目前，世界各國(guó)廣泛采用的污泥脫水方法為機(jī)械脫水，如離心、真空抽濾等。機(jī)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(xù)處置中對(duì)含水率的要求，所以如何進(jìn)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(lái)進(jìn)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(dǎo)致其工業(yè)化應(yīng)用的成本較高，難以直接應(yīng)用于污泥規(guī)模化脫水中。為此，筆者設(shè)計(jì)了聯(lián)合真空壓力的聚乙二醇溶液滲析脫水試驗(yàn)，探討不同真空壓力作用下聚乙二醇溶液滲析對(duì)污泥的脫水效果及其有效影響距離，并對(duì)脫水后的污泥進(jìn)行掃描電鏡（SEM）和光學(xué)顯微鏡觀察，從微觀角度分析不同污泥脫水方法的機(jī)理。

1、試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

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

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 聚乙二醇溶液滲析脫水試驗(yàn)

①分別在5個(gè)1000mL燒杯中倒入等質(zhì)量的蒸餾水，根據(jù)Tripathy等人研究得出的聚乙二醇溶液濃度與其吸力值的關(guān)系，分別在5個(gè)燒杯中加入不同質(zhì)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(zhǎng)10cm的滲析袋，共30個(gè)，在每個(gè)滲析袋中裝20g原狀污泥，趕走滲析袋內(nèi)的氣泡，然后兩端用滲析夾夾緊；將樣品分為5組，每組6個(gè)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(fā)帶來(lái)的影響。

③試驗(yàn)開(kāi)始后，每隔12h從不同濃度的聚乙二醇溶液中取出1個(gè)污泥樣品，用烘干法測(cè)量中間部分污泥的含水率，試驗(yàn)進(jìn)行60h后結(jié)束。共進(jìn)行2次平行試驗(yàn)，取污泥殘余含水率的平均值。

1.2.2 聚乙二醇溶液滲析聯(lián)合真空壓力脫水試驗(yàn)

①制作如圖1中所示的污泥脫水容器（長(zhǎng)、寬、高均為50cm），容器內(nèi)布置1根長(zhǎng)度為30cm的橫向排水板，橫向排水板通過(guò)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(zhǎng)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(kāi)真空泵，分別控制在不同的真空壓力下（0、20、40、60、80、90kPa）進(jìn)行試驗(yàn)。

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(kāi)開(kāi)關(guān)和循環(huán)水泵，使聚乙二醇溶液進(jìn)入裝置中的橫向排水板，2min后關(guān)閉開(kāi)關(guān)和循環(huán)水泵，污泥在真空壓力作用下開(kāi)始滲析脫水。

④為保證達(dá)到聚乙二醇溶液滲析脫水的極限，滲析試驗(yàn)進(jìn)行5d。試驗(yàn)結(jié)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(biāo)記為樣品1~3。進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，采用烘干法測(cè)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(xué)顯微鏡觀察

在脫水試驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)原狀污泥、真空抽濾脫水后污泥以及聚乙二醇溶液滲析聯(lián)合真空壓力脫水后污泥進(jìn)行SEM及光學(xué)顯微鏡觀察。聚乙二醇溶液滲析聯(lián)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(jié)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(xù)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(shí)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(yàn)結(jié)果如圖2所示。可知，原狀污泥經(jīng)過(guò)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(guī)脫水方法相比，聚乙二醇溶液滲析法對(duì)污泥的脫水性能良好，能夠達(dá)到深度脫水的目的。但該試驗(yàn)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(yè)化應(yīng)用。因此，本研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)了聚乙二醇溶液滲析聯(lián)合真空壓力的脫水試驗(yàn)。

2.2 聚乙二醇溶液滲析聯(lián)合真空的污泥脫水效果

該試驗(yàn)的最終污泥脫水結(jié)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(yuǎn)好于無(wú)真空壓力下的，而且真空壓力越大，滲析脫水效果越好。當(dāng)真空壓力達(dá)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(lái)看，各污泥含水率的變化大致可分為兩個(gè)階段。第1階段：當(dāng)真空壓力80kPa后，提高真空壓力對(duì)污泥脫水效果貢獻(xiàn)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(lián)合真空壓力的污泥脫水方法中，為使聚乙二醇溶液滲析達(dá)到理想的脫水效果，真空壓力應(yīng)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(dāng)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(shuō)明聚乙二醇溶液滲析對(duì)污泥脫水存在一個(gè)有效影響范圍。本研究通過(guò)對(duì)不同位置污泥含水率的測(cè)試，結(jié)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(dāng)真空壓力分別為0、20、40、60、80、90kPa時(shí)，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(lián)合真空壓力的方法進(jìn)行工業(yè)化污泥脫水，只需使真空壓力達(dá)到一定值（80kPa），并合理設(shè)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(dá)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(shù)量和污泥脫水成本，從而推動(dòng)污泥滲析脫水的工業(yè)化應(yīng)用。而且吸水后的低濃度聚乙二醇溶液，可通過(guò)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(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。因此，與常規(guī)污泥脫水方法相比，聚乙二醇溶液滲析聯(lián)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(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 微觀角度的污泥脫水機(jī)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(jiàn)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(jié)構(gòu)較松散，孔隙數(shù)量多且較大。對(duì)原狀污泥進(jìn)行不同方式的脫水處理后，污泥含水率及其結(jié)構(gòu)的致密程度均發(fā)生了很大變化，而且含水率越低，其結(jié)構(gòu)越致密。

不同污泥的光學(xué)顯微鏡照片如圖5所示。原狀污泥呈現(xiàn)出典型的絮狀非晶體結(jié)構(gòu)，固體顆粒形成直徑為10~100μm的絮團(tuán)物，其表面的水分具有明顯的流動(dòng)性。根據(jù)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(tuán)內(nèi)部和細(xì)胞內(nèi)部的包裹水以及與固體顆粒緊密結(jié)合的內(nèi)部結(jié)合水，如圖6所示。在顯微鏡觀察下，自由水具有明顯的流動(dòng)性，封閉水四周都被大小不一的固體顆粒包圍、無(wú)法流動(dòng)，而包裹水與內(nèi)部結(jié)合水可通過(guò)絮團(tuán)物的大小側(cè)面進(jìn)行判斷。

對(duì)比圖4（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，真空抽濾脫水主要通過(guò)壓縮固體顆粒之間的孔隙而使污泥結(jié)構(gòu)更加致密，但并沒(méi)有使固體顆粒內(nèi)部的孔隙明顯減少；對(duì)比圖4（a）、（b）和（c）可以發(fā)現(xiàn)，污泥經(jīng)聚乙二醇溶液滲析脫水后，無(wú)論是固體顆粒之間的孔隙還是固體顆粒內(nèi)部的孔隙都有明顯減少，從而使污泥逐漸由絮狀結(jié)構(gòu)變?yōu)楦又旅艿膲K狀、團(tuán)狀結(jié)構(gòu)。

由圖5（b）可知，真空抽濾脫水后污泥表面已不見(jiàn)明顯流動(dòng)的自由水及絮團(tuán)物間的封閉水，呈現(xiàn)出溝壑縱橫的泥狀結(jié)構(gòu)，這表明封閉水已經(jīng)脫出，而其中絮團(tuán)物沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明絮團(tuán)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(jīng)聚乙二醇溶液滲析脫水后，絮團(tuán)物面積明顯減小，這說(shuō)明其中的部分包裹水已經(jīng)脫出。同時(shí)可明顯觀察到污泥經(jīng)滲析脫水后形成了裂隙，這是因?yàn)殡S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(huì)阻礙聚乙二醇溶液滲析脫水效果，這是因?yàn)榱严侗旧砟軌騼?chǔ)藏水分，同時(shí)裂隙的存在會(huì)延長(zhǎng)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(jī)械脫水作用下，自由水和封閉水能夠脫出，但存在于絮團(tuán)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(tuán)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(jìn)一步滲析脫水。

通過(guò)對(duì)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(xué)顯微鏡照片發(fā)現(xiàn)，在真空壓力作用下的污泥結(jié)構(gòu)明顯比無(wú)真空壓力作用下的污泥結(jié)構(gòu)更致密，同時(shí)裂隙的數(shù)量、大小及絮團(tuán)物含量均明顯減少。說(shuō)明真空壓力作為一種外力，可以壓實(shí)污泥結(jié)構(gòu)，阻礙聚乙二醇溶液滲析脫水過(guò)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(xù)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(lián)合真空壓力的脫水方法優(yōu)于單一滲析脫水，能夠獲得更好的脫水效果。

3、結(jié)論

①聚乙二醇溶液通過(guò)滲析的方式擠壓絮團(tuán)物，同時(shí)使污泥的結(jié)構(gòu)更加致密，能夠有效脫出機(jī)械脫水手段難以脫出的包裹水。污泥經(jīng)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(dá)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(lián)合真空壓力的污泥脫水效果明顯優(yōu)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(dòng)污泥滲析脫水的工業(yè)化應(yīng)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(dá)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(lián)合真空壓力的污泥脫水過(guò)程中，真空壓力作為一種外力，可以壓實(shí)污泥結(jié)構(gòu)，阻礙污泥滲析脫水過(guò)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。