助滤剂在污泥脱水中的应用研究进展*

田紫扬，冯国红，杨 磊

(太原科技大学环境科学与工程学院，山西 太原 030024)

随着城市化和工业化进程日益加快，废水处理过程中会产生大量的剩余污泥。2010年，中国每年生产4 000万吨(以含水率80%计)的污水污泥[1]。从2011-2017年，污泥产量从 5 427万吨增加到7 436万吨。2020年，我国污泥产量增至 8 000万吨。面对数量众多的污泥，对污泥有效处理是目前重点话题。

污泥是由胶体微粒与水组成的悬浮液[2]，具有含水率高(93%～99.5%)、有机成分复杂[3-5]、易腐化等特性。污泥中存在的胶体颗粒粒径大于1 μm，且末端沉降引力非常低，导致污泥难以沉降[6]。Novak等[7]认为，胶体微粒堵塞滤饼孔隙导致了污泥脱水困难。污泥中的水分主要包括：间隙水、毛细结合水、表面吸附水和内部结合水。由于污泥的复杂特性，导致未经预处理的污泥很难脱水[8-10]。

常用的污泥预处理方法主要包括：化学絮凝处理和破壁预处理。其中化学絮凝预处理因其操作简单，成本低廉而广泛应用于污泥脱水过程。化学絮凝剂处理污泥，有利于污泥颗粒团聚成更大的颗粒或絮凝体，提高污泥脱水效率。然而，絮凝剂调理污泥形成了较大的絮凝团粒，具有高压缩性，在压力的持续作用下，团粒变形显著，使团粒堆积形成的孔隙在挤压变形后消失，对整个脱水过程造成严重影响[11]。为了降低污泥的可压缩性，一些刚性结构物质逐渐被研究者应用于污泥脱水过程中，以改善污泥脱水性能，这些物质通常被称为助滤剂。常见的助滤剂主要分为碳基材料和矿质材料，碳基材料包括焦炭[12]、煤粉[13]、木屑、稻壳、麦渣、竹粉、褐煤、生物质材料等。矿质材料包括：粉煤灰[14]、水泥、石膏[15]等。助滤剂，在脱水过程中能够起到支撑作用，增大滤饼孔隙，降低污泥的可压缩性，提高机械脱水过程中污泥的机械强度，形成渗透性良好的滤饼，使其在高压机械脱水下依然能够保持多孔状态。

本文主要对多年来研究者对提高污泥脱水性的科学工作展开研究，归纳了评价污泥脱水特性参数，重点综述了助滤剂的种类，以及助滤剂在提高污泥脱水能力中的研究应用。

1 评价污泥脱水性能指标

1.1 污泥过滤性能指标

1.1.1 滤饼固含量

滤饼固含量是污泥过滤效率好坏最重要的评价指标。是根据滤饼中干固体质量在滤饼总质量中的占比所评定的。脱水效率越高，滤饼固含量值越高。滤饼固含量的计算如式(1)所示：

(1)

式中：TS为固含量，%；A为脱水后滤饼中固体质量，kg；B为脱水后滤饼总质量，kg。

1.1.2 污泥比阻

污泥过滤脱水过程中所受阻力通常用过滤比阻表示，简称为SRF，其定义为单位质量的污泥在一定压力下经过单位过滤面积时所受的阻力。SRF的计算是以Ruth方程为基础，通过实验数据计算得到的。用于反映液相通过污泥孔隙逐渐形成滤饼的能力，反映过滤速度的快慢，SRF越小，污泥过滤速度越高。SRF的计算公式如式(2)所示：

(2)

1.1.3 污泥体积缩减率

污泥体积缩减率简称SV，是通过污泥过滤之前悬浮液的体积与过滤后滤饼体积的差值相比于过滤之前悬浮液体积所得到的。过滤完成后，污泥中多余水分脱除，污泥体积大大减小，SV可用于衡量污泥过滤效率。SV的计算如式(3)所示：

(3)

式中：SV为污泥体积缩减率，%；V0为污泥悬浮液的体积，mL；V1为污泥滤饼的体积，mL。

1.1.4 净污泥产率

净污泥产率YN指单位时间单位面积上污泥干固相的产率，不考虑助滤剂在污泥脱水系统中的影响，最终得到污泥的净固体含量，YN用于评价污泥过滤效率。Zall等[16]提出，净污泥产率还可以用YN90(kg/ m2·h)来表示。通过绘制过滤速率(m3/m2·h)与滤液体积的对比曲线(m3)，将曲线的线性部分向外扩展，得到V∞，即假设所有可过滤的水被滤出时滤液的最终体积。当过滤滤液量达到V∞的90%时，代表过滤完成。YN90的计算如式(4)和(5)所示。

(4)

Vs90=VF90+VP

(5)

式中：VS90为过滤完成90%的污泥总体积，m3；VF90为过滤完成90%时收集的滤液体积 m3；Vp是过滤压力室的总容积，m3；RS为污泥单位体积的污泥固体质量，kg/m3；T90为过滤完成90%的时间，s；A为过滤器的横截面积，m2。

1.2 污泥压缩性能指标

污泥的可压缩性是指对污泥施加正向应力时，污泥在轴向的变化程度。反映在作用压力下压缩污泥的程度。压缩性系数(S)越小，污泥在压缩过程中越不容易变形，且保持良好的孔隙，使游离水更容易被脱除，提高脱水效率。如式(6)所示：

(6)

式中：P1和P2代表不同的压力条件 Pa；SRF1和SRF2为P1和P2条件下所测得的比阻力。

2 助滤剂在污泥脱水过程中的应用

2.1 助滤剂的种类

化学絮凝调理污泥在一定程度上能够提高污泥脱水能力。但Smollen和Kaffar[17-18]研究发现，化学絮凝后的污泥，仍具有高压缩性，导致污泥颗粒在脱水过程中显著变形，滤饼孔隙闭合，降低了污泥的脱水能力。为了提高污泥脱水能力，必须通过增加污泥的孔隙率，降低污泥的可压缩性来降低污泥的比阻。因此，具有惰性、高孔隙率和刚性结构的助滤剂成为研究热点。助滤剂，在污泥脱水过程中能够形成高孔隙和刚性的晶结结构，提高污泥脱水效率。助滤剂可以大致分为两类，矿质和碳基材料。矿质材料含有：石灰、粉煤灰等无机材料。碳基材料含有：褐煤、木屑、竹粉等生物质材料。根据污泥最终处理处置方式的不同，选用助滤剂的种类也不尽相同。矿质材料廉价易得，经其处理的污泥最终用于填埋处理。碳基材料有机含量高、低灰分，能为污泥提供更高的热值，经其处理的污泥最终用于焚烧、堆肥等资源化处理。

2.2 助滤剂的研究应用

2.2.1 矿质材料的研究应用

矿质材料大多数为无机物，作为助滤剂被广泛应用于提高污泥脱水效率中。朱[19]采用珍珠岩、硅藻土、石灰作为助滤剂，结果表明，加入助滤剂联合絮凝剂与只加絮凝剂的污泥相比，平均过滤速率提高了20%～50%，与未经处理的污泥相比，平均过滤速率甚至提高了235%～325%。由此表明，助滤剂在污泥脱水过程中的作用非常显著。在相同条件下，通过测量脱水滤饼含水率，得出石灰与珍珠岩调理污泥的脱水效率相差不大，而硅藻土相比较差；但石灰滤液为碱性，为后续处理增加了难度。

Zhao[20]使用石膏联合Magnafloc LT25(阴离子絮凝剂)处理明矾污泥，研究表明，与没有石膏的情况下相比，石膏的添加使滤饼的含水率(MC)可进一步降低7%，污泥净固体产率(YN)得到了提高，石膏与絮凝剂的联合有助于在污泥中建立一个更多孔性、可渗透性和刚性的晶格结构。

Liu等[21]将Fenton试剂联合石灰等助滤剂，对污泥的单因素脱水进行了响应面优化设计。结果表明，石灰结合普通硅酸水泥(OPC)与其他助滤剂相比，在Fenton试剂协同下脱水效果最好。石灰与OPC最佳添加量分别为400 mg/g和300 mg/g，相比单一Fenton试剂处理的污泥，SRF降低了95%，达到了最优的脱水效果。Zhang等[22]将Fenton试剂与赤泥耦合应用于污泥脱水过程，通过扫描电镜(SEM)观测，原污泥表现出紧凑和平滑的结构，而加入赤泥的污泥出现不连续多孔结构，并且在污泥中发现了新的矿物相。赤泥的加入使污泥具有了高渗透性与刚性的晶格结构，使得污泥中的游离水在高压下更容易脱除，降低滤饼含水率。

师等[23]将粉煤灰和硅藻土作为助滤剂，研究单独投加与联合投加对污泥SRF的影响。结果表明，单独投加硅藻土能提高污泥脱水，SRF可下降95.5%。粉煤灰与硅藻土1∶1联合添加，其脱水效率与单独添加硅藻土相差不大。单独添加粉煤灰的脱水效率优于以上两种，SRF可下降99.5%，表明粉煤灰与硅藻土能够提高污泥脱水效率，且添加量在0.22 g/mL、粒径为53 μm单独投加粉煤灰效果最好。

综上所述，矿质材料能够为助滤剂且在提高污泥脱水效率中发挥着重要作用。矿质材料价格低廉，且容易获得，多与絮凝剂等试剂联合处理污泥，进一步提高脱水效率。但矿质材料的添加可能会改变滤液或滤饼的pH，对后续处理以及周围环境会造成一定的危害。

2.2.2 碳基材料的研究应用

碳基材料为碳或含碳的一些生物质材料，碳质材料作为助滤剂为污泥脱水提供了新的选择。孙[24]利用粉煤作为助滤剂处理不同种类污泥。粉煤处理含油污泥和市政污泥时，在最佳工艺条件下，污泥含水率分别由95%以上降至45%以下和96%以上降至40%左右。研究表明，粉煤的加入改变了污泥的物理结构，抵抗过滤压力的能力增强，降低污泥可压缩性和SRF，提高滤饼渗透性和孔隙率，进而提高污泥脱水效率。粉煤的加入同时也为污泥滤饼提供了碳源，提高了热值，有利于后续焚烧处理。

Qi[25]采用褐煤作为助滤剂联合絮凝剂ZETAG7501和ZETAG8125共同调理污泥，指出单一褐煤处理污泥的脱水效率，低于褐煤与絮凝剂联合处理的污泥，且研究发现较高剂量的褐煤与絮凝剂并没有导致污泥产量进一步增加。褐煤与絮凝剂的加入比例是影响脱水效率的最主要因素。褐煤与絮凝剂协同处理污泥，不仅在污泥中形成多孔、刚性的结构，带负电的褐煤与阳离子絮凝剂的相互作用在污泥中形成了均匀的固体结构，更有利于污泥脱水。Lin[26]也发现，木屑与麦渣作为助滤剂调理污泥脱水时，在相同化学预处理的条件下，不断增加木屑与小麦渣的比例，脱水效率反而下降。研究表明，脱水效率下降可能是由于污泥中的游离水渗透到木屑与麦渣中，因此会减少游离水的脱除。

Luo[27]将木屑作为助滤剂联合聚丙烯酰胺(CPAM)调理污泥脱水。研究表明，木屑联合CPAM调理的污泥，其脱水性能明显优于单独使用CPAM的污泥。木屑在污泥脱水过程中，通过抵抗滤饼的压缩，从而保持污泥高度的渗透性，提高了污泥脱水效率。此外，当木屑与污泥中干固体质量比例超过0.6时，过滤时间(TTF)与净污泥产率(YN90)比SRF更适合评价污泥脱水效率。Zhang[28]通过比较木屑、稻壳和粉煤灰在污泥脱水中的作用，得出三者均能够提高污泥脱水效率。但相比于粉煤灰，木屑与稻壳更容易在污泥体系中构建多孔通道，形成分层结构。通过管网效应和层间通道效应，脱水效率可以提高30%～65%。加入少量的木屑或稻壳，并不能有效提高污泥脱水效率，可能是由于少量的助滤剂在污泥中没有形成有效的通道。

Liu[29]将木屑作为助滤剂代替石灰与CPAM处理污泥，利用木屑调理的污泥滤饼热值更高，具有更好的经济效益。木屑调理污泥脱水能够很好的降低污泥滤饼的含水率，降低结合含水量，提高污泥滤饼的孔隙率。但加入木屑对污泥颗粒粒径影响不大。许[30]利用木屑作为助滤剂与化学试剂联合调理污泥，研究表明，经化学处理的污泥加入木屑后，脱水效率显著提升。木屑能够很好起到骨架构建作用，但木屑本身会吸附游离水，投加过量木屑会导致脱除水分减少，脱水效果不明显，因此存在最佳投加量。木屑调理污泥脱水，只会改变污泥物理结构，并不会破坏污泥絮体内的细胞结构。

Wang[31]首次将木屑加入污泥中进行热水解预处理，并作为助滤剂研究在污泥脱水中的作用。热水解预处理能够使污泥中更多的结合水释放，从而提高后续污泥脱水的效率。研究表明，通过调整木屑在污泥中的比例，能够使热水解的有效温度从180 ℃降低至150 ℃，大大节省了能耗。由于木屑与污泥在热水解中的相互作用，不仅提高了脱水过程中污泥的渗透性，而且能够脱除更多的水分，为提高污泥脱水效率和后续焚烧处理提供了一个更优的选择。

Wu[32]采用氯化铁改性稻壳生物炭(MRB-Fe)调理污泥脱水，与原污泥相比，调理后的污泥SRF降低了97.9%，污泥滤饼含水率下降了19.36%，YN增加了28倍。MRB-Fe中铁离子的正电荷与污泥颗粒负电荷抵消，促进污泥的沉降性和脱水性，提高了污泥滤饼的不可压缩性和渗透性，提高了脱水效率。杨[33]将稻壳粉代替生石灰作为助滤剂调理污泥，研究稻壳粉协同絮凝剂对污泥脱水性能以及滤液水质的影响。研究表明，稻壳粉协同絮凝剂能够明显降低污泥毛细吸水时间、污泥比阻和污泥滤饼含水率。稻壳粉的加入能够提高滤液水质，对降低COD和氨氮值发挥重要作用，且稻壳粉在脱水过程中能够吸附污泥中的磷元素，使磷能够富集与污泥滤饼中，为后续资源化处理奠定了基础[34]。通过比较经济效益和脱水效果，证实了稻壳粉取代生石灰作为助滤剂的可行性。Wang[35]通过比较稻壳粉(RHF)、稻壳生物炭(RHB)、稻壳泥饼生物炭(RH-SCB)作为助滤剂调理污泥的脱水效率，得出RH-SCB是调理污泥的最优选择。研究表明，RH-SCB作为助滤剂时，污泥滤饼可压缩率最低，Zate电位最接近0 mV。根据表征分析，稻壳基粉末硬度、表面Fe含量和Zate电势是影响脱水效率的主要因素。RH-SCB调理污泥，能够改善脱水滤液水质，降低污泥滤饼中重金属含量。

徐[36]对污泥水热预处理之后，分析不同投加量的竹粉对污泥脱水效率的影响。研究表明，热水解后的污泥颗粒细小，可压缩性高，在过滤过程中，形成了结构紧密的滤饼，阻碍了水分的脱除。在脱水过程中加入一定量的竹粉，能够起到骨架颗粒的作用，提高污泥脱水效率。但投加量超过2 g时，脱水效率提高不明显。经过分析，可能是竹粉的过量加入，导致滤饼厚度增加，阻碍了水分的脱除。但竹粉的加入为污泥滤饼提供了有机质，提高了污泥的燃烧热值。

董[37]将核桃壳作为助滤剂调理污泥，当添加比例为4∶6(核桃壳与污泥干重比)，粒径为<0.25 mm时，污泥含水率由70.50%降至59.48%，比阻由3.73×1013m/kg降为1.06×1013m/kg。研究表明，核桃壳能在污泥中形成可渗透、坚硬的网络骨架改善污泥压缩性和渗透性。当核桃壳添加比例3∶7，粒径为0.25～1时，核桃壳在调理污泥中能部分代替CPAM，从而降低最终滤饼中高分子难降解絮凝剂的量，有利于污泥进一步处置。Wójcik[38]采用核桃壳粉作为助滤剂，研究核桃壳粉对污泥脱水效果和细菌总数的影响。当核桃壳粉添加量为60 kg/m3，添加比例为2∶1(核桃壳粉与污泥干重比)时，污泥含水率降低66%，毛细吸水时间降低68%，比阻降低64%，滤饼孔隙率增加65%，细菌总数降低了约88%。研究表明，核桃壳粉调理污泥，在污泥中能够形成有效多孔通道，显著提高了污泥的脱水能力。此外，核桃壳粉中的组成成分能影响污泥中微生物活性，导致细菌总数降低，在改善污泥脱水中发挥着积极作用。

综上所述，碳质材料与矿质材料(粉煤灰等)相比，在提高污泥脱水效率的基础上，能够更好地与污泥形成脱水通道，降低难降解絮凝剂投加量，减少污泥中重金属含量，提高污泥滤液水质，提供有机质，为后续污泥焚烧与资源化提供了新的选择。因此，碳质材料作为助滤剂应用于污泥脱水过程，是今后的发展方向。

3 结 语

污泥的复杂特性导致污泥脱水效率低。单独采用化学絮凝剂，在改善污泥脱水性能方面并不能取得令人满意的效果。助滤剂在污泥脱水过程中，能够形成刚性和不可压缩的结构，构建滤液通道，提高污泥孔隙度和污泥脱水效率。

但经矿质材料调理的污泥含有大量有害有毒物质，填埋后会对土壤以及生态环境造成危害。相比于矿质材料，碳质材料具有低灰分、高热值、高孔隙率的特性，在调理污泥过程中，不仅能提高污泥脱水效率，亦能减少滤液重金属含量，提高滤液水质，为滤饼提供充足的有机质，在后续资源化利用中发挥着更为重要的作用，有待研究者的进一步研究。