不同絮凝劑對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天津城建大學環境與市政工程學院，天津 300384；2天津城建大學天津市水質科學與技術重點實驗室，天津300384）

不同絮凝劑對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天津城建大學環境與市政工程學院，天津 300384；2天津城建大學天津市水質科學與技術重點實驗室，天津300384）

研究了無機和有機絮凝劑對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（陽離子型聚丙烯酰胺）調節剩余污泥，溶出的有機質規律如下：溶解性COD（SCOD）的溶出量表現為CPAM＞CaO＞空白；溶解性蛋白質（SPN）的溶出量表現為CPAM＞CaO＞空白；溶解性碳水化合物（SPS）的溶出量表現為CaO＞CPAM＞空白。污泥的脫水性能指標——比阻（SRF）和濾餅含固率的變化分別為：SRF表現為CPAM＜CaO＜空白，投加CaO時SRF在第1天出現最小值（0.91×1013m/kg），投加CPAM時SRF在第7天出現最小值（0.71×1013m/kg），兩者都處于中難度脫水范圍內；濾餅含固率在后4天后表現為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。

無機絮凝劑；有機絮凝劑；剩余污泥；脫水性能；水解；有機質

隨著現代化進程的加快和污水處理行業的不斷發展，城市污水處理廠的污泥處理壓力越來越大，據住房和城鄉建設部通報顯示2013年3月底全國年濕泥產量達到2171.75萬噸，將很快突破3000萬噸，預測2020年污泥產量將會突破6000萬噸[1-2]。污泥產量高的主要原因是污泥的含水率高，可以達總質量的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節。污泥中的有機物含量高，在污泥調理過程中有利于有機物等物質溶出，這促進了有機物的回收利用[4-5]，并且有機質的溶出又可以提高脫水效率[6-7]。在各種污泥調理方法中，絮凝是一種處理效率高、既經濟又簡單的物化處理技術[8-9]，但是絮凝劑的類別和性質對絮凝處理的效果影響很大[10-11]。無機絮凝劑投加量較大，產生沉淀較多且處理效果不佳，目前逐漸被有機絮凝劑所替代[12]。與無機絮凝劑相比，有機絮凝劑用量少，沉淀性能好，而且濾餅含水率低，但是其成本相對偏高[13-14]。

目前，有關絮凝劑的研究主要集中在改善污泥脫水性能方面，但是對污泥中有機物的溶出的研究卻比較少。本實驗分別投加有機和無機絮凝劑對污泥進行調理，通過測定污泥中溶解性COD（SCOD）、溶解性蛋白質（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，對污泥水解和脫水性能進行分析，并探討在投加絮凝劑的條件下污泥中有機質的溶出和污泥脫水性能之間的關系。

1 材料與方法

2.1 污泥初始特性

試驗所用剩余污泥的初始特性見表1。

2.2 試驗方法

試驗采用3個反應器（1#，2#，3#），其中1#反應器加入最佳投加量的CaO，2#為空白，3#加入與CaO等量的CPAM。CaO的最佳投加量通過室溫下的燒杯試驗確定，且投加量為20g/L。吳敦虎等[15]研究表明，有機絮凝劑CPAM的污泥脫水效果要優于APAM（陰離子型聚丙烯酰胺），因此3#中投加與CaO等量的CPAM對比分析無機絮凝劑與有機絮凝劑對剩余污泥脫水性能的影響。

表1 剩余污泥初始特性

圖1 試驗裝置示意圖（單位：mm）

試驗采用5個直徑為120mm、高為300mm的有機玻璃反應器，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的電動攪拌器對污泥進行攪拌，攪拌速度控制在 70～90r/min，使污泥能夠攪拌均勻但不產生漩渦。試驗一次投料完畢，運行周期為 8天。定期從裝置中的上、中、下3 個取樣口分別取樣，混合均勻后，對SPN、SPS、SCOD 、SRF和濾餅含固率以及相關指標進行測定，直至反應周期結束。

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

2 結果與討論

2.1 有機質的溶出情況

2.1.1 SCOD的溶出情況

反應過程中，SCOD的濃度變化見圖2。

圖2 不同調理劑下SCOD溶出量的變化

由圖2可以看出，不同調理劑下SCOD的溶出量總體情況為3#＞1#＞2#，說明加入等量的CaO和CPAM調節下，加入CPAM更利于SCOD的溶出。1#在試驗的整個過程中，SCOD的溶出量情況呈上升→下降→平穩的變化趨勢，在第5天達到最大值，為369.50mg/(gVS)。3#中SCOD在第2天達到較大值后變化平穩，最后在第8天時達到最大值，為456.18mg/(gVS)。

結合圖2可得，1#中加入CaO后污泥呈強堿性，破壞了污泥的絮體結構和細胞結構，使得有機質大量流出。

2.1.2 SPN和SPS的溶出情況

反應過程中，SPN和SPS的濃度變化分別見圖3和圖4。

圖3 不同調理劑下SPN溶出量的變化

圖4 不同調理劑下SPS溶出量的變化

由圖3可以看出，不同調理劑下SPN的溶出量情況表現為3#＞1#＞2#，說明加入等量的CaO和CPAM調節下，加入CPAM更有利于SPN的溶出。1#在試驗的整個過程中，SPN的溶出量一直緩慢增加，在第7天達到最大值，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#，之后下降后溶出穩定。

由圖4可以看出，不同調理劑下SPS的溶出量情況表現為1#＞3#＞2#，說明加入等量的CaO和CPAM調節下，加入CaO更有利于SPS的溶出。3#在試驗的整個過程中，SPS的溶出量一直緩慢增加，在第8天達到最大值，為8.73mg/(gVS)。1#中SPS的溶出量呈上升→下降→平穩的變化趨勢，在第5天達到最大值，為27.21mg/(gVS)，最大溶出量明顯高于3#，之后下降后溶出穩定。

結合圖3和圖4可得，投加CaO和CPAM都有利于SPN和SPS的溶出。調節會破壞污泥的絮體，甚至還可能進一步破碎污泥的微生物細胞；由于污泥絮體的破碎會導致細胞間胞外聚合物（ECP）的溶出，而微生物細胞的破碎則會導致胞內有機物的溶出[19]。

2.2 污泥脫水性能的變化

文獻[20]指出，濾餅含固率越高，說明污泥脫水效果較好；比阻SRF越大，說明過濾時污泥的阻力越大，越難脫水，一般來說，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。

水解過程中，3個反應器中的比阻和濾餅含固率的變化分別見圖5和圖6。

由圖5可以看出，不同調理劑下SRF的變化基本上表現為3#＜1#＜2#，說明加入等量的CaO和CPAM調節下，加入CPAM更有利于污泥脫水。在試驗的整個過程中，1#中SRF在反應至第1天時達到最小值，為0.91×1013m/kg，處于中難度脫水范圍內；2#在整個試驗過程中一直處于難脫水范圍內；3#中SRF在反應至第7天時達到最小值，為0.71×1013m/kg，處于中難度脫水范圍內，在3#的第6天時SRF值雖比第7天時高，但已處于中難度脫水范圍內。可見，加入等量的CaO和CPAM后，要達到中難度脫水范圍內，CaO需要的時間較短。

圖5 不同調理劑下SRF的變化

圖6 不同調理劑下濾餅含固率的變化

由圖6可以看出，3個反應器在前4天內的濾餅含固率的變化沒有一定的規律，而在后4天后表現為3#＞1#＞2#，且在3#的第7天時達到最大值，為26.15%。結合圖4和圖5可以得出，在剩余污泥中加入等量的CaO和CPAM調節后，兩者均利于污泥脫水，但是隨著運行時間的延長，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鍵作用的是Ca2+。目前，已有許多研究者得出相同的結論。Bruus等[21]表明去除污泥絮體結構中的Ca2+導致絮體特性變壞，改善脫水性能。Sobeck等[22]指出，二價陽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#反應器中投加CaO后，在污泥中會形成大量的Ca(OH)2絮體物，這部分絮體物對于污泥絮凝方面起了至關重要的作用。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，會在靜電力作用下被吸附、團聚，從而形成較大的顆粒，這使得顆粒表面的Zeta電位降低，當Zeta電位達到零以后，由于阻力作用，過量的CPAM很難再吸附在環狀和尾狀的顆粒表面，因而對污泥產生的影響不大。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）都會導致活性污泥很難脫水[25-26]。污泥調質的目的之一是向污泥中投加各種調理劑，通過改變污泥顆粒表面的電荷性能，使污泥EPS 中的糖類、蛋白質和核酸等溶出來，降低污泥表面能與水分子結合的大分子物質的數量，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改善污泥的脫水性能。無機顆粒、二價離子（主要指Ca2+和EPS）相互之間的作用導致了生活污泥中絮體的生成與沉降。Novak等[27]也有類似結論，指出當鐵離子增加時，溶液中蛋白質被去除，同時導致污泥CST （毛細吸水時間）降低。投加CPAM絮凝體，其極性基團的陽離子對帶有異號電荷的污泥膠體顆粒會產生電中和以及壓縮雙電層的作用，從而使膠體體系脫穩來改善污泥的脫水性能[28]，并且陽離子基團吸附在負電荷的細菌表面，改變細菌細胞壁的通透性，使微生物失去活性，從而代謝產物對EPS 的黏附作用明顯降低，導致調理劑調理后EPS 從活性污泥表面上脫落下來[29]。

結合圖3～圖5分析可得，當SPN和SPS的濃度降低時有利于污泥脫水，因為污泥中SPN和SPS的濃度大小會影響SRF和濾餅含固率的變化，從而會影響污泥脫水性能，由于SPN和SPS是EPS的一部分，而EPS的存在會影響污泥的脫水性能，通過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，它有一個特定的值，在該特定值還是容易實現污泥脫水的，如果濃度過大對污泥脫水不但沒有更多幫助，反而會引入多余的結合水導致脫水能力降低。通常SPS對污泥脫水性能有一定的負面影響，而關于SPN的作用卻一直存在爭論：Houghton等[30]研究表明，污泥中SPN濃度增加會使脫水性能降低；而Higgins等[31]研究出相反的結論，他們認為蛋白質有利于脫水。結合圖2～圖5分析可得，加入等量的CaO和CPAM調節下，都有利于有機質的溶出，也說明有機質的溶出會影響污泥的脫水效果。

3 結 論

（1）分別投加濃度為20mg/L的CaO和CPAM調節剩余污泥，溶出的有機質規律如下： SCOD的溶出量表現為CPAM＞CaO＞空白； SPN的溶出量表現為CPAM＞CaO＞空白； SPS的溶出量表現為CaO＞CPAM＞空白。

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

天津市科技計劃（13CEDGX03100）、天津市水質科學與技術重點實驗室開放研究基金（TJKLAST-2011-11）及天津市濱海新區科技創新專項資金資助“十大戰役”重大科技支撐（2011-BH140003）項目。

及聯系人：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。