典型表面活性劑對污泥脫水性能的影響研究

吳姁，張學偉，秦燚鶴，李松，岳樸，何緒文

(中國礦業大學(北京)，北京 100083)

焦化廢水經過生化處理后，產生富含大量有機物、重金屬、病原類微生物的剩余污泥，這些污泥的處置面臨著巨大的環境問題，因此研究焦化污泥減量化具有很強的實踐意義[1-2]。在污泥脫水之前進行化學調理，可以在提高污泥壓縮性和脫水性的同時，降低后續處理成本[3-6]。

胞外聚合物(EPS)占污泥質量的50%～90%，EPS的組分中含有親水性陰離子官能團[7-9]。而表面活性劑具有親水親油能力，可以吸附在污泥顆粒表面，破壞EPS，改變固體顆粒表面特性，提高污泥的脫水性能[10]。

本文擬研究典型離子型表面活性劑對焦化污泥脫水性能的影響，為此選擇CTAB和SDBS分別作為代表性陽離子和陰離子表面活性劑。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

污泥，取自于內蒙古烏海市某焦化污水處理廠濃縮池，其主要性質見表1；CTAB、SDBS均為分析純。

表1 污泥的基本性質Table 1 Basic properties of sludge

HD2010W電動攪拌器；DHG-9030電熱鼓風干燥箱；ME204E電子天平；哈希2100Q濁度儀；SF-TTGL-20A 型離心機；DV3T流變儀；污泥比阻實驗裝置由抽濾裝置與真空泵相連組成，自組裝。

1.2 污泥調理

200 mL污泥中加入藥劑，以400 r/min攪拌 1 min，100 r/min攪拌5 min，使之充分反應，靜置 10 min。分別取2個50 mL污泥樣品測定污泥比阻(SRF)和濾餅含水率(WC)，另取2個50 mL樣品測污泥含水率(WL)。實驗重復3遍。

1.3 指標測定

1.3.1SRF采用污泥比阻實驗裝置(見圖1)進行測定。

比阻測定裝置的布氏漏斗中提前鋪有烘干的定性濾紙。取50 mL污泥倒入布氏漏斗中，以 0.06 MPa 定壓抽濾，以10 s的間隔記錄不同抽濾時間的濾液體積(V)，直至濾餅破裂[11-13]。按式(1)計算污泥比阻。

(1)

式中r——污泥比阻，s2/g；

P——過濾壓力，g/cm2；

μ——濾液黏度，g/cm·s；

b——t/V值與V值呈直線關系的斜率，s/cm6；

F——布氏漏斗的內底面積，cm2；

ω——單位體積濾液中濾餅固體的重量，g/cm3。

采用以下公式計算：

(2)

式中Ci——泥餅初始含水率，%；

Cf——泥餅最終含水率，%。

1.3.2WC抽濾濾餅破裂后停止抽濾，取下漏斗內的污泥濾餅，放入105 ℃烘箱中烘至恒重。

(3)

式中S1——離心完后污泥重量，g；

S2——在105 ℃下烘干至恒重的濾餅重量，g。

1.3.3WL調理完的污泥在8 000 r/min的速度下離心20 min，污泥用烘箱在105 ℃下烘至恒重，計算污泥含水率[6]。

1.3.4 上清液化學需氧量(ΔCOD) 根據國標法《HJ 828—2017》對離心后的上清液進行化學需氧量測定。

1.3.5 濁度 取離心完的上清液測定濁度。

1.3.6 表觀黏度 取調理完的污泥，采用流變儀，剪切速率為200 s-1，每5 s記錄1次黏度。

1.3.7 比表面積和吸附孔徑 離心后的泥餅烘干后進行比表面積和吸附孔徑的測定。

1.3.8 SEM分析 將原污泥和調理后的污泥烘干后進行SEM分析。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑對污泥脫水性能的影響

2.1.1 表面活性劑對SRF與WC的影響SRF表示污泥過濾的難易，WC表示污泥過濾的效能[6]。兩種表面活性劑投加量對WC和SRF的影響見圖2和圖3。

圖2 SDBS投加量對SRF和WC的影響Fig.2 Effect of SDBS dosage on SRF and WC

圖3 CTAB投加量對SRF和WC的影響Fig.3 Effect of CTAB dosage on SRF and WC

由圖可知，SRF和WC開始均呈現下降趨勢，添加SDBS后，SRF由不加表面活性劑的1.04×1011s2/g 降低到3.57×1010s2/g，WC從83.97%降至79.80%；添加CTAB后，SRF降低到2.76×1010s2/g，WC降至77.91%。SRF和WC的下降主要因為表面活性劑破壞了污泥絮體結構，導致污泥絮體內部的間隙水和污泥內部的結合水被釋放出來，從而提高了污泥脫水性[14-15]。

由圖2可知，當SDBS用量>600 mg/L時，SRF曲線趨于平緩，含水率曲線略微上升，這可能因為過量的SDBS會將部分游離水重新吸附包裹在污泥絮體中，導致其脫水性能變差；由圖3可知，當CTAB投加量>300 mg/L時，污泥比阻SRF持續增大，含水率持續上升，這可能因為過量的CTAB使污泥顆粒帶上正電荷，膠體顆粒因為帶有正電荷，導致分散穩定，所以污泥脫水困難[16]。

2.1.2 表面活性劑對WL的影響 圖4是兩種藥劑不同加藥量調理后的WL變化情況。

圖4 藥劑投加量對WL的影響Fig.4 Effect of dosage on WL

由圖4可知，經600 mg/L的SDBS調理后的污泥，WL由90.42%降至到88.09%，WC能降至79.80%；而經300 mg/L的CTAB調理后的污泥，WL降至86.16%，WC降至77.91%。這表明真空過濾比離心脫水更有效，這可能是由于真空過濾過程中污泥餅的壓縮性高于常規離心所導致的[17-18]。

2.1.3 表面活性劑對污泥表觀黏度的影響 一般來說表觀黏度越大，污泥脫水性能越差[19]。從流體力學角度看，污泥脫水性能是其流變性能的反映。污泥的EPS和相對穩定的膠狀網絡結構是影響其表觀黏度的主要原因。加入表面活性劑后，可以破壞EPS，菌膠團離子沿流動方向排列，流動阻力減小，表觀黏度降低。而當表面活性劑加入過多時，菌膠團流變性被徹底破壞，表面黏度升高，脫水性能變差[19-21]。不同調理后污泥表觀黏度隨時間的變化見圖5。

圖5 污泥表觀粘度Fig.5 Apparent viscosity of sludge

由圖5可知，經過300 mg/L的CTAB調理后，污泥的表面黏度在600 s時達到極限黏度5 mPa·s；經過600 mg/L的SDBS調理后，黏度在600 s時達到10 mPa·s；原泥在600 s時達到25 mPa·s。說明300 mg/L的CTAB調理的污泥脫水性能好于經過600 mg/L的SDBS調理后的污泥。

2.2 表面活性劑對上清液濁度和ΔCOD影響

表面活性劑調理污泥所釋放EPS的量，用ΔCOD表示。由于添加表面活性劑有助于COD，因此使用COD(污泥中添加表面活性劑調理)和SDBS(超純水中單獨添加表面活性劑調理)之間的差異計算ΔCOD，結果見表2。

ΔCOD=COD-CODSDBS(CODCTAB)

(4)

由表2可知，當SDBS的添加量為600 mg/L時，上清液ΔCOD由174 mg/L增加到218 mg/L，而添加相同劑量的CTAB釋放的EPS(290 mg/L)更多，可能因為CTAB不僅具有較低的CMC(臨界膠束濃度0.85)[6，11]，還具有較高的表面活性和表面電荷密度，因此，CTAB與絮體發生的相互作用更強烈，從而釋放出更多的EPS[6]。但是當EPS溶出過多時，過量的EPS將細胞與污泥絮體界面水和結合水緊密結合，從而影響污泥的脫水性能[22]。有研究表明，從污泥中去除過量的EPS后，脫水性能得到改善[23]。

添加表面活性劑可以將胞外聚合物包裹的顆粒釋放出來，分散粒子濃度可以通過測定上清液濃度來衡量。由表2可知，藥劑投加量增大時，濁度增大，藥劑過量時，分散粒子又重新形成絮凝作用，所以濁度減小[24]。

2.3 表面活性劑對過濾速度的影響

圖6是抽濾污泥1 min濾液量隨藥劑投加量變化的關系。

由圖6可知，一定量的表面活性劑可以增大污泥的過濾速度，調理后的污泥過濾速率明顯比原污泥快。但是隨著調理劑的加入增大，調理完的污泥和原泥之間的差距不斷增大，當SDBS加藥量>600 mg/L，CTAB加藥量>300 mg/L，濾液量減少，這可能是因為污泥比阻增大，導致脫水困難，過濾速度減慢。

圖6 藥劑投加量對過濾速度的影響Fig.6 Effect of dosage on filtration speed

2.4 表面活性劑對粒度和比表面積的影響

污泥絮體是因為EPS這種大分子物質聯合重金屬發揮架橋作用從而連接污泥初級顆粒、微生物細菌和膠體粒子所形成的，所以在一定程度上，污泥的脫水性能受到胞外聚合物影響[25-26]。由表3可知，調理前后污泥粒徑變化范圍不是很大，調理前后粒徑范圍變化趨勢是遞減的，這是因為經過調理，EPS脫落于水中，從而導致原來由于EPS的架橋作用而包裹在一起的很多初級小顆粒和細菌等溶入水中，上清液中ΔCOD增高，污泥粒徑在此過程中由于絮凝作用的減弱而減小[24，27]。

由表3可知，300 mg/L的CTAB調理后，泥的三種結構性能(粒徑、比表面積和吸附孔徑)均顯著下降，說明調理后的污泥餅具有較低的多孔結構和較強的壓實度[6]。

表3 最優情況下表面活性劑調理前后泥餅的結構特性Table 3 Structural characteristics of mud cake before and after surfactant conditioning

2.5 SEM分析

調理前后污泥的微觀形貌及堆積松散程度見 圖7～圖9。

圖7 原污泥掃描電鏡圖Fig.7 SEM of raw sludge

圖8 600 mg/L SDBS調理后掃描電鏡圖Fig.8 SEM of 600 mg/L SDBS after conditioning

圖9 300 mg/L CTAB調理后掃描電鏡圖Fig.9 SEM of 300 mg/L CTAB after conditioning

由圖7可知，未調理的污泥結構緊密，所形成的過濾通道很少，因此水很難從污泥中脫離出來，從而導致SRF過大，過濾速度很慢，泥餅含水率較高。由圖8可知，經過600 mg/L的SDBS調理后，污泥絮體變大，表面呈分散狀態，泥餅孔隙率增大，有利于污泥脫水。由圖9可知，經過300 mg/L的CTAB調理后，污泥絮體被破壞的更厲害，污泥絮體中更多的束縛水被釋放出來。

3 結論

(1)使用SDBS和CTAB調理污泥，污泥脫水性能均得到明顯的改善；且CTAB效果明顯優于SDBS。

(2)CTAB濃度為300 mg/L時，污泥的脫水性能最好，過濾速率快，WC從83.97%降至79.80%，離心濾餅含水率降至88.09%，SRF由1.04×1011s2/g 降低至2.76×1010s2/g。

(3)表面活性劑投加量越大，EPS溶出越多，上清液ΔCOD越高，表面活性劑投加量在一定范圍內，減少了污泥顆粒間的間隙水，所以脫水污泥的含水率降低。

(4)經過CTAB調理后，污泥這三種結構性能(粒徑、比表面積和吸附孔徑)均顯著下降，說明調理后的污泥餅具有較低的多孔結構和較強的壓實度。

(5)CTAB和SDBS調理后的污泥比原污泥絮體體積變大，且CTAB調理后的污泥更加松散。