污泥改性深度脱水的资源化利用
一、现状和要求
所谓污泥是指污水处理厂的终端废弃物，即生活污泥，同时也指各行各业（如印染、造纸、电镀、冶炼、机械、炼油、酿造、化工制药等）的终端废弃物，即统称工业污泥，另外还有江河、湖泊、池塘的污泥，即统称河道污泥。这些污泥含有大量的微生物、病原体，散发着恶臭，有的还含有重金属。如果不予控制、处理、处置，任其泛滥，其后果不堪设想。据目前不完全统计，仅已建污水厂的脱排污泥年排放量约3000多万吨，如果把各行各业的工业排放污泥连在一起，年需处理处置的源头污泥就有约10—15亿吨，而且这个数字还随着国民经济的发展和人民生活水平的提高在不断递增。因此，正确、合理、科学地处理处置污泥是摆在我们面前的一个繁重任务。
我国对污泥处理处置的总方针是“减量、安全、资源化”。要合理处理处置污泥问题，首要是把水分降下来。我们如果把污泥水分从97%降至40 %，其减容率可达0.05，这首先是能实现显著减量的目的。因为一旦水分减至40%，对污泥最普通的处置——填埋，一方面解决了污泥运输问题，同时也大大延长了填埋场的服务年限。对于某些有毒有害必须焚烧处理的污泥，由于每一公斤水进炉气化焚烧约需内耗800—1000大卡热量，不管何种炉型这是硬指标，如炉前降低水分可大大降低助燃热耗。所以对于那些必须焚烧的污泥处置，深度脱水可以形成彻底完整的污泥处置链。再从资源化而言，由于污泥品种非常繁多，成分复杂，有些污泥具有不同的利用价值，一旦污泥水分降至50%以下，凡污泥中赋有热值可作为低热值燃料搭配利用，有些污泥如有其他贵重金属，水分降至 40%就为冶炼提供了条件，即使有些污泥无其他可取之材，那么制砖、制陶粒作为建材，水分也需降至40%—50%，才可实施后道工序。总之，污泥的深度脱水是关键。对于如何降低污泥中的水分，这是当前业内一直困惑的问题，污泥的脱水，有一个基本要求就是既要降低水分，但又不能破坏污泥中的原生物，它不是一般意义上的“烘干”而是干化。所谓“干化”，是指介质含氧量不能大于4%，温度不能高于180℃。我国目前行业中常用污泥干化、脱水大致有如下几种类型：
1.热力干化。目前市上所见方式诸多，例如回转套筒干化、园盘干化机、低温流化床、浆叶干燥机、烟气余热干化等。但不管用何种形式，都是以热能去除水分且不破坏污泥中原赋热值，因此是以能量置换，是“以热换热”，而且是“以大置小”，但这在技术理念上是不允许的。在现实应用中的结果是效率低、投资大，运行成本高。目前市场上虽有应用，但此是无奈之举。
2.机械脱水。目前市上常见的机械脱水有板框压滤、离心脱水、带式压滤脱水、螺旋压榨等。凡此种类型，脱水后的污泥终水分均在75%—85%左右，减容不彻底，水分下降不显著，终端资源化利用仍是困难重重。同样的弊病是投资大，运行成本高，效果不理想，对后道的资源化利用未具可能。
3.热力机械叠加组合脱水。如机械成球、热力干化，市场上也可看到。但此法仅是在原有基础的某一环节中提高了一点效率，没有解决根本性的问题。虽然有的在特定条件下有余热可用，但这种对热的依赖局限性很大，因为目前各行各业都在节能减排，可依赖的余热越来越少。另一方面，如自备热源，投资更为惊人。因此市场上出现一些个别例子仅为特例，要说普遍推广是难以实现的。
鉴于当前污泥处理处置的形势，把污泥水分降到40%左右，已成了一道难以逾越的“坎”。凡探求新的技术路线， 首先要考虑的是污泥中赋水源头的“自然”状态。污泥中的水分是呈菌胶团和悬浮固体形成胶体结构，其赋存水分可分为自由水和束缚水。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组成。这些荷电离子和胞外聚合物具有很强的持水性。这些污泥颗粒组成了污泥团，形成许许多多的毛细孔道，因此，污泥除了裂隙水外，另有相当一部分水分都是由污泥颗粒表面所持的水和毛细孔道中的水组成，这些都为结合水，而这种束缚的结合水是不能用单纯的机械法除掉的。一般污泥裂隙水约占70%左右，其余约为30%左右。（见图1）
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图1 污泥中赋存水结构示意图
鉴于上述污泥中水分赋存的自然状态，说明束缚水是不能简单地用机械压榨可以脱水的。如用俗例譬喻之：我们吃的米饭，不能简单地靠压榨可以出水的。现在的压滤脱水其实出的是部分裂隙自由水，有的采用低温热力虽有些改性和助滤作用，但其效果十分有限。因此，要使污泥深度脱水，一是要提高裂隙水的出水率，二是要解放束缚水。
二、污泥深度脱水技术路线的探求
按照污泥的赋水特点去思考新的技术路线，这是符合自然法则的。只有这样，才有可能取得有效的技术对策。笔者研究认为：这一技术路线是“化学改性+高压压滤”，采取化学+物理的综合处理方法，将含水97%—85%的污泥脱水得到含水40%的半干污泥，为后道顺序的彻底处置或资源化利用创造条件。
1.新技术路线基本机理描述：污泥中的束缚水是被固体颗粒吸附或被包裹在细胞内部，所谓“束缚”的水分子其外围被十分强大的负电荷紧固着，它与水核内的正电荷取得平衡。而化学改性剂以比表面大很多、具有足够的阳离子能与其置换，通过破坏了原水核的正负平衡而导致介脱束缚形成“自由”，使机械压滤出水成为可能。
2.技术路线的核心技术简述：
（1）化学改性。这是一种具有纳米级的比表面积，它具有足够的阳离子置换特性，并具有疏水亲油及疏油、亲水的双亲性。要实现高效改性，还要匹配偶联桥架致以助滤，共同形成最佳表面活性。改性剂是一种无机与有机数种药剂的复合体，由于不同污泥其性质各异，因此要达到有效改性。需要有针对性的复合配方，某一种改性剂只能适合一种污泥，世上没有“一方治百病”的改性剂，但这种配置并不复杂，只要化验污泥的成分即可形成相应配比，一旦确定了对某种污泥配置针对性的改性剂后，就形成可控操作，这与其他常规水处理加药设施并无两样。改性剂的主体和组合，并不贵重稀有，只要物化性质相符，即可因地制宜取得，药剂的成本空间是很大的，它应是今后市场中的一种普通产品，这为推广普及奠定了基础。
（2）高速碰撞机理。由于改性剂是一种纳米级的材料，是由几种药剂合成的综合体，其掺入量的比例很小，因此，改性剂掺入污泥中要求设置高速碰撞的机能和环境。鉴于目前高速碰撞一次容量不能过大，因此目前在工艺实施中，常常考虑分级高速碰撞，再予综合均化，以达到连续生产目的。
（3）脱水压力。任何一种机械都有一个效率问题，目前常规的压滤机其效率一般约为 50%左右，当前一般的污水厂是加了絮凝剂。聚凝粒径大了，旨在有利压滤效果，但相对而言束缚水的比例也大了。所以一般压滤的终端水分达到65—70%已致极限，经过改性后的污泥，为达到系统效率，对常规压滤机的机理应予增设压榨功能。
上述三点构成了一套系统的改性+压滤的新技术路线（见图 2）。它一方面解放了束缚水，另一方面提高了机械脱水的效率。由此为最终水分达到40%左右提供了技术保证。对于上述综合技术，我国业界的一些先知同仁的开发研究已达8—10年，目前已有一些地区形成生产实例，但无奈于市场经济价值观念各异的原因，尽管机理大致相同，但所念的这本“经”不一，妨碍了普及、推广和提高。矛盾和差异，是技术发展的根本动力。可以相信，不会太久我国的污泥脱水现状会出现一个新的局面。
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图2 新技术路线工艺流程框图
三、推广和普及新技术路线的意义
1.本技术具有学科交叉，技术嫁接的创新特点，而且工艺简单、操作方便、费用低廉、成果有效，具有经济实用性，其特点有以下五个方面：
一是整个处理过程冷态操作，不依赖任何外界条件，不需要热源，更不消耗一次能源。以改性和压滤简单工艺，就可以把各种不同类型的污泥含水率丛97%—85%左右直接脱水到40%以下，为后续污泥处置创造了根本性的条件。
二是整个系统自动化程度高。参数输入，全程电脑自动控制操作，流水线生产，简洁流畅，无臭味，无超音，无焚烧加热造成的尾气排放，仅有压滤水回流污水厂处理，工作条件和环境界面极其良好，符合满足安全、文明操作要求。
三是脱水污泥遇水不再还原。具有疏水性，并在自然状态下水分继续蒸发，泥饼自然碎裂成颗粒状，在实现“减量化”的同时，污泥中的有害物质也得以“稳定化”。
四是不影响污泥原有元素构成。污泥固体不增量，也不损失热值。
五是占地面积小。建设投资明显低于目前常规，处理费仅为目前常规的1/2左右。
2.形成了一条新的技术路线。不但使污泥得到深度脱水，也为已建污水处理厂的终端改造和分散零星的污泥源实现分散处理、集中处置提供了新的思路和模式。
一是现有的污水处理厂由于原终端定位的原因，一般都是在浓缩污泥中（含水分97%左右）投加絮凝剂，经板框压滤，离心脱水或带式脱水，其终端水分一般都在85%—75%之间，这个水分对后道的资源化利用或彻底焚烧带来很大困难，由于絮凝剂与化学改性剂其机理相勃，如将价格昂贵的絮凝剂改为普通改性剂，并匹配相应设施，适当改造后道压滤设备，这样可将已建成污水厂终端污泥含水分降到40%左右，供资源化利用，这无疑是十分经济、合理的。其最终效果是一方面能使处理费用明显下降，同时也达到了污泥深度脱水的目的。
二是对于面广、分散、零星的工业污泥源，如分散建污泥干化设施，投资大、效率低，成本高，而且场地也有困难。如集中建设污泥深度脱水设施，零星高水分的污泥运输又将十分困难。因此面对繁多、分散、零星污泥源集中处理有难度，但分散处理也有难度。在这个面层，目前处于十分尴尬的局面。如采用污泥改性、机械压滤新技术，由于该技术占地面积小，对周围无特殊依赖，因此可装备移动式“污泥流动脱水车”。如果日处理10—20吨污泥，用一个平板车就可解决，然后将含水分40%半干污泥集中作资源化处置。
上述系统技术目前已有成熟实例，当然优化改性和系统装备尚须完善，但笔者认为对市容环境的建设来说，这是一条很有前途的技术路线。
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