3.2.2 物理调理技术
物理调理泛指通过外加能量或应力以改变污泥性质的方法。传统物理调理主要包括热处理调理法、冷冻熔融调理法和污泥淘洗法。此外，对污泥超声波调理技术、微波调理技术、磁场调理技术以及电离辐射调理技术的研究也在进行中，但目前正处于实验室研究阶段，尚未发展成熟。
3.2.2.1 热处理调理技术
进行污泥热处理调理的原理是污泥中的固体颗粒由亲水性胶体粒子组成，其内部含有大量的水分，通过对污泥加热可加速粒子的热运动，提高污泥胶体粒子之间的碰撞和结合频率，增加了胶体粒子间相互凝聚概率，而且，加热破坏了污泥胶体结构，进而失稳，释放出大量内部结合水，同时实现污泥粒子的凝聚沉淀，改善污泥脱水性能，提高污泥可脱水程度。另外，污泥中的糖类和脂类等有机物在通常情况下较容易降解，而受到细胞壁保护的蛋白质却不能参与酶水解。但是，热处理会使污泥细胞体在受热的条件下膨胀而破裂，形成细胞膜碎片，同时释放出胞内蛋白质、胶质和矿物质。热处理对于脱水性能很差的活性污泥效果尤其显著。对热处理污泥进行机械脱水后，泥饼含水率可降到30%～45%，泥饼体积减小为单纯施以浓缩和机械脱水得到泥饼的1/4。Haug等的研究表明，相对于无前处理过程的常规消化法，预先经过热处理的污泥再经消化作用，其能量能够减少25%。
在污泥的焚烧与堆肥处置中，热处理比加药处理更为适合。该法适用于初沉池污泥、消化污泥、活性污泥、腐殖污泥及它们的混合污泥。污泥热处理法的主要缺点是污泥分离液浓度很高，回流处理将大大增加污水处理构筑物的负荷，有臭气，设备易腐蚀，需要增加高温高压设备、热交换设备及气味控制设备等，费用很高，这些条件通常限制了热处理法优点的充分发挥，因此难以普及。
污泥热处理法主要分为高温法和低温法两种［1］。其中，高温热处理是指污泥在1.8～2.0MPa的压力条件和180～200℃的高温条件下加热1～2h，使其胶体结构遭到破坏，细胞内水分释放，从而达到改善污泥脱水效果的目的。对预先经过高温热处理的污泥进行浓缩，其含水率可降低至90%以下，如果再通过机械脱水方法进一步处理，含水率可降低到45%～55%范围内。但高温能耗较高，加热处理会导致臭气问题的加剧，增加了尾气处理的技术难度。会使污泥中的有机物质溶出，进而导致分离液COD、BOD浓度升高，色度大，使后续的分离液处理过程提高了复杂程度和处理费用。
而低温热处理对温度的要求较低，一般控制在135～165℃之间，不得高于175℃。采用低温热处理方法时，有机物含量在50%～70%效果较好。较之高温热处理法，污泥采用低温热处理时，能耗较低，且分离液中BOD浓度较低，一般约低40%～50%。锅炉容量可减少30%～40%。污泥经热处理后，不仅脱水性能得以有效改善，臭味和色度明显降低，污泥中可溶性物质的含量也有所提高，有利于污泥消化过程的进行。但当温度升至175℃以上时，将会引起热处理设备的结垢，导致传热效率降低。
高温法和低温法热调质脱水工艺流程如图3-3所示。
图3-3 高温法和低温法热调质脱水工艺流程［1］
3.2.2.2 冻融调理技术
冷冻熔融处理法是先将污泥冷冻到-20℃，之后再对其进行加热融化，以提高污泥沉降性能和脱水性能的一种污泥调理方式。大幅度的温度变化使污泥胶体颗粒脱稳凝聚，颗粒失去了毛细状态，同时细胞壁破裂，胶体结构被彻底的不可逆的破坏，细胞内部水分变成自由水分而更易失去，从而有利于污泥颗粒的沉降和脱水的进行。由于细胞壁破裂，胶体性质被彻底改变，即使再用机械脱水或水泵搅拌也不会重新成为胶体，因而污泥颗粒凝聚沉降的速率加快，一般可提高2～6倍，同时过滤产率比与冷冻前相比可提高数十倍，甚至可以不添加絮凝剂而直接进行自然过滤脱水，节省了药剂费用。此外，采用冻融调理还有助于得到较高含固率的脱水污泥，如污泥冻融后再进行真空过滤脱水，得到的泥饼含固率可达30%～50%，而在真空过滤脱水处理前采用化学调理方式得到的泥饼含固率仅为15%～30%。
对不同种类污泥分别采用冻融调理与化学调理进行预处理，其脱水效果见表3-6。
表3-6 污泥冻融调理与化学调理脱水效果对比［1，2，4］
污泥冻融调理除无需絮凝剂，还具有节省药剂投入、促进胞外多聚体集中从污泥中释放、改善污泥脱水性能和沉降速度、大幅降低污泥后处理的成本等优点。并且，在控制良好的情况下，冷冻熔融处理可以同时减少污泥内的致病菌量。污泥冻融处理与热处理调理技术的共同之处是利用热力学方法改变污泥的温度，与热处理调理技术相比，污泥冻融处理的热能消耗显著降低。但由于活性污泥凝聚作用强烈，其水分子结合的程度比脱水后残余分子结合得更加紧密，因此使冻融调理在处理活性污泥中受到限制，目前主要用于给水污泥的调质，但是存在如何合理地设计机械冷冻设备，提高其有效性的问题。
污泥冻融法在国内外均有一定的研究，这种技术最早于1916年就有报道，英国于1961年开始用于自来水的污泥处理，以后亦有水厂采用。英国Harwell原子能研究所、比利时Mol原子能研究所、日本大阪府立放射线中央研究所等单位均有采用。能够进行自然冷冻的地区可以考虑推广采用此种方法。
3.2.2.3 淘洗调理技术
污泥经厌氧消化后，挥发性固体含量大幅度下降，但其重碳酸盐碱度可由数百毫克/升增加到2000～3000mg/L，按固体量计算增加60倍以上。而淘洗正是适用于消化污泥这种特性的一种调理技术，包括用洗涤水稀释污泥、搅拌、沉淀分离、撇除上清液等步骤。
洗涤的工艺流程可分为单级洗涤、两级或多级洗涤、逆流洗涤3种，如图3-4所示。
图3-4 污泥洗涤工艺流程［4］
1—洗涤水；2—消化污泥；3—洗涤后污泥；4—上清液；5—Ⅰ级洗涤后的污泥；
6—Ⅱ洗涤上清液；7—洗涤上清液回流；8—洗涤后上清液至初次沉淀池
该法在污泥加药处理前，用水淘洗污泥，降低消化污泥的重碳酸盐碱度，同时还可洗去部分颗粒很小、相对表面积很大的胶体颗粒。洗涤后污泥的碱度、COD、NH3-N、pH值也有不同程度的变化，其大致变化情况如表3-7所列。
表3-7 洗涤后污泥的碱度、COD、NH3-N、pH值的大致变化情况［1，4］
淘洗调理技术具有操作简单、节约药剂、提高污泥过滤脱水效率、降低机械脱水运行费用的优点，而且淘洗用水来源范围广，可以是自来水、河水，甚至是污水处理厂出水。
但淘洗法也有其不足之处，主要表现在洗涤过程中，会逐渐富集污泥中的有机物微粒，但其中的氮素被洗涤水带走，从而降低污泥肥效，因此当污泥用作土壤改良剂或肥料时不适宜进行淘洗调理，此外该法对经浓缩的生污泥的调理效果也较差。而且淘洗调理需要增设淘洗池及搅拌设备，增加了资金投入和处理成本。鉴于淘洗调理技术的以上缺陷，加之目前高效絮凝剂品种的不断开发，因此淘洗调理法目前已逐渐被淘汰。
3.2.2.4 超声波调理技术［1，3］
超声波是指频率为2×104～107Hz的声波，20世纪70年代，人们逐渐认识到超声波在污水和污泥处理中的应用潜力，研究人员开始通过利用超声波提取细胞壁上的聚合物来研究污泥中微生物的表面特性。直到20世纪90年代，超声波技术被引入污泥处理研究中。超声波处理反应条件温和，污泥降解速度快，应用范围广，并且工艺简单灵活，可与其他技术结合使用，且对环境几乎无任何负面影响。污泥本身的性质如比阻、含水率等对超声波的作用效果会产生影响。通常情况下，一次污泥比较容易脱水。
超声波调理污泥的机理主要是基于超声波的空化效应，由于空化效应发生时间极短，仅介于几纳秒至微秒之间，因此气泡内的气体受压后会急剧升温，在其周期性震荡特别是崩溃过程中，会产生很强的流体剪切力，气泡中温度和压力分别激增为极大的瞬态高温和高压，而溶液温度却几乎仍然维持在室温。这种极大瞬态高温和高压条件使气泡内气体和液体界面的介质裂解，从而破坏污泥的絮凝结构而释放出有机物质，并可破坏穴气泡内的化合物，同时产生高活性的自由基（·OH和·H等），自由基的存在又可促进化合物的分解。超声波频率不同，对污泥沉降性能和脱水性能产生影响的程度也不同。
当频率增大时，污泥沉降性能明显下降，滤饼含水率和VFA（指挥发性脂肪酸）浓度都比较高，而上清液COD值有所下降。空化作用随着超声波频率的升高愈加难以发生，一般来说，频率在105Hz以内的超声波空化效应比较明显，尤其在2×104～4×104Hz时发生最为频繁。在高频下，超声波主要发生自由基效应，会使得某些物质发生裂解，可能释放更多的有机酸，所以VFA浓度会变大。而且相对于低频作用，在高频下污泥中有机物从固相中转移到液相的难度增加，从而使得上清液中COD浓度增加。所以，低频时比高频时脱水性能要好，上清液COD值也较低。
超声波调理技术具有能量密度高、分解污泥速度快等特点，但是超声波功率以及作用时间的选择会直接影响调理效果。低功率、短时间的超声波调理可改善脱水性能，而高功率、长时间的超声波调理不仅不会改善污泥的脱水性能，反而会对污泥脱水性能有负面影响。有研究表明，在超声波功率为44W的条件下，处理时间为90s时，污泥脱水效果最好，污泥的含水率可以降至最低，约为85%，当功率小于44W或大于44W时，污泥含水率均上升，脱水效果变差。此外，有研究显示，超声波处理和絮凝剂添加方法的协同作用可以显著改善污泥的沉降性能和脱水性能，大幅降低污泥滤饼的含水率。这是因为超声波的作用导致了聚合电解质内部结构的变化，缩短了空间链结构，这并不改变其分子量，而且这些短链比长的支链更有效，这些变化都加强了电解质对污泥的活性。因此，用超声波可以大大减小絮凝剂的用量，换句话说，加入絮凝剂可以强化超声波处理效果，对污泥脱水有一定的帮助，但在超声波功率为44W时几乎无影响。因此，选用合适功率的超声波，就可以少加或者不加絮凝剂，缩减投入药剂成本。
超声波可以使污泥中的有机物从固相中转移到液相中，这种作用在一定范围内与时间成正比。一般来说，超声作用时间越长，污泥释放的有机物越多，大多数释放的有机物是被污泥絮凝物和隐藏在污泥微生物内的细胞外聚合物吸附的有机胶体。然而吸附后的胞外聚合物的大量损失不利于形成新的絮凝物，悬浮胞外聚合物的增加导致了过滤黏度的上升、上清液中的COD提高、沉降性和过滤性的降低，脱水难度也就越大。可见，上清液COD的逐渐增大往往伴随着污泥脱水性能的下降。VFA的变化趋势与COD一致，这是因为超声波在释放有机物的同时也将有机酸从固相中转移到液相中，因此液相中VFA基本增加，且与COD趋势一致。当超声作用时间较短时，COD和VFA的增大并不明显。间歇式处理通常可以改善超声波的生物效应，但是延长了总时间，间歇长短和间歇/连续操作时间比的选择应根据具体情况而定。
除了改变污泥性质，研究表明，超声波还能加快微生物生长，提高其对有机物的分解吸收能力，而且促进效应在超声波停止后数小时内依然存在。
虽然，Mohammed Reza Salsabi、Tiehm A、Xin Feng、X.Yin、杨金美等国内外专家都对该技术进行了相关研究，但该技术在超声波与阳离子聚合电解质的联合应用效果等一些方面还未达成一致意见，需要深入的研究。总而言之，超声波调理技术是改善污泥脱水性能的一种有效的预处理方法，因此其在污泥脱水处理领域将会引起人们越来越多的关注。
3.2.2.5 电离辐射调理
电离现象是电离辐射与物质相互作用的主要物理现象。电离辐射可以使污泥的比阻减少，例如经电离辐射调理的污泥的比阻为经巴氏热处理消毒的污泥比阻的1/4，大大改善污泥的工艺性能，特别是对污泥的过滤性能和脱水性能有相当显著的改善效果。其作用机理主要是污泥胶粒所带的负电荷，由于重带电粒子辐射减少，因此使污泥的比阻减少，从而提高了污泥的过滤性能和脱水性能。
早在20世纪60～70年代国外就开始着手这方面的研究，经过几十年的研究和发展，电离辐射调理污泥技术已经比较成熟，处理费用也较低，德国、日本等发达国家还建立了工业化生产装置，目前运行良好。但是电离辐射调理的处理装置一次性投资比较大，而且由于存在核辐射，因此对安全装置的要求高。尽管如此，电离辐射技术作为一项效果显著的污泥调理技术仍值得参考借鉴。
3.2.2.6 磁场调理
磁场对胞外聚合物（EPS）也有影响，能显著改善污泥的脱水性能，该结论已通过国内外的研究加以证实。与国外相比，目前国内在磁场调理污泥方面的研究较少，仅有少量报道。
根据国内外的研究结论，磁场形式、磁场强度、磁化时间均对污泥的比阻有影响。在相同条件下，较之垂直磁化，平行磁化条件下的污泥比阻和污泥颗粒表面电极电位降低幅度更大。磁场强度与污泥比阻之间呈非线性关系，污泥比阻不会随磁场强度的增大而降低，而且在不同的磁场强度作用下，比阻随着磁化时间的延长均表现出先降低后升高并不断波动的共性。在较短的磁化时间内，污泥颗粒的电极电位和比阻波动较小，这是因为在磁化初期，污泥菌胶团迅速收缩放出间隙水，污泥颗粒变大，促使污泥比阻迅速降低，此时磁场尚未对污泥颗粒的双电子层产生较大影响，电极电位也没有迅速降低。根据李帅、边炳鑫、周正对原污泥和磁化后污泥性质的对比试验研究，在磁化30min时，由于磁场能量的长时间放射，污泥颗粒的双电子压缩电极电位迅速降低，并达到最低值。但是总体而言，该技术在磁场与药剂联用方面还存在很多需要解决的技术问题。
3.2.2.7 微波调理技术
微波调理引入污泥的处理始于20世纪90年代初，在本质上是加热调理污泥，是从各方向均衡地穿透材料均匀加热，而非仅仅从物质材料的表面开始加热。将污泥进行适宜时间的微波辐射可明显改善污泥的絮体结构和胞外聚合物（EPS）的组分、提高其过滤性能和脱水性能、降低污泥比阻、加快沉降速度、减小污泥沉降比（SV），与未经微波处理的污泥相比，经真空抽滤后的滤饼含水率也明显下降。污泥结构破坏是改善污泥脱水性的重要因素，但过量的微波辐射因破坏了污泥的细胞壁结构，从而导致胞内物质大量溢出，污泥黏度增加，脱水性能反而会恶化。
由于微波穿透介质的深度有限，所以用微波处理污泥时要注意污泥量的控制，同时微波对人体有害，调理时还要注意密封性。尽管微波技术在污泥处置方面的应用尚存在不足与未知，但大量研究已经证明，采用微波技术调理污泥具有加热速度快、热效高、设备体积小、易于控制、节省能量等特点，是一项非常具有发展潜力的污泥调理技术，W.E.Eva、田禹等很多国内外的专家学者也进行了大量的研究，但若要实现工业化应用，尚需进行深入的研究。