introductory

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化水平不斷提高，城市用水和污水排放量日益增加，導(dǎo)致市政污泥產(chǎn)量急劇增加，預(yù)計(jì)到 2022 年底我國(guó)市政污泥年產(chǎn)量將超過(guò) 6 000 萬(wàn) t。根據(jù)《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》，至 2020 年底，地級(jí)及以上城市污泥無(wú)害化處置率要至少達(dá)到 90%。市政污泥是錯(cuò)置的資源，含有豐富的有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，若處置不當(dāng)會(huì)造成大氣、水體、土壤環(huán)境污染。按照“減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化”的處置目標(biāo)，常見(jiàn)的處置方法包括填埋、焚燒、農(nóng)用、建筑和工程制品等。脫水是現(xiàn)階段污泥處置的限制性環(huán)節(jié)，市政污泥含水量一般超過(guò) 90%，在污泥無(wú)害化和資源化處理前，必須將污泥的含水量降至低于 60%，污泥制磚或其他建筑和工程材料時(shí)，含水率需要降至低于 40%，污泥制肥料或焚燒發(fā)電等方面時(shí)含水量需要降至低于 30%。因此，快速、高效脫水是污泥處理技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高產(chǎn)量市政污泥的高水分和強(qiáng)流動(dòng)性導(dǎo)致其運(yùn)輸和處置增加了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，人們需要對(duì)市政污泥進(jìn)行脫水處理來(lái)減少污泥體積和質(zhì)量，以供后續(xù)處理。然而，市政污泥富含親水物質(zhì)，如聚丙烯酰胺、聚氯化鋁等[7]，而且受到污泥顆粒表面帶負(fù)電產(chǎn)生的靜電斥力的阻礙，體積大，不易脫水。傳統(tǒng)的污泥脫水主要使用物理和化學(xué)方法[9]，只能去除 20% ～ 25% 的游離水，而且添加劑會(huì)殘留金屬離子和有毒的有機(jī)化合物而造成二次污染。當(dāng)前，我國(guó)積極實(shí)施生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略，全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，號(hào)召人民堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，傳統(tǒng)的高能耗、易產(chǎn)生污染等污泥脫水措施逐步受到限制，而生態(tài)脫水技術(shù)因其成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐漸獲得廣闊的發(fā)展空間，符合我國(guó)資源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展的要求。本文以市政污泥脫水技術(shù)為研究點(diǎn)，剖析當(dāng)前研究文獻(xiàn)，跟蹤污泥生態(tài)脫水技術(shù)的研究熱點(diǎn)，在評(píng)述的基礎(chǔ)上提出微生物技術(shù)應(yīng)用于市政污泥脫水中亟待解決的問(wèn)題，為市政污泥脫水新技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 市政污泥性質(zhì)市政污泥是城市水處理廠(chǎng)在自來(lái)水、污水等水體處理過(guò)程中產(chǎn)生的、由各種微生物形成的菌膠團(tuán)及其吸附的有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分組成、含水率極高的固體混合物，有機(jī)成分來(lái)自污水中的多肽、脂類(lèi)和碳水化合物，無(wú)機(jī)成分來(lái)自土壤顆粒和人工合成聚合物等。按照從水中的分離過(guò)程先后，市政污泥通常分為初沉污泥、剩余污泥和消化污泥。初沉污泥是在初沉池中通過(guò)重力或氣浮去除了廢水中 40% ～ 50%的固體得到的污泥；剩余污泥是經(jīng)過(guò)二次沉淀池排出的污泥，由微生物、蛋白質(zhì)、多糖以及未降解的有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)組成，含有大量氮、磷、有機(jī)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及重金屬、病原體、寄生蟲(chóng)等有毒有害物質(zhì)；消化污泥是在消化池中經(jīng)過(guò)好氧消化或厭氧消化，去除殘留懸浮固體和養(yǎng)分而產(chǎn)生的污泥。市政污泥呈膠狀液態(tài)，含水率可達(dá) 99%，其性質(zhì)主要受水質(zhì)和處理工藝影響，表征其性質(zhì)的指標(biāo)主要有含水率、理化性質(zhì)、胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）含量、脫水性能等。與脫水性能密切相關(guān)。降低污泥 pH，能夠有效破壞絮凝物，降解 EPS 釋放自由水、表面水和結(jié)合水，提高脫水性能。污泥有機(jī)物含量高影響膠凝性能，導(dǎo)致高孔隙率和低黏結(jié)強(qiáng)度，脫水困難。EPS 是微生物分泌具有黏性的凝膠狀高分子聚合物，主要成分為蛋白質(zhì)、多糖、腐殖酸等物質(zhì)，其高親水性使污泥具高黏彈和可壓縮性，影響污泥脫水。Zeta 電位（Zeta potential）表征污泥表面電荷量，Zeta 電位越高，污泥絮體越穩(wěn)定，脫水性能越差。污泥脫水性能與揮發(fā)性固體含量密切相關(guān)，污泥中小膠體顆粒合并成大黏結(jié)性聚集體，增加顆粒粒徑，提高脫水性能。過(guò)濾比阻（Specific Resistance to Filtration，SRF）和毛細(xì)吸水時(shí)間（Capillary Sop Time，CST）是污泥脫水性能的公認(rèn)參數(shù)，SRF 是表征污泥過(guò)濾特性的綜合指標(biāo)，SRF 值越高 ,污泥越不容易脫水；CST 值表示污泥保留水分的能力強(qiáng)弱，CST 值越小，污泥可脫水性能越好。

2 市政污泥常規(guī)脫水技術(shù)市政污泥不同脫水工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如表? 所示。

2.1 熱干化脫水技術(shù)熱干化脫水技術(shù)因其高效和易控的優(yōu)勢(shì)成為污泥脫水采用最廣泛的方法。通過(guò)熱介質(zhì)加熱污泥蒸散水分，脫水干化后的污泥性質(zhì)穩(wěn)定，呈顆粒或粉末狀，減量化效果顯著，污泥中絕大部分病菌、蟲(chóng)卵等微生物可被殺滅。熱干化脫水技術(shù)主要包括電能干化法、蒸汽干化法[34]、太陽(yáng)能干化法[35]等。電能干化法存在能耗高、效率低的缺點(diǎn)，不適于用電緊張、泥量大的水處理廠(chǎng)，同時(shí)需要高溫高壓脫水設(shè)備，者也限制了其工業(yè)規(guī)模[17]；蒸汽干化法利用蒸汽熱能，經(jīng)過(guò)換熱器殼層進(jìn)行熱交換，具有效率高、操作彈性大、穩(wěn)定性好、能耗較低的優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用[34]；基于太陽(yáng)能利用的太陽(yáng)能干燥法，借助傳統(tǒng)溫室干燥工藝，但是受限于太陽(yáng)輻射的不穩(wěn)定[36]。熱干化過(guò)程中，氨氣等有害氣體揮發(fā)易造成大氣污染。因此，熱干化法的脫水技術(shù)在能耗、生態(tài)和環(huán)保方面具有一定的局限性。

2.2 水熱脫水技術(shù)污泥水熱脫水技術(shù)，是在密閉壓力容器中120～240 °C的溫度下進(jìn)行污泥熱水解脫水的技術(shù)[38]。水熱處理過(guò)程中，EPS 溶解或分解釋放其結(jié)合水，細(xì)胞壁破壞溢出細(xì)胞內(nèi)水，并將難降解有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易降解物質(zhì)，提高其生物降解性。研究顯示，180 °C 水熱處理 30 min 即可改善污泥的脫水性，壓濾后含水量從 85% 降低至 33%。水熱處理過(guò)程中，水熱溫度和反應(yīng)時(shí)間[42]對(duì)污泥脫水有顯著影響。污泥中的水作為水熱反應(yīng)介質(zhì)，進(jìn)一步將污泥中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和氫氣等清潔能源，提供產(chǎn)生熱源的原料，但副反應(yīng)形成焦炭和焦油限制了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。水熱炭化期間，污泥表面炭化產(chǎn)生的碳?xì)浠衔飼?huì)生成疏水基團(tuán)，增強(qiáng)了脫水性能。與熱干化脫水技術(shù)相比，水熱脫水技術(shù)綜合能耗顯著降低。

2.3 機(jī)械脫水技術(shù)機(jī)械脫水技術(shù)是通過(guò)對(duì)污泥兩側(cè)施加壓力，強(qiáng)制性地將污泥固液分離的脫水方式，有過(guò)濾法和離心法。過(guò)濾法常用的機(jī)械有真空過(guò)濾機(jī)、板框壓濾機(jī)和帶式過(guò)濾機(jī)，離心法常用高速沉降離心機(jī)脫水，其中轉(zhuǎn)筒離心機(jī)和帶式過(guò)濾機(jī)作為污泥脫水的主要機(jī)械在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。帶式過(guò)濾是將污泥輸入連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩塊濾布之間，通過(guò)濾布的張力和壓力實(shí)現(xiàn)泥水的分離，脫水后污泥的含水率可降至 80%；優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行，操作和運(yùn)行費(fèi)用比較少，缺點(diǎn)是受污泥性質(zhì)影響較大，需要投加聚合物。離心法是利用污泥顆粒與水分的密度差異，在離心力的作用下實(shí)現(xiàn)泥水的分離，污泥含水率可降至低于 75%；該方法使用機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，缺點(diǎn)是設(shè)備易損壞且運(yùn)行費(fèi)用高。機(jī)械脫水能耗為熱干化脫水的 3% ～ 5%。由于污泥高電荷的 EPS 與水分子結(jié)合形成穩(wěn)定的凝膠狀懸浮結(jié)構(gòu)，機(jī)械脫水技術(shù)不能達(dá)到理想的脫水效果，脫水后含水量仍高達(dá)70% ～ 85%。機(jī)械脫水需要對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，例如，添加氯化鐵等有毒的高酸性化學(xué)物質(zhì)[46]，同時(shí)機(jī)械脫水需要不斷優(yōu)化和開(kāi)發(fā)新型設(shè)備，以達(dá)到低成本、高效、深度脫水效果。

2.4 深度脫水技術(shù)深度脫水技術(shù)脫水效率高且能耗低，是目前應(yīng)用相對(duì)廣泛和成熟的污泥減量化措施，分為前期調(diào)理和后續(xù)脫水兩部分。首先，調(diào)理污泥，釋放污泥中的自由水、間隙水、表面水及部分結(jié)合水，改善污泥脫水速率和過(guò)濾性能，污泥含水率可降至低于 50%；后續(xù)脫水工藝主要是通過(guò)機(jī)械脫水或熱干化法等進(jìn)一步降低污泥含水率。相較于污泥直接熱干化技術(shù)或機(jī)械脫水技術(shù)，深度脫水技術(shù)能夠大幅降低能耗，提高脫水效率。深度脫水技術(shù)前期調(diào)理分為物理調(diào)理法、化學(xué)調(diào)理法和生物調(diào)理法。物理調(diào)理法是經(jīng)過(guò)外加能量等方式來(lái)改變污泥的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，破壞絮體、膠體等結(jié)構(gòu)，提高污泥的脫水性能，例如，利用超聲波破壞污泥絮凝結(jié)構(gòu)，改善其沉降和脫水性能，使污泥顆粒結(jié)塊并增加粒徑。化學(xué)調(diào)理法是添加化學(xué)調(diào)理劑（混凝劑、助凝劑）打破污泥中原有電荷分布，減弱顆粒間斥力，減少水分吸附等方式，提高污泥脫水性能，包括加酸、加堿和氧化處理技術(shù)等。電化學(xué)芬頓（Electro-Fenton）氧化處理可降解 EPS，降低蛋白質(zhì)含量，釋放細(xì)胞中結(jié)合水，提高污泥脫水性能[。零價(jià)鐵與自身氧化形成的 Fe3+構(gòu)成支架將污泥絮凝物聚集成大且致密顆粒，提高污泥過(guò)濾性能。化學(xué)調(diào)理法原料易得、操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍比較廣，但污泥處理后產(chǎn)生廢水生物降解難。生物調(diào)理法是利用生物源物質(zhì)或者生物體，改變污泥膠體結(jié)構(gòu)和化學(xué)物質(zhì)，提升污泥沉降性能和脫水性能。生物源物質(zhì)包括纖維類(lèi)絮凝劑、微生物多聚物絮凝劑等；生物體主要為污泥土著微生物或者補(bǔ)充外源微生物。生物調(diào)理法包括微生物絮凝、生物浸提等技術(shù)，具有能耗低、工藝簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但目前研究不深入，處理成本高。

3 市政污泥微生物脫水技術(shù)

3.1 微生物絮凝技術(shù)用于污泥脫水的無(wú)機(jī)凝結(jié)劑和有機(jī)合成高分子絮凝劑，特別是基于明礬和聚丙烯酰胺為原料的絮凝劑，金屬離子殘留和有毒的有機(jī)單體易引起二次污染。微生物絮凝劑（Microbial Flocculant，MBF），是微生物代謝過(guò)程合成的聚合物[55]，具有高效絮凝作用[56]，是一種安全、高效，能自然降解、無(wú)二次污染的水處理劑和污泥調(diào)理劑。污泥中的小懸浮膠體在絮凝過(guò)程中通過(guò)電荷中和與橋接作用形成大絮凝物，增加污泥脫水速率和固體含量 , 改善沉淀和脫水性能[57]。研究顯示，微生物絮凝劑對(duì)污泥pH、鹽度等條件具有良好的適應(yīng)性[58]，脫水效果顯著優(yōu)于硫酸鋁、聚合氯化鋁等無(wú)機(jī)絮凝劑，同時(shí)具有成本低廉、易生物降解、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)[59]，而且能夠顯著提升 CaO2等單一化學(xué)絮凝劑的脫水效果。

3.2 生物酶脫水技術(shù)生物酶脫水技術(shù)是通過(guò)投加蛋白酶、纖維素酶等改善污泥脫水性能，被認(rèn)為是提高污泥生物降解性的有效預(yù)處理措施。生物酶可以識(shí)別多糖以及糖類(lèi)復(fù)合物，酶處理后，污泥可以釋放高分子聚合物，提高自身脫水性能。特定的酶針對(duì)一種底物具有高效的催化作用，單一酶的低環(huán)境適應(yīng)性限制了其應(yīng)用效果，復(fù)合酶溶解效果優(yōu)于單一酶。酶處理污泥釋放大量 EPS，形成較疏松的絮狀結(jié)構(gòu)，有利于絮凝劑加速固體物質(zhì)沉降。生物酶來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，處理成本低，對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)二次污染，具有較大的應(yīng)用推廣空間。

3.3 生物干化技術(shù)生物干化是將有機(jī)物耗氧分解產(chǎn)生的熱量用于干燥污泥過(guò)程，已被用于干化各種廢棄生物質(zhì)，如城市固體廢物、紙漿和造紙污泥、污水污泥等，被認(rèn)為是市政污泥病原體消除、污染物降解和水分脫除最有潛力的方法。微生物呼吸產(chǎn)熱提供脫水驅(qū)動(dòng)力，生物干化能發(fā)揮高效能的重要因素之一是具備逐漸演替的高效穩(wěn)定微生物群落[68]。市政污泥添加含水率低且結(jié)構(gòu)疏松的木屑、樹(shù)皮、秸稈類(lèi)的輔料，改變污泥含水率高、質(zhì)地黏稠、透氣性差的特性，滿(mǎn)足微生物發(fā)酵對(duì)氧的需求[69]，提高微生物呼吸作用，產(chǎn)生熱量，蒸散污泥中的水分。微生物的呼吸作用和自溶作用促進(jìn)污泥中有機(jī)物礦化為有效植物養(yǎng)分，減少污泥利用二次污染問(wèn)題。生物干化市政污泥最大限度殺滅病原菌，所需周期維持在 10 ～ 25 d[71]。這樣大幅提高污泥脫水性能，實(shí)現(xiàn)半干化脫水（污泥含水率≤ 60%），脫水濾液水質(zhì)好，泥餅有機(jī)質(zhì)和熱值高、養(yǎng)分損失少，可轉(zhuǎn)化為可再生固體燃料、植物用基質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

4 市政污泥微生物脫水技術(shù)面臨的問(wèn)題

4.1 成本相對(duì)較高污泥脫水是污水處理過(guò)程中資源消耗最大的環(huán)節(jié)，占污水處理總運(yùn)營(yíng)成本的 50%[74]。現(xiàn)階段已發(fā)現(xiàn)了很多用于污泥絮凝、沉降和脫水的微生物菌種，相較于化學(xué)添加劑，但其微生物源添加劑成本高、效率低，微生物源添加劑廉價(jià)生產(chǎn)為目前該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，例如，利用農(nóng)業(yè)固體廢棄物水稻秸稈、甘蔗渣等作為生產(chǎn)微生物添加劑的培養(yǎng)材料。

4.2 影響因素多微生物脫水技術(shù)主要依靠微生物的生命過(guò)程及其代謝物，污泥性質(zhì)、環(huán)境溫度、環(huán)境 pH、微生物投放劑量、水溶性有機(jī)物等都會(huì)影響微生物活力。表 4 列出了不同因素對(duì)污泥微生物脫水技術(shù)的影響，最廣泛使用的硫和鐵氧化細(xì)菌為嗜酸性細(xì)菌，對(duì)污泥初始 pH 依賴(lài)性強(qiáng)；微生物絮凝劑熱穩(wěn)定性較差，對(duì)溫度比較敏感，在處理過(guò)程中，隨著污泥溫度的變化，其絮凝活性顯著變化；單株功能菌株往往和其他菌株存在正向或者負(fù)向的協(xié)同作用。現(xiàn)階段，微生物脫水技術(shù)存在功能微生物復(fù)配手段單一、復(fù)配方法不成熟、產(chǎn)品運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題，更穩(wěn)定、高效脫水的功能微生物產(chǎn)品是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

4.3 脫水周期長(zhǎng)、效率低微生物源添加劑種類(lèi)多，但適用范圍窄，難以完全沉淀和降解，普遍存在反應(yīng)周期長(zhǎng)、處理效率低的缺點(diǎn)，限制了基于微生物技術(shù)的污泥脫水技術(shù)的發(fā)展。生物干化技術(shù)中，微生物快速產(chǎn)熱需要調(diào)節(jié)污泥基質(zhì)碳氮比、含水量、通氧參數(shù)、溫度，選用專(zhuān)用微生物菌種等，現(xiàn)階段缺乏系統(tǒng)的研究，嚴(yán)重限制微生物脫水技術(shù)普遍應(yīng)用。

5 結(jié)論本文總結(jié)了市政污泥脫水技術(shù)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了基于微生物技術(shù)的市政污泥脫水技術(shù)的機(jī)理、影響因素及面臨問(wèn)題，關(guān)注市政污泥脫水效率的提高途徑、常規(guī)脫水技術(shù)的開(kāi)發(fā)、微生物技術(shù)優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。當(dāng)前，市政污泥脫水技術(shù)的理論研究集中在提高脫水效率方面，沒(méi)有充分考慮技術(shù)成本和能耗，導(dǎo)致污泥脫水的生產(chǎn)實(shí)踐遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論研究，市政污泥常規(guī)脫水技術(shù)中取得較好經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益的并不多，在脫水設(shè)備研發(fā)、降低熱干化能耗、減少環(huán)境污染等方面需要進(jìn)一步完善，從而促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化應(yīng)用。與市政污泥常規(guī)脫水技術(shù)相比，微生物脫水技術(shù)更節(jié)能、無(wú)污染、更易操作與運(yùn)行，但存在成本高、微生物培養(yǎng)復(fù)雜、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，需要開(kāi)展更多微生物脫水技術(shù)的研究。當(dāng)前，人們要積極開(kāi)發(fā)市政污泥微生物脫水新技術(shù)并進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，并將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，這是今后市政污泥脫水技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。未來(lái)，人們要重點(diǎn)從三個(gè)方面開(kāi)發(fā)市政污泥脫水技術(shù)。一是高效污泥脫水微生物（源）產(chǎn)品。要依托生物技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)穩(wěn)定性高、實(shí)用性強(qiáng)、適用范圍廣的高效微生物菌劑及其相關(guān)產(chǎn)品。二是基于微生物應(yīng)用的高效脫水工藝。市政污泥前期調(diào)理需要應(yīng)用微生物技術(shù)，人們要開(kāi)發(fā)操作簡(jiǎn)單、脫水周期短、安全高效、后續(xù)污泥處置成本低的脫水工藝。三是基于微生物技術(shù)的復(fù)合工藝。要將微生物脫水技術(shù)和物理、化學(xué)脫水技術(shù)相耦合，研究復(fù)合工藝的脫水機(jī)理和最優(yōu)脫水條件，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

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