不同絮凝劑對(duì)剩余污泥水解和脫水特性的影響

苑宏英，王小佩，王亭，牛四芳，祁麗

（1天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384；2天津城建大學(xué)天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

不同絮凝劑對(duì)剩余污泥水解和脫水特性的影響

苑宏英1，2，王小佩1，2，王亭1，2，牛四芳1，2，祁麗1，2

（1天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384；2天津城建大學(xué)天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

研究了無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑對(duì)剩余污泥水解和脫水性能的影響。分別投加濃度為20g/L的CaO和CPAM（陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺）調(diào)節(jié)剩余污泥，溶出的有機(jī)質(zhì)規(guī)律如下：溶解性COD（SCOD）的溶出量表現(xiàn)為CPAM＞CaO＞空白；溶解性蛋白質(zhì)（SPN）的溶出量表現(xiàn)為CPAM＞CaO＞空白；溶解性碳水化合物（SPS）的溶出量表現(xiàn)為CaO＞CPAM＞空白。污泥的脫水性能指標(biāo)——比阻（SRF）和濾餅含固率的變化分別為：SRF表現(xiàn)為CPAM＜CaO＜空白，投加CaO時(shí)SRF在第1天出現(xiàn)最小值（0.91×1013m/kg），投加CPAM時(shí)SRF在第7天出現(xiàn)最小值（0.71×1013m/kg），兩者都處于中難度脫水范圍內(nèi)；濾餅含固率在后4天后表現(xiàn)為CPAM＞CaO＞空白。從SPN、SPS和SCOD的溶出量、比阻和濾餅含固率的變化說(shuō)明：加入CaO和CPAM都能改善剩余污泥的水解和污泥脫水性能。

無(wú)機(jī)絮凝劑；有機(jī)絮凝劑；剩余污泥；脫水性能；水解；有機(jī)質(zhì)

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快和污水處理行業(yè)的不斷發(fā)展，城市污水處理廠的污泥處理壓力越來(lái)越大，據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部通報(bào)顯示2013年3月底全國(guó)年濕泥產(chǎn)量達(dá)到2171.75萬(wàn)噸，將很快突破3000萬(wàn)噸，預(yù)測(cè)2020年污泥產(chǎn)量將會(huì)突破6000萬(wàn)噸[1-2]。污泥產(chǎn)量高的主要原因是污泥的含水率高，可以達(dá)總質(zhì)量的95%～99.5%[3]。因此，城市污泥脫水已成為城市污泥處理處置的重要環(huán)節(jié)。污泥中的有機(jī)物含量高，在污泥調(diào)理過(guò)程中有利于有機(jī)物等物質(zhì)溶出，這促進(jìn)了有機(jī)物的回收利用[4-5]，并且有機(jī)質(zhì)的溶出又可以提高脫水效率[6-7]。在各種污泥調(diào)理方法中，絮凝是一種處理效率高、既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單的物化處理技術(shù)[8-9]，但是絮凝劑的類別和性質(zhì)對(duì)絮凝處理的效果影響很大[10-11]。無(wú)機(jī)絮凝劑投加量較大，產(chǎn)生沉淀較多且處理效果不佳，目前逐漸被有機(jī)絮凝劑所替代[12]。與無(wú)機(jī)絮凝劑相比，有機(jī)絮凝劑用量少，沉淀性能好，而且濾餅含水率低，但是其成本相對(duì)偏高[13-14]。

目前，有關(guān)絮凝劑的研究主要集中在改善污泥脫水性能方面，但是對(duì)污泥中有機(jī)物的溶出的研究卻比較少。本實(shí)驗(yàn)分別投加有機(jī)和無(wú)機(jī)絮凝劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，通過(guò)測(cè)定污泥中溶解性COD（SCOD）、溶解性蛋白質(zhì)（SPN）和溶解性碳水化合物（SPS）溶出情況、污泥比阻（SRF）、泥餅含固率的變化，對(duì)污泥水解和脫水性能進(jìn)行分析，并探討在投加絮凝劑的條件下污泥中有機(jī)質(zhì)的溶出和污泥脫水性能之間的關(guān)系。

1 材料與方法

2.1 污泥初始特性

試驗(yàn)所用剩余污泥的初始特性見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用3個(gè)反應(yīng)器（1#，2#，3#），其中1#反應(yīng)器加入最佳投加量的CaO，2#為空白，3#加入與CaO等量的CPAM。CaO的最佳投加量通過(guò)室溫下的燒杯試驗(yàn)確定，且投加量為20g/L。吳敦虎等[15]研究表明，有機(jī)絮凝劑CPAM的污泥脫水效果要優(yōu)于APAM（陰離子型聚丙烯酰胺），因此3#中投加與CaO等量的CPAM對(duì)比分析無(wú)機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑對(duì)剩余污泥脫水性能的影響。

表1 剩余污泥初始特性

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖（單位：mm）

試驗(yàn)采用5個(gè)直徑為120mm、高為300mm的有機(jī)玻璃反應(yīng)器，其有效體積為2.5L（圖1），采用天津市歐諾儀器儀表有限公司生產(chǎn)的電動(dòng)攪拌器對(duì)污泥進(jìn)行攪拌，攪拌速度控制在 70～90r/min，使污泥能夠攪拌均勻但不產(chǎn)生漩渦。試驗(yàn)一次投料完畢，運(yùn)行周期為 8天。定期從裝置中的上、中、下3 個(gè)取樣口分別取樣，混合均勻后，對(duì)SPN、SPS、SCOD 、SRF和濾餅含固率以及相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，直至反應(yīng)周期結(jié)束。

采用 Folin-酚法[16]測(cè)定SPN， 采用蒽酮法[17]測(cè)定SPS， 采用美國(guó) HACH-COD 測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定COD；比阻作為衡量污泥脫水性能的指標(biāo)[18]，其采用布氏漏斗法測(cè)定（真空度為0. 07 MPa）。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)質(zhì)的溶出情況

2.1.1 SCOD的溶出情況

反應(yīng)過(guò)程中，SCOD的濃度變化見(jiàn)圖2。

圖2 不同調(diào)理劑下SCOD溶出量的變化

由圖2可以看出，不同調(diào)理劑下SCOD的溶出量總體情況為3#＞1#＞2#，說(shuō)明加入等量的CaO和CPAM調(diào)節(jié)下，加入CPAM更利于SCOD的溶出。1#在試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，SCOD的溶出量情況呈上升→下降→平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，在第5天達(dá)到最大值，為369.50mg/(gVS)。3#中SCOD在第2天達(dá)到較大值后變化平穩(wěn)，最后在第8天時(shí)達(dá)到最大值，為456.18mg/(gVS)。

結(jié)合圖2可得，1#中加入CaO后污泥呈強(qiáng)堿性，破壞了污泥的絮體結(jié)構(gòu)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使得有機(jī)質(zhì)大量流出。

2.1.2 SPN和SPS的溶出情況

反應(yīng)過(guò)程中，SPN和SPS的濃度變化分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 不同調(diào)理劑下SPN溶出量的變化

圖4 不同調(diào)理劑下SPS溶出量的變化

由圖3可以看出，不同調(diào)理劑下SPN的溶出量情況表現(xiàn)為3#＞1#＞2#，說(shuō)明加入等量的CaO和CPAM調(diào)節(jié)下，加入CPAM更有利于SPN的溶出。1#在試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，SPN的溶出量一直緩慢增加，在第7天達(dá)到最大值，為210.56mg/(gVS)。3#中SPN起初的溶出速率很大，在第3天達(dá)到最大值，為309.23mg/(gVS)，最大溶出量明顯高于1#，之后下降后溶出穩(wěn)定。

由圖4可以看出，不同調(diào)理劑下SPS的溶出量情況表現(xiàn)為1#＞3#＞2#，說(shuō)明加入等量的CaO和CPAM調(diào)節(jié)下，加入CaO更有利于SPS的溶出。3#在試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，SPS的溶出量一直緩慢增加，在第8天達(dá)到最大值，為8.73mg/(gVS)。1#中SPS的溶出量呈上升→下降→平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，在第5天達(dá)到最大值，為27.21mg/(gVS)，最大溶出量明顯高于3#，之后下降后溶出穩(wěn)定。

結(jié)合圖3和圖4可得，投加CaO和CPAM都有利于SPN和SPS的溶出。調(diào)節(jié)會(huì)破壞污泥的絮體，甚至還可能進(jìn)一步破碎污泥的微生物細(xì)胞；由于污泥絮體的破碎會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞間胞外聚合物（ECP）的溶出，而微生物細(xì)胞的破碎則會(huì)導(dǎo)致胞內(nèi)有機(jī)物的溶出[19]。

2.2 污泥脫水性能的變化

文獻(xiàn)[20]指出，濾餅含固率越高，說(shuō)明污泥脫水效果較好；比阻SRF越大，說(shuō)明過(guò)濾時(shí)污泥的阻力越大，越難脫水，一般來(lái)說(shuō)，比阻小于1×1011m/kg的污泥易于脫水，比值大于1×1013m/kg的污泥難以脫水。

水解過(guò)程中，3個(gè)反應(yīng)器中的比阻和濾餅含固率的變化分別見(jiàn)圖5和圖6。

由圖5可以看出，不同調(diào)理劑下SRF的變化基本上表現(xiàn)為3#＜1#＜2#，說(shuō)明加入等量的CaO和CPAM調(diào)節(jié)下，加入CPAM更有利于污泥脫水。在試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，1#中SRF在反應(yīng)至第1天時(shí)達(dá)到最小值，為0.91×1013m/kg，處于中難度脫水范圍內(nèi)；2#在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中一直處于難脫水范圍內(nèi)；3#中SRF在反應(yīng)至第7天時(shí)達(dá)到最小值，為0.71×1013m/kg，處于中難度脫水范圍內(nèi)，在3#的第6天時(shí)SRF值雖比第7天時(shí)高，但已處于中難度脫水范圍內(nèi)?？梢?jiàn)，加入等量的CaO和CPAM后，要達(dá)到中難度脫水范圍內(nèi)，CaO需要的時(shí)間較短。

圖5 不同調(diào)理劑下SRF的變化

圖6 不同調(diào)理劑下濾餅含固率的變化

由圖6可以看出，3個(gè)反應(yīng)器在前4天內(nèi)的濾餅含固率的變化沒(méi)有一定的規(guī)律，而在后4天后表現(xiàn)為3#＞1#＞2#，且在3#的第7天時(shí)達(dá)到最大值，為26.15%。結(jié)合圖4和圖5可以得出，在剩余污泥中加入等量的CaO和CPAM調(diào)節(jié)后，兩者均利于污泥脫水，但是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，SRF值和濾餅含固率都有所變化。

1#中加入CaO后污泥脫水性能得到改善，由燒杯試驗(yàn)可知，堿性條件下不利于污泥脫水，所以可以推斷，加入CaO后改善污泥脫水性能起關(guān)鍵作用的是Ca2+。目前，已有許多研究者得出相同的結(jié)論。Bruus等[21]表明去除污泥絮體結(jié)構(gòu)中的Ca2+導(dǎo)致絮體特性變壞，改善脫水性能。Sobeck等[22]指出，二價(jià)陽(yáng)離子的絮凝主要是由于其架橋造成的。Nguyen等[23]研究表明，通過(guò)向污泥中增加Ca2+的濃度，可以增大污泥絮體，從而改善污泥脫水性能。由圖5、圖6分析可得，1#反應(yīng)器中投加CaO后，在污泥中會(huì)形成大量的Ca(OH)2絮體物，這部分絮體物對(duì)于污泥絮凝方面起了至關(guān)重要的作用。而3#中投加CPAM后，改善了污泥脫水性能，這是由于污泥顆粒遇到帶正電荷的膠體顆粒時(shí)，會(huì)在靜電力作用下被吸附、團(tuán)聚，從而形成較大的顆粒，這使得顆粒表面的Zeta電位降低，當(dāng)Zeta電位達(dá)到零以后，由于阻力作用，過(guò)量的CPAM很難再吸附在環(huán)狀和尾狀的顆粒表面，因而對(duì)污泥產(chǎn)生的影響不大。陳小明等[24]也證明了CPAM 的分子鏈既可以形成顆粒間架橋，又可以中和顆粒表面的負(fù)電荷，減少污泥顆粒間的排斥作用。

2.3 討論

污泥顆粒帶的電荷和表面的EPS （胞外聚合物）都會(huì)導(dǎo)致活性污泥很難脫水[25-26]。污泥調(diào)質(zhì)的目的之一是向污泥中投加各種調(diào)理劑，通過(guò)改變污泥顆粒表面的電荷性能，使污泥EPS 中的糖類、蛋白質(zhì)和核酸等溶出來(lái)，降低污泥表面能與水分子結(jié)合的大分子物質(zhì)的數(shù)量，減弱污泥顆粒間的排斥作用，降低污泥顆粒的親水性，從而改善污泥的脫水性能。

投加CaO絮凝體，其中的Ca2+起到了吸附架橋的作用來(lái)改善污泥的脫水性能。無(wú)機(jī)顆粒、二價(jià)離子（主要指Ca2+和EPS）相互之間的作用導(dǎo)致了生活污泥中絮體的生成與沉降。Novak等[27]也有類似結(jié)論，指出當(dāng)鐵離子增加時(shí)，溶液中蛋白質(zhì)被去除，同時(shí)導(dǎo)致污泥CST （毛細(xì)吸水時(shí)間）降低。投加CPAM絮凝體，其極性基團(tuán)的陽(yáng)離子對(duì)帶有異號(hào)電荷的污泥膠體顆粒會(huì)產(chǎn)生電中和以及壓縮雙電層的作用，從而使膠體體系脫穩(wěn)來(lái)改善污泥的脫水性能[28]，并且陽(yáng)離子基團(tuán)吸附在負(fù)電荷的細(xì)菌表面，改變細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性，使微生物失去活性，從而代謝產(chǎn)物對(duì)EPS 的黏附作用明顯降低，導(dǎo)致調(diào)理劑調(diào)理后EPS 從活性污泥表面上脫落下來(lái)[29]。

結(jié)合圖3～圖5分析可得，當(dāng)SPN和SPS的濃度降低時(shí)有利于污泥脫水，因?yàn)槲勰嘀蠸PN和SPS的濃度大小會(huì)影響SRF和濾餅含固率的變化，從而會(huì)影響污泥脫水性能，由于SPN和SPS是EPS的一部分，而EPS的存在會(huì)影響污泥的脫水性能，通過(guò)SPN和SPS的濃度變化可知，污泥中EPS的影響并不是一直存在的，它有一個(gè)特定的值，在該特定值還是容易實(shí)現(xiàn)污泥脫水的，如果濃度過(guò)大對(duì)污泥脫水不但沒(méi)有更多幫助，反而會(huì)引入多余的結(jié)合水導(dǎo)致脫水能力降低。通常SPS對(duì)污泥脫水性能有一定的負(fù)面影響，而關(guān)于SPN的作用卻一直存在爭(zhēng)論：Houghton等[30]研究表明，污泥中SPN濃度增加會(huì)使脫水性能降低；而Higgins等[31]研究出相反的結(jié)論，他們認(rèn)為蛋白質(zhì)有利于脫水。結(jié)合圖2～圖5分析可得，加入等量的CaO和CPAM調(diào)節(jié)下，都有利于有機(jī)質(zhì)的溶出，也說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的溶出會(huì)影響污泥的脫水效果。

3 結(jié) 論

（1）分別投加濃度為20mg/L的CaO和CPAM調(diào)節(jié)剩余污泥，溶出的有機(jī)質(zhì)規(guī)律如下： SCOD的溶出量表現(xiàn)為CPAM＞CaO＞空白； SPN的溶出量表現(xiàn)為CPAM＞CaO＞空白； SPS的溶出量表現(xiàn)為CaO＞CPAM＞空白。

（2）分別投加濃度為20mg/L的CaO和CPAM調(diào)節(jié)剩余污泥，污泥的脫水性能指標(biāo)——SRF和濾餅含固率的變化分別為：SRF表現(xiàn)為CPAM＜CaO＜空白，投加CaO時(shí)SRF在第1天出現(xiàn)最小值（0.91×1013m/kg），投加CPAM時(shí)SRF在第7天出現(xiàn)最小值（0.71×1013m/kg），兩者都處于中難度脫水范圍內(nèi)；濾餅含固率在后4天后表現(xiàn)為CPAM＞CaO＞空白。

（3）從SPN、SPS和SCOD的溶出量、比阻和濾餅含固率的變化說(shuō)明：加入CaO和CPAM都能改善剩余污泥的水解和污泥脫水性能。

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Effects on hydrolysis and dewatering performance of excess sludge by different flocculants

YUAN Hongying1，2，WANG Xiaopei1，2，WANG Ting1，2，NIU Sifang1，2，QI Li1，2
（1School of Environmental and Municipal Engineering，Tianjin Chengjian University ，Tianjin 300384，China；2Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China）

This paper studied the effects on hydrolysis and dewatering performance of excess sludge by inorganic and organic flocculants. Adding 20g/L CaO and CPAM （cationic polyacrylamide）to adjust the excess sludge，the dissolution of organic matter were described as below：the dissolubility of solution chemical oxygen demand（SCOD）was CPAM＞CaO＞blank. The dissolubility of soluble protein（SPN）was CPAM＞CaO＞blank. The dissolubility of soluble polysaccharide（SPS）was CaO＞CPAM＞blank. Changes in the indicators of dewatering performance，specific resistance to filtration （SRF） and the filter cake containing solid rate were described as the following：the basic change of SRF was CPAM＜CaO＜blank， and the added CaO made SRF reach the minimum value（0.91×1013m/kg）on the 4th day，and the added CPAM made SRF reach the minimum value（0.71×1013m/kg）on the 7th day. Both results were considered as difficult dewatering. The change of filter cake containing solid rate was CPAM＞CaO＞blank after the 4th day. From the dissolution of SCOD、SPN，SPS，the change of SRF and filter cake containing solid rate，it was concluded that addingthe same concentration of CaO and CPAM were more beneficial for hydrolyzing and dewatering.

inorganic flocculants；organic flocculants；excess sludge；dewatering performance；hydrolysis；organic matter

X 705

A

1000-6613（2014）10-2790-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.045

2014-03-17；修改稿日期：2014-05-06。

天津市科技計(jì)劃（13CEDGX03100）、天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金（TJKLAST-2011-11）及天津市濱海新區(qū)科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金資助“十大戰(zhàn)役”重大科技支撐（2011-BH140003）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：苑宏英（1974—），女，博士，教授，主要從事污水、污泥處理及資源化研究工作。E-mail yuanhy_00@163.com。