随着城市化进程及污水处理厂建设的加快，污水处理率逐年增加，污泥的产量也越来越大，污泥处理处置成为污水处理厂的难题。污泥预处理可以改变污泥特性，有利于后续处理。污泥预处理的方法有物理方法、化学方法、生物方法或几种预处理相结合的方法，具体的有超声波、微波、热解、冻融、酸碱调节、臭氧等氧化剂和生物酶等。

有研究发现，对污泥进行酸碱调节，pH值越低脱水效率越高，滤饼含水率下降3%～5%，随着pH值的升高，污泥比阻增大，脱水性能变差。课题组前期研究了酸碱调节对污泥中氮磷、有机质释放的影响，未对比分析单独酸碱调节与酸碱联合调节对污泥脱水性能的影响。温度也是影响污泥脱水的重要因素，加热能够破坏胶体颗粒的稳定性，破坏微生物的细胞壁，有利于污泥中氮、磷和有机质等的回收利用。Jean等研究证实，冻融处理可以减少污泥结合水的含量，使污泥颗粒结构更紧密，改善污泥的脱水性能。Mustranta等用Fenton试剂处理造纸厂污泥，得出污泥SRF有效降低，污泥脱水性能改善的结论。本研究对比分析了酸碱调节、温度改变（水浴加热、自然冻融）以及氧化剂Fenton等预处理方法对污泥脱水效果的影响情况。

1 材料与方法

1.1 污泥初始特性

所用污泥取自天津市某污水处理厂回流污泥泵房，污泥取回后静置24h，并排出上清液，将剩下的污泥作为实验的初始污泥。

1.2 实验装置及分析测试方法

1.2.1 不同的预处理方法

（1）酸碱调节。实验采用一次投料、长期水解酸化的间歇式运行方式，运行时间为16d。使用30%HCl或20%NaOH溶液进行pH值调节，初期每2h调节一次，稳定后每12h调节一次。采用5个直径12cm，高30cm，有效体积2.5L的有机玻璃反应器。1#为单独酸（pH3.0，运行16d）调节，2#为单独碱（pH10.0，运行16d）调节；3#、4#为酸碱联合调节，3#为先酸（pH3.0，运行8d）后碱（pH10.0，运行8d），4#为先碱（pH10.0，运行8d）后酸（pH3.0，运行8d）；5#为pH不调的对比实验。每天分别取样测定污泥SRF。实验温度为室温，使用30%HCl或20%NaOH溶液进行pH值调节。

（2）水浴加热。将所取污泥混合均匀后分为5份，分别将其放入相同规格烧杯内并编号为1#、2#、3#、4#和5#。采用如下的控制方式：1#为不加热（室温）的空白对照，2#为在50℃的水浴锅中加热0.5h，3#为加热1h，4#为加热1.5h，5#为加热2h。加热后将装有污泥的烧杯从水浴锅中拿出冷却，待污泥温度降至室温后测定污泥SRF，由此分析加热时长对污泥脱水特性的影响。

（3）自然冻融。本研究采用室外自然冷冻与室内室温对照的方法，室外温度-9～3℃，室内温度12～17℃，室外的污泥放置在10L扁桶中自然冷冻，室内污泥放置在直径12cm，高30cm，有效体积2.5L的有机玻璃反应器中，每天取样测定污泥SRF值，共运行5d。

（4）氧化剂Fenton。实验采用6个500mL具塞三角瓶，分别将其编号为1#至6#。每个三角瓶中加入等量剩余污泥，加入FeSO₄溶液使Fe²⁺浓度为0.8g/L，并用6mol/L的HCl调节pH=4，然后分别加入双氧水（H₂O₂），使H₂O₂浓度依次为0、0.125、0.25、0.5、1、3、5和7g/L。将6个三角瓶同时放入振荡器，反应2h后取出测定污泥SRF。

1.2.2 比阻的测定

本研究采用布氏漏斗法则SRF值考察污泥的脱水性能。污泥SRF的物理意义是单位过滤面积上过滤单位质量的干固体所受到的阻力，SRF值越大，污泥的脱水性能越差。SRF在数值上等于黏度为1Pa·s的流体以1m/s的平均流速通过厚度为1m的颗粒床层时所产生的压强降。实际的测量过程为：在布氏漏斗中加入50mL摇匀的污泥进行抽滤，将真空度调为0.071MPa时开始记录抽滤液体积随时间的变化情况以及抽滤前后污泥的含固率（使用SFY-20A卤素快速水分测定仪测含水率而得），将所得实验数据带入公式即可得到SRF值。

SRF是衡量污泥脱水难易的指标，污泥SRF越大，说明过滤时污泥的阻力越大，污泥越难脱水，一般认为污泥的SRF值在（1～4）×10¹²m/kg之间时，进行机械脱水较为适宜。本文通过考察污泥在不同预处理方法下SRF的变化情况分析不同预处理方法对污泥脱水性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 酸碱调节

经不同的酸碱调节后，SRF的变化基本上表现为3#＜1#＜4#×5#＜2#，说明先酸后碱调节有利于污泥脱水，且单独酸调节优于单独碱调节。究其原因可能是：1#中加入酸后，H⁺与污泥表面的负离子结合，减小污泥颗粒之间的排斥力，促进了污泥絮体间的进一步絮凝，从而改善了污泥的脱水效果。根据Tian等的研究，酸处理能使胞外聚合物（EPS）物质脱离活性污泥颗粒的表面，使污泥更易于聚集，从而降低污泥脱水后的含水率。在2#污泥中加入OH^-后，使本来带负电荷的污泥颗粒电量增加，相互之间的排斥力增大，不利于污泥絮凝，从而导致SRF变大，脱水性能降低。3#反应器中，污泥在酸调节转为碱调节时处于相对较易脱水阶段，Lee等也阐明了当初始污泥为酸性时进一步的碱处理有利于污泥混凝。4#中污泥经碱处理，再调为酸性后，污泥性质和结构被严重破坏，导致在酸环境中有利于脱水的部分特性失效，这可能是此条件下脱水效果较差的原因。5#中的原污泥随着水解时间的延长，SRF不断增大，原因可能是由于有机质的释放速率大于降解速率，使得两者的浓度逐渐升高，有机质的部分基团对水的亲和力增加，结合水含量相应增加，从而SRF值不断增大，脱水性能变差；当有机质的释放速率小于降解速率时，脱水性能会稍有改善。

2.2 温度改变

2.2.1 加热

经过加热调节后，随着污泥加热时长的延长，SRF值先减小后逐渐变大，这表明污泥在加热时间过长的情况下脱水效果越来越差。当加热时长在1.5h内时，脱水性能较初始污泥相比有所改善，其中加热时长为0.5h的2#污泥脱水效果较佳，SRF值为13×10¹²m/kg，相较初始污泥，SRF值降低了31.9%，但脱水效果仍处于难脱水范围内。

污泥加热后SRF值减小的原因可能是，短时间的加热过程使污泥絮体部分溶解，破坏了污泥胶体结构，降低了胞外聚合物的保水特性，使得细胞内的结合水释放出来，污泥的脱水性能提高。但是当加热时间过长时，污泥细胞膜开始被破坏，导致细胞内的物质大量溢出，污泥的粘度增加，从而使脱水性能降低。

2.2.2 自然冻融

经过自然冻融调节后，总体上自然冻融组的SRF较小，且冻融组的污泥SRF值在（2.12～4.06）×10¹²m/kg之间变化，说明一直处于较易脱水的范围内。自然冻融实验初始污泥SRF值较小，为2.12×10¹²m/kg，比酸碱调节和加热调节污泥的初始SRF小一个数量级，原因可能是酸碱调节和加热调节的初始污泥SRF是在25℃左右条件下测得，而冻融调节的初始污泥SRF是在-9～3℃的环境中静置24h之后测得，说明低温有利于污泥脱水。宋永伟等研究发现，5℃下污泥的SRF一直小于15℃下污泥的SRF，李恺等得出0℃时污泥脱水效果较25℃时有所提高的结论。分析原因，可能是本研究中自然冻融组的污泥冻结，使浓集后的污泥颗粒夹在冷冻层之间，浓集污泥颗粒中的水分被挤出。冻融使污泥颗粒的结构被彻底破坏，这种被动的机械脱水，大量减少污泥中毛细结合水的含量，且冷冻-融解是不可逆的，即使再进行搅拌也不会重新成为胶体。

随着时间的延长，污泥SRF略有增加，有研究者得出类似结果，宋永伟等研究了低温条件下污泥静置沉降时间对污泥脱水性能的影响，得出低温条件下随着静置时间的延长，污泥的SRF增加的结论。可能原因是污泥在-9～3℃的温度下，经历了冻融，冻结挤压污泥颗粒可能导致细胞破裂，有机质释放，Ormeci等指出，高浓度的溶解性有机物能削弱冻融调节的效果。

2.3 氧化剂Fenton

经氧化剂Fenton调节后，随着H₂O₂浓度的增加，污泥SRF逐渐减小，且当H₂O₂浓度大于零小于1g/L时测得的污泥SRF值呈逐渐减小的趋势，污泥表现为更易脱水，当H₂O₂浓度大于1g/L时，污泥SRF值变化不大，在（4.25～5.22）×10¹²m/kg的范围内变动，且当H₂O₂浓度为5g/L时，污泥SRF值达到极小值4.25×10¹²m/kg，污泥较利于脱水。这说明Fenton试剂氧化污泥效果显著，H₂O₂投加量较小时，污泥脱水性能就有明显改善。许多研究者得到相似的结论，潘胜等认为，抽滤脱水时H₂O₂的较佳投加量为3g/L。Buyukkamaci以污泥SRF和毛细吸水时间（CST）为指标，通过改变H₂O₂与Fe²⁺的投加量考察Fenton试剂对污泥的调理作用。结果显示，随着H₂O₂与Fe²⁺投加量的增加，SRF和CST的值逐渐减小，当H₂O₂与Fe²⁺投加量分别为6g/L和5g/L时，SRF、CST较小，污泥脱水效果较好。

分析其原因可能是：Fenton试剂的反应通常由Fe²⁺催化分解H₂O₂，生成强氧化性的羟基自由基（·OH），·OH能够氧化有机物并使其分解。利用Fenton体系的强氧化性调理污泥，破坏污泥的胶态结构，引起污泥絮体表面胞外聚合物（EPS）的部分氧化和重组，从而提高污泥的絮凝性，改善污泥的脱水性能。EPS是污泥絮体的重要组成部分，EPS具有较高的表面电荷和亲水性，Higgins等认为，EPS为微生物提供保护的同时也增加了结合水的含量，使污泥脱水性能变差。EPS主要由多糖、蛋白质、核酸和腐殖酸等有机物组成，Fenton的强氧化性可以破解污泥中的EPS，释放出污泥中键合态的水，从而提高污泥的脱水性能。另外，Fenton试剂作用于污泥，首先是EPS的分解、细胞壁破解并释放出溶解性有机物，同时也伴随着溶出有机物的进一步氧化，因此随着H₂O₂浓度的增加，污泥量有效减小，污泥脱水性能得到改善。

3 结论

采用酸碱调节、温度改变（加热或自然冻融）以及氧化剂Fenton等预处理方法处理污泥，对比分析得知：Fenton试剂氧化处理对污泥脱水效果的影响较大，当H₂O₂浓度为1g/L时已经较利于污泥脱水，效果稳定且调节时间短；单独酸碱调节合联合酸碱调节的效果次之，虽然都能改善污泥脱水性能，但是处理效果不稳定，污泥调节时间较长；低温条件下，污泥一直处于较易脱水的状态，污泥加热调节时，一直处于难脱水状态。