM），通過對幾種典型脫水后污泥試樣進行微觀結構觀察及定量分析，結合所得結果分析污泥的脫水特性，探討污泥中水分難以脫除的原因，為解決污泥脫水的問題提供新的思路。
1 實驗部分
1.1 實驗材料及儀器
實驗所用污泥均取自廣東省廣州市海珠區(qū)瀝滘污水處理廠，呈深黑色，且伴有濃烈的惡臭。實驗所用儀器為：低速大容量離心機、電子天平、電熱鼓風干燥箱等；實驗所用材料為：美國VISKASE生產的截留分子質量為14000Da滲析袋、西隴科學公司生產的相對分子質量20000的聚乙二醇固體顆粒。
1.2 實驗方案
1.2.1 自重脫水實驗
（1）實驗前準備1個塑料管，底面積為6c㎡，塑料管下部包裹1層濾布，倒入25g污泥樣品。塑料管上部和燒杯口均覆塑料膜，分別留1個小孔，既可以減小蒸發(fā)誤差，又可避免水分脫出后塑料管內產生負壓，影響定量測量。
（2）實驗開始后，每隔15min記錄天平數值，直至天平數值維持穩(wěn)定，自重脫水實驗結束，記錄天平結果。
（3）該實驗共重復4次，每個時間點的含水率取平均值作為該時間點的含水率。
1.2.2 離心脫水實驗
（1）實驗采用離心管底面積為6c㎡，每個離心管裝入樣品25g，實驗樣品平均離心半徑為20cm。
（2）離心機轉速分別為500、1000、2000、3000、3500、4000、4500、5000r/min，每組共4個樣品，取其平均值作為該組結果，每次實驗離心時間均采用10min，實驗結束后測定不同轉速下污泥的殘余含水率。
1.2.3 鹽溶液滲析脫水實驗
鹽溶液滲析脫水實際上是一種正滲透過程（FO），是一種常見的物理現象。FO過程實質上就是水分子透過半透膜的過程，即水透過半透膜從滲透壓較低的區(qū)域自發(fā)地出傳遞到滲透壓較高的區(qū)域。
（1）實驗前分別在4個2000mL燒杯中倒入等質量的水，根據TRIPATHY等研究得出的鹽溶液濃度與滲析力關系，分別加入不同質量聚乙二醇固體顆粒，攪拌溶解，配置成吸力值s為0.1、1、4、8MPa的聚乙二醇溶液。
（2）裁剪28個長10cm的滲析袋，加熱煮沸10min，再用蒸餾水清洗表面，消除滲析膜保護層對實驗影響。
（3）每隔滲析袋中裝25g污泥，趕出滲析袋內氣泡，兩端用滲析夾夾緊。平均分為4組，每組7個樣品，浸在4種不同濃度鹽溶液中滲析脫水。
（4）為防止由于水分被析出，導致鹽溶液濃度下降，需要不定時調節(jié)鹽溶液濃度，確保滲析力始終維持在濃度初始值。實驗開始后每隔2天從每組中取出1個污泥實樣，取中間部位測定殘余含水率并記錄，實驗進行14天后結束。該實驗共重復4次，每個時間點的4個污泥樣品含水率取平均值作為該時間點的含水率，以減小實驗誤差。
1.2.4 光學顯微鏡實驗
本次實驗采用的是Olympus生產的BX51P透反偏光顯微鏡。樣品采用原狀污泥及經過自重、離心、鹽溶液滲析脫水后的污泥樣品。采用涂片法將污泥樣品均勻地涂布在載玻片上，先后對4種污泥進行整體及局部形貌觀察，分析其微觀結構變化，探討污泥在不同脫水方式下的脫水機理。
1.2.5 掃描電鏡實驗
本次實驗在ΣIGMATM型掃面電鏡下進行，分辨率為1.3nm，放大倍數為100萬倍。為了對比不同含水率下污泥的微觀結構變化，本次樣品采用原狀污泥及經過自重、離心、鹽溶液滲析脫水后污泥的原狀樣品。包括4個步驟。
（1）含水率較低的污泥直接在脫水后的污泥中間取原狀試樣，放入塑料管中，緩慢滑落到底部，放入液氮中冷凍至完全凍結。
（2）去除冷凍后的污泥，放入凍干儀中抽真空凍干土樣。凍干儀內溫度保持-50℃以下，凍干時間24h。使土中水分變成冰后快速升華，完整保留樣品結構，所使用儀器為ALPHA1-2LDplus冷凍干燥機。
（3）取出凍干污泥后選擇平整斷面作為試樣觀察表面，試樣編號后，用導電膠按順序粘貼在金屬托盤上，再對試樣噴金處理，增大試樣整體導電性。
（4）將處理好的樣品放入掃描電鏡樣品室中，開啟儀器，對污泥樣品進行微觀結構觀察，放大倍數為2000倍。
2 結果與討論
2.1 自重脫水實驗
由污泥的自重脫水實驗結果可知，污泥的殘余含水率隨著時間增大而不斷下降，實驗進行6h后，基本再無水滴滴落，天平數值維持穩(wěn)定，此時實驗完成，污泥的殘余含水率由94.50%下降至89.40%。實驗結果表明：從實驗開始至實驗1h，這段時間內斜率趨于直線，下降幅度大；從實驗開始1～3h，污泥殘余含水率下降速度由快變慢，斜率隨時間增加而大幅度減小；從3～6h只有很少的水分流出，污泥含水率變化不明顯。
2.2 離心脫水實驗
總體來看，污泥殘余含水率隨轉速增加而大幅度下降，但其下降趨勢逐漸減緩，趨于平穩(wěn)。當轉速超過3500r/min后，污泥脫水效率逐漸降低。當轉速為4000r/min、5000r/min時，污泥殘余含水率分別為78.15%、77.80%，增加1000r/min的轉速，污泥殘余含水率僅僅只降低0.35%。相較于低轉速（3500r/min以下），此時提升轉速對污泥脫水效果的影響較小。
2.3 鹽溶液滲析脫水實驗
由污泥的鹽溶液滲析脫水實驗結果可知，隨著鹽溶液濃度和滲析時間的增加，污泥的含水率不斷下降，其中前2天污泥含水率下降快，污泥含水率快速降低至60%左右。但從第3天開始，污泥脫水速率開始緩慢降低，脫水效果已經不明顯。從第6天開始至第14天，污泥脫水幾乎停止，達到滲析脫水的極限，此時鹽溶液滲析脫水實驗完成。常規(guī)的脫水方法大多是利用細胞破壁技術，打破污泥絮團，改變顆粒大小，進而增加排水通道，使水分更容易排水。但在細胞破壁過程中，大量細胞質及EPS流出，污泥黏滯力增加，致脫水難度也相應增加。而鹽溶液滲析法是通過2種溶液的濃度差，使水分由濃度低的一側穿過透析膜流入濃度高的一側。實驗過程中，水分平緩轉移，污泥顆粒不發(fā)生劇烈化學變化和破碎分解，因此，污泥的黏度也不斷增加，從而可脫除更多水分，實現污泥的深度脫水。
2.4 光學顯微鏡實驗
2.4.1 整體樣貌觀察
原狀污泥中顆粒周圍都是水分，這些水分是具有流動性的，是污泥脫水過程中容易被脫除的，我們稱為重力水。經過自重脫水后的污泥表面會有明顯水分，這些水分相對于原狀污泥中重力水總量較少，但仍具有一定流動性，只是排水通道被堵住，無法有效脫除，我們稱為封閉水。經過離心脫水后的污泥中能夠明顯看見微裂縫和孔隙，較大孔徑的孔隙形成裂隙。經過鹽溶液滲析脫水后的污泥表面沒有自由流動的水分，說明此時重力水和封閉水都已經被脫除。并且從表面微生物皺縮形態(tài)可以看出，細胞內部也有部分水分脫出，包裹水可以通過這種脫水方式有效脫出，而離心脫水法不能將其有效地脫出。原因在于：污泥在滲析脫水過程中，整體包在滲析膜內后放入鹽溶液中，分布在污泥四周的鹽溶液對污泥顆粒施加擠壓力，促使原本被水分填充的孔隙被壓縮，污泥中的裂隙也由于擠壓力作用重新閉合，包裹水得以排出，水分通過排水通道穿過滲析膜排出后，污泥固體顆粒間距離縮小，因此整體結構被壓密。
2.4.2 局部樣貌觀察
絮團和微生物體內會保留一部分的水分，這部分水分很難被脫除。污泥由于有機質和微生物這2種物質的大量存在，有很大一部分的水分被包裹在絮團和微生物體內，導致脫水后污泥仍存在大量水分，我們將這部分水分成為包裹水，這也是導致污泥中水分難以脫除的主要原因之一。
污泥在脫水干化過程中，固體顆粒的形狀在不斷發(fā)生改變，造成污泥表面和內部原有的排水通道路徑、寬度也在不斷變化，形成了褶皺。這些褶皺是污泥中水分排出的主要路徑，但由于排水通道縱橫交錯連接復雜，污泥滲流路徑被延長甚至淤堵，污泥中的大量水分不能及時有效地脫除，導致脫水效率下降。
污泥在重力水、封閉水脫除過程中，顆粒間距逐漸靠近，但當含水率越來越低后，污泥內部會產生大量裂隙，這些裂隙會對污泥原始排水通道產生較大影響。裂隙的出現可能導致排水通道的排水方向發(fā)生改變，延長滲流路徑，使水分更不容易脫除，同時裂隙的產生可能導致排水通道被截斷，水分被攔截在裂隙一側；另一方面，由于污泥中含有大量的有機微生物、絮團等物質，部分匯聚儲存在裂隙中的水分會與裂隙周圍的污泥相結合，被污泥中的有機質包裹吸收，轉化成為包裹水。此部分水分由于被包裹在有機質內部，不具有有效的排水通道，不能通過自重或者離心脫水而脫除。
2.5 掃描電鏡實驗
實際上，土體具備統(tǒng)計意義上自相似的分形結構特征，所以可采用自相似的方法定量描述復雜土體的分形特征，從本質上展現土體的力學行為。實驗對SEM圖像進行二值化、去噪等處理，從而將污泥分為白色的顆粒部分和黑色的孔隙部分，采用Scion Image圖像分析軟件對污泥的微觀結構進行定量化統(tǒng)計和分析。圖像的二值化處理采用全局二值化的方法，灰度閾值選擇，根據能夠清晰反映圖像顆粒、孔隙等結構特征作為標準。
根據SEM圖像及典型的二值化圖像可以看出，原狀污泥的結構十分松散，且孔隙含量、孔徑明顯高于其他3種脫水污泥，而在不同的脫水手段下，污泥結構發(fā)生很大變化，不同類型污泥的松散程度是不同的，污泥的結構緊密程度也有所不同。為進一步分析污泥結構松散程度與脫水效果的關系，本研究通過二值化處理后圖像對污泥的孔隙率、孔隙等效直徑進行計算分析。由于孔隙大都呈現形狀不規(guī)則、大小各異的狀態(tài)，在定量分析中，孔隙直徑并不能直接測量，而是通過取相當于孔隙面積的圓的直徑，即為等效直徑。
污泥的含水率越低，其孔隙率也隨之下降。不同脫水方式下的污泥孔隙率是不同的，水分脫除越多，污泥的孔隙率也越低，污泥的結構也越緊密。污泥的含水率高低對污泥中孔隙的等效直徑也有一定的影響，主要影響范圍是大于10μm等效直徑的孔隙，污泥中的水分越多，大孔徑百分比越高，污泥脫水的過程也是孔隙粒徑改變的過程，尤其是使用鹽溶液滲析的方法，可以有效將土中直徑大于10μm的孔隙全部轉化為更小的孔隙。不同的脫水手段會直接影響污泥中孔隙的大小和形狀，脫水程度越高的脫水手段，脫水后污泥的孔隙率明顯更低、孔徑更小。在脫水過程中，土體的孔隙含量與大小也不同，這說明了污泥的含水率與其孔隙率、孔徑大小等方面存在密不可分的關系，污泥結構的松散程度是影響其脫水性能的一個重要原因。
因此，隨著水分的排出，污泥整體的體積在不斷下降，排水通道的體積也在不斷壓縮。而較大孔徑的孔隙形成裂隙，將污泥中水分保留在裂隙中，不能有效脫除。此外，裂隙可能阻斷或延長原有排水通道，進一步降低污泥脫水效果。這與顯微鏡下觀察到的結果相一致。相較于常規(guī)的脫水方法，鹽溶液滲析脫水法能降低污泥的孔隙率，使污泥內部結構更加緊密，且能有效將污泥中直徑大于10μm的孔隙轉化為更小的孔隙，實現深度脫水的目的。
3 結論
（1）污泥中水分難以脫除的原因是由污泥自身的物質組成、顆粒特征及其與水相互作用導致的，并且與水的存在形式相對應。污泥脫水淤堵機理與污泥的含水率有關，在不同的脫水階段，水分的存在形式不同，污泥脫水的難易程度也不同。
（2）污泥中絮團、微生物、褶皺、裂隙及物質成分都會對污泥脫水產生負面影響。污泥在脫水過程中，結構會變得松散，污泥整體的體積在不斷下降，排水通道的體積也在不斷壓縮。較大孔徑的孔隙形成裂隙，產生的裂隙不僅會延長甚至阻斷污泥原有排水通道，而且會使水分保留在裂隙中，進一步降低脫水效率。
（3）不同的脫水方式會影響污泥的微觀結構，包括污泥孔隙大小及形狀等。脫水程度越高的方法，污泥的結構越緊密。相較于常規(guī)的脫水方法，鹽溶液滲析脫水法的脫水效果更好，結合微觀結構的研究成果，可通過減小污泥內部孔隙的方法進一步提高污泥的脫水效率，為今后污泥的脫水研究提供一個新的思路。
