聚丙烯酰胺对生活污泥脱水的实验研究

聚丙烯酰胺对生活污泥脱水的实验研究

何旭，俞志敏，卫新来

(合肥学院生物与环境工程系，合肥环境工程研究院，安徽 合肥 230601)

摘要：设置了聚丙烯酰胺的投药量、搅拌速度、絮凝温度、pH 4个影响因素，研究了聚丙烯酰胺在污泥絮凝的过程中，污泥的沉降性能和脱水性能。在单因素实验的基础上，进行了响应面分析试验，经过优化得到最优条件为投加量50.29mg/L、搅拌速度133.8r/min、pH 3.04、温度30.84℃。此时污泥比阻值为4.96×107s2/g。

关键词：聚丙烯酰胺；生活污泥；脱水；实验；污泥比阻；响应面法

作者简介：何旭(1991-)，男，硕士。

通讯作者：俞志敏(1964-)，男，浙江宁波人，合肥学院生物与环境工程系教授。研究方向：环境工程。

中图分类号：X703文献标识码： A

随着我国经济的快速发展，我国城市污水、污泥产生量快速增长。污泥的处理处置问题也一直受到人们的关注。其中如何提高污泥的脱水性能成为热门的研究课题[1]。目前国内外主要通过投加絮凝剂来改善污泥的脱水性能[2]。不同的絮凝条件对污泥的絮凝效果影响很大，寻找更好的絮凝条件来满足实际工程生产需要，是现在污泥絮凝需要解决的重要课题[3]。本论文对絮凝剂投加量、絮凝剂搅拌速度、温度、pH值4种影响因素进行了研究，并提出了更加有利于污泥脱水的条件。

1材料与方法

1.1实验材料与仪器

污泥取自合肥市某生活污水处理厂二沉池沉降污泥，污泥含水率为98.5%，pH为6.97。为了避免污泥理化性质随时间的变化影响实验数据的真实性，所有实验均在污泥采样后3～4d完成[4]。

主要化学试剂：阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)：相对分子量800万(天津市光复精细化工研究所)配成1.0g/L溶液；盐酸(上海振企化学试剂有限公司)；氢氧化钠(西陇化工股份有限公司)。

主要仪器装置：JJ-6A型六联异步自动升降搅拌器(金坛市晶玻实验仪器厂)；CU600高精度恒温水浴锅(上海南荣实验室设备有限公司)；DGX-9073B型鼓风干燥箱(上海南荣实验室设备有限公司)；AEY-120型电子分析天平(湘仪天平仪器设备有限公司)；SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)；NDJ-5S型旋转粘度计(上海越平科学仪器有限公司),污泥比阻测定装置。

1.2分析方法

1.2.1滤饼含水率的测定

污泥含水率参照CJ/T221-2005《城市污水处理厂污泥检验方法》测定。

1.2.2污泥比阻的测定

污泥比阻参照《水污染控制工程》中的实验七《污泥过滤脱水—污泥比阻的测定实验》测定。图1是污泥比阻测定装置示意图。

1.2.3污泥沉降实验

量取100ml经调理后的污泥置入量筒中，每隔一段时间记录污泥沉降体积，在同样的条件下，比较污泥的沉降性能。

1.3实验方法

取500ml原始污泥于烧杯中，放置于设定温度的水浴锅，每隔一段时间测定烧杯内污泥温度，达到设定温度后用盐酸和氢氧化钠调节pH，再加入一定量的聚丙烯酰胺，使用JJ-6A型六联异步自动升降搅拌器在固定的搅拌速度下搅拌。之后分别按照上述含水率、污泥比阻、沉降性能的测定方法进行测定。

2实验结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1PAM投加量的影响

在温度25℃、pH 7、搅拌速度150r/min的条件下，设置PAM投加量为40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L、80mg/L，分别测定污泥的沉降性能、污泥比阻、泥饼含水率。

从图2可以看出，PAM投加量在70mg/L时，污泥沉降效果最好。加入絮凝剂后，污泥矾花颗粒变大，污泥层和上清液层有明显的分界线。投加量超过70mg/L时，污泥沉降效果开始下降。图3表明PAM投加量在60mg/L时，污泥比阻值最小，污泥具有很好的脱水性能。絮凝剂添加过多或过少都会影响污泥比阻。图4表明脱水污泥泥饼含水率随投加量的增加逐渐降低，絮凝剂投加量超过50mg/L时，泥饼含水率基本保持稳定。但是总体来说含水率偏高，说明PAM对降低泥饼含水率的作用不明显。

2.1.2搅拌速度的影响

在温度25℃、pH 7、投加量 70mg/L的条件下，设置搅拌速度为100r/min、150r/min、200r/min、250r/min、300r/min，分别测定污泥的沉降性能、污泥比阻、泥饼含水率。

图5表明污泥样品在30min内，随着沉降时间的增加，污泥体积逐渐减少；从100r/min至200r/min范围内，随着转速的增加，污泥最终沉降体积越小；超过200r/min后，污泥沉降体积开始回升。从图6可以看出，搅拌速度为150r/min时，污泥比阻为最小值，超过150r/min时，转速的增高导致污泥絮凝体被打散，污泥比阻反而增加，处理效果下降。从图7可以得知，搅拌速度为150r/min时，污泥含水率达到72.7%，脱水效果明显。

2.1.3pH的影响

在温度25℃、搅拌速度150r/min、投加量70mg/L的条件下，设置pH为3、5、7、9、11，分别测定污泥的沉降性能、污泥比阻、泥饼含水率。

从图8可以看出，在不同的pH条件下，污泥沉降速度不同。当pH为5时，污泥沉降速度最快。pH过小或过大都会影响污泥沉降速度。污泥在酸性范围内更容易沉降。从图9可知，随着pH的增高，污泥比阻呈现先减小后增大的趋势，pH为5时，污泥比阻值最小。污泥在酸性条件下脱水性能略好于碱性条件[3]。从图10可看出，pH对污泥泥饼含水率也有影响，在碱性条件下，污泥样品呈现粘稠状，含水率高。

2.1.4温度的影响

搅拌速度150r/min、投加量70mg/L、pH 7，设置温度为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，分别测定污泥的沉降性能、污泥比阻、泥饼含水率。

从图11可以看出，外界温度不同，污泥沉降速度不同。在相同的时间下，温度越高，污泥沉降越快。但是实际工程生产中需要结合经济效益，温度过高，耗能太大，不能达到利益最大化。从图12可以看出，温度对污泥比阻影响显著，温度低于50℃时，污泥比阻随温度的升高而降低。高于50℃时，比阻值迅速增高，由此可见50℃最有利于污泥脱水。图13说明了在50℃时，泥饼含水率最低，符合图12中50℃最有利于污泥脱水的结论。

2.2响应面分析法优化工艺条件

2.2.1响应面分析因素的选择

在单因素实验的基础上，根据中心组合设计原理，以污泥比阻为指标，设计4因素3水平的响应面实验，因素水平编码见表1，用Design Expert软件进行数据分析，确定最佳絮凝条件[5]。

表1　污泥絮凝影响因素优化实验因素水平表

2.2.2中心组合设计的实验矩阵及结果

根据表1进行实验，将每组实验得到的污泥比阻值填入表中，如表2所示。

2.2.3模型的建立及分析

将所得到的实验数据输入软件内，然后进行多元回归拟合，得到以污泥比阻值为目标函数的回归方程：

Y的方差分析如表3所示。

在本例中，模型显著性检验p<0.05，表明该模型具有统计学意义[6]。Model失拟项的P值为0.3279，>0.05，说明失拟项不显著，表明模型方程对实验结果拟合的比较好，选择合适。一次项中的X2、X3、X4对污泥比阻值有显著影响。投加量(X1)的P值>0.05，说明其对污泥比阻值大小影响不显著。4种因素对污泥比阻值大小影响程度为：pH>温度>搅拌速度>投加量。在2因素的交互作用中，投加量和pH的交互作用对污泥比阻值的影响最大，投加量和搅拌速度的交互作用对污泥比阻值的影响最小。

表2　实验矩阵及结果

2.2.4因素交互作用对响应值影响的曲面图

从图14中可以看出，随着投加量和搅拌速度的增加，污泥比阻值不断减小。当投加量相同时，随着搅拌速度的增加，污泥比阻降低的速度比当搅拌速度相同时，随着投加量的增加污泥比阻降低的速度快，这说明投加量和搅拌速度交互作用时，搅拌速度对污泥比阻的影响大于投加量对污泥比阻的影响。同样分析图15至图18即可以得到哪个影响因素最大[7]，例如从图15可以看出pH对污泥比阻的影响大于投加量对污泥比阻的影响，从图16可以看出温度对污泥比阻的影响大于投加量对污泥比阻的影响。这与上述从方差分析表中得到的结论一致。

表3　Y回归方程的方差分析

2.2.5最佳工艺的确定

通过Design Expert软件分析得出响应值最大的4个最佳的絮凝条件。当投加量为50.29mg/L、搅拌速度为133.8r/min、pH为3.04、温度为30.84℃时，污泥比阻值达到最低，为4.95×107s2/g。结合实验的实际可操作性，选取投加量为50mg/L、搅拌速度为133r/min、pH为3、温度为30.84℃进行实验，做3组平行样来验证软件分析的可靠性。表4为实验结果。

表4　平行实验结果

三组实验污泥比阻值的平均值为4.96×107s2/g，与软件预测吻合。得到的污泥样品污泥比阻值小，极易脱水干化。

3结论

(1)通过单因素实验得知，投加量60mg/L、搅拌速度150r/min、pH为5、温度为50℃的条件下均能使污泥比阻最小，表明该4种影响因素均对污泥脱水效果有一定影响。

(2)通过响应面法实验，确定当投加量为50.29mg/L、搅拌速度为133.8r/min、pH为3.04、温度为30.84℃时，污泥比阻值达到最低，此时污泥比阻为4.96×107s2/g，极易脱水，具有实际应用价值。

(3)通过Design Expert软件分析，建立并对模型进行分析，确定影响污泥比阻的因素大小为：pH>温度>搅拌速度>投加量。

参考文献：

[1]李海峰. 污泥调理及深度脱水研究[D]. 上海:华东理工大学, 2012.

[2]邹鹏, 宋碧玉, 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.

[3]王鑫. 调理剂对生活污泥脱水性能影响的研究[D]. 长沙：中南大学, 2012.

[4]陈国丰, 郑俊伟, 刘馨,等. 化学调理剂对污泥脱水性能影响的研究[J]. 广东化工, 2013, 40(11):123-125.

[5]杨晓红, 王元秀, 郑明洋. 响应面法优化啤酒酵母海藻糖提取工艺[J]. 济南大学学报(自然科学版), 2013, 27(3):270-274.

[6]Ewa Wojciechowska. Application of microwaves for sewage sludge conditioning[J]. Water Research, 2005 (39):4749-4754.

[7] 娄梅生. 生物质炭活性炭的制备及其对苯酚废水吸附的研究[D]. 合肥:合肥工业大学, 2013.

Experimental Study of Dehydrating Domestic Sludge Using Polyacrylamide

HE Xu,YUZhi-min,WEI Xin-lai

(Hefei University,Biological and Environmental Engineering,Hefei Institute of

Environmental Engineering,Hefei Anhui 230601,China)

Abstract：The capabilities of polyacrylamide on sedimentation rate and dehydration of domestic sludge were studied by testing the dose of polyacrylamide, the stirring speed, flocculation temperature, and pH value.The response surface methods were applied based on the single factor experiments. All the test results were optimized to obtain the optimal conditions as the dosage of 50.29 mg/L,and the stirring speed of 133.8r/min with pH value of 3.04 and temperature of 30.84℃. The Specific resistance of sludge was 4.96×107s2/gunder the optimal conditions.

Key words： polyacrylamide;sludge;dehydrate;experiment;specific resistance;response surface method