不同絮凝剂对剩余污泥水解和脱水特性的影响

苑宏英，王小佩，王亭，牛四芳，祁丽

（1天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384；2天津城建大学天津市水质科学与技术重点实验室，天津300384）

不同絮凝剂对剩余污泥水解和脱水特性的影响

苑宏英1，2，王小佩1，2，王亭1，2，牛四芳1，2，祁丽1，2

（1天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384；2天津城建大学天津市水质科学与技术重点实验室，天津300384）

研究了无机和有机絮凝剂对剩余污泥水解和脱水性能的影响。分别投加浓度为20g/L的CaO和CPAM（阳离子型聚丙烯酰胺）调节剩余污泥，溶出的有机质规律如下：溶解性COD（SCOD）的溶出量表现为CPAM＞CaO＞空白；溶解性蛋白质（SPN）的溶出量表现为CPAM＞CaO＞空白；溶解性碳水化合物（SPS）的溶出量表现为CaO＞CPAM＞空白。污泥的脱水性能指标——比阻（SRF）和滤饼含固率的变化分别为：SRF表现为CPAM＜CaO＜空白，投加CaO时SRF在第1天出现最小值（0.91×1013m/kg），投加CPAM时SRF在第7天出现最小值（0.71×1013m/kg），两者都处于中难度脱水范围内；滤饼含固率在后4天后表现为CPAM＞CaO＞空白。从SPN、SPS和SCOD的溶出量、比阻和滤饼含固率的变化说明：加入CaO和CPAM都能改善剩余污泥的水解和污泥脱水性能。

无机絮凝剂；有机絮凝剂；剩余污泥；脱水性能；水解；有机质

随着现代化进程的加快和污水处理行业的不断发展，城市污水处理厂的污泥处理压力越来越大，据住房和城乡建设部通报显示2013年3月底全国年湿泥产量达到2171.75万吨，将很快突破3000万吨，预测2020年污泥产量将会突破6000万吨[1-2]。污泥产量高的主要原因是污泥的含水率高，可以达总质量的95%～99.5%[3]。因此，城市污泥脱水已成为城市污泥处理处置的重要环节。污泥中的有机物含量高，在污泥调理过程中有利于有机物等物质溶出，这促进了有机物的回收利用[4-5]，并且有机质的溶出又可以提高脱水效率[6-7]。在各种污泥调理方法中，絮凝是一种处理效率高、既经济又简单的物化处理技术[8-9]，但是絮凝剂的类别和性质对絮凝处理的效果影响很大[10-11]。无机絮凝剂投加量较大，产生沉淀较多且处理效果不佳，目前逐渐被有机絮凝剂所替代[12]。与无机絮凝剂相比，有机絮凝剂用量少，沉淀性能好，而且滤饼含水率低，但是其成本相对偏高[13-14]。

目前，有关絮凝剂的研究主要集中在改善污泥脱水性能方面，但是对污泥中有机物的溶出的研究却比较少。本实验分别投加有机和无机絮凝剂对污泥进行调理，通过测定污泥中溶解性COD（SCOD）、溶解性蛋白质（SPN）和溶解性碳水化合物（SPS）溶出情况、污泥比阻（SRF）、泥饼含固率的变化，对污泥水解和脱水性能进行分析，并探讨在投加絮凝剂的条件下污泥中有机质的溶出和污泥脱水性能之间的关系。

1 材料与方法

2.1 污泥初始特性

试验所用剩余污泥的初始特性见表1。

2.2 试验方法

试验采用3个反应器（1#，2#，3#），其中1#反应器加入最佳投加量的CaO，2#为空白，3#加入与CaO等量的CPAM。CaO的最佳投加量通过室温下的烧杯试验确定，且投加量为20g/L。吴敦虎等[15]研究表明，有机絮凝剂CPAM的污泥脱水效果要优于APAM（阴离子型聚丙烯酰胺），因此3#中投加与CaO等量的CPAM对比分析无机絮凝剂与有机絮凝剂对剩余污泥脱水性能的影响。

表1 剩余污泥初始特性

图1 试验装置示意图（单位：mm）

试验采用5个直径为120mm、高为300mm的有机玻璃反应器，其有效体积为2.5L（图1），采用天津市欧诺仪器仪表有限公司生产的电动搅拌器对污泥进行搅拌，搅拌速度控制在 70～90r/min，使污泥能够搅拌均匀但不产生漩涡。试验一次投料完毕，运行周期为 8天。定期从装置中的上、中、下3 个取样口分别取样，混合均匀后，对SPN、SPS、SCOD 、SRF和滤饼含固率以及相关指标进行测定，直至反应周期结束。

采用 Folin-酚法[16]测定SPN， 采用蒽酮法[17]测定SPS， 采用美国 HACH-COD 测定仪进行测定COD；比阻作为衡量污泥脱水性能的指标[18]，其采用布氏漏斗法测定（真空度为0. 07 MPa）。

2 结果与讨论

2.1 有机质的溶出情况

2.1.1 SCOD的溶出情况

反应过程中，SCOD的浓度变化见图2。

图2 不同调理剂下SCOD溶出量的变化

由图2可以看出，不同调理剂下SCOD的溶出量总体情况为3#＞1#＞2#，说明加入等量的CaO和CPAM调节下，加入CPAM更利于SCOD的溶出。1#在试验的整个过程中，SCOD的溶出量情况呈上升→下降→平稳的变化趋势，在第5天达到最大值，为369.50mg/(gVS)。3#中SCOD在第2天达到较大值后变化平稳，最后在第8天时达到最大值，为456.18mg/(gVS)。

结合图2可得，1#中加入CaO后污泥呈强碱性，破坏了污泥的絮体结构和细胞结构，使得有机质大量流出。

2.1.2 SPN和SPS的溶出情况

反应过程中，SPN和SPS的浓度变化分别见图3和图4。

图3 不同调理剂下SPN溶出量的变化

图4 不同调理剂下SPS溶出量的变化

由图3可以看出，不同调理剂下SPN的溶出量情况表现为3#＞1#＞2#，说明加入等量的CaO和CPAM调节下，加入CPAM更有利于SPN的溶出。1#在试验的整个过程中，SPN的溶出量一直缓慢增加，在第7天达到最大值，为210.56mg/(gVS)。3#中SPN起初的溶出速率很大，在第3天达到最大值，为309.23mg/(gVS)，最大溶出量明显高于1#，之后下降后溶出稳定。

由图4可以看出，不同调理剂下SPS的溶出量情况表现为1#＞3#＞2#，说明加入等量的CaO和CPAM调节下，加入CaO更有利于SPS的溶出。3#在试验的整个过程中，SPS的溶出量一直缓慢增加，在第8天达到最大值，为8.73mg/(gVS)。1#中SPS的溶出量呈上升→下降→平稳的变化趋势，在第5天达到最大值，为27.21mg/(gVS)，最大溶出量明显高于3#，之后下降后溶出稳定。

结合图3和图4可得，投加CaO和CPAM都有利于SPN和SPS的溶出。调节会破坏污泥的絮体，甚至还可能进一步破碎污泥的微生物细胞；由于污泥絮体的破碎会导致细胞间胞外聚合物（ECP）的溶出，而微生物细胞的破碎则会导致胞内有机物的溶出[19]。

2.2 污泥脱水性能的变化

文献[20]指出，滤饼含固率越高，说明污泥脱水效果较好；比阻SRF越大，说明过滤时污泥的阻力越大，越难脱水，一般来说，比阻小于1×1011m/kg的污泥易于脱水，比值大于1×1013m/kg的污泥难以脱水。

水解过程中，3个反应器中的比阻和滤饼含固率的变化分别见图5和图6。

由图5可以看出，不同调理剂下SRF的变化基本上表现为3#＜1#＜2#，说明加入等量的CaO和CPAM调节下，加入CPAM更有利于污泥脱水。在试验的整个过程中，1#中SRF在反应至第1天时达到最小值，为0.91×1013m/kg，处于中难度脱水范围内；2#在整个试验过程中一直处于难脱水范围内；3#中SRF在反应至第7天时达到最小值，为0.71×1013m/kg，处于中难度脱水范围内，在3#的第6天时SRF值虽比第7天时高，但已处于中难度脱水范围内。可见，加入等量的CaO和CPAM后，要达到中难度脱水范围内，CaO需要的时间较短。

图5 不同调理剂下SRF的变化

图6 不同调理剂下滤饼含固率的变化

由图6可以看出，3个反应器在前4天内的滤饼含固率的变化没有一定的规律，而在后4天后表现为3#＞1#＞2#，且在3#的第7天时达到最大值，为26.15%。结合图4和图5可以得出，在剩余污泥中加入等量的CaO和CPAM调节后，两者均利于污泥脱水，但是随着运行时间的延长，SRF值和滤饼含固率都有所变化。

1#中加入CaO后污泥脱水性能得到改善，由烧杯试验可知，碱性条件下不利于污泥脱水，所以可以推断，加入CaO后改善污泥脱水性能起关键作用的是Ca2+。目前，已有许多研究者得出相同的结论。Bruus等[21]表明去除污泥絮体结构中的Ca2+导致絮体特性变坏，改善脱水性能。Sobeck等[22]指出，二价阳离子的絮凝主要是由于其架桥造成的。Nguyen等[23]研究表明，通过向污泥中增加Ca2+的浓度，可以增大污泥絮体，从而改善污泥脱水性能。由图5、图6分析可得，1#反应器中投加CaO后，在污泥中会形成大量的Ca(OH)2絮体物，这部分絮体物对于污泥絮凝方面起了至关重要的作用。而3#中投加CPAM后，改善了污泥脱水性能，这是由于污泥颗粒遇到带正电荷的胶体颗粒时，会在静电力作用下被吸附、团聚，从而形成较大的颗粒，这使得颗粒表面的Zeta电位降低，当Zeta电位达到零以后，由于阻力作用，过量的CPAM很难再吸附在环状和尾状的颗粒表面，因而对污泥产生的影响不大。陈小明等[24]也证明了CPAM 的分子链既可以形成颗粒间架桥，又可以中和颗粒表面的负电荷，减少污泥颗粒间的排斥作用。

2.3 讨论

污泥颗粒带的电荷和表面的EPS （胞外聚合物）都会导致活性污泥很难脱水[25-26]。污泥调质的目的之一是向污泥中投加各种调理剂，通过改变污泥颗粒表面的电荷性能，使污泥EPS 中的糖类、蛋白质和核酸等溶出来，降低污泥表面能与水分子结合的大分子物质的数量，减弱污泥颗粒间的排斥作用，降低污泥颗粒的亲水性，从而改善污泥的脱水性能。

投加CaO絮凝体，其中的Ca2+起到了吸附架桥的作用来改善污泥的脱水性能。无机颗粒、二价离子（主要指Ca2+和EPS）相互之间的作用导致了生活污泥中絮体的生成与沉降。Novak等[27]也有类似结论，指出当铁离子增加时，溶液中蛋白质被去除，同时导致污泥CST （毛细吸水时间）降低。投加CPAM絮凝体，其极性基团的阳离子对带有异号电荷的污泥胶体颗粒会产生电中和以及压缩双电层的作用，从而使胶体体系脱稳来改善污泥的脱水性能[28]，并且阳离子基团吸附在负电荷的细菌表面，改变细菌细胞壁的通透性，使微生物失去活性，从而代谢产物对EPS 的黏附作用明显降低，导致调理剂调理后EPS 从活性污泥表面上脱落下来[29]。

结合图3～图5分析可得，当SPN和SPS的浓度降低时有利于污泥脱水，因为污泥中SPN和SPS的浓度大小会影响SRF和滤饼含固率的变化，从而会影响污泥脱水性能，由于SPN和SPS是EPS的一部分，而EPS的存在会影响污泥的脱水性能，通过SPN和SPS的浓度变化可知，污泥中EPS的影响并不是一直存在的，它有一个特定的值，在该特定值还是容易实现污泥脱水的，如果浓度过大对污泥脱水不但没有更多帮助，反而会引入多余的结合水导致脱水能力降低。通常SPS对污泥脱水性能有一定的负面影响，而关于SPN的作用却一直存在争论：Houghton等[30]研究表明，污泥中SPN浓度增加会使脱水性能降低；而Higgins等[31]研究出相反的结论，他们认为蛋白质有利于脱水。结合图2～图5分析可得，加入等量的CaO和CPAM调节下，都有利于有机质的溶出，也说明有机质的溶出会影响污泥的脱水效果。

3 结 论

（1）分别投加浓度为20mg/L的CaO和CPAM调节剩余污泥，溶出的有机质规律如下： SCOD的溶出量表现为CPAM＞CaO＞空白； SPN的溶出量表现为CPAM＞CaO＞空白； SPS的溶出量表现为CaO＞CPAM＞空白。

（2）分别投加浓度为20mg/L的CaO和CPAM调节剩余污泥，污泥的脱水性能指标——SRF和滤饼含固率的变化分别为：SRF表现为CPAM＜CaO＜空白，投加CaO时SRF在第1天出现最小值（0.91×1013m/kg），投加CPAM时SRF在第7天出现最小值（0.71×1013m/kg），两者都处于中难度脱水范围内；滤饼含固率在后4天后表现为CPAM＞CaO＞空白。

（3）从SPN、SPS和SCOD的溶出量、比阻和滤饼含固率的变化说明：加入CaO和CPAM都能改善剩余污泥的水解和污泥脱水性能。

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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。

天津市科技计划（13CEDGX03100）、天津市水质科学与技术重点实验室开放研究基金（TJKLAST-2011-11）及天津市滨海新区科技创新专项资金资助“十大战役”重大科技支撑（2011-BH140003）项目。

及联系人：苑宏英（1974—），女，博士，教授，主要从事污水、污泥处理及资源化研究工作。E-mail yuanhy_00@163.com。