随着经济社会的发展和城市化进程的不断加快，公众的环保意识有了极大的提高，“重水轻泥”的观念得到改变，对产生的剩余污泥的处理、处置问题的关注与日俱增。当前，现行的预处理方法主要包括铁盐、铝盐和生石灰等，但脱水后的污泥存在灰分含量增加，脱水后污泥燃烧热值低及污泥碱性提高等缺点。污泥的脱水方法主要包括自然干化、污泥浓缩、机械脱水和污泥干化等，经上述方法脱水后，污泥的含水率降低至60%～80%，仍高于《城镇污水处理厂混合填埋用泥质》(GB/T 23485—2009)所要求的含水率低于60%的目标。为了强化污泥深度脱水，降低污泥处理和外运成本，提高污泥减量化、资源化、无害化和稳定化效率，污泥脱水的预处理技术应运而生。

Part 1 物理预处理方法

1.1 超声预处理

超声预处理是通过声波(20～40 kHz)传播过程中的周期性压缩和膨胀，在介质中形成微小气泡，微小气泡的破裂产生气穴现象，从而生成大量的活性自由基(H·和·OH)，并且产生高能量的振动剪切力，达到破坏微生物细胞的细胞壁，改变不外聚合物所占的比例，合理释放胞内物质的目的，从而提高污泥的脱水效率。气穴现象的作用主要包括物理作用和化学作用，物理作用即超声波在传播的过程中产生微湍流和振动波，从而在介质中产生强烈的对流，破坏污泥絮体的结构。化学作用即在生成的微气泡瞬态坍缩的过程中，会产生一种工况(温度为5 000 K，压强为5×104 kPa)促使溶剂蒸汽的离解，产生大量的活性自由基，破坏污泥絮体的结构，有利于污泥絮体内部水分的释放。此外，声波在传播的过程中，可以在介质中产生类似海绵状的结构，形成海绵效应，使污泥中的水分通过声波传递所产生的通道释放到污泥絮体的外部，提高污泥的脱水性能。

1.2 微波预处理

微波预处理所使用的微长为1 mm～1 m，频率为0.3～300 GHz 。微波预处理的原理主要包括热效应和非热效应。热效应即在振荡电磁场下，通过偶极子旋转产生热量，使污泥中的水分加热至水的沸点，导致污泥絮体细胞破裂。非热效应主要是由于极性分子的偶极取向变化所导致的，非热效应可能会导致氢键的断裂，并且可以使复杂生物分子解折叠和变性。微波预处理可以破碎污泥絮体结构，释放细胞内的有机质、降解大分子有机物从而提高污泥的脱水性。

1.3 电渗析

电渗透脱水机理主要基于所施加的电场与存在于污泥絮体颗粒表面的电荷之间的相互作用，由于电场的作用，固体-液体界面上电离流动液体的移动确保了水的迁移，从而通过粘性动量传递驱动液体在中心通道中的迁移，使带负电的污泥絮体颗粒向阳极产生定向移动，在滤布的作用下进行泥水分离，进而在阳极实现污泥浓缩的目的。此外，电渗析处理还涉及电化学氧化、电阻加热和pH梯度效应等机理。

1.4 热水解

热水解预处理的温度为40～180 ℃。在此温度内，污泥絮体的细胞壁破裂，污泥细胞中的脂肪、多糖和蛋白质等高分子的有机化合物得以释放，污泥中的难降解有机氮、难降解有机碳的含量升高。菌胶团表面的微生物及其代谢产物发生溶解，使包裹在污泥絮体中的颗粒与污泥絮体发生分离，从而改变污泥絮体的结构。当温度高于某一阈值时，污泥中的有机物会转化生成难降解COD化合物，且存在污泥脱水性能恶化的风险。

Part 2 化学预处理方法

2.1 混凝(絮凝)处理

混凝(絮凝)预处理是指在污泥脱水前向污泥中投加适当浓度的混凝剂或絮凝剂对污泥进行调质，从而提高污泥的脱水性能。其作用机理主要包括：电中和、吸附架桥、压缩双电层、沉淀物卷扫和骨架作用等。

2.2 酸/碱处理

酸/碱预处理是指通过向基质中加入酸(HCl、H2SO4、H3PO4和HNO3等)或碱 [NaOH、KOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaO等改变污泥中不同EPS的分布比例，破坏污泥絮体的，从而有利于水的释放，从而提高污泥的脱水性。酸性预处理可以将污泥絮体中的带负电的官能团(羧基和氨基等)质子化，从而将污泥的Zeta电位由负值增加至接近于0，减少静电排斥，提高污泥的絮凝效果、聚集性和脱水效果。碱预处理通过膜蛋白的增溶和膜脂的皂化作用，破坏污泥的，溶解污泥中的EPS，将污泥絮体中的TB-EPS转化为以有机物形式存在的液体。表2列出了不同化学预处理方法污泥脱水的效果。

2.3.1 臭氧氧化

臭氧氧化是一种应用广泛的氧化过程。臭氧可以破坏细胞膜和菌胶团结构，加速胞内物质的释放，并将其氧化生成小分子物质，提高污泥的脱水性能。臭氧氧化污泥预处理的作用机理如图1所示。

2.3.2 Fenton氧化

Fenton氧化预处理是指在酸性条件下，通过催化剂Fe2+和H2O2反应，生成具有强氧化活性的羟基自由基(·OH)，降解污泥胞外聚合物和污泥细胞，释放细胞内物质和结合水，从而达到污泥脱水的目的。Fenton反应的效果主要取决于试剂的浓度、H2O2与Fe2+的比例、反应时间、初始pH和反应温度。Fenton氧化污泥预处理的作用机理如图2所示。

2.3.3 过硫酸盐氧化

过硫酸盐氧化是指过硫酸盐可以在高温、紫外光照射和过渡金属的激发下，生成具有氧化能力的硫酸根自由基width=56,height=15,dpi=110从而破坏破坏荧光物质的特定官能团，引起聚合链断裂，并且破坏污泥细胞，导致胞外聚合物中的结合水、胞内物质及胞内水的释放，增强污泥的脱水性能。Fe2+和Fe0活化过硫酸盐氧化的过程如图3所示。

Part 3 组合预处理

上述的各种预处理方法虽然在一定程度上可以提高污泥的脱水效率，但同时这些方法又有一些局限性，如能耗高、投加量高等。表3列出了不同的预处理方法在污泥脱水中的优缺点。

组合预处理是指将上述的物理、化学等预处理方式通过一定的顺序组合起来，从而消除或者减弱某一单一预处理方式所存在的不足，充分发挥各种预处理方式的潜力，从而强化污泥的脱水效果。

Part 4 结语

4.1 物理预处理法

超声预处理在本质上是一种物理过程，不会产生二次毒性化合物。超声处理的过程中会产生大量的活性自由基，从而分解污泥中的毒性和难降解有机物，如芳香族化合物、表面活性剂、有机染料等。此外，超声预处理具有效率高、可控性好、处理均匀等优点。在较高的超声辐射能量下，污泥絮体的颗粒粒径变小，降低了污泥的边界效应，虽然有利于污泥的再次絮凝，但会导致污泥颗粒吸附大量的自由水从而使污泥的脱水效果变差。此外超声预处理的效果受超声强度、处理时间和工作频率的影响，作用机理复杂，需要对控制参数进行优化才能实现处理效率和能耗的平衡。

微波预处理通过容积加热实现对污泥的预处理，与传统的热传递的加热方式不同，微波处理的过程中没有热传递所产生的能量损失，具有加热速度快(约200 ℃/min)、受热均匀、热效率高、反应灵敏等特点。但是由于微波预处理的过程中，污泥絮体中的蛋白质，多糖，核酸等高分子有机聚合物的释放，会导致污泥比阻和黏度的增加，从而降低污泥的过滤性。

电渗析预处理受电场强度、溶液pH、电极形状等因素的影响。电渗析设备具有脱水效率高、运行稳定性好、调理剂投加量少等优点。但由于电渗析的过程中阴极和阳极的作用机理的不同，存在两极间电阻率和脱水效率相差比较大等缺点。

热水解的过程中，由于污泥具有含水率高，比热容大，传热效率低等特性，导致污泥在热水解的过程中存在传热不均、耗能高、腐蚀性强等缺点，限制了其大范围的推广。当前的热水解技术主要应用在污泥消化等相关领域，借助污泥热水解的过程中降解有机聚合物所生成的小分子有机物，可以加快细菌与污泥的反应速率，从而提高甲烷产量。

一般情况下，单一的物理预处理方法因其存在一定的局限性，污泥的物理预处理过程都会与其他的预处理方式进行组合，从而提高脱水效果。

4.2 化学预处理

混凝预处理具有投加设备简单，操作方便，经济高效等优点。同时，由于混凝剂的种类繁多，需根据不同的处理条件选取适合的混凝剂种类。在混凝剂对投加设备具有腐蚀性，投加量需要根据实际情况进行改变。

酸/碱预处理具有反应迅速、投加设备简单、操控方便等优点。但是，不同的酸/碱预处理方法其作用机理不同，对于不同的污泥其脱水效果影响较大。同时，酸碱预处理方法也存在设备腐蚀，投加量难以确定等缺点。

氧化预处理均具有操作简单，设备投入比较小反应迅速等特点。同时，氧化预处理存在投加量难以确定，当投加量比较小时，无法达到氧化破坏污泥絮体结构的目的，从而降低污泥的脱水效果，当投加量超出佳投加量时，又会产生二次污染物，这与无害化处理的目标相悖，因此需要对反应条件进行优化。

4.3 组合预处理

当前，通过组合与处理的方式提高污泥的脱水效果得到了广泛的关注。组合预处理方式可以降低或消除单一的预处理方法所存在的局限性，充分的发挥各个预处理方式的优势，从而更好地提高污泥的脱水效果。但是，当前预处理方式相比较于单一的预处理方式，存在着设备复杂，耗能高，经济性差等问题。因此，需要对过程中所涉及的控制参数进行优化，从而在充分的挖掘各个预处理方式脱水潜力的基础上，提高组合式预处理方式的应用前景。