張建偉?吳麗穎

厭氧發(fā)酵是指有機(jī)物在厭氧條件下通過微生物自身的新陳代謝而被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和消化殘余物的處理技術(shù)。本研究所指的厭氧發(fā)酵沼渣是厭氧發(fā)酵后厭氧反應(yīng)器內(nèi)固液混合的出渣物，主要由水、少量未分解完全的原料、未分選完全的無機(jī)物和新產(chǎn)生的微生物菌體等組成。目前行業(yè)內(nèi)主要采用脫水工藝對(duì)沼渣進(jìn)行處理，隨著垃圾分類的深入推進(jìn)，對(duì)沼渣含水率要求越來越高，改善沼渣脫水性能成為亟待解決的行業(yè)問題。

一、沼渣特性與脫水性能的關(guān)系

（一）沼渣中水分的存在形式

沼渣中含有大量的水分，這些水分在沼渣中以自由水、結(jié)合水兩種形式存在。自由水是指水分的化學(xué)性質(zhì)不隨著周圍固體顆粒的存在而發(fā)生變化，即被包圍在沼渣顆粒之間的游離水分。由于這部分水不與沼渣顆粒直接結(jié)合，所以與沼渣的親和力較弱，可以通過機(jī)械方法較容易地從沼渣中分離出來。結(jié)合水是指吸附和結(jié)合在固體顆粒上的水分。根據(jù)水分與沼渣顆粒間作用力的不同，又將結(jié)合水分成三類：吸附水、間隙水和內(nèi)部水。吸附水是指在表面張力的作用下，吸附于沼渣顆粒表面的水分，只有通過改變固體顆粒的物理性狀，降低表面張力，才能使吸附水從沼渣顆粒上分離；間隙水是指在毛細(xì)作用的影響下沼渣顆粒之間相結(jié)合的水，通過向沼渣施加外力，破壞毛細(xì)管表面張力或凝聚力可以去除；內(nèi)部水是指沼渣中微生物細(xì)胞內(nèi)的水分，需通過熱干燥或焚燒，使化學(xué)鍵斷裂才能釋放去除。

由此可見，結(jié)合水的含量是影響沼渣脫水性能的關(guān)鍵，結(jié)合水含量越多，沼渣則越難脫水。因此，沼渣脫水的關(guān)鍵在于結(jié)合水的去除。通過改變沼渣的性質(zhì)，使結(jié)合水盡可能多地轉(zhuǎn)化為自由水，有助于后續(xù)的機(jī)械脫水，正確了解沼渣的水分分布是選擇合適的脫水處理工藝的基礎(chǔ)。

（二）沼渣含水率與體積之間的關(guān)系

沼渣含水率P與體積V之間存在一定的數(shù)量關(guān)系，可用式（1）表達(dá)：

式（1）中，V₁——含水率P₁時(shí)對(duì)應(yīng)的沼渣體積，m³；

V₂——含水率P₂時(shí)對(duì)應(yīng)的沼渣體積，m³；

C₁——含水率P₁時(shí)對(duì)應(yīng)的沼渣含固率，%；

C₂——含水率P₂時(shí)對(duì)應(yīng)的沼渣含固率，%；

W₁——含水率P₁時(shí)對(duì)應(yīng)的沼渣重量，kg；

W₂——含水率P₂時(shí)對(duì)應(yīng)的沼渣重量，kg；

P₁、P₂——不同的沼渣含水率，%。

（三）沼渣的絮體結(jié)構(gòu)

微生物在整個(gè)濕式厭氧發(fā)酵過程中扮演著相當(dāng)重要的角色，由于微生物的新陳代謝作用，沼渣中會(huì)形成許多胞外聚合物，這些胞外聚合物質(zhì)量比約占沼渣中總有機(jī)物含量的50%～90%之間。胞外聚合物中含有大量的蛋白質(zhì)和多糖、少量的DNA和核酸，這些組分滯留了大量的水分并以聚集體的形式填充形成了沼渣的結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是決定沼渣物化性質(zhì)的關(guān)鍵物質(zhì)。這些胞外聚合物使得沼渣絮體具有較強(qiáng)的親水性，與水的親和力極大，是造成沼渣固液分離非常困難的主要原因。

二、沼渣脫水的影響因素

沼渣的脫水性能是由沼渣的結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定的，影響沼渣性質(zhì)的因素包括胞外聚合物、表面電荷、陽離子、顆粒粒徑等，其中胞外聚合物是重要影響因素。

（一）沼渣的胞外聚合物

胞外聚合物帶有多種官能團(tuán)且具有高度親水性，在沼渣中形成各種化學(xué)鍵，改變了沼渣顆粒粒徑、表面電荷、疏水性等性質(zhì)，從而影響沼渣的脫水性能。胞外聚合物像膠囊一樣包圍在細(xì)菌的周圍且不斷向溶液中分泌粘性聚合物，由于胞外多糖包裹細(xì)胞壁，降低了細(xì)胞的有效臨界電勢而發(fā)生絮凝。但胞外聚合物本身會(huì)通過絮凝作用吸附大量水分，高度水合的胞外聚合物增加了沼渣的粘性，不利于沼渣脫水。

（二）沼渣表面電荷和陽離子

沼渣表面電荷與陽離子通過雙電層影響沼渣的沉降性，從而影響沼渣的脫水性能。沼渣顆粒發(fā)生沉降必須綜合考慮粒子間的相互吸引力和相互排斥力兩方面的總效應(yīng)，沼渣顆粒之間的吸引力本質(zhì)上和分子間范德華力相同，而顆粒間的排斥力源于沼渣表面的雙電層結(jié)構(gòu)。沼渣固體表面擁有負(fù)電位離子，電位離子層通過靜電作用，把溶液中陽離子電荷吸引到固體周圍，以至于固液兩相分別帶有不同符號(hào)的電荷，在界面上形成雙電層結(jié)構(gòu)。當(dāng)沼渣顆粒間距離較大，其雙電層未重疊時(shí)，排斥力不發(fā)生作用；當(dāng)沼渣顆粒間距離較小，以至于雙電層部分重疊時(shí)，則在重疊部分中離子的濃度比正常分布時(shí)大，這些過剩的離子所具有的滲透壓力將阻礙離子的靠近，因而產(chǎn)生排斥力作用，這就是造成沼渣很難自然沉降的原因。沼渣表面電位越負(fù)，脫水性能越差。

（三）沼渣顆粒粒徑

沼渣顆粒越小，顆粒的比表面積越大，沼渣的脫水性能越差。這是由于大比表面積懸浮顆粒體系具有很大的表面能，使得顆粒與沼渣中的水分相互作用程度會(huì)更高。這就會(huì)造成離心分離時(shí)，固體的回收率降低，沼渣含水率變大；過濾脫水時(shí)，脫水速率降低，機(jī)械脫水性能變差。

三、“三氯化鐵與PAM絮凝劑調(diào)理＋高壓隔膜板框壓濾” 沼渣脫水系統(tǒng)

“三氯化鐵與PAM絮凝劑調(diào)理＋高壓隔膜板框壓濾” 沼渣脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過加入三氯化鐵對(duì)厭氧后沼渣進(jìn)行調(diào)理，中和沼渣表面的電荷，破壞沼渣的穩(wěn)定性，再通過添加絮凝劑使得沼渣發(fā)生團(tuán)聚沉降，最后經(jīng)過高壓隔膜板框壓濾機(jī)脫水后沼渣的含水率可降至65%左右。

厭氧發(fā)酵后沼渣進(jìn)入調(diào)理罐中，往調(diào)理罐中加入鐵鹽攪拌混合，調(diào)理沼渣的脫水性能，使沼渣更容易脫水。經(jīng)鐵鹽調(diào)理后的沼渣轉(zhuǎn)移至中間池暫存。在高低壓進(jìn)料泵入口端裝有管道混合器，PAM溶液由PAM投加泵打入管道混合器與沼渣充分混合，可增強(qiáng)脫水效果。調(diào)理好的沼渣再通過高低壓進(jìn)料泵打入高壓隔膜壓濾機(jī)中進(jìn)行固液分離（沼渣脫水）。隨后往壓濾機(jī)隔膜中打入壓榨水壓榨，使濾餅含水率進(jìn)一步降低（圖１）。脫水完成后得到含水率約65%的脫水沼渣。

圖1 沼渣脫水工藝

參考污泥脫水的規(guī)定，一般認(rèn)為污泥比阻（SRF）在（0.981～3.924）×1012 m/kg之間或毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）值小于20s時(shí)，進(jìn)行機(jī)械脫水是較為經(jīng)濟(jì)與適宜的。未調(diào)理的沼渣的SRF和CST一般均大于此值，故機(jī)械脫水前須進(jìn)行適當(dāng)調(diào)理。

（一）Fe³⁺無機(jī)鹽調(diào)理

三價(jià)陽離子有利于絮體形成團(tuán)聚，因此加入此類無機(jī)鹽能提高沼渣脫水性能。相對(duì)來說，鋁鹽生成的礬花顆粒的離散性弱，狀如疏松的毛絨或浮云，但使用三氯化鐵混凝后的沼渣體積是使用鋁鹽型混凝劑時(shí)體積的1/3～2/3，礬花顆粒更密實(shí)，不會(huì)出現(xiàn)粘黏濾布的現(xiàn)象，更易于通過高壓隔膜板框壓濾機(jī)濾布進(jìn)行脫水。原因是三氯化鐵的陽離子與沼渣顆粒的負(fù)電荷相互吸引并中和，使電荷減小，減少了粒子之間的排斥力，增加了顆粒間的吸附，減少了粒子和水分子的親和力；另外Fe3+會(huì)在沼渣顆粒絮體表面形成一層緊密堅(jiān)硬的外殼，這層緊密的外殼不僅能在機(jī)械脫水過程中將壓力傳遞給絮體內(nèi)部，還能有效防止絮體在高壓時(shí)解體，增加粒子凝聚力，從而改善沼渣脫水性能。

（二）高分子絮凝劑聚合電解質(zhì)調(diào)理

高分子陽離子PAM的主要作用機(jī)理是去水化作用、電中和作用和吸附架橋作用。

去水化作用。在膠體表面形成水化膜，將親水膠體轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉z體，這是調(diào)質(zhì)的關(guān)鍵。膠體與高分子陽離子PAM兩組分之間發(fā)生活性反應(yīng)或形成絡(luò)合物，產(chǎn)生不溶性產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)沼渣的絮凝。

電中和作用。沼渣懸浮液之所以能穩(wěn)定存在，很大程度上取決于粒子的帶電性，電荷之間的排斥力阻止它們互相靠近，若在沼渣中加入與膠體帶相反電荷的聚電解質(zhì)，則可降低粒子ZETA電位（ζ電位），即會(huì)降低排斥能峰，減小擴(kuò)散層厚度，使粒子相互吸引形成絮團(tuán)。

吸附架橋。高分子絮凝劑把許多較小的膠體吸附起來，由于PAM多成鏈狀，當(dāng)高分子PAM鏈的一端吸附某一膠粒后，另一端又吸附另一膠粒，形成“膠?！叻肿印z?！钡男跄w，通過相互結(jié)合的橋梁作用，形成更大的絮凝顆粒。

通過Fe3+無機(jī)鹽調(diào)理與高分子絮凝劑聚合電解質(zhì)調(diào)理相互作用，改變沼渣的性質(zhì)，使沼渣中的結(jié)合水盡可能地轉(zhuǎn)化為自由水，從而有助于提高后續(xù)高壓隔膜板框壓濾機(jī)的脫水效果，最終保證脫完水后得到含水率65%左右的脫水沼渣。需要指出的是，調(diào)理沼渣僅僅是通過改變沼渣顆粒的結(jié)構(gòu)或者沉降性加快脫水速率，卻不改變最終脫水程度。

四、沼渣脫水系統(tǒng)工藝參數(shù)及運(yùn)行

以采用“三氯化鐵與PAM絮凝劑調(diào)理+高壓隔膜板框壓濾”沼渣脫水系統(tǒng)的國內(nèi)某生物質(zhì)綜合處理廠為例，沼渣脫水系統(tǒng)采用高壓隔膜板框壓濾機(jī)對(duì)餐廚垃圾、糞污以及動(dòng)物固廢等有機(jī)垃圾厭氧發(fā)酵后的沼渣進(jìn)行脫水處理。沼渣脫水前將31%三氯化鐵溶液加入調(diào)理罐內(nèi)，加藥量約為沼液量的2.1%，調(diào)理罐內(nèi)置攪拌機(jī)對(duì)沼渣進(jìn)行均質(zhì)攪拌，對(duì)沼液進(jìn)行充分調(diào)理；進(jìn)入高壓隔膜板框壓濾機(jī)前，將配置成的0.15%～0.18%的PAM溶液通過管道混合加藥形式與液態(tài)沼渣充分反應(yīng)絮凝，PAM固體加藥量約為沼液量的0.013%。該系統(tǒng)運(yùn)行三年來，運(yùn)行效果穩(wěn)定，脫水后沼渣的含水率在65%左右，排放沼液化學(xué)需氧量（COD）約4000mg/L左右（圖2）。

圖2 脫水后的沼渣

根據(jù)2022年度1—11月實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)的漿料總固體（TS）濃度一般控制在10%～12%，漿料TS中有機(jī)質(zhì)占比（VS/TS，VS為揮發(fā)性固體）達(dá)到90%以上；經(jīng)過厭氧發(fā)酵后，出料沼渣TS約為 2.6%，VS/TS≈48%，總體有機(jī)質(zhì)降解率約為86%（圖3）。由于顆粒中的有機(jī)物含量能夠顯著影響沼渣網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度和結(jié)合水含量，因此需要厭氧發(fā)酵將VS/TS降得盡可能低，對(duì)沼渣脫水性能的提高才會(huì)更有幫助。隨著厭氧發(fā)酵過程使得VS不斷被溶解或去除，導(dǎo)致結(jié)合水得到釋放，沼渣變得更為松散，流動(dòng)性能加強(qiáng)，引起脫水能力的提升。

圖3 某生物質(zhì)綜合處理廠厭氧發(fā)酵進(jìn)出含固率變化及脫水關(guān)系圖

五、結(jié)論

通過以上研究表明：一是采用三氯化鐵無機(jī)鹽調(diào)理與高分子絮凝劑聚合電解質(zhì)調(diào)理能夠改善沼渣的脫水性能；二是采用高壓隔膜板框壓濾機(jī)對(duì)適當(dāng)調(diào)理后的沼渣進(jìn)行脫水在工藝技術(shù)上是可行的；三是進(jìn)行適當(dāng)調(diào)理后采用高壓隔膜板框壓濾機(jī)進(jìn)行沼渣脫水可以一次性將脫水后沼渣的含水率控制在65%左右，減量效果明顯。

隨著餐廚垃圾等有機(jī)垃圾處理技術(shù)不斷地更新及完善，尤其在碳達(dá)峰碳中和的大背景下，對(duì)于餐廚垃圾減量化、資源化的要求越來越高，采用三氯化鐵與高分子絮凝劑改善沼渣脫水性能，采用高壓隔膜板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水，有效降低了沼渣的含水率，或?qū)⒊蔀槲磥聿蛷N垃圾等有機(jī)垃圾厭氧發(fā)酵后沼渣脫水的主流技術(shù)。

（責(zé)任編輯：張秋辰）