纤维调理对污水厂污泥脱水性能的影响

莫群青，邵立明，吕　凡，章　骅，何品晶

(同济大学 固体废物处理与资源化研究所，上海　200092)

· 试验研究 ·

纤维调理对污水厂污泥脱水性能的影响

莫群青，邵立明，吕凡，章骅，何品晶

(同济大学 固体废物处理与资源化研究所，上海200092)

以污水厂浓缩污泥和厌氧消化污泥为研究对象，探究纤维材料单独及其与絮凝剂壳聚糖联合调理对污泥脱水性能的影响规律。结果表明，砂浆纤维单独或与絮凝剂壳聚糖共调理上述两种污水厂污泥均能够降低其比阻、提高泥饼的渗透性，有利于污泥的脱水；在各工况下，纤维调理污泥的Zeta电位及平均粒径均未呈现规律性变化，且波动小于11.04%，表明砂浆纤维没有参与污泥絮凝调理的化学过程；纤维单独或与絮凝剂共调理对污泥比阻、Zeta电位及粒径分布的影响特征表明，砂浆纤维与絮凝剂的作用相互独立，但具有改善污泥可脱水性的协同效应。

污泥脱水；纤维；壳聚糖；联合调理

目前，大部分城镇生活污水处理厂采用生化工艺处理污水，此过程会产生约占处理污水量万分之二至万分之三的污水厂污泥[1,2]。脱水是污泥处理处置过程的必备环节[3]，常用的基本方法是在调理后进行机械脱水；调理的主流方法是采用化学药剂对污泥作絮凝调理[4～7]，通过中和电性、压缩双电层及架桥、网捕等作用改善污泥的可脱水性。但是，污泥絮体的高可压缩性[8～10]难以通过絮凝调理降低，这一特性会使得机械脱水过程中污泥滤饼层微通道的尺寸不断减小，从而因阻碍水分的渗出[11]而影响脱水效率。为此，研究者引入了物理调理剂[12,13]以进一步改善污泥的可脱水性；迄今为止，已试验的物理调理剂可分为矿物质材料(炉渣、石灰、石膏等)和含碳材料(焦炭、细煤粉、褐煤及生物质废物等)两类。前一类均具有水化反应活性，后一类则大都有一定的水分吸附容量，不利于判别物理调理剂的作用机制。John等[14]人在研究中发现，纤维含量高的制衣厂废水经处理后产生的污泥其脱水性能要优于其实验研究中涉及的如啤酒厂废水污泥等其它污泥，提示纤维类物料可能作为改善污泥高可压缩性的物理调理剂。

本文选用水化反应惰性、无水分吸附容量的砂浆纤维作为物理调理剂，分别以生活污水厂浓缩污泥和厌氧消化污泥作为对象，探究纤维材料单独调理及与化学絮凝剂联合调理对污泥脱水性能的影响规律。

1　实验材料和方法

1.1材料

两种污泥实验样品如下：污泥样品1，取自上海曲阳污水厂的二沉污泥浓缩池，该厂采用以A2/O短泥龄活性污泥法和BIOSMEDI曝气生物滤池相结合的工艺，下文记为浓缩污泥；污泥样品2，为上海市白龙港污水处理厂污泥消化池出泥，原污泥来自污水厂产生的化学污泥、初沉污泥和剩余污泥，采用中温一级厌氧消化工艺，下文记为消化污泥。污泥及滤液的基本理化指标由多次取样结果汇总获得，分别如表1及表2所示。

物理调理剂砂浆纤维购自某工程纤维公司，为改性聚丙烯单丝，线密度7.33 g/km，比重0.91 g/m3，熔点163℃，圆形截面，长度3～6 mm；实验前，人工将纤维长度剪至3 mm左右，于55℃烘箱内干燥后备用。

化学絮凝剂选用效果较好的壳聚糖(CS)，粉末脱乙酰度80～95，每次实验前以0.5 %wt的醋酸溶液将其配置成1.4 %wt的壳聚糖溶液。

表1　污泥样品基本物理指标

表2　滤液样品基本化学指标

1.2实验设计

污泥经调理后测试其脱水性能，分为砂浆纤维单独调理及与化学调理复合调理两个部分；其中，污泥调理采用混凝实验；调理污泥的脱水性能由布氏漏斗试验法测试。污泥的脱水性能，由布氏漏斗试验终了时的累积滤液量(Vf)及污泥比阻(SRF)评价；纤维与污泥絮体及絮凝剂间的相互作用，通过Zeta电位及污泥粒径分布来考察。

1.2.1混凝实验

采用潜江梅升仪器有限公司生产的智能型混凝试验搅拌仪(MY3000-6)，纤维调理的搅拌条件为55rpm/3min；絮凝调理的搅拌条件分别为255rpm/1.5min、155rpm/1min、100rpm/30s和55rpm/1.5min。

1.2.2布氏漏斗试验法[15～18]

比阻测试仪(PS-WN-066)由上海大名教育仪器有限公司生产，采用Φ150的定量中速滤纸。每次实验污泥用量90ml，重力过滤1min，抽滤压力0.035MPa ，记录对应时间下的累积滤液体积。污泥比阻(SRF)的计算方法如下：

(1)

式中，SRF——污泥比阻，m/kg；△P——真空抽滤压力，MPa；A——过滤面积，m2；b——由试验获得的过滤时间t(s)及相应的滤液体积V(mL)，再经t/V及V值作图所得曲线的斜率，s/ml2；μ——滤液黏度，Pa·s；ω——单位体积滤液产生的滤饼质量，kg/m3。

1.3分析方法

污泥样品的TS由105℃烘箱烘至恒重后测得；VS经马弗炉600℃灼烧2h后测得；pH由pH计(PHS-2F，上海)测定；电导率用电导率仪(DDSJ-308A，上海)测定；粒度由激光粒度分型仪(Eyetech-combo，荷兰)测得。滤液样品的Zeta电位由Zeta电位分析仪(zetasizer Nano Z，英国)测定。

本文图中所采用的数据误差线反映了两平行工况的数值范围。

2　实验结果与讨论

2.1砂浆纤维单调理对污泥脱水性能的影响

每种污泥分别设置5个实验工况，各工况的砂浆纤维投加比(g纤维/g干泥)分别为0%、5%、15%、25%和35%wt。

2.1.1累积滤液体积与污泥比阻

图1为浓缩污泥各工况在实验终了时的累积滤液体积(Vf)与污泥比阻(SRF)。Vf值在纤维投加比为0%wt至25%wt时随其增加而提高，至25%wt时较未投加时提高19.72%，并达到最大值；而后，继续增加纤维投加比至35%wt时，得到的总滤液量与25%wt时基本相当。各工况的SRF在纤维投加比由0%wt增至35%wt时则是持续减小，投加比35%wt时的SRF由未投加时的1.14×1013m/kg降低至0.57×1013m/kg，说明投加纤维能够明显提高过滤泥饼的渗透性能。

图1　纤维投加比对浓缩污泥Vf及SRF的影响Fig.1　Effects of fibre dosage on thickened sludge’s Vf and SRF

图2为消化污泥各工况在30min过滤终了时的Vf与SRF。不同纤维投加比下最终得到的滤液体积变化小于3%。而各工况的SRF则随纤维投加比的增加持续降低，从0%wt时的2.97×1013m/kg降低至35%wt时的1.93×1013m/kg。说明投加纤维能够改善消化污泥泥饼的渗透性能。

图2　纤维投加比对消化污泥Vf及SRF的影响Fig.2　Effects of fibre dosage on digested sludge’s Vf and SRF

2.1.2Zeta电位与粒径

图3为浓缩污泥和消化污泥各工况下污泥絮体的Zeta电位及平均粒径。可见随着纤维投加比的增加，两种污泥絮体的Zeta电位与粒径都很稳定，未呈现规律性变化。浓缩污泥各工况的Zeta电位均在-12.8mV左右，最大波动幅度仅有3.96%；平均粒径稳定在48.60μm左右，差异不超过9.42%。而消化污泥各工况的Zeta电位平均值为-21.24mV，最大波动幅度为7.92%；平均粒径稳定在23.76μm左右，差异不超过11.04%。由此实验结果可以推测，投加的纤维既没有与污泥絮体发生离子交换，也没有促进污泥颗粒间的絮凝。

图3　纤维投加比对污泥Zeta电位及颗粒粒径的影响Fig.3　Effects of fibre dosage on sludge’s Zeta potential and floc size

2.2砂浆纤维对絮凝污泥脱水性能的影响

浓缩污泥，设置一组2个实验工况作对比研究：絮凝调理浓缩污泥及纤维絮凝联合调理的污泥，壳聚糖投加比取梯度混凝实验得出的最佳投加比1%wt(g壳聚糖/g干泥)，纤维投加比采用2.1节中浓缩污泥Vf值达最大时的25%wt(g纤维/g干泥)。

消化污泥，设置两组共8个实验工况，组1为絮凝消化污泥，组2为纤维絮凝联合调理的消化污泥，每组设4个实验工况，工况编号及调理剂投加量见表3。

表3　消化污泥实验工况

2.2.1累积滤液体积与污泥比阻

表4为浓缩污泥两个工况在实验终了时的Vf及SRF。经砂浆纤维调理前后的絮凝浓缩污泥的累积滤液量Vf分别为63.7和65.9mL，联合调理得到的Vf比单调理时略高出3.45%；经砂浆纤维调理后，SRF值由4.69×1012m/kg降至3.72×1012m/kg，下降了26.07%，表明联合调理条件下，投加纤维对过滤泥饼的渗透性仍有明显改善效果。

表4　纤维投加比对絮凝浓缩污泥Vf及SRF的影响

图4和图5分别为消化污泥各工况在实验终了时的Vf及SRF。随着壳聚糖的投加比从0%wt增加至2.8%wt，絮凝消化污泥在实验过程中的滤液产生速率和累计量均呈单调上升状况，表明絮凝剂的投加使得水分更易于从污泥絮体中脱除；抽滤终了时，各工况得到的总滤液量的平均值分别为46.3、51.6、59.0和62.8mL；相同的壳聚糖投加比下，添加25%wt砂浆纤维进行双调理，实验终了时，不同壳聚糖投加比的各工况累计滤液量平均值分别为45.5、52.8、61.2和66.5mL；与对应的壳聚糖单调理工况比较，壳聚糖投加比超过1.8%的各工况累计滤液量均大于壳聚糖单独调理，两者差值也随着壳聚糖投加比的增加而上升。

图4　纤维投加比对絮凝消化污泥Vf的影响Fig.4　Effects of fibre dosage on flocculated digested sludge’s Vf

当壳聚糖投加比由1.3%wt增至2.3%wt时，消化污泥两组工况的SRF值均持续减小。但是，当壳聚糖投加比继续增加至2.8%wt时，絮凝单调理污泥的SRF值反而增加了约11.80%；而纤维和絮凝双调理污泥的SRF值则进一步下降了约4.28%。其原因可能是由于随着壳聚糖投加量的进一步增加，絮体的可压缩性也随之提高，由此造成滤饼层渗透性下降，从而引起污泥比阻的升高；而加入纤维能够减少污泥的压缩性，使得污泥的比阻继续降低。双调理与絮凝单调理比较，SRF值始终更低。

图5　纤维投加比对絮凝消化污泥SRF的影响Fig.5　Effects of fibre dosage on flocculated digested sludge’s SRF

2.2.2Zeta电位与粒径

图6为消化污泥两个工况污泥絮体的Zeta电位及平均粒径。随着壳聚糖的投加比由1.3%wt增至2.8%wt，两组污泥的Zeta电位分别持续增加63.91%和52.82%；而同一壳聚糖投加比下，纤维调理前后两个工况的Zeta电位最大差异为10.49%。污泥的平均粒径没有呈现规律性的变化，最大差异为8.77%。以上结果表明，壳聚糖的投加比对污泥的Zeta电位及颗粒粒径大小起着决定性的作用，而纤维的投加则对同一絮凝剂投加比下消化污泥的这两项指标的影响很小。由此可以推测，投加的纤维并没有参与壳聚糖与污泥颗粒间的离子交换或絮凝反应。

图6　纤维投加比对絮凝消化污泥Zeta电位及颗粒粒径的影响Fig.6　effects of fibre dosage on flocculated digested sludge’s Zeta potential and floc size

2.3讨 论

砂浆纤维单调理污水厂污泥的实验结果显示，单独投加纤维降低了污泥的比阻(SRF)，表明纤维调理能够改善脱水泥饼的渗透性能；而经纤维调理后，浓缩污泥及消化污泥的颗粒粒径和Zeta电位测试结果(图3)表明，纤维调理不影响污泥颗粒与水分的结合状态[19,20]，这是纤维单独调理时滤液产生量与SRF变化不同步的基本原因。阻碍消化污泥水分脱除的主要因素是水分与絮体的结合，投加纤维尽管降低了SRF，但对水分与絮体的结合没有影响，故不能增加消化污泥过滤脱水滤液的产生量。同样，浓缩污泥在高纤维投加比例(大于25%wt)下，SRF值下降与脱水效果改善的趋势不再一致(图1)，其原因亦是污泥中剩余水分与絮体的结合力增加而成为脱水的控制因素，从而使提高滤饼渗透性对脱水效果的作用钝化。

纤维与壳聚糖共调理与絮凝单调理比较，可以进一步降低浓缩污泥(表4)和消化污泥(图5)的SRF值，可见投加纤维确实可通过降低污泥滤饼的压缩性，改善其渗透性。而且，砂浆纤维调理基本不影响污泥的颗粒粒径和Zeta电位(图6)，表明砂浆纤维和絮凝剂壳聚糖的调理作用相互独立，但它们具有改善污泥脱水性能的协同效应。

3　结　论

3.1砂浆纤维单独或与絮凝剂壳聚糖共调理两种污水厂污泥，均能够降低污泥比阻(SRF)、提高泥饼的渗透性，有利于污泥的脱水；纤维调理降低污泥比阻的作用不受絮凝剂和污泥类型的影响。

3.2砂浆纤维单独或与絮凝剂壳聚糖共调理两种污水厂污泥，纤维均没有对污泥的Zeta电位及粒径分布产生规律性影响，表明砂浆纤维没有参与污泥絮凝调理的化学过程。

3.3砂浆纤维单独或与絮凝剂壳聚糖共调理对污泥比阻、Zeta电位及粒径分布的影响特征表明，砂浆纤维与絮凝剂的作用相互独立，但具有改善污泥可脱水性的协同效应。

[1]李兵,张承龙. 污泥表征与预处理技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2010.

[2]林云琴, 周少奇. 我国污泥处理、处置与利用现状[J]. 能源环境保护, 2004, 18(6): 15-18.

[3]Ying Q, Khagendra B T, Andrew F. Application of filtration aids for improving sludge dewatering properties-Review[J]. Chemical Engineering Journal, 2011, 171(2): 373-384.

[4]Chen Y, Yang H, Gu G. Effect of acid and surfactant treatment on activated sludge dewatering and settling[J]. Water Research, 2001, 35(11): 2615-2620.

[5]Vosteen B, Weissenbery H G. New conditioning process for the dewatering of wastewater treatment sludge[J]. Chemical Engineering and Technology, 2000, 23(8): 677-681.

[6]Watanabe Y, Tanaka K. Innovative sludge handling through palletization/thickening[J]. Water Research, 1999, 33(15): 3245-3252.

[7]Lee C H, Liu J C. Enhanced sludge dewatering by dual polyelectrolytes conditioning[J]. Water research, 2000, 34(18): 4430-4436.

[8]Khagendra B T, Ying Q, Clayton S A, Hoadley A F A. Lignite aided dewatering of digested sewage sludge[J]. Water Research, 2009, 43(3): 623-634.

[9]Smollen M, Kafaar A. Investigation into alternative sludge conditioning prior to dewatering[J]. Water Science and Technology, 1997, 36(11): 115-119.

[10]Soerensen B, Soerensen P B. Structure compression in cake filtration[J]. Journal of Environmental Engineering, 1997, 123(4): 345-353.

[11]John T N, Mikkel L A, Birgitte L S. Conditioning, filtering, and expressing waste activated sludge[J]. Journal of Environmental Engineering, 1999, 125(9): 816-824.

[12]Albertson O E, Kopper M. Fine-coal-aided centrifugal dewatering of waste activated sludge[J]. Journal Water Pollution Control Federation, 1983, 55(2): 145-156.

[13]Lin Y F, Jing S R, Lee D Y. Recycling of wood chips and wheat dregs for sludge processing[J]. Bioresource Technology, 2001, 76(2): 161-163.

[14]John T N, Mikkel L A, Birgitte L S. Conditioning, filtering, and expressing waste activated sludge[J]. Journal of Environmental Engineering, 1999, 125(9): 161-163.

[15]邹鹏, 宋碧云, 王琼. 壳聚糖絮凝剂的投加量对污泥脱水性能的影响 [J].工业水处理, 2005, 25(5): 35-37.

[16]黄廷林, 聂小保, 张刚. 壳聚糖絮凝剂的投加量对污泥脱水性能的影响[J].西安建筑科技大学学报, 2005, 37(3): 297-300.

[17]俞庭康, 刘涛, 沈洪. 污泥比阻实验中几个问题的探讨 [J]. 实验室研究与探索, 2009, 28(1): 68-70.

[18]赵培涛, 葛仕福, 黄瑛. 压滤式污泥过滤比阻测定方法 [J]. 东南大学学报, 2011, 41(1): 155-159.

[19]Chu C P, Chang B V, Liao G S. Observation on changes in ultrasonically treated waste-activated sludge[J]. Water Research, 2001, 35(4): 1038-1046.

[20]Neyens E, Baeyens J, Dewil R, et al. Advanced sludge treatment affects extracellular polymeric substances to improve activated sludge dewatering[J]. Journal of Hazardous Materials, 2004, 106(2-3): 83-92.

Effect of Fiber Conditioning on Sewage Sludge Dewaterability

MO Qun-qing, SHAO Li-ming, LV Fan, ZHANG Hua, HE Pin-jing

(InstituteofWasteTreatment&Reclamation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

In order to explore the effect of fiber separately/co-conditioning with chitosan on sewage sludge, this study had utilized the thickened and digested sludge of sewage plant as research object. The results showed that two conditioning methods on two sludges of sewage plant could both reduce its SRF and improve the permeability of filter cake, and was beneficial to sludge dewatering. The Zeta potential and floc size of all test conditions had no regular variations with the fluctuation less than 11.04% after pretreating the chitosan flocculated sludge with fiber. These indicated that fiber had not join the chemical interaction between sludge colloids and chitosan. The distribution characteristics of SRF, Zeta potential and floc size showed that the fibre had no interaction with chitosan but had cooperative effect on the improvement of sludge dewaterability.

Sludge dewatering; fiber; chitosan; co-conditioning

2014-12-21

国家自然科学基金面上项目(20977066)；城市水污染控制及水环境治理技术集成与综合示范课题(2011ZX07303-004-03)。

莫群青(1989-)，女，上海人，2014年毕业于同济大学环境工程专业，硕士研究生，研究方向为固体废弃物处理处置与资源化利用。

何品晶，solidwaste@tongji.edu.cn。

X703

A

1001-3644(2015)04-0027-05