污泥调理剂的研究进展

熊 唯，刘 鹏，刘 欢，时亚飞，侯海攀，杨家宽

(华中科技大学 环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

污泥调理剂的研究进展

熊 唯，刘 鹏，刘 欢，时亚飞，侯海攀，杨家宽

(华中科技大学 环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

介绍了复合型污泥脱水调理剂的研发进展，着重讨论了不同类型污泥调理剂的复配使用方法，指出使用复合型调理剂或复配调理剂可提高污泥脱水性能，并探讨了污泥处理与处置一体化的可能性。

调理剂;污泥脱水;复配;复合调理剂

城市化进程的加快导致污水处理厂污泥量日益增长。污泥颗粒小、有机质含量高、含水率高［1－2］，脱水困难，成为污泥处理处置的瓶颈问题。污泥脱水前必须进行物理、化学调理改善其脱水性能，便于后续处理处置［3－4］。化学调理效果可靠，设备简单，操作方便，被长期广泛采用［5］。而化学调理的核心就是调理剂的研发。

现有污泥调理剂的开发一般参照水处理絮凝药剂制备的原理和方法。单组分的污泥调理剂往往无法达到理想的脱水效果。现阶段污水厂脱水后的泥饼含水率高达80%左右，给卫生填埋、焚烧等后续处置带来困难［6］。为了进一步降低污泥含水率，国内外研究者开始研发复合型调理剂或将调理剂复配使用，以提高污泥的脱水性能。

目前，污泥脱水处理中复合型调理剂与调理剂的复配使用没有严格的定义，参考水处理调理剂的相关文献［7－12］可对其做如下定义:复合型调理剂是指两种或两种以上传统单组分调理剂经过一定反应形成新的高分子聚合物或复合体系的调理剂，如壳聚糖(CTS)与有机单体丙烯酰胺(AM)接枝共聚制得壳聚糖衍生物(CAM);调理剂的复配使用是指将不同的调理剂按照一定的比例配合，同时或分步投加，使其发挥协同作用而显著改善污泥脱水性能的手段，如混凝剂氯化铁与高分子絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)的复配使用。

本文介绍了复合型调理剂的研发现状，并对调理剂的复配使用进行了深入阐述。

1 复合调理剂的研发

近年来，学者们对于污泥复合调理剂的研究大多集中在有机合成高分子絮凝剂与天然改性高分子絮凝剂上。相对单组分的调理效果，复合调理剂的调理效果较好。达到相同调理效果时，复合调理剂中单组分用量比单独使用各组分少，有助于降低药剂成本。此外，复合调理剂可一次性投加。但是，复合调理剂制备工艺复杂，反应条件苛刻，可能增加制备成本。

吴幼权等［13］采用 CTS与 AM 接枝共聚制得CAM，并将其与阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)进行复合，得到复合絮凝剂CAM－CPAM，用于调理污泥。当CAM－CPAM加入量为30 mg/L时效果最佳，污泥脱水率达90%;而单独使用CPAM 或CTS，最佳加入量均为40 mg/L时污泥脱水率仅分别为75%，65%左右。

杜丽英等［14］将CTS分别与AM、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酸3种单体中的1种或2种通过接枝共聚合成3种壳聚糖接枝共聚物。其中，阳离子型共聚物调理效果最优，可使泥饼含水率下降9.4%，而单独使用CTS调理后的泥饼含水率只下降了7.6%。

詹怀宇等［15］利用木素磺酸钙与丙烯酰胺接枝共聚物经过Mannich反应制备两性絮凝脱水剂LSDC调理污泥，污泥比阻降低了59%，污泥脱水率可达87%，比单独使用CPAM调理的污泥脱水率高22%左右。

此外，在无机－有机复合调理剂方面，刘立华等［16］用强阳离子电解质聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC)与聚合硫酸铁(PFS)反应制得复合絮凝剂。当PFS质量浓度(以Fe计)为422.0 mg/L、PDMDAAC质量浓度为30 mg/L时比较适宜，调理后污泥比阻降低了91.6%，比单独加入等量PFS调理后的污泥比阻降低率多30.4%，比单独使用50 mg/L的PDMDAAC调理的污泥比阻降低率多5.9%。文献［17］指出，无机－阳离子高分子复合絮凝剂主要通过增加正电荷密度来增强对污泥电负性絮体的电中和作用，以达到絮凝增效作用。

污泥复合调理剂尚未形成工业化产业，其主要原因是制备方法繁琐。有关复合调理剂的性能、复合作用机理等还有待深入探讨。

2 调理剂的复配使用

将不同的污泥脱水调理剂复配使用是目前污泥调理研究的主要趋势。污泥调理剂根据其作用机理不同可划分为三类，污泥调理剂的分类见表 1［5，7］。

表1 污泥调理剂的分类

调理剂复配使用方法的分类见图1。复配使用操作方便，复配种类多样。同时，可选择不同特性的调理剂复配对污泥进行物化改性以适应不同的污泥后续处置方式，污泥脱水调理剂的复配使用为进一步提高污泥脱水性能、降低调理成本提供了途径。

图1 调理剂复配使用方法的分类

2.1 以混凝剂为主的调理剂复配

混凝剂以无机低分子调理剂为主，来源广，生产工艺简单，价格低廉。郦光梅等［18］比较了氯化铁、硫酸铝、氯化铝复配使用与使用GD－112有机高分子絮凝剂调理污泥的效果:当铁盐、铝盐的加入量均为2 g/L、GD－112加入量为0.05 g/L时，两者经济成本相当，结果表明投加混凝剂调理后污泥比阻降低了70%，比投加GD－112有机高分子絮凝剂的污泥比阻降低率高33%;该作者还提出，混凝剂更有利于降低污泥比阻，改善污泥脱水性能，同时调节污泥成分，有利于后续建材化利用。

2.2 以絮凝剂为主的调理剂复配

在广泛使用的高分子絮凝剂中，有机高分子絮凝剂PAM及其衍生物使用最广泛;无机高分子絮凝剂比传统低分子调理剂效果优异，而价格较有机高分子絮凝剂低廉［19］。微生物絮凝剂具有环境、经济双重效益，但目前还处于实验室研究阶段。以高分子絮凝剂为主的复配和以微生物絮凝剂为主的复配是现阶段研究的热点。

2.2.1 以高分子絮凝剂为主的调理剂复配

以高分子絮凝剂为主的复配包括有机－无机高分子絮凝剂的复配和多种有机高分子絮凝剂的复配。

有机高分子絮凝剂投加量少，絮凝能力强，但存在难降解、有生物毒性［20－22］、成本高等问题;无机高分子絮凝剂价格较低，但用量大，易残留铝、铁等造成二次污染，因此有机－无机高分子絮凝剂复配使用有助于弥补单独使用的不足。PAM和聚合氯化铝复配［23］使用可使泥饼含水率降低17.95%。CTS与聚合氯化铝复配［24］调理后的污泥比阻降低了74.5%，比单独使用CTS调理的比阻降低率高13.7%。

有机与无机高分子絮凝剂的调理机理不同，复配使用有助于各组分充分发挥作用，增强调理效果。文献［25］指出，无机高分子絮凝剂在水中电离出的正电离子可中和污泥表面电荷，压缩双电层，降低颗粒的表面电动电位，减小污泥颗粒间斥力，促进凝聚。有机高分子絮凝剂在水中溶解发生电离并通过氢键、共价键等与污泥的固体颗粒发生吸附。高分子絮凝剂分子链很长，且链上有很多活性阳离子基团，可在水中充分伸展并同时黏结多个颗粒，形成絮团。

另有学者研究了多种有机絮凝剂复配使用的效果，复配组分主要集中于阴离子、阳离子、非离子高聚物和天然高分子絮凝剂。合成有机高分子絮凝剂调理成本较高，而天然改性高分子原料广、价格低［26］;常用污泥调理剂PAM 的单体易残留在污泥中［27］，具有“三致”效应［28］，而天然改性高分子具有无毒、易于生物降解等特点［29］，两者复配有望降低调理后污泥的毒性。Bradley等［30］用环糊精与PAM进行复配，环糊精中和了絮凝剂调理后污泥颗粒表面的多余电荷，从而促进凝聚，同时复配使用具有显著经济性。Glover等［31］将短链聚丙烯酸分别与长链阳离子、阴离子聚合物进行复配，用于调理污泥，过滤后的泥饼含水率比单独使用阴离子聚合物调理后的泥饼含水率分别减少了6.4%，2.9%;Lee等［32］比较了阳离子聚合物KP－201与非离子聚合物NP－800复配及单独使用的效果，发现先加KP－201后加NP－800的调理效果最好，污泥的比阻降低率比单独使用KP－201调理的高14.7%。

有机絮凝剂的吸附架桥作用使污泥微小颗粒聚集成较大颗粒，有利于离心脱水。有机絮凝剂的投加对污泥中大量有机物、微生物、重金属和水分［33－34］的稳定或减少帮助不大，但相比于无机调理剂(如石灰、粉煤灰)投加量过大易使污泥热值降低的特点，投加有机絮凝剂对此方面影响较小。

综合来看，上述两类调理剂复配使用调理污泥均可达到比单独使用更好的脱水效果，同时在一定程度上降低了调理成本。

2.2.2 以微生物絮凝剂为主的调理剂复配

微生物絮凝剂是由某些微生物产生的有絮凝活性的代谢产物或其菌体本身构成的。微生物絮凝剂复配如奇异变形杆菌产生的微生物絮凝剂与CaCl2复配、酱油曲霉发酵制备的微生物絮凝剂与PAM进行复配［35］均可使污泥的脱水率高于80%;研究表明，微生物絮凝剂分子链较短，活性基团种类较多，可与分子链较长、活性基团种类单一的聚丙烯酰胺互补，有效地改善污泥的脱水性能［36］。

微生物絮凝剂调理效果较好且不产生二次污染［37］，有利于污泥的卫生填埋与农业利用，规避污泥处置带来的环境风险，但其生产成本、技术要求高。将微生物絮凝剂与其他种类的絮凝剂进行复配可在一定程度上降低成本，为规模化生产打下基础，具有环境经济双重效益。

2.3 以助凝剂为主的调理剂复配

助凝剂一般为石灰、粉煤灰等无机惰性物质［38］，用于调节污泥的pH、改变污泥的颗粒结构、破坏胶体的稳定性。

污泥絮体中有机物含量高，高压下易压缩变形［39］，使污泥在过滤后期堵塞滤饼孔隙，降低机械脱水效率。助凝剂的加入起到骨架构建体的作用，使污泥在高压下仍保持多孔结构，有效地解决了污泥中有机质可压缩性问题［40－41］，使水分在高压下仍易于脱出，有利于板框压滤等深度脱水方式［42］。助凝剂与其他调理剂复配使用效果见表2。助凝剂与其他调理剂复配使用可在污泥中形成多孔骨架结构的同时也产生絮凝或电中和等多重效果，改善污泥的脱水性能。

Brallier等［47］发现助凝剂石灰有助于重金属离子被生物同化，有利于重金属的稳定化，适于农用等处置方式。采用粉煤灰等助凝剂则可以增加无机物含量，有利于污泥的建材化利用，如美国威斯康辛公司利用污泥(主原料为粉煤灰)生产陶粒［48］。但惰性物质残留在泥饼中会使待处置污泥增容，在面积小的地区若选择填埋处置需权衡利弊。

表2 助凝剂与其他调理剂复配使用效果

3 结语

现阶段对污泥脱水调理剂的研究仍是基于污水处理调理剂的方法原理，但污水处理的目的在于提高污水中悬浮物的沉降性能，而污泥调理则重在提高污泥的脱水性能，所以能改善悬浮物沉降性能的调理剂不一定能够显著改善污泥的脱水性能。因此，污泥调理剂的开发应结合污泥自身特点及污泥的后续处置。

单一水处理调理剂对污泥脱水性能的改善效果并不理想，使用复合型调理剂或将调理剂复配使用有助于发挥协同效应，可达到比单独使用更好的脱水效果。其中，调理剂的复配使用操作方便、成本较低，且根据不同的污泥处置方法，可选择不同特性的调理剂复配使用对污泥进行物化改性，有利于污泥处理与处置的一体化，具有广泛的应用前景。

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Progresses in Research on Sludge Conditioners

Xiong Wei，Liu Peng，Liu Huan，Shi Yafei，Hou Haipan，Yang Jiakuan

(School of Environmental Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China)

The progresses in research on composite conditioners for sludge dewatering are introduced emphasizing the methods for combined utilization of different conditioners.It is pointed out that the dewatering performance of sludge can be improved by using composite conditioners or complexformulated conditioners.And the possibility of integrated treatment and disposal of sewage sludge is discussed.

conditioner;sludge dewatering;complex formulation;composite conditioner

X705

A

1006－1878(2011)06－0501－05

2011－03－17;

2011－07－14。

熊唯(1989—)，女，湖北省宜昌市人，大学，主要研究方向为污泥处理与处置。电话 15072412468，电邮xo1027@sina.com。联系人:杨家宽，电话 027－87792207，电邮 jkyang@mail.hust.edu.cn。

国家自然科学基金资助项目(51078162);大学生创新活动基金资助项目(01－09－261921);教育部新世纪人才支持计划项目(NCET－09－0392)。

(编辑 张艳霞)