剩余污泥自絮凝特性及關鍵影響因素作用分析

赫俊國，龐鶴亮，張立洲，鄭硯石，劉甜甜，張　杰,2

(1.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，150090 哈爾濱； 2.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，150090 哈爾濱)

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剩余污泥自絮凝特性及關鍵影響因素作用分析

赫俊國1，龐鶴亮1，張立洲1，鄭硯石1，劉甜甜1，張杰1,2

(1.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，150090 哈爾濱； 2.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，150090 哈爾濱)

摘要:為解決污泥減量化處理過程中藥耗或能耗過高、污泥量增加等問題，提出利用污泥自身胞外聚合物(EPS)產生的自絮凝調理來促進其脫水性能，通過正交實驗和單因素實驗考察污泥質量濃度、攪拌強度和攪拌時間對污泥自絮凝特性的影響，分析污泥毛細吸水時間(tCST)、污泥容積指數(SVI)、污泥粒徑和Zeta電位的變化規律.結果表明，自絮凝可增大污泥粒徑，提高污泥疏水性，減少絮體表面Zeta電位的影響，從而改善污泥脫水性能和沉降性能.在最佳參數(污泥質量濃度18 g·L-1、攪拌強度200 r/min、攪拌時間3.5 min)條件下，自絮凝后污泥體積平均粒徑增加11.4%，Zeta電位升高19.0%，tCST降低17.1%，SVI降低8.1%，效果顯著.所考察的因素對自絮凝作用的影響程度依次為：污泥質量濃度>攪拌時間>攪拌強度.較高的污泥質量濃度、攪拌強度和攪拌時間均有利于提高自絮凝效果，而當污泥質量濃度、攪拌強度或攪拌時間大于最佳參數時，自絮凝效果則逐漸減弱.研究成果提供了利用污泥自身特性進行調理的新思路，可為優化污泥調理方式、降低調理藥耗和減少污泥產量提供技術支持.

關鍵詞:剩余污泥；自絮凝；脫水性能；沉降性能；粒徑；Zeta電位

剩余污泥是活性污泥法處理污水的副產物，具有組分復雜、性質易變、處理處置困難等特點，極易造成二次污染[1-2].脫水減容是剩余污泥處理處置的關鍵步驟，然而剩余污泥受“粘膠相區”的影響，高效脫水困難[3].研究表明，對剩余污泥調理后再進行脫水能夠提高脫水效率[4-5].目前常用的調理方法主要有化學調理和物理調理[6-8].Lee等[9-11]分別采用高分子聚合電解質、微波輻射和凍融方法調理污泥，發現污泥脫水性能均明顯改善；Shi等[12]考察了Fe2+和過硫酸鹽對污泥的調理效果，發現兩者的協同作用可以通過改善絮體骨架結構從而提高污泥脫水性能；Yuan等[13]則發現電化學與表面活性劑聯用對污泥的調理效果優于單獨調理.化學調理是目前普遍采用的調理方法，但其存在藥耗高、污泥產量增大等弊端[14].傳統的物理調理則存在能耗高、成本昂貴、對設備和操作要求高等弊端，目前難以大范圍推廣.因此，如何降低污泥調理藥耗和能耗，并最大限度減少污泥增量是目前污泥調理所面臨的重要問題.

近年來，有研究學者提取污泥中微生物分泌的胞外物質進行培養、富集，制成生物絮凝劑對污泥進行調理，取得了良好的效果，但成本高昂[15-16].而直接利用污泥自身胞外聚合物(EPS)在調理過程中發揮生物絮凝作用的自絮凝現象的研究未見相關報道[17].在前期研究工作中發現，通過對污泥攪拌能夠促進污泥發揮自絮凝作用，在一定程度上改善污泥脫水性能，該過程的機理、控制、優化均有待深入研究.本研究以剩余污泥為研究對象，探究污泥質量濃度、攪拌強度和攪拌時間對污泥自絮凝特性的影響，考察自絮凝過程中污泥脫水性能和絮體理化性質的變化規律，確定自絮凝主要影響因素及最佳參數，分析污泥自絮凝作用機理，以期提出一種低成本、環境友好的新型污泥調理方法，為減少污泥調理藥耗和能耗，降低污泥處理處置成本，實現污泥高效調理和脫水提供技術支持.

1實驗

1.1實驗污泥

原始污泥取自哈爾濱市文昌污水廠二沉池剩余污泥.污泥取回后儲存在冰箱(4 ℃)中保存，使用前在室溫下靜沉8 h，去除部分上清液后作為實驗污泥待用.原始污泥基本指標如表1所示.

表1　原始污泥基本指標

1.2檢測指標及分析方法

污泥含水率和MLSS采用重量法測定[18]；污泥容積指數SVI(sludge volume index)采用標準方法測定[18]；污泥毛細吸水時間tCST(capillary suction time)采用CST測定儀(Triton 304M，英國)測定，漏斗采用18 mm圓槽漏斗，濾紙采用Whatman17#層析濾紙[19]；污泥Zeta電位采用Zeta電位測定儀(Malvern Zetasizer Nano ZS90，英國)測定；污泥粒徑以體積平均粒徑表征，采用激光粒度分析儀(Malvern Mastersizer 2000，英國)測定.

以tCST表征污泥脫水性能[20]，以SVI表征污泥沉降性能，以污泥粒徑和Zeta電位分析污泥絮體理化性質[21-24].全部指標均在取樣后10 min內進行測定.各指標均測3組平行樣，取平均值為最終結果.

1.3實驗方法

通過正交實驗和單因素實驗的方法考察剩余污泥自絮凝特性.全部實驗采用燒杯攪拌實驗進行，通過六聯攪拌機(MY3000-6M，武漢梅宇儀器設備有限公司)完成.

1.3.1正交實驗

污泥自絮凝特性的影響因素主要包括污泥性質和攪拌參數.在前期預實驗中發現，污泥質量濃度對自絮凝效果具有顯著影響，而攪拌參數主要包括攪拌強度和攪拌時間.因此，在控制pH等其他污泥性質不變的情況下，以tCST變化率為評價指標，選擇污泥質量濃度、攪拌強度和攪拌時間3個因素，每個因素選取5個水平，采用正交設計表L25(56)設計實驗[25].各因素設計水平如表2所示，實驗計劃如表3所示.

表2　正交實驗因素水平表

取1 L不同質量濃度的實驗污泥置于1 L的圓形燒杯中，按表3中實驗計劃進行攪拌.攪拌后從同一高度的取樣口處取10 mL污泥樣品，測定污泥tCST，計算tCST變化率，即自絮凝后與自絮凝前tCST差值與自絮凝前tCST的比值，并對結果進行均值分析和極差分析，確定最佳自絮凝參數范圍，分析各因素對tCST影響的顯著程度.

1.3.2單因素實驗

在正交實驗的基礎上，通過單因素實驗考察各因素對污泥自絮凝效果的影響.在控制其余因素為正交實驗確定的最佳參數的條件下，分別考察污泥質量濃度、攪拌強度和攪拌時間中單一因素變化時，自絮凝后污泥脫水性能、沉降性能和理化性質指標的變化規律，分析作用機理，并確定實驗條件下的自絮凝最佳參數.

取1 L實驗污泥置于1 L的圓形燒杯中，按相應的實驗計劃進行攪拌.攪拌后從同一高度的取樣口處取3組10 mL污泥樣品，測定污泥tCST、粒徑和Zeta電位，取一組250 mL污泥樣品，測定污泥SVI.

2結果與分析

2.1自絮凝影響因素分析及最佳參數范圍確定

根據設計的正交實驗，考察不同參數下自絮凝后污泥tCST變化率，并將實驗數據進行直觀分析，計算各因素均值(即各因素同一水平的結果之和的平均值)，以及極差(即各因素最大均值與最小均值之差)[25]，結果如表3所示.

表3　正交實驗設計參數及直觀分析結果

由表3可以看出，不同參數條件下，自絮凝后污泥tCST變化率在-17%~14%內變化.tCST變化率為負值時表明自絮凝后tCST降低，污泥脫水性能改善，且其越低，脫水性能改善程度越大;而tCST變化率為正值時表明自絮凝后tCST升高，污泥脫水性能惡化.分析可知，污泥在攪拌過程中發生了自絮凝作用，使tCST降低，脫水性能改善[16].然而，在一定參數條件下，自絮凝也可能導致污泥tCST升高，脫水性能惡化.因此，選擇合理的參數是實現自絮凝良好效果的關鍵.

由表3中極差分析知，各因素對自絮凝影響的顯著程度依次為：污泥質量濃度>攪拌時間>攪拌強度，其中污泥質量濃度對自絮凝效果的影響最大，攪拌時間和攪拌強度次之，且顯著程度相近.由表3中均值分析知，正交實驗確定的最佳參數組合：污泥質量濃度20 g·L-1、攪拌強度250 r/min、攪拌時間4 min，說明自絮凝最佳參數在該參數附近，需通過單因素實驗進一步確定.

2.2污泥質量濃度對自絮凝效果的影響

為研究污泥質量濃度對自絮凝效果的影響，在正交實驗確定的最佳污泥質量濃度20 g·L-1附近選取16、18、20、22、24 g·L-15個污泥質量濃度進行分析，考察在攪拌強度250 r/min和攪拌時間4 min的條件下，不同質量濃度污泥經自絮凝后tCST、SVI、粒徑、Zeta電位的變化，結果如圖1所示.

由圖1可以看出，不同質量濃度的污泥經自絮凝后tCST和SVI均降低，脫水性能和沉降性能改善，污泥粒徑和Zeta電位則不同程度升高.研究表明，一般情況下，污泥粒徑增大有利于脫水性能改善[26].根據DLVO理論，Zeta電位的升高能夠減弱污泥絮體與水的極性作用，增強污泥疏水性，使絮體內的部分結合水轉化為自由水，從而改善污泥脫水性能[22].因此，污泥粒徑和Zeta電位升高表明污泥絮體性質改善，有利于脫水性能的提高.分析可知，自絮凝對污泥絮體具有絮凝聚集作用，能夠增大污泥粒徑，并在此過程中打破原有污泥穩定體系，使污泥Zeta電位升高，改善絮體理化性質和水分分布，提高污泥疏水性，從而改善污泥脫水性能和沉降性能[17, 27].

隨著污泥質量濃度增大，自絮凝后污泥tCST降低率、SVI降低率和Zeta電位升高率均呈先升高后波動降低趨勢，污泥粒徑增大率則始終呈不斷增大趨勢.當污泥質量濃度為18 g·L-1時，自絮凝后污泥tCST降低率最高為14%，SVI降低率最高為6.8%，Zeta電位升高率最高為18.8%.當污泥質量濃度為24 g·L-1時，污泥粒徑增大率最高為8%.分析可知，當污泥質量濃度小于18 g·L-1時，較大的污泥質量濃度能夠促進自絮凝發揮作用，有利于污泥絮體間的絮凝聚集，增大污泥粒徑和Zeta電位，改善污泥脫水性能和沉降性能；當污泥質量濃度大于18 g·L-1時，過高的污泥質量濃度仍有利于絮體間絮凝聚集和粒徑增大，但形成的絮體結構松散，理化性質逐漸惡化，導致脫水性能和沉降性能改善程度逐漸降低.因此，實驗條件下自絮凝最佳污泥質量濃度為18 g·L-1.

對圖1中數據進行分析可知，自絮凝過程中，污泥質量濃度對tCST和Zeta電位影響較大，兩者變化率在5.1%~18.8%內；對SVI和粒徑的影響較小，兩者變化率在-2%~8%內.

圖1　不同質量濃度污泥經自絮凝后各指標的變化

2.3攪拌參數對自絮凝效果的影響

為研究攪拌參數對污泥自絮凝效果的影響，選擇攪拌時間和攪拌強度為分析目標，考察污泥經不同攪拌時間和不同攪拌強度的自絮凝后tCST、SVI、粒徑、Zeta電位的變化.在污泥質量濃度18 g·L-1和攪拌強度250 r/min的條件下，在正交實驗確定的最佳攪拌時間4 min附近選取3、3.5、4、4.5、5、5.5 min 6個攪拌時間進行分析，結果如圖2所示.在污泥質量濃度18 g·L-1和攪拌時間4 min的條件下，在正交實驗確定的最佳攪拌強度250 r/min附近選取100、150、200、250、300、350 r/min 6個攪拌強度進行分析，結果如圖3所示.

由圖2可以看出，污泥經自絮凝后tCST由原泥31.6 s降至26.3~28.8 s，降低率為8.7%~16.6%；SVI由原泥55.15 mL·g-1降至50.92~52.17 mL·g-1，降低率為5.4%~7.7%；污泥粒徑由原泥78.56 μm變至77.51~86.43 μm，增大率為-1.3%~10%，其中攪拌時間大于5 min時，自絮凝后污泥粒徑小于原泥粒徑；Zeta電位由原泥-13.4 mV升高至-11.8~-10.9 mV，升高率為12.2%~18.9%.

如圖3所示，污泥經自絮凝后tCST由原泥32.5 s降至26.9~29.8 s，降低率為8.2%~17.1%；SVI由原泥57.26 mL·g-1降至52.62~53.93 mL·g-1，降低率為5.8%~8.1%；污泥粒徑由原泥75.15 μm增大至77.6~83.7 μm，增大率為3.3%~11.4%；Zeta電位由原泥-13.1 mV升高至-11.7~-10.6 mV，升高率為10.6%~19%.

由圖2和圖3分析可知，自絮凝能夠增大污泥粒徑，改善絮體理化性質，進而改善污泥脫水性能和沉降性能，說明自絮凝確實對污泥絮體具有絮凝聚集作用.該結果驗證了2.2中的分析結論.隨著攪拌時間延長和攪拌強度增大，自絮凝后污泥tCST、SVI呈先降低后升高的趨勢，Zeta電位和污泥粒徑呈先升高后降低的趨勢，各指標均在攪拌時間為3.5 min和攪拌強度為200 r/min處出現轉折.分析可知，當攪拌時間小于3.5 min或攪拌強度小于200 r/min時，污泥自絮凝效果隨攪拌時間延長或攪拌強度增大而提高，較長的攪拌時間和較大的攪拌強度均有利于自絮凝發揮作用，促進污泥絮體間的絮凝聚集，改善污泥脫水性能和沉降性能；而當攪拌時間大于3.5 min或攪拌強度大于200 r/min時，自絮凝效果隨攪拌時間延長或攪拌強度增大而逐漸減弱，過長的攪拌時間和過大的攪拌強度均會使通過自絮凝形成的絮體被打散，導致污泥粒徑逐漸減小，絮體結構遭到破壞，理化性質和水分分布逐漸惡化，進而導致污泥脫水性能和沉降性能改善程度逐漸降低[10, 28].因此，剩余污泥自絮凝最佳參數為：污泥質量濃度18 g·L-1，攪拌強度200 r/min，攪拌時間3.5 min.

同時，對圖2和圖3中各指標數據進行分析可知，污泥自絮凝過程中，攪拌時間和攪拌強度均對tCST和Zeta電位影響較大，對SVI和污泥粒徑的影響則較小.

圖2　不同攪拌時間下污泥自絮凝后各指標的變化

圖3　不同攪拌強度下污泥自絮凝后各指標的變化

2.4經濟性分析

含水率為98%濃縮后污泥的tCST一般為30~34 s，一般認為，tCST低于20 s時即為易脫水污泥[14, 29]，因此，在污泥處理過程中需通過調理將tCST降低約40%.由本文實驗結果可知，在最佳自絮凝參數條件下，自絮凝后污泥tCST降低率可達17.1%.理論計算可知，對自絮凝后的污泥進行化學調理，可降低投藥量約42%，若以FeCl3(投藥量以0.07~0.1 g/g干污泥計)和生石灰(投藥量以0.2~0.25 g/g干污泥計)調理為例[14]，含水率為80%的污泥產量以4 000萬t/a計，可降低FeCl3藥耗23.2~33.6 萬t/a，降低生石灰投藥耗67.2~84萬t/a，減少污泥產量453.6~588萬t/a(含水率以80%計)，經濟效益和社會效益顯著.

3結論

1)剩余污泥可以通過自絮凝進行調理，實驗條件下確定的自絮凝最佳參數為：污泥質量濃度18 g·L-1、攪拌強度200 r/min、攪拌時間3.5 min，tCST降低率可達17.1%，SVI降低率可達8.1%，脫水性能和沉降性能均有所改善.

2)污泥質量濃度、攪拌強度和攪拌時間均可影響自絮凝效果，各因素對自絮凝效果影響的顯著程度依次為：污泥質量濃度>攪拌時間>攪拌強度，其中攪拌強度和攪拌時間的顯著程度相近.

3)較高的污泥質量濃度、攪拌強度和攪拌時間均有利于提高污泥自絮凝效果，但當污泥質量濃度大于18 g·L-1、攪拌時間大于3.5 min或攪拌強度大于200 r/min時，自絮凝效果逐漸減弱.

4)自絮凝對污泥絮體具有絮凝聚集作用，可增大污泥粒徑，改善污泥Zeta電位，進而打破原有污泥穩定體系，改善絮體內部水分分布和污泥疏水性，從而提高污泥脫水性能和沉降性能.

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(編輯劉彤)

Analysis of characteristics and key factors of excess sludge self-flocculation

HE Junguo1, PANG Heliang1, ZHANG Lizhou1, ZHENG Yanshi1, LIU Tiantian1, ZHANG Jie1,2

(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment(Harbin Institute of Technology),150090 Harbin, China)

Abstract:To solve the existing problems, such as sludge volume increasing, high consumption of chemical reagent and energy during the sludge treatment and disposal, a sludge conditioning method, called self-flocculation, was proposed. This approach enhanced the dewatering efficiency of sludge via the utilization of the self-flocculation function of the extracellular polymeric substance (EPS). By orthogonal and single factor experiments, the impacts of sludge concentration, stirring intensity and stirring time on the sludge self-flocculation were investigated. Meanwhile, the corresponding variation of the capillary suction time (tCST), sludge volume index (SVI), particle size and Zeta potential were also analyzed. Experimental results indicated that self-flocculation could enlarge the particle size of sludge and decrease the effect of flocs Zeta potential. Therefore, hydrophobicity, dewaterability and settleability of sludge were improved. Under the optimal self-flocculation conditions (sludge concentration, 18 g/L, stirring intensity, 200 r/min, stirring time, 3.5 min), the particle size and Zeta potential of the sludge increased 11.4% and 19%, respectively, while the tCSTand SVI could be respectively reduced by 17.1% and 8.1%. In addition, the significant effects of operational parameters on self-flocculation showed a decreased trend of sludge concentration > stirring intensity > stirring time. A higher sludge concentration, stirring intensity and stirring time was beneficial to the sludge self-flocculation. However, once each of the three parameters was higher than that at the optimal condition, sludge self-flocculation would weaken gradually. This study provided a new approach for sludge conditioning by using the sludge self-characteristics.

Keywords:excess sludge; self-flocculation; dewaterability; settleability; particle size; Zeta potential

中圖分類號:X705

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)02-0027-06

通信作者:赫俊國，junguohe@263.net.

作者簡介:赫俊國(1970—)，男，教授，博士生導師；

基金項目:國家自然科學基金 (51278143)；

收稿日期:2015-09-16.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.005

國家重大科技專項 (2014ZX07202-011).

張杰(1938—)，男，博士生導師，中國工程院院士.