随着环保政策的日益严格和国民环保意识的逐渐加强，造纸企业对造纸废水处理也更加重视，为达到排放标准，采用了多种更为有效的废水处理方法。造纸污泥作为造纸企业废水处理的副产物，其产量也随之增加，且成分更加复杂，含有机质、微生物、病原体、病毒和金属等，若处理不当易造成二次污染，对环境危害极大。因此，经济合理地处理造纸污泥也引起了社会的广泛关注。目前，常用的造纸污泥处理方法有卫生填埋、混合燃烧、制造填料、堆肥、建材原料等。

污泥处理的原则是减量化、稳定化、无害化和资源化，其中减量化是后续处理的基础，资源化是目的。污泥减量化有两种途径：一是在污水处理过程中通过工艺优化减少污泥的产生量；二是对于已经产生的污泥，减少其中的有机物和水分含量。减少有机物的含量技术难度大，资金投入高，而减少污泥中的水分含量相对简单，更容易实现，所以，对污泥脱水工艺及设备的研究和开发成为污泥减量化的关键。

1 造纸污泥的脱水机理

1.1 造纸污泥的性质

根据造纸污泥的来源、组成和特点的不同，可将造纸污泥分为初级污泥、生化污泥、化学污泥和脱墨污泥4种。

1.2 造纸污泥中水分的存在形式

根据污泥含水与污泥结合形式的不同可将污泥中的水分为间隙水、毛细水、表面吸附水和内部结合水4种。间隙水是游离于污泥颗粒间隙中的水，约占污泥总含水量的60%～80%，可通过重力沉降去除，是污泥浓缩的主要对象。毛细水是由于毛细管现象形成的附着于高度密集的细小污泥颗粒周围的水，约占总含水量的15%～25%，需要施加较高的机械作用力（如离心力、负压力等）以破坏毛细管表面张力和凝聚力的作用，才能将其除去。表面吸附水是由于表面张力作用吸附于污泥颗粒表面的水，其附着力比较强，脱除比较困难，需要通过化学调理改变其存在状态从而将其除去。内部结合水是指污泥颗粒内部结合的水，如金属化合物所带的结晶水、包含在污泥中微生物细胞内的水分等，这部分水不能通过机械方法直接脱除，只能通过外力作用将细胞膜破坏或者加热干化作用除去。表面吸附水和内部结合水的总量约为污泥总含水量的10%。污泥中各种水分的量随着污泥性质和固含量的多少而变化，如生化污泥的结合水量就比初沉污泥高。每个制浆造纸厂的制浆工艺、抄纸设备、产品种类和技术管理水平不同，使得污水处理后产生的造纸污泥不同，实际生产中需要根据污泥的具体性质进行处理。

1.3 污泥脱水的原理

污泥的脱水是一个固-液分离的过程，其理论是在过滤、渗透、沉积等理论的基础上发展起来的。从宏观来看，污泥脱水是简单的泥水分离的过程，但微观来看，污泥脱水是一个污泥中的水在外力驱动下，克服淤堵，从排水到排出的过程，于软土结构排水极为相似。为了便于讨论，将污泥视为刚性的小球，其中的水分为自由水（即间隙水）和结合水（包括毛细水、表面吸附水和内部结合水）。污泥脱水的过程分为3个阶段进行，每个阶段的淤堵机理不同。阶段1排出的水为自由水，此阶段污泥颗粒间的自由水相互连通，以此为排水通道；阶段2有少量结合水随自由水排出，此阶段自由水已不再相互连通，排水通道的形成需要克服结合水的束缚，脱水较为困难；阶段3排出的水为结合水，此阶段的排水通道不仅需要突破结合水的束缚，还需要克服污泥颗粒的影响，排水较为困难。所以，污泥脱水的微观研究不应该将污泥颗粒和水分开进行，应以排水通道为“桥梁”，将其视为一个整体进行。污泥脱水过程中应考虑通过物理或化学方式调整污泥颗粒的状态，改变体系中水的存在形式，延长脱水模型中阶段1的作用时间。

2 污泥脱水工艺

对目前污泥脱水的技术进行分析总结，根据不同的作用场进行划分，应用于污泥脱水的主要有：应力场、化学场、电场、温度场和磁场等。就目前污泥脱水现状而言，应力场因其比较容易获得，且操作简单的优点，处于核心地位，其他的场均属于辅助地位，其中化学场和磁场在污泥深度脱水的预处理阶段较为常用。下面提及的部分污泥脱水的方法仅在市政污泥脱水中有所研究和应用，其目的是提供具有参考价值的污泥减量化措施，为更合理更高效的造纸污泥减量化技术的开发做铺垫，加速推进污泥资源化利用的实施进程。

2.1 应力场

应力场脱水顾名思义就是利用外部施加的压力或者水的自身重力等对污泥进行脱水。目前以此为原理的设备主要有带式压滤脱水机、板框式压滤脱水机、螺旋压滤脱水机等，不同的脱水机有各自不同的特点。一般而言，带式压滤机可连续运行，处理污泥量大，但是其出泥干度较低，仅为20%～25%，且操作环境较差；板框压滤机和螺旋压滤机出泥干度较大，但是板框压滤机出泥处理量小且加药量大，螺旋压滤机机械磨损大且能耗高。

2.2 化学场

化学场对污泥的作用主要是向污泥中添加絮凝剂和表面活性剂来改变污泥的絮凝特性，破坏污泥胶体的稳定性，从而更好地分离开污泥中的固体和水分。化学药剂的加入，可以中和污泥颗粒表面的电荷，克服污泥絮体间的斥力，增强絮体间的凝聚力，改善脱水性能。

（1）絮凝剂

絮凝剂按照化学组成可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两类，无机絮凝剂一般分铁盐和铝盐两大类，有机絮凝剂种类较多，一般根据其在水中电离出的电荷类型将其分为非离子型、阴离子型、阳离子型和两性型四种。无机絮凝剂作用效果和效率均较有机絮凝剂差，但无机絮凝剂可以提高污泥的可压缩性能。有机絮凝剂所需加入量较少，形成的絮体强度大，应用范围广，但也存在难以降解的缺点。

（2）表面活性剂

表面活性剂能促进污泥表面的蛋白质和DNA释放，且使这些大分子物质较易溶于水，从而减少了污泥颗粒间的间隙水，加快了污泥的沉降速度，使得污泥的含水率降低。陈银广等探讨了表面活性剂对活性污泥脱水的影响，发现单独使用表面活性剂可使污泥离心脱水后含水率降低，当表面活性剂用量为10.9%（相对于绝干污泥）时，较不添加表面活性剂的污泥的含水量低11%。如果配合FeCl3和CaO使用，加入8%的表面活性剂所得污泥的含水量较不加表面活性剂的减少了6%。

2.3 温度场

物理上对温度场的定义为各个点温度的集合。污泥脱水过程中主要是通过降低或升高污泥温度达到调理污泥促进脱水的效果。降低污泥温度的方法称为冻/融处理法，升高污泥温度的方法称为热处理法。

（1）冻/融处理

冻/融处理即先将污泥进行冷冻，再将其融化，此法可使污泥结构更加紧密，减少结合水的量，从而改善污泥的脱水性能，相比于机械脱水法需要消耗大量能量，化学法需要使用化学药剂，冻/融技术能耗低，工艺简单，不需要添加聚合物，运行费用低。胡凯等将剩余污泥置于-18℃冰箱中冷冻，在室温下解冻，研究了不同的冷冻时间对污泥理化性质的影响。结果表明，冻/融处理后污泥的粒径减小，说明冻/融处理可破解污泥结构，增加胶体和溶解组分的比例，可有效降低化合物的分子量，随着冷冻时间的延长，污泥的悬浮固体（SS）和挥发性悬浮固体（VSS）降低，pH值降低，溶解性化学需氧量（SCOD）和碱度升高，且得出了冷/融处理的较佳工艺：-18℃下冷冻72h，室温下融化3h，可将剩余污泥的SS和VSS分别由22400mg/L和14720mg/L降至19979mg/L和12989mg/L，将SCOD升至原污泥的3.6倍。

（2）热处理

污泥的热处理分为低温热解法和热干化法。低温热解法是指在一定的条件下，利用污泥自身所含物质的催化作用将污泥中的部分有机物质转变成碳氢化合物，产生油、碳、水和非冷凝气体，产物又可作为低级燃料使用。污泥热干化法是利用热能将污泥烘干，烘干后的污泥体积减小，呈粉末或颗粒状，便于运输和其他方面使用。朱南文等提出可使用X型多孔陶瓷板燃气红外辐射器对污泥进行干燥，并探讨出合理的干燥条件，使用26只红外辐射器，控制通气量为0.35m³/s，在进泥量为22.5kg·h时，可将污泥含水率从82.6%降至8.5%，且脱水量稳定，与污泥的初始含水量无关。

2.4 电场

污泥电场脱水是基于电化学中的双电层理论以及电动学现象来进行固相和液相分离的。其原理是在电场的作用下，由于异性电荷相互吸引，污泥中带负电的颗粒通过电泳作用向阳极迁移，而双电层-扩散层内带正电的离子携带水分通过电渗作用向阳极迁移。电场脱水有很多优势，如稳定性高、效率高，能耗低、运行费用低，自动化水平高、管理维护简单等。董立文等研究了造纸污泥电渗透脱水过程中的机械压力、电压梯度和泥饼厚度对脱水结果的影响，结果表明，电渗透脱水技术的脱水效果较普通机械方法好得多，结合脱水效果和能耗综合考虑，其较优操作条件为机械压力76kPa，电压梯度30V/cm，污泥厚度为0.7cm，此条件下脱水20min，可将污泥含水率从74.85%降至49.35%。

2.5 磁场

根据磁场来源和大小不同，可分为宏观磁场处理和微观磁场处理。宏观磁场处理所用的磁性物质是永磁铁，即将待处理样品置于永磁铁产生的磁场中进行处理，微观磁场处理所用磁性物质为纳米级、微米级的磁粉，即将磁粉加入待处理样品中进行处理。目前的研究表明，宏观磁场的作用机理是磁场的生物学效应，磁场可激化或抑制微生物的代谢活性，从而使细胞更快地消耗掉污泥中的有机质或使其破裂，释放出大量结合水。微观磁场的调理机理是由于磁粉具有极大的表面积和自由能，污染物容易被吸附，体系中胶体物质、蛋白质、脂胶等易与磁粉结合，表面能降低，使得污泥中的表面水释放成自由水。如同时在外施加宏观磁场，可使颗粒间的碰撞更加频繁，促使凝聚效果产生，磁挤压作用促进絮体沉降，加速泥水分离，改善污泥脱水性能。另外，有研究表明磁铁与磁粉联用较单独使用任何一个效果都好。Lackshmanan等研究了磁场对污泥脱水的影响，发现先用纳米级的磁粉调理污泥，再在外施加宏观磁场处理5min，可将污泥的含水率降至95%。李帅等以市政生化污泥为研究对象，探讨了宏观磁场的强度、磁化时间及其位型对脱水性能的影响，发现污泥脱水性能与磁场强度和磁化时间之间不存在线性关系，需根据污泥的实际情况选择合适的磁场强度和磁化时间。就磁场位型而言，平行磁场的作用效果优于垂直磁场，可能是因为磁场作用方向与重力方向平行，有利于污泥沉降、压缩双电层，从而释放出更多的自由水。

3 结语与展望

造纸污泥本质上属于生物固体废弃物，是一种具有潜在价值的资源，目前国内外均在探索发展污泥资源化利用技术，而这些技术的实施前提是污泥具有一定的干度。因此，对污泥脱水机理及工艺的研究意义重大。污泥脱水本质上是通过污泥脱水设备向高含水率的污泥施加作用场以得到低含水率的目标污泥。目前，多数造纸厂的污泥脱水装置仍以机械脱水设备为主，而仅凭单一场的作用脱水效率低，效果差，不能满足造纸厂污水处理段的实际生产需求。因此，研究多场联合脱水，发挥各场在污泥脱水中的优势，开发具有多场联合作用的脱水设备前景广阔。