根據(jù)《2011 年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，2011 年末中國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。目前對這些污泥的處理、處置仍面臨著許多問題，處理不當則很容易產(chǎn)生二次污染問題，因此有必要在污泥的最終處置前進行污泥減量的預(yù)處理。

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

早在19 世紀，加拿大已有把自然冷凍法應(yīng)用于污泥預(yù)處理的實例，并認為其處理費用是普通處理方法的十分之一，只是當時由于技術(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、瑞典等國家得到廣泛的應(yīng)用，而冷融法處理污泥在國內(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，同時實現(xiàn)污泥破解，加速后續(xù)的厭氧消化進程等。冷融過程破壞了污泥膠體性質(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。冷融法同時也是一種有效滅活污泥細菌的方法，有研究表明其對異養(yǎng)菌群（HPC）滅活率可達95％，對大腸菌群滅活率可達84％左右。筆者研究了剩余污泥在-18 ℃下冷凍不同時間后，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 實驗材料與方法
 
1.1 污泥來源
 
試驗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 冷凍實驗
 
將剩余污泥置于-18 ℃的冰箱中冷凍不同時間。冷凍結(jié)束后，在相對濕度為41％~88％，室溫（約25 ℃）條件下進行解凍，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，每隔一定時間記錄一次污泥體積，共計時1 h，比較經(jīng)不同試驗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 下進行真空抽濾。直至真空破壞時停止過濾，如真空長時間不破壞，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，最后計算濾餅的含水率。污泥的TCOD、SCOD 和pH 按照國家標準方法測定。

2 結(jié)果與討論
 
2.1 冷凍時間對污泥沉降性能的影響
 
污泥冷凍不同時間，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。這是由于完全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，說明增加冷凍時間有助于改善污泥沉降性能，但將冷凍時間提高到22 h 時，沉降速度卻沒能進一步提高，由此說明，冷凍13 h 是提高污泥沉降性的既經(jīng)濟又有效的較佳冷凍時間。

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

式中：tf———完全冷凍時間，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，℃；

Taf———冷凍場的平均溫度，℃；

hc———平均對流系數(shù)，W/（m2·℃）。

其中ρf＝917 kg/m3，L＝93 W·h/kg，ε＝0.006 m，Tf＝0℃。經(jīng)推導，本試驗裝置平均對流系數(shù)為2.368W/（m2·℃）。由此可計算出-18 ℃完全凍結(jié)時間為12 h。這個時間與本試驗確定的較佳冷凍時間13 h較吻合。

2.2 冷凍時間對污泥脫水性能的影響
 
污泥冷凍并解融后，用真空泵對其抽濾并測定其濾餅的含水率； 為進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)增加冷凍時間為22 h 時，濾餅含水率沒有進一步降低，這與前面的污泥沉降性能實驗結(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其可壓縮性亦得到改善，進一步說明冷融處理改善了污泥的脫水性。

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

 圖 3 表明：SCOD 隨著冷凍時間的延長而不斷增加，這表明隨著冷凍作用對污泥固體的破解，污泥中的有機物逐漸被溶解，結(jié)果導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)較短時間的冷凍后，污泥pH 的降低速率要大于污泥經(jīng)較長時間冷凍后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，這主要是由于細胞內(nèi)和細胞外的冰在形成過程中細胞破裂而釋放出細胞內(nèi)含物所致。T. W. Jan 等〔10〕指出，pH≈5.5 是產(chǎn)甲烷活動可以啟動的臨界pH，不可低于該值。而在本試驗中，剩余污泥經(jīng)13 h 冷融處理后的最低pH 為6.39，能滿足產(chǎn)甲烷活動啟動的邊界條件。這表明污泥經(jīng)冷融預(yù)處理不會妨害后續(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管引力致細胞機械脫水，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，對于節(jié)約資源，建立環(huán)境友好型社會有特殊重要的意義。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，隨著冷凍時間的增加，污泥pH 下降，而SCOD有所上升。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

（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也改變了污泥的理化性質(zhì)。冷融后污泥的SCOD 隨著冷凍時間的延長而不斷增加，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)甲烷活動可以啟動的臨界pH。