根據(jù)《2011 年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2011 年末中國(guó)城市污水處理廠日處理污水的能力已超過1.1 億m3，城市污水處理率達(dá)到82.6%。隨著污水處理量的日益增加，還產(chǎn)生了大量的污泥。目前對(duì)這些污泥的處理、處置仍面臨著許多問題，處理不當(dāng)則很容易產(chǎn)生二次污染問題，因此有必要在污泥的zui終處置前進(jìn)行污泥減量的預(yù)處理。

城市污水處理廠污泥處理技術(shù)生活污水設(shè)備

污泥預(yù)處理技術(shù)包括機(jī)械法（如超聲處理）、化學(xué)法（如堿法等）、熱力學(xué)法（如熱處理、凍/融處理）和生物法（如生物酶法）等。相對(duì)于機(jī)械法需要消耗大量能量或化學(xué)法需要添加化學(xué)藥劑的高成本來說，冷融法可自發(fā)進(jìn)行，不需要額外添加聚合物，并且自然冷能作為一種清潔能源，可大大降低運(yùn)行費(fèi)用。

早在19 世紀(jì)，加拿大已有把自然冷凍法應(yīng)用于污泥預(yù)處理的實(shí)例，并認(rèn)為其處理費(fèi)用是普通處理方法的十分之一，只是當(dāng)時(shí)由于技術(shù)上的原因，自然冷凍法沒得到推廣。近年來，冷融法處理污泥在美國(guó)、瑞典等國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用，而冷融法處理污泥在國(guó)內(nèi)尚處于初步探索階段。冷融處理是一種有效的污泥調(diào)理手段，不僅能夠改善污泥的脫水性能，使污泥顆粒結(jié)構(gòu)更加緊密，還可以減少結(jié)合水含量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥破解，加速后續(xù)的厭氧消化進(jìn)程等。冷融過程破壞了膠體性質(zhì)，使疏松的顆粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅苄螒B(tài)結(jié)構(gòu)，沉降速度與過濾速度提高。冷融法同時(shí)也是一種有效滅活污泥細(xì)菌的方法，有研究表明其對(duì)異養(yǎng)菌群（HC）滅活率可達(dá)95％，對(duì)大腸菌群滅活率可達(dá)84％左右。筆者研究了剩余污泥在-18 ℃下冷凍不同時(shí)間后，污泥理化性質(zhì)的變化情況，并分析了冷融后污泥的沉降性能和脫水性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
 
1.1 污泥來源
城市污水處理廠污泥處理技術(shù)生活污水設(shè)備 
試驗(yàn)所用的剩余污泥采集于江門市文昌沙水質(zhì)凈化廠，污泥采集后靜沉12 h，棄去上清液，其含水率降至97％左右，貯存在4 ℃冰箱中備用。剩余污泥的TCOD 和SCOD 分別為（30 126 ±237） mg/L 和（1 075±26） mg/L，pH 為6.82。

1.2 冷凍實(shí)驗(yàn)
 
將剩余污泥置于-18 ℃的冰箱中冷凍不同時(shí)間。冷凍結(jié)束后，在相對(duì)濕度為41％~88％，室溫（約25 ℃）條件下進(jìn)行解凍，然后分析其理化性質(zhì)、脫水性能和沉降性能。

1.3 分析方法
 
將經(jīng)冷融處理的污泥50 mL 加入量筒中，每隔一定時(shí)間記錄一次污泥體積，共計(jì)時(shí)1 h，比較經(jīng)不同試驗(yàn)處理后污泥的沉降速度。將經(jīng)冷融處理的100 mL 污泥倒入布氏漏斗，在0.04 ~0.05 MPa 下進(jìn)行真空抽濾。直至真空破壞時(shí)停止過濾，如真空長(zhǎng)時(shí)間不破壞，則過濾20 min后即停止。然后取出部分污泥濾餅置于表面皿中，于烘箱中105 ℃恒溫烘干至恒重，放入干燥器中冷卻后稱其質(zhì)量，zui后計(jì)算濾餅的含水率。污泥的TCOD、SCOD 和pH 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論
 
2.1 冷凍時(shí)間對(duì)污泥沉降性能的影響
 
污泥冷凍不同時(shí)間，再經(jīng)自然融化后，其沉降性能變化見圖 1。

 由圖 1 可以看出：原污泥沉降很慢，沉降1 h 后污泥體積還有43 mL。而冷凍6 h 的污泥融化后，1 min 內(nèi)就沉降了13 mL，沉降速度由原先的0.002mL/s 上升至0.217 mL/s，沉降速度提高了108.5 倍，污泥沉降速度大幅度提高。這是由于*凍融后污泥顆粒間結(jié)合水和間隙水被排出，污泥顆粒迅速凝集沉降。當(dāng)污泥經(jīng)13 h 的冷凍后，1 min 內(nèi)的沉降速度又比冷凍6 h 的污泥快很多，說明增加冷凍時(shí)間有助于改善污泥沉降性能，但將冷凍時(shí)間提高到22 h 時(shí)，沉降速度卻沒能進(jìn)一步提高，由此說明，冷凍13 h 是提高污泥沉降性的既經(jīng)濟(jì)又有效的較佳冷凍時(shí)間。

有研究表明〔9〕，*冷凍是污泥性狀發(fā)生改變的前提，P. A. Vesilind 定義的*冷凍時(shí)間為：
 

式中：tf———*冷凍時(shí)間，h；

ρf———污泥冷凍后的密度，kg/m3；

L———熔化潛熱，W·h/kg；

ε———污泥層厚度，m；

Tf———污泥的冰點(diǎn)，℃；

Taf———冷凍場(chǎng)的平均溫度，℃；

hc———平均對(duì)流系數(shù)，W/（m2·℃）。

其中ρf＝917 kg/m3，L＝93 W·h/kg，ε＝0.006 m，Tf＝0℃。經(jīng)推導(dǎo)，本試驗(yàn)裝置平均對(duì)流系數(shù)為2.368W/（m2·℃）。由此可計(jì)算出-18 ℃*凍結(jié)時(shí)間為12 h。這個(gè)時(shí)間與本試驗(yàn)確定的較佳冷凍時(shí)間13 h較吻合。

2.2 冷凍時(shí)間對(duì)污泥脫水性能的影響
 
污泥冷凍并解融后，用真空泵對(duì)其抽濾并測(cè)定其濾餅的含水率； 為進(jìn)一步考察污泥冷融后的脫水性能變化情況，分別取經(jīng)冷融后的100 mL 污泥樣品在4 000 r/min 轉(zhuǎn)速下離心30 min，然后測(cè)定冷凍污泥離心后的上清液體積，結(jié)果見圖 2。

 由圖 2 可以看出： 經(jīng)抽濾后原污泥的濾餅含水率高達(dá)88.2%，而經(jīng)冷凍6、13 h 的污泥濾餅含水率則有了很大程度的降低，分別降至73.8%和63.8%，繼續(xù)增加冷凍時(shí)間為22 h 時(shí)，濾餅含水率沒有進(jìn)一步降低，這與前面的污泥沉降性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。冷融可有效降低濾餅含水率，是一種能有效提高污泥脫水性能的方式。而沉降性能得到改善的冷凍污泥的離心上清液體積也在增加，說明污泥沉降性得到改善的同時(shí)其可壓縮性亦得到改善，進(jìn)一步說明冷融處理改善了污泥的脫水性。

2.3 冷凍時(shí)間對(duì)污泥有機(jī)物含量、pH 的影響
 
試驗(yàn)還測(cè)定了剩余污泥經(jīng)冷融處理后有機(jī)物含量的變化，冷融前后TCOD 基本沒有改變，SCOD 變化情況見圖 3。

 圖 3 表明：SCOD 隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，這表明隨著冷凍作用對(duì)污泥固體的破解，污泥中的有機(jī)物逐漸被溶解，結(jié)果導(dǎo)致污泥液相中溶解性污染物逐漸增加。

另外由圖 3 還可以看出： 剩余污泥經(jīng)冷融作用后，pH 有所降低。并且污泥經(jīng)較短時(shí)間的冷凍后，污泥pH 的降低速率要大于污泥經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間冷凍后pH的降低速率。污泥pH 的下降表明污泥中揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量在增加，這主要是由于細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的冰在形成過程中細(xì)胞破裂而釋放出細(xì)胞內(nèi)含物所致。T. W. Jan 等〔10〕指出，pH≈5.5 是產(chǎn)甲烷活動(dòng)可以啟動(dòng)的臨界pH，不可低于該值。而在本試驗(yàn)中，剩余污泥經(jīng)13 h 冷融處理后的zui低pH 為6.39，能滿足產(chǎn)甲烷活動(dòng)啟動(dòng)的邊界條件。這表明污泥經(jīng)冷融預(yù)處理不會(huì)妨害后續(xù)的厭氧消化處理效果。

3 結(jié)論
 
冷融法調(diào)理污泥有利于污泥脫水，使污泥易于沉降。這是由于冷凍過程中毛細(xì)管引力致細(xì)胞機(jī)械脫水，結(jié)合水的含量有大幅度降低，脫水的效果有明顯提高。另外冷融處理可以破解污泥，將胞內(nèi)固體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液相成分。冷融法作為一種新型污泥處理方法，對(duì)于節(jié)約資源，建立環(huán)境友好型社會(huì)有特殊重要的意義。冷融處理是一種有效的污泥預(yù)處理技術(shù)，剩余污泥經(jīng)過冷融處理后，污泥的理化性質(zhì)有所改變，隨著冷凍時(shí)間的增加，污泥pH 下降，而SCOD有所上升。

（1）冷融調(diào)理后污泥的沉降性能顯著提高，-18 ℃下冷凍13 h，解凍后沉降速度由原污泥的0.002 mL/s 上升至0.442 mL/s。

（2）冷融后污泥脫水性能改善明顯，-18 ℃下冷凍13 h 后，濾餅含水率降為63.8%，含固率＞30%。

（3）冷融處理在使污泥的沉降和脫水性能都得到改善的同時(shí)也改變了污泥的理化性質(zhì)。冷融后污泥的SCOD 隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，冷凍13 h 污泥的SCOD 從原先的（1 075±26） mg/L 增加到（2 458±33） mg/L；污泥的pH 從原污泥的6.82降到6.39，但仍高于產(chǎn)甲烷活動(dòng)可以啟動(dòng)的臨界pH。