3.4.1 污泥脱水性能的评价指标和影响因素
3.4.1.1 污泥脱水性能的评价指标
目前评价污泥脱水性能的指标有很多，主要有污泥比阻、毛细吸水时间、离心后上层清液的体积、离心后上层清液的浊度、烧杯对倒次数、自由滤水时间和滤液浊度等。因污泥比阻和毛细吸水时间两个指标的检测更方便，经常用来表征泥饼的脱水情况，有条件时检测脱水泥饼的含固率是最直接准确的。
（1）比阻r和压缩系数s
比阻指单位过滤面积上的单位质量干污泥所受到的过滤阻力，反映了水分通过由污泥颗粒所形成的泥饼层时所受到的阻力，其值的大小取决于污泥的性质，与污泥中有机物含量及其成分有关，指标值越大，其过滤性能和脱水性能越差，是评价污泥脱水性能最常用的指标。一般来说，当污泥比阻小于1×1011m/kg时较易脱水，而比阻大于1×1013m/kg的污泥较难脱水。污泥的可压缩性能可用压缩系数s来衡量，此外，其值的大小与过滤压力以及过滤面积的平方成正比，与滤液的动力黏滞度及滤饼的干固体质量成反比。
比阻的计算方法见公式（3-31）：
（3-31）
式中，P为过滤压力（为滤饼上下表面间的压力差），N/m2；A为过滤介质面积，m2；μ为滤液动力黏滞度，N·s/m2；r为比阻，m/kg；b为与污泥性质有关的常数，s/m6；c为单位过滤介质上被截留的固体质量，kg/m3。
将压力和比阻试验值绘制在双对数坐标上（压力为横坐标，比阻为纵坐标），其直线的斜率即为污泥的压缩系数，其公式如下：
（3-32）
式中，s为压缩系数；r2为过滤压力为P1时的比阻，m/kg；r2为过滤压力为P2时的比阻，m/kg。
污泥的压缩系数可用来评价污泥压滤脱水性能，指标值越大，其表现出的压滤脱水性能越好。一般情况下，压缩系数大的污泥宜采用真空过滤（负压过滤）或离心脱水的方法脱水，而压缩系数小的污泥宜采用板框压滤机或带式压滤机脱水。
污水污泥的比阻和压缩系数如表3-14所列。
表3-14 污水污泥的比阻和压缩系数［10］
（2）毛细吸水时间
毛细吸水时间（以下简称为CST）指污泥在吸水滤纸上渗透一定距离时所需要的时间。在一定范围内，污泥的CST与其比阻存在一一对应关系，即CST越大，则比阻也越大，这时污泥的脱水性能越差，反之CST越小，比阻也就越小，则脱水性能越好。与比阻值的测定过程相比，测定CST所需的设备简单、操作简单、方便快捷，尤其适用于调理剂的选择和剂量的测定。
（3）离心后上层清液的体积
对于离心后上层清液的体积指标，目前一般的测试操作方法是使污泥在一定转速下发生离心脱水后，再凭借肉眼判断离心后上层清液的体积，比较适用于选择调理剂和测定剂量的情况。加入不同体积助凝剂溶液后，为了使结果不致被稀释作用所影响，试验结果用上清液比率这一净余上清液体积指标来表示。上清液比率rSUP的计算公式为：
（3-33）
式中，rSUP为上清液比率；VSL为污泥体积，mL；VSUP为离心后上清液体积，mL；VSOL为所使用的助凝剂的体积，mL。
（4）离心后上层清液的浊度
一般来说，如果离心后上层清液的浊度越低，则说明絮体对细小颗粒的捕获程度越彻底，反之，浊度越大则说明絮凝效果差，并最终将影响污泥的脱水效果，固体回收率低，因此可作为最优加药量的评价指标。在最优加药量的情况下，离心后上层清液澄清透明，其浊度接近零。该指标也没有标准的测试方法，通常采用的测试方法与离心后上层清液体积百分比相类似，但增加了浊度值参数，使得结论更趋于合理精确。
（5）烧杯对倒次数
烧杯对倒次数即将污泥与絮凝剂混合后，用两支烧杯进行交替对倒，记录絮体成形时对倒次数；继续交替对倒，直到絮体破碎为止，记录絮体破碎时的对倒次数。成形时对倒次数越小，絮凝效果越好。破碎时对倒次数与成形时对倒次数差值越大，说明絮体结合越紧密，脱水性能越好。
（6）自由滤水时间
自由滤水时间是在烧杯对倒基础上发展起来的。其操作方法为将絮凝剂和污泥混合好后，放入自由滤水漏斗，计量得到100mL滤液所需要的时间。时间越短，絮凝效果越好，脱水性能也就越高。
3.4.1.2 影响污泥脱水性能的因素
污泥脱水性能的影响因素有很多，包括水分的存在方式、粒径大小及分布、污泥颗粒的密度、胞外聚合物、消化方式、pH值、泥龄、阳离子种类及含量、絮凝剂的种类和投加量、污泥的ζ电位、污泥输送泵的影响等。污泥脱水性能是多种因素协同作用的结果。
（1）水分的存在方式
根据污泥中所含水分与污泥的结合方式，其存在方式分为间隙水、表面吸附水、内部水和毛细结合水。间隙水环绕在固体四周，不直接与污泥固体颗粒结合，所以很容易通过重力沉淀（浓缩压密）或离心力进行分离。表面吸附水是在污泥颗粒表面附着的水分，附着力较强，去除较难，不能通过普通的浓缩或脱水方法去除。内部水是污泥颗粒内部或者微生物细胞膜中的水分，与微生物结合得很紧，用机械方法很难去除，需要破坏细胞膜并使内部水扩散出来才能得以去除。污泥颗粒比表面积较大并拥有高度的亲水性，因而带有大量毛细结合水。1994年，Vesilind把结合水定义为污泥中不能通过机械方法而去除的水量，由于毛细结合水与固体颗粒之间存在着键结，结合力大，活性较低，仅靠重力浓缩不易使其脱出，需借助机械力或化学反应的手段方能除去，故结合水的含量可视为机械脱水的上限，可以理解为结合水量越大污泥脱水就越困难。结合水含量虽然被普遍认为与污泥机械脱水有密切关系，但还有许多其他的影响污泥机械脱水的因素，如可压缩性、尺寸、结构、黏性、表面特性（主要是表面电荷和憎水性）等，所以结合水含量不能作为表征污泥脱水性能的相关物理指标。
（2）粒径大小及分布
污泥颗粒的粒径大小及其粒径分布对污泥的脱水性能有较大影响，其中针对粒径分布通常考虑粒径的级配分布。一般来说，由于污泥颗粒越小，相应的总体比表面积就越大，这时其水合程度也就越高，污泥颗粒自身带有负电荷，颗粒之间互相排斥，在水合作用下颗粒表面附着了一层或几层水层，进一步阻碍了污泥颗粒之间的结合，并最终形成一个稳定的胶状絮体分散系统，细小污泥颗粒所占的比例越大，污泥的平均粒径越小，脱水性能就越差。而且对于滤布过滤，因细小颗粒能阻塞泥饼和过滤介质，从而使过滤比阻增大，浓缩、脱水性能变差。
滤网的孔径在1.0～100μm内，污泥的1.0～100μm的超胶体颗粒通过滤网，而大于100μm的胶体大颗粒被截留。不同种类的污泥，其粒径的差异也较大，当污泥超胶体颗粒比例增加时，过滤脱水性能变差，污泥固体回收率降低，单位固体浓度对应的最优加药量增加，同等加药量调理后的污泥比阻值也上升。如图3-36所示，超胶体颗粒质量分数与污泥比阻之间具有很大的相关性。超胶体颗粒所占比例增大，比阻值随着增加，脱水性能变差。
图3-36 超胶体颗粒质量分数与污泥比阻的关系［2］
由于实际中的污泥颗粒形状不规则，因此其粒径的确定较困难，其中无机颗粒相对稳定，粒径容易测定，而对于有机颗粒，由于其易于分解的性质，因而很难测定其原始粒径。而且随测量方法的不同，测得的粒径分布也会有所差异。目前，在实验室和工程应用中，测量污泥的粒径分布的常用方法有沉降速度计算法、湿式筛分析法、显微镜法、图像分析法和激光粒度测定法。
若采用的是离心脱水，可以用Stokes公式（3-34）来计算离心速度，从而表现细小颗粒对污泥脱水性能的影响：
（3-34）
式中，u为离心速度，r/min或r/s； ρS为污泥颗粒的密度，kg/m3；ρW为水的密度，kg/m3；a为离心加速度，r/min或r/s；d为污泥粒径，mm；μ为液体的黏滞度，N·s/m2。
通常用的是污泥的有效粒径ρc即ρS-ρW （物理意义同上）。
被普遍认为的是ρc与粒径d存在下面的经验关系式：
（3-35）
式中，A和n都是常数。
Meakin从粒径和有效密度出发推导出了絮体质量ms与粒径成正比关系的结论，关系式见公式（3-36）：
（3-36）
式中，ms为絮体质量，kg；d为粒径，mm；DF为分形尺寸。
DF描述了颗粒在团块中的集结方式。该参数是絮体结构的量化表示，最大值为3，一般当分形尺寸值越大时，絮体集结得就越紧密，越容易脱水。
（3）污泥颗粒的密度
污泥颗粒的密度是单个颗粒质量与体积的比值，有容积密度（容重）和颗粒密度两种表达方式。
污泥的容积密度是指单位体积污泥的质量，用以描述污泥颗粒群体的质量与体积之比。由于压实和有机物的降解作用，沉积时间长的污泥颗粒密度高，容积密度大。
一般而言，初沉污泥主要由所谓的有机碎屑和无机颗粒物组成，颗粒密度较大，浓缩和脱水性能较好；而剩余污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物共同组成的集合体，颗粒密度较小，浓缩和脱水性能较差。
（4）胞外聚合物
胞外聚合物（以下简称为EPS）是微生物在一定环境条件下分泌所产生的，其组成受到污水处理厂进水水质、消化过程的影响，其中高分子聚合物主要包括多糖、蛋白质、DNA和少量的脂类、核酸、腐殖酸等，例如微生物在加速生长期排泄的EPS主要为低分子聚合物，减速生长期和内源呼吸期排泄的EPS主要为高分子聚合物，而以上亲水性物质的存在会使EPS将大量水吸附在污泥絮体中，并在一定程度上增强污泥胶体颗粒的束水性能，阻止细胞干燥。近年来，EPS对污泥沉降性能的影响逐渐引起了研究人员的注意。
对活性污泥来说，一方面，EPS在污泥絮凝过程中可以连接细胞和胶体颗粒，形成絮体并沉降，从而实现了对污泥絮凝脱水的促进作用；另一方面，EPS的高度水合作用也给污泥的脱水性能造成不利影响。当EPS含量越高时，污泥的沉降脱水性能就越差，被认为是影响污泥脱水性能的最主要因素之一，剩余污泥脱水困难的特性正是由于EPS的存在。所以，EPS含量对活性污泥脱水是先有利后有害，存在一个最佳含量的问题。二价离子，尤其是Ca2+、Mg2+，在EPS之间及EPS与细菌之间起架桥作用，和EPS的相互作用导致了活性污泥中絮体的形成和沉降，在絮体稳定中起重要作用。但是，过量的单价金属离子会对污泥的絮体结构造成破坏，从而降低其脱水性能和沉降性能，因此可以将污泥中一价金属离子和二价金属离子的比值作为一项判断污泥脱水性能的指标。
影响EPS含量的因素包括污泥来源与种类、污泥负荷、细菌生长特征等。周健的研究表明，污水处理负荷决定了EPS含量的高低及生污泥的沉降性能，随着负荷降低，EPS含量增加，SVI增加，沉降性能恶化。
（5）消化方式
消化方式的选择也会对污泥的脱水性能造成一定影响。
厌氧消化会提高污泥的脱水性能，主要原因有以下方面：一是EPS可以被污泥中的酶降解，从而使污泥的结构得到改变，并使水分的存在方式向有利于脱水的方向变化；二是当厌氧消化过程运行良好时，厌氧消化过程可以改变污泥的粒径分布，使细小污泥颗粒的比例降低，减小污泥的比表面积，减弱污泥颗粒和水的结合程度，从而达到改善污泥脱水性能的目的。但是，在厌氧消化过程中，污泥停留时间、碱度、搅拌方式等因素都会对污泥脱水性能产生直接或间接的影响。具体说来，当污泥停留时间达到某个特定值时，脱水性能达到最佳状态，当停留时间不足，消化过程运行不佳时，由于水解酸化使污泥大颗粒破碎，所以增加了细小污泥颗粒的数目，致使污泥脱水性能变差；但当超过该值时，脱水性能则不再发生明显的变化。对于消化污泥的碱度，在该值超过2000mg/L的条件下进行化学调节时，如果采用的絮凝剂为无机盐絮凝剂，则需先中和其碱度才能起到絮凝作用，因此若想达到相同的脱水效果就需要加入过量的絮凝剂，导致药剂用量增加。
然而好氧消化通常会导致污泥脱水性能的急剧恶化，原因主要有两方面：一方面，好氧消化过程使污泥的生物细胞数量增加，由于这些生物细胞对水具有强烈的吸附作用，因而可以使大量水分以吸附水和内部水的形式存在于细胞内部和细胞之间，而根据前文叙述，这些水分很难通过脱水而去除；另一方面，在好氧消化过程中，一些细菌会在内源呼吸的作用下解体为细小的絮体，这些絮体在好氧稳定阶段则很难被降解，故而以悬浮状态存在于污泥中。可见，好氧消化通过减小污泥的平均粒径而造成了污泥脱水性能的降低。
（6）泥龄
污泥因泥龄的不同其沉降性能不同并呈现一定的规律性，即泥龄越高，污泥的脱水性能就越好。这主要是由于污水处理出水标准的不断提高，除磷和脱氮已是污水处理的主要目标。然而进行生物脱氮时需要的污泥泥龄比仅去除有机物质时更长，这意味着污泥容积负荷的减少会使污泥中有机成分进一步减少，矿化度升高，污泥的脱水性能得以改善。污水处理厂若采用化学除磷措施，含有化学除磷药剂的污泥在沉降、浓缩和脱水性能方面均会有不同程度的下降。
（7）pH值
污泥的表面性质在酸性条件下会发生变化，其脱水性能也会随之发生变化，并呈现一定的规律性，通常pH值越低，脱水的效率越高。
（8）阳离子种类及含量
污泥中所含阳离子的种类及含量也是污泥脱水性能的影响因素之一。大量的一价阳离子的存在会使活性污泥脱水性能恶化，而二价阳离子的增加会使污泥的脱水性能得到改善。并且当一价离子浓度超过二价离子浓度的2倍时，污泥的脱水性能恶化。
（9）絮凝剂的种类和投加量
絮凝剂的种类和投加量也将直接影响污泥的脱水效果。在进行絮凝剂种类选择时，需要根据污泥特性、污泥脱水的目标值和脱水机的类型进行选择，如聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂适合采用带式脱水机、离心脱水机进行脱水，无机絮凝剂适合用于板框脱水的过程。
（10）污泥的ζ电位
ζ电位又称ζ电势或zeta电位，是指剪切面（shear plane）的电位，是表征胶体分散系稳定性的重要指标。ζ电位是连续相与附着在分散粒子上的流体稳定层之间的电位差。它可以通过电动现象直接测定。ζ电位是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。分子或分散粒子越小，ζ电位（正或负）越高，体系越稳定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，ζ电位（正或负）越低，越倾向于凝结或凝聚，即吸引力超过了排斥力，分散被破坏而发生凝结或凝聚。ζ电位与体系稳定性之间的关系如表3-15所列。
表3-15 ζ电位与体系稳定性之间的大致关系 单位：mV
目前测量ζ电位的方法很多，主要有电泳法、电渗法、流动电位法以及超声波法等，其中以电泳法的应用最为广泛。通常ζ电位越高，污泥颗粒本身负电荷之间的排斥力也就越大，就更能对污泥颗粒之间的结合造成阻碍，最终形成的污泥胶状系统就越稳定，从而也就越不利于脱水。ζ电位可以用来推测加药后的絮体结构，作为最优加药量的评价指标。普遍认为ζ电位等于零时的加药量为最优加药量。
（11）污泥输送泵的影响
在污泥输送过程中，污泥泵的剪切力也可以改变污泥结构，从而增加污泥中细小颗粒所占的比例，降低其平均粒径，同时还会升高ζ电位，从而使污泥的沉降浓缩性能和脱水性能恶化。