摘要：污泥脱水是污泥后处理的关键环节。本文详细分析了金属离子Na+和Ca2+对污泥脱水性能影响的机理，并总结前人关于Na+和Ca2+影响污泥脱水是性能的研究。针对Na+和Ca2+共存状态下，污泥脱水性能做出总结，提出相对优化的污泥化学预处理方法。
关键词：废弃污泥；脱水；钠离子；钙离子
Influence Research of the Sodium and Calcium Ion on the Performance of Dewatering sludge
Hu Mengzhu1，Wang Hao2，Liang Yi3
（1. Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co., Ltd., Nanning 530023, China；2. Jiangsu Datang International Lvsigang Power Generation Co., Ltd., Nantong 226200, China;
3. Inner Mongolia Datang International Tuoketuo Power Generation Co., Ltd., Hohhot 010206, China）
Abstract: Solid-liquid separation is a vital step in waste sludge disposal. The influence of Na+ and Ca2+ on dewatering sludge was reviewed in this paper. A review on main factors were studied in the investigate. This paper conclusion the preliminary work about Na+ and Ca2+ on dewatering sludge. Finally, based on coexistence of Na+ and Ca2 influence on dewatering performance, the optimized sludge chemical pretreatment method was recommended and proposed.
引言：由于活性污泥无污染、耗能少等优点，被广泛应用于市政污水处理。废弃污泥中含有大量细菌、有害微生物及有机污染物，如果直接排放到环境中，将造成严重的环境问题。当前废弃污泥的高含水率是制约污泥后处理发展的主要原因。目前，污泥中水分大致可分为：自由水及束缚水，其中束缚水包括：间隙水、表面吸附水及内部结合水。自由水约占污泥中水分含量的70%，可通过简单静置方法去除，束缚水由于其含量较多且较难去除，是影响污泥脱水性能的主要因素[1]。当前关于污泥处理主要有四步：沉降、预处理、脱水、干化，利用化学或物理手段对污泥进行预处理改变污泥中水分分布，可达到提高污泥脱水性能的目的。
污泥体系组成复杂，成份多变，其中胞外聚合物EPS(extracellular polymeric substances, EPS)是污泥体系的主要组成部分，与污泥脱水性能关系密切。基于EPS疏松的絮状结构及含有大量亲水性官能团。研究者对于EPS分层行为的认识经历了漫长的历程，最初Nielsen提出EPS可分为溶解态EPS(soluble EPS, S-EPS)与结合态EPS(bound EPS, B-EPS) [2]；S-EPS主要分布于污泥混合液的上清液中，是污水处理出水中COD(chemical oxygen demand, COD)的重要组成部分[3]。目前，研究者对B-EPS进行了更为细致的划分，B-EPS内具有一定流动性的称为LB-EPS层，研究表明LB-EPS层结构疏松，是影响污泥脱水性能的主要原因；与细胞壁贴合紧密的称为TB-EPS层；S-EPS层、LB-EPS层及TB-EPS层依次由外而内的构成了EPS的层状结构,如图1所示[4]。
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图1 EPS结构示意图
1 金属离子预处理
1.1 Na+预处理
基于EPS层状结构，使用化学调理剂释放束缚水，改善污泥脱水性能。前期研究表明，Na+投加到污泥混合液中能够置换结合在污泥絮体上的二价金属离子Ca2+[5]。当污泥絮体上的二价金属离子被单价金属离子置换下来后[6]，紧凑的污泥絮体结构遭到破坏；因为Na+不具有架桥、絮凝功能，无法保持絮体结构稳定，导致污泥絮体破解，束缚水转变为自由水而去除，从而提高污泥滤饼含固率，改变污泥脱水性能。然而，Na+在破解污泥絮体的过程中无法选择性的只释放束缚在絮体内的束缚水，而不破坏污泥结构，即破解污泥絮体提升污泥滤饼含固率的同时加速EPS向本体溶液释放，细小污泥颗粒含量，导致污泥可滤性变差，使得在后续压滤脱水过程中易堵塞过滤介质，脱水时间变长，脱水成本相应增加[7]。此外，随着EPS絮体被破解成小颗粒絮体，在此过程中污泥比表面积增加，表面极化负电荷量增多，导致金属阳离子的加入无法有效改变污泥絮体表面Zeta电位[8]，使得污泥虚体彼此间相互排斥，不易聚集，脱水速度变差。
1.2. Ca+预处理
目前，使用化学药剂对污泥进行预处理是污水脱水预处理过程中使用较多的方法，从生物絮凝角度而言，污泥混合液中胞外聚合物带有负电，利用正负离子的中和原理，污泥絮体互相聚集，形成大颗粒而沉降，研究表明随着Ca2+浓度增加，小颗粒污泥絮体逐渐聚集形成大颗粒[9,10]，在此过程中相互挤压，促进束缚在EPS内的水分转变为自由水而脱出，降低污泥滤饼含固率。此外，通过Ca2+的絮凝，污泥絮体结构增强，在后续的机械脱水如压滤脱水过程中絮体中水分更易于水分排出提升脱水速度[11]。
EPS 的主要成分为多糖、蛋白质。研究表明：钙离子加入到污泥体系后蛋白质含量降低至70%左右，而多糖含量降低至的40%左右[10]，由此说明Ca2+对EPS中糖类的影响更为明显；此外，张等人研究表明：钙离子更易于与LB-EPS层的有机物结合，且对该层多糖含量的影响更为明显[12]。
2 结论：
当前沿海地区经济发达，废水处理量逐年增加，利用沿海地区地理优势，引进海水对废弃污泥进行预处理，释放存在其内部的表面吸附水及内部结合水，提升污泥滤饼含固率。利用二价钙离子能强化生物絮凝，提升污泥脱水速率，从而达到全面优化污泥脱水性能的目的。然而，此项研究目前仍有不足：
(1)前期研究中关于的Na+对污泥絮体的影响，主要从其置换Ca2+的角度出发，且关于利用海水的研究改变污泥脱水效果的研究较少，因而无法全面了解Na+对污泥污泥脱水影响的机理；
(2)Na+破解污泥絮体后，利用钙离子对破解污泥进行重新絮凝，从而达到良好的污泥脱水效果。考察钙离子是否能够置换污泥絮体上的Na+是研究Na+-Ca2+改变污泥脱水性能的关键。
前期研究主要针对金属离子污泥絮体物理性质的影响，关于不同价态金属离子对EPS分层行为的影响及其作用机理仍有待探究。
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