目前，世界各國廣泛采用的污泥脫水方法為機械脫水，如離心、真空抽濾等。機械脫水一般只能將污泥中的自由水和封閉水脫出，使污泥含水率降至80%左右，但仍不能滿足污泥后續處置中對含水率的要求，所以如何進一步降低污泥含水率需要更深入的研究。有研究表明，可以利用聚乙二醇溶液的滲析特性來進行污泥脫水，這為污泥脫水提供了新思路。但由于聚乙二醇溶液滲析的有效影響范圍有限，導致其工業化應用的成本較高，難以直接應用于污泥規模化脫水中。為此，筆者設計了聯合真空壓力的聚乙二醇溶液滲析脫水試驗，探討不同真空壓力作用下聚乙二醇溶液滲析對污泥的脫水效果及其有效影響距離，并對脫水后的污泥進行掃描電鏡（SEM）和光學顯微鏡觀察，從微觀角度分析不同污泥脫水方法的機理。

1、試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用污泥取自珠海市香洲區拱北水質凈化廠，含水率為97.45%，自然狀態下呈深黑色，偏酸性（pH=6.6），富含有機質（含量為46%），比阻值較高（1.34×1010s2/g），脫水難度相對較大，具有很好的代表性。試驗中使用的滲析袋是美國Viskase公司生產的透析袋；聚乙二醇溶液采用西隴公司生產的聚乙二醇固體顆粒加蒸餾水溶解配制而成。

1.2 試驗方法

1.2.1 聚乙二醇溶液滲析脫水試驗

①分別在5個1000mL燒杯中倒入等質量的蒸餾水，根據Tripathy等人研究得出的聚乙二醇溶液濃度與其吸力值的關系，分別在5個燒杯中加入不同質量的聚乙二醇顆粒并攪拌溶解，配制吸力值分別為0.1、1、4、8、10MPa的聚乙二醇溶液。

②將透析袋裁剪為長10cm的滲析袋，共30個，在每個滲析袋中裝20g原狀污泥，趕走滲析袋內的氣泡，然后兩端用滲析夾夾緊；將樣品分為5組，每組6個樣品，分別浸泡在5種不同濃度的聚乙二醇溶液中，再用保鮮膜包裹在燒杯上端，減少水分蒸發帶來的影響。

③試驗開始后，每隔12h從不同濃度的聚乙二醇溶液中取出1個污泥樣品，用烘干法測量中間部分污泥的含水率，試驗進行60h后結束。共進行2次平行試驗，取污泥殘余含水率的平均值。

1.2.2 聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力脫水試驗

①制作如圖1中所示的污泥脫水容器（長、寬、高均為50cm），容器內布置1根長度為30cm的橫向排水板，橫向排水板通過連接管與聚乙二醇溶液池相連，將其作為聚乙二醇溶液滲析及污泥中水分排出的通道；布置4根長度為50cm的豎向排水板（排水板寬度均為6cm），豎向排水板連接真空泵，用于施加真空壓力；然后將真空抽濾脫水后的污泥（含水率為82.71%）填滿脫水容器。

②打開真空泵，分別控制在不同的真空壓力下（0、20、40、60、80、90kPa）進行試驗。

③將吸力值為8MPa的聚乙二醇溶液倒入聚乙二醇溶液池，打開開關和循環水泵，使聚乙二醇溶液進入裝置中的橫向排水板，2min后關閉開關和循環水泵，污泥在真空壓力作用下開始滲析脫水。

④為保證達到聚乙二醇溶液滲析脫水的極限，滲析試驗進行5d。試驗結束后，分別在距離橫向排水板直線距離5、10、15cm的軸線位置取樣，依次標記為樣品1~3。進行3次平行試驗，采用烘干法測定污泥樣品的殘余含水率，取其平均值。

1.2.3 掃描電鏡及光學顯微鏡觀察

在脫水試驗結束后，分別對原狀污泥、真空抽濾脫水后污泥以及聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力脫水后污泥進行SEM及光學顯微鏡觀察。聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力脫水后的污泥樣品以真空壓力為0和80kPa、與橫向排水板的直線距離為5cm的污泥樣品（分別記作污泥A和B）為例。

2、結果與討論

2.1 聚乙二醇溶液滲析污泥脫水效果

在污泥后續處置方法中，普遍要求含水率在60%以下。因此，本研究確定聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離時以污泥含水率降至60%為界。

聚乙二醇溶液滲析污泥脫水試驗結果如圖2所示。可知，原狀污泥經過一定吸力值（除0.1MPa外）的聚乙二醇溶液滲析脫水后，最終含水率均明顯低于60%。與其他常規脫水方法相比，聚乙二醇溶液滲析法對污泥的脫水性能良好，能夠達到深度脫水的目的。但該試驗所取污泥尺寸較小，而且不能夠得到聚乙二醇溶液滲析的有效影響范圍，難以直接工業化應用。因此，本研究進一步設計了聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力的脫水試驗。

2.2 聚乙二醇溶液滲析聯合真空的污泥脫水效果

該試驗的最終污泥脫水結果如圖3所示。可知，在真空壓力作用下，聚乙二醇溶液的滲析脫水效果要遠好于無真空壓力下的，而且真空壓力越大，滲析脫水效果越好。當真空壓力達到80kPa后，各污泥樣品的最終含水率都低于60%，能夠獲得比較理想的脫水效果。整體來看，各污泥含水率的變化大致可分為兩個階段。第1階段：當真空壓力80kPa后，提高真空壓力對污泥脫水效果貢獻甚微，污泥含水率基本保持不變。因此，在聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力的污泥脫水方法中，為使聚乙二醇溶液滲析達到理想的脫水效果，真空壓力應不低于80kPa。

從圖3還可以看出，在一定真空壓力條件下，污泥脫水效果隨著與排水板距離的增大而減小，當與排水板的距離增大至一定程度后，污泥含水率將大于60%，這說明聚乙二醇溶液滲析對污泥脫水存在一個有效影響范圍。本研究通過對不同位置污泥含水率的測試，結合插值法確定不同真空壓力下聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離如下：當真空壓力分別為0、20、40、60、80、90kPa時，有效影響距離分別為5.4、8.8、11.4、13.7、15.2、15.3cm。可以看出，聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離隨著真空壓力的增大而增加。單一聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離僅為5.4cm，在80kPa真空壓力作用下，聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離提升至15.2cm，提升幅度約為181%。若使用聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力的方法進行工業化污泥脫水，只需使真空壓力達到一定值（80kPa），并合理設置橫向排水板之間的距離，污泥的最終含水率都可降至60%以下，達到深度脫水的目的。與單一聚乙二醇溶液滲析脫水相比，該方法大大降低了橫向排水板的使用數量和污泥脫水成本，從而推動污泥滲析脫水的工業化應用。而且吸水后的低濃度聚乙二醇溶液，可通過蒸餾法、晾曬法、噴霧法等多種方法將水分脫出，重新形成高濃度的聚乙二醇溶液，實現循環使用。因此，與常規污泥脫水方法相比，聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力的方法不僅可以有效脫出污泥中的水分，而且具有可循環使用的優點。

2.3 微觀角度的污泥脫水機理分析

原狀污泥、真空抽濾脫水后污泥及污泥A和B的SEM照片見圖4，其中，白色為污泥顆粒，黑色為孔隙。可以看出，原狀污泥以絮狀為主，結構較松散，孔隙數量多且較大。對原狀污泥進行不同方式的脫水處理后，污泥含水率及其結構的致密程度均發生了很大變化，而且含水率越低，其結構越致密。

不同污泥的光學顯微鏡照片如圖5所示。原狀污泥呈現出典型的絮狀非晶體結構，固體顆粒形成直徑為10~100μm的絮團物，其表面的水分具有明顯的流動性。根據污泥中水分的賦存方式及脫水難易程度，可將水分重新劃分為4種類型：絮狀物外的自由水、絮狀物間的封閉水、包裹在絮團內部和細胞內部的包裹水以及與固體顆粒緊密結合的內部結合水，如圖6所示。在顯微鏡觀察下，自由水具有明顯的流動性，封閉水四周都被大小不一的固體顆粒包圍、無法流動，而包裹水與內部結合水可通過絮團物的大小側面進行判斷。

對比圖4（a）和（b）可以發現，真空抽濾脫水主要通過壓縮固體顆粒之間的孔隙而使污泥結構更加致密，但并沒有使固體顆粒內部的孔隙明顯減少；對比圖4（a）、（b）和（c）可以發現，污泥經聚乙二醇溶液滲析脫水后，無論是固體顆粒之間的孔隙還是固體顆粒內部的孔隙都有明顯減少，從而使污泥逐漸由絮狀結構變為更加致密的塊狀、團狀結構。

由圖5（b）可知，真空抽濾脫水后污泥表面已不見明顯流動的自由水及絮團物間的封閉水，呈現出溝壑縱橫的泥狀結構，這表明封閉水已經脫出，而其中絮團物沒有發生明顯變化，說明絮團物中的包裹水仍殘留在污泥中，未能有效排出。由圖5（c）可知，污泥經聚乙二醇溶液滲析脫水后，絮團物面積明顯減小，這說明其中的部分包裹水已經脫出。同時可明顯觀察到污泥經滲析脫水后形成了裂隙，這是因為隨著污泥中水分的脫出，大顆粒相互堆疊形成孔隙，較大孔徑的孔隙相互連接形成裂隙。而裂隙的存在會阻礙聚乙二醇溶液滲析脫水效果，這是因為裂隙本身能夠儲藏水分，同時裂隙的存在會延長甚至隔斷污泥的排水通道，從而阻礙水分沿著排水通道排出。綜上，污泥在真空抽濾等機械脫水作用下，自由水和封閉水能夠脫出，但存在于絮團物中的包裹水不能有效脫出；而在聚乙二醇溶液滲析作用下，污泥中的絮團物被擠壓，使得部分包裹水能夠有效脫出，獲得更好的脫水效果，但裂隙的形成阻礙了污泥進一步滲析脫水。

通過對比不同真空壓力下相同位置處污泥樣品（如污泥A和B）的SEM和光學顯微鏡照片發現，在真空壓力作用下的污泥結構明顯比無真空壓力作用下的污泥結構更致密，同時裂隙的數量、大小及絮團物含量均明顯減少。說明真空壓力作為一種外力，可以壓實污泥結構，阻礙聚乙二醇溶液滲析脫水過程中裂隙的形成，有利于排水通道的暢通，使得污泥中的水分繼續脫出，從而提高聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離。因此聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力的脫水方法優于單一滲析脫水，能夠獲得更好的脫水效果。

3、結論

①聚乙二醇溶液通過滲析的方式擠壓絮團物，同時使污泥的結構更加致密，能夠有效脫出機械脫水手段難以脫出的包裹水。污泥經一定濃度聚乙二醇溶液滲析脫水后，最終含水率顯著低于60%，達到了深度脫水的目的，但單一聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離有限，僅為5.4cm。

②聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力的污泥脫水效果明顯優于單一滲析，真空壓力的施加顯著提高了聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離，可推動污泥滲析脫水的工業化應用。在80kPa真空壓力作用下，聚乙二醇溶液滲析的有效影響距離可達到15.2cm，與單一滲析相比提升了約181%。

③在聚乙二醇溶液滲析聯合真空壓力的污泥脫水過程中，真空壓力作為一種外力，可以壓實污泥結構，阻礙污泥滲析脫水過程中裂隙的形成，有利于排水通道的暢通，從而提高聚乙二醇溶液滲析的脫水效果及其有效性。