戴曉虎團隊：基于調理劑循環利用的污泥深度脫水減容技術
高含水率是制約污泥處理處置效率的主要因素之一。脫水可有效實現污泥減容、流動性降低和焚燒熱值提高，因此是污泥處理處置全鏈條工藝路線實現“減污降碳”核心目標最為關鍵的技術環節。然而，污泥屬于有機-無機高度混雜的非均相復雜體系，呈現穩定膠狀絮體狀態、固液分離極度困難。本團隊立足于污泥水-固界面親和作用機制，創新研發基于調理劑循環利用的污泥脫水減容技術，大幅降低污泥脫水藥耗、能耗，為環境友好型污泥脫水處理提供新的技術選擇途徑。
1 背景需求
城鎮污水處理廠污泥（以下簡稱污泥）是指污水處理過程中，由污染物轉化的沉淀物以及通過污染物生物降解而產生的微生物殘渣。污泥承載了污水管網進水污染物總量的20%~25%，其中包括多種病原菌、重金屬及毒害性有機污染物，如不妥善處置將會造成嚴重的環境污染風險。污泥的安全處理處置與高效資源化利用對于提高我國水污染控制技術水平具有重要意義。
高含水率特征是限制污泥處理處置效率的主要因素之一，城鎮污水處理廠污泥運輸、熱解、焚燒、土地利用的一系列標準規范均對含水率做出了特定的技術要求，脫水是污泥各類處理處置路線中的共性關鍵技術環節。特別地，熱處理（焚燒、熱解）因其減量化、穩定化、能源化效益顯著而成為近年來我國污泥終處置的快速發展方向之一，因此，高效、低耗地降低污泥含水率、提高污泥熱值也是我國污泥低碳化、集中式、大規模處理處置的重要技術前提。然而，污泥屬于有機-無機高度混雜的非均相復雜體系，呈現穩定膠狀絮體狀態、固液分離極度困難，脫水調理是改善污泥脫水性能、有效實現固液分離的重要保障。
2 技術現狀及瓶頸問題
目前，以聚合氯化鋁（PAC）、聚合氯化鐵（PFC）、聚丙烯酰胺（PAM）為代表的混凝劑（投加量污泥干基質量的3~10%）、絮凝劑（投加量污泥干基質量的0.1~0.3%）仍是廣泛使用的污泥脫水調理劑，其通過電性中和與吸附架橋作用改變污泥固體顆粒的表面電性和聚集狀態，可在一定程度上降低污泥的間隙水含量，并強化固體顆粒沉降分離性能。
然而，水處理領域中的混凝/絮凝理論對于高固體濃度的污泥體系并不適用，混凝劑/絮凝劑投加量與污泥表面電性以及顆粒粒徑的量化對應關系尚不明確，不同來源污泥固體表面電性、顆粒粒徑、孔隙率等物理性質的最優化范圍并無統一定論，導致基于混凝/絮凝的污泥脫水調理技術優化控制的理論依據仍不完善，同一種混凝劑/絮凝劑對不同來源污泥的調理效果存在很大差異，普遍存在藥耗高、效率低、難以精準調控等問題；此外，聚合氯化鋁（PAC）、聚合氯化鐵（PFC）的投加向污泥中引入大量氯離子，加劇了污泥焚燒工藝中的二噁英生成風險，Fe3+的引入則會造成污泥處理設備的腐蝕。
上述問題嚴重限制了傳統脫水調理技術在污泥深度脫水+熱干化+熱解/焚燒工藝中的可持續推廣應用，導致污泥脫水已成為制約污泥處理處置全鏈條工藝效率提升的主要技術瓶頸。因此，在兼顧污泥有效脫水的前提下，若能實現脫水調理劑的循環回收利用，可有效降低污泥脫水的藥耗、能耗，對于提高污泥處理處置技術水平具有重要意義，具有廣闊的市場應用前景與良好的社會環境效益。
3 技術原理
本團隊在前期研究中系統分析了污泥持水性能的影響因素，開拓了以分子構象解析為主要切入點的污泥持水性能形成機制新研究思路（Environmental Science & Technology, 2017, 51: 9235?9243），利用宏蛋白質組學系統分析了污泥胞外蛋白質的來源、氨基酸序列和分子功能，并從分子結構尺度闡明了影響污泥主要持水物質水分子親和能力的本質機理，發現了以α-螺旋親水、β-折疊疏水為代表的胞外蛋白質兩親性分子構象特征是決定污泥固體表面親疏水性能的關鍵因素，親水端（α-螺旋）與水分子親和接觸，而疏水端（β-折疊）既可以包裹在親水性結構單元中（如β-折疊嵌入α-螺旋的筒體中），也可能與其他疏水性物質親和（如細胞壁纖維素類、細胞膜磷脂類等），進而導致污泥呈現親水性組分包裹疏水性組分穩定懸濁于水中的膠體結構特征（Water Research, 2022, 213: 118169；Water Research, 2021, 202: 117461；Water Research, 2020, 180: 115-133）。
根據“相似相溶”原理，污泥固體表面親水性組分和水分子均屬于極性分子結構單元；若能降低污泥液相極性，則可以有效削減污泥固體表面極性分子與液體分子的相互作用力，大幅降低污泥固-液界面親和性能，從而失穩污泥膠狀絮體結構、提升固液分離效率。基于上述理論假設，本團隊遵循逆向思維，在不改變污泥固體化學組成的情況下，創新性地提出通過調控污泥液相極性削減胞外蛋白質極性官能團與液相極性分子之間親和力的技術思路，利用水溶性有機溶劑誘導胞外蛋白質分子結構變性、暴露疏水性官能團，從而削減污泥固-液界面親和作用、提高固液分離性能，并基于鹽析分離和減壓蒸餾技術構建了脫水調理劑循環利用的污泥深度脫水工藝流程（Chemical Engineering Journal, 2021, 409, 128212；發明專利202010661533.X；202010775794.4；202010810797.7），為環境友好型污泥高效脫水技術提供了新的技術選擇途徑。
4 工藝流程
調理劑循環利用的污泥深度脫水處理技術方法，其包括如下步驟：
二沉池剩余污泥通過投加量0.1~0.3 wt.%DS的PAM調理，聯合帶式壓濾機或疊螺壓濾降低含水率至80%；
將水溶性有機調理劑與含水率80%污泥按質量比0.75~2:1混合，攪拌萃取反應5~10 min，使污泥中極性持水物質由固液相界面轉移至有機相，進而降低污泥持水能力、提高污泥的固液分離性能；
通過板框壓濾方式（壓濾脫水的壓力為0.1~0.6 MPa，壓濾時長15~30 min）進行二次固液分離；
利用減壓蒸發（操作溫度30~60 ℃，真空度為0.04~0.08 MPa）+冷凝的方式實現脫水泥餅中溶劑的有效回收，進而在顯著提高泥餅含固率的同時完成溶劑型污泥脫水調理劑的循環利用；
利用鹽析實現濾液中溶劑的非熱回收，通過投加鹽降低溶劑與水的互溶比例，促進溶劑的析出分離。
5 工藝效果及應用前景
本技術方法簡單易行，脫水調理劑近零消耗，可以克服傳統污泥脫水-熱干化工藝藥劑投加量大、污泥增容比高、脫水效率低、干化能耗高等缺點，添加溶劑后的二次脫水可提升含固率至55%以上，溶劑回收后污泥最終含水率可降低至30~40%。不僅減少污泥調理劑投加可能產生的二次環境污染風險，而且還可以高效降低污泥含水率，且該工藝從污泥固-液親和性能的本質機理出發設計技術思路，因此廣泛適用于市政污泥以及含油污泥、頁巖氣開采廢物、噴涂廢物等多種工業源危險泥質廢物，具有較高的社會環境效益和廣闊的市場應用前景。
技術來源
同濟大學環境科學與工程學院戴曉虎教授團隊
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