阳离子聚丙烯酰胺联合稻壳粉调理城市污泥脱水的研究

王茂清，钟银海，蓝巧娟，吴　彦，周　佳，杨九江，陈若楠

（重庆三峡学院　环境与工程学院，重庆　404000）

随着人们生活水平的逐步提高，生活废水的处理率迅速提高，污水和污泥的产量急剧增加，到2020年污泥产量将突破6 000万吨[1]，污水处理厂在采用活性污泥法处理废水时，会产生大量的剩余污泥，剩余污泥是一种由金属、有机物、无机颗粒、胶体颗粒组成的混合物质，并且有机物含量高，长期堆放容易腐化发臭[2]，而这些剩余污泥含水率极高（大约在98%以上），因此在处理这些污泥时会造成很大的人力和财力损失，如果处理不当，不仅会对污水处理厂的正常运行产生影响，还对土壤和水源造成严重污染；对剩余污泥产生的难闻臭气不加以妥善处理，将会造成更为严重的二次污染[3]，对环境和人类健康造成威胁。我国在城市生活污泥和工业污泥的处理利用率不足10%，距发达国家如美国的处理利用率60%～70%相差甚远[4]。污泥浓缩、污泥稳定、污泥脱水是我国应用最为广泛的处理处置技术[4-5]。为了减少污泥的体积，必须对污泥进行脱水处理，为了提高污泥的脱水率和泥饼的含固率，将对污泥进行调理，从而改变污泥的理化性质，破坏污泥胶体自身的稳定结构，减少泥水之间的亲和力。污泥调理是污泥的浓缩或污泥的脱水前处理，目的是为了提升和改进污泥的脱水性能，同时提高机械脱水设备的脱水能力，因此污泥调理是污泥浓缩和脱水过程中至关重要的工艺流程[6]。

目前，国内污水处理厂常用的化学调理剂为阳离子聚丙烯酰胺（CPAM），CPAM能够通过絮凝作用实现泥水分离，有效提高污泥的脱水性能，但是，其调理后的污泥泥饼可压缩性较高，在污泥脱水过程中，污泥泥饼变得越来越致密，从而阻碍了污泥的进一步脱水。因此，向污泥中投加一些骨架调理剂，如粉煤灰能有效改善污泥泥饼的微观结构，提高污泥泥饼的多孔性和渗透性，促进污泥的进一步脱水[7]。

中国是世界上稻谷生产大国，稻谷年产量约2.05亿吨，每年产生约4 000万吨稻壳，全球水稻年产量约4.89亿吨，约产生稻壳9 000万吨[8]。稻壳作为稻米加工后的副产物，易于收集且产量大，是一种不可忽视的生物质资源，倘若没有妥善的处理方式，将会造成污染环境的问题，对其本身也是一种资源的浪费[9]。目前稻壳也会作为饲料使用，但因其对动物的适口性差，难以被消化，所以不适用于当作饲料；作为燃料来燃烧[10]，产生的热量用于做饭取暖等，但会产生温室气体以及有害气体，污染空气。稻壳具有良好的韧性、多孔性、低密度以及质地粗糙等特点，也具有成为骨架颗粒的潜能[11]。因此，本研究主要用CPAM联合稻壳粉来调理污泥，考查两种调理剂联合调理对污泥脱水性能的影响，对调理剂投加顺序以及投加剂量进行优化，并通过对污泥滤液Zeta电位的变化，污泥泥饼微观结构以及泥饼可压缩性系数的变化的测定，对CPAM联合稻壳粉调理污泥脱水的机理进行分析。

1　材料和方法

1.1　实验材料

供试污泥采自湖南省长沙国祯水处理有限公司(原长沙市第二污水处理净化中心)，本实验所用污泥为剩余污泥，自污泥浓缩池中取得。静置2 h后，倒出部分上清液即为实验用污泥。样品保存于聚乙烯塑料桶中并置于4°C的冰箱备用[12-13]，最长贮存时间不超过一个月。污泥性质如表1所示。CPAM配制成1 g/L的溶液。稻壳用去离子水洗净之后烘干，粉碎并过筛，颗粒大小为150～250µm。

表1　污泥的基本性质Table 1　Main characteristics of sludge

1.2　污泥调理的方法

1.2.1　单加CPAM调理污泥的方法

按顺序分别向污泥中加入0.72 g/kg，1.43 g/kg，2.15 g/kg，2.86 g/kg，3.58 g/kg，4.29 g/kg，5.01 g/kg，5.72 g/kg，6.44 g/kg和7.16g/kg污泥干重的CPAM进行调理，污泥脱水性能以污泥比阻（SRF）为主要评价指标。

1.2.2　CPAM与稻壳粉投加顺序的影响

确定投加顺序分为三类：同时投加，先投加稻壳粉再投加CPAM，先投加CPAM再投加稻壳粉。稻壳粉投加量为50%污泥干重，CPAM投加剂量为1.2.1节所得最佳投加剂量。污泥脱水性能以污泥净产率（YN）为主要评价指标，以SRF为次要评价指标。

1.2.3　CPAM-稻壳粉对污泥的调理实验

按照1.2.2节过程所得最佳投加顺序对两种调理剂进行投加，稻壳粉投加剂量设定为0，10%,20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%和90%的污泥干重，CPAM投加剂量在单独投加的最佳剂量前后选取3个投加剂量值。

SRF的测定参照赵瑞娟的研究方法[14]，SRF值愈小其脱水性愈好，反之愈差。YN的测定参考Wu等人[15]的研究方法，YN的值愈高其脱水性愈好，反之愈差。

1.2.4　CPAM联合稻壳调理污泥机理实验方法

污泥滤液的Zeta电位用Zeta电位分析仪（ZEN3600，英国）测定，污泥泥饼微观结构用环境场扫描电镜ESEM（Quanta200，美国）测定，泥饼可压缩性系数如黄显浪等[16]的研究方法所示，污泥泥饼的可压缩性愈小证明污泥泥饼具有不可压缩性[17]。

2　结果与讨论

2.1　CPAM投加剂量对污泥脱水性能的影响

CPAM投加剂量对污泥脱水性能的影响如图1所示，SRF随着CPAM投加量的增加而逐渐减小，当CPAM投加量为4.29 g/kg污泥干重时，SRF值最小，证明此时污泥脱水性能最好，因此，单独投加CPAM时，其最佳投加剂量为4.29 g/kg污泥干重。

图1　CPAM投加量对污泥脱水性能的影响Fig.1　Effect of CPAM dosage on sludge dewater ability

2.2　CPAM与稻壳粉投加顺序对污泥脱水性能的影响

不同的调理剂投加顺序可能会影响到污泥调理的结果[18-19]，结果如表2所示。从表中可以看出先投加稻壳粉后加入CPAM溶液时污泥的脱水效果最佳。这可能是因为稻壳粉先与污泥混合均匀，污泥内部形成一个多孔和多通道的骨架结构，从而有效提高污泥的脱水性能。而另外两种投加方式可能是先投加CPAM，已经将污泥进行絮凝，后投加稻壳粉，稻壳粉没有在污泥内部充分混匀。

表2　稻壳粉与CPAM投加顺序对污泥脱水性能的影响Table 2　Effect of adding order of rice husk flour and CPAM on sludge dewater ability

2.3　CPAM联合稻壳粉对污泥脱水性能的影响

CPAM联合稻壳粉对污泥脱水性能的影响如图2所示，CPAM的投加剂量为3.58 g/kg、4.29 g/kg和5.01 g/kg污泥干重，稻壳粉的投加剂量为0～90%污泥干重。由图2（a）可知，当稻壳粉投加量逐渐增大时，SRF先略有增加，然后逐渐下降；由图2（b）可知，YN先随着稻壳粉投加量的增大而逐渐升高，升高至最大值后又减小，当CPAM投加量为5.01 g/kg污泥干重，稻壳粉投加量为50%污泥干重时，YN最大，污泥脱水性能最优。因此，5.01 g/kg污泥干重的CPAM，50%污染干重的稻壳粉是CPAM联合稻壳粉的最佳投加剂量。与单独投加CPAM（5.01 g/kg污泥干重）相比，SRF由13.3×109m/kg降低为4×109m/kg，降低了69.9%，YN由65.96 kg/（m2·h）升高为226.95 kg/（m2·h），增加了2.44倍。根据罗海健[19]用CPAM联合焚烧底渣调理污泥的研究，污泥净产率增加约83%，表明CPAM联合稻壳粉调理污泥效果较优。与此同时，与前期研究成果相比，利用三氯化铁联合污泥生物炭调理污泥，YN由原泥的1.38 kg/（m2·h）增加到28.6 kg/（m2·h)[15]，证明CPAM联合稻壳粉调理污泥效果较优。此结果还表明，与稻壳粉联合调理时，CPAM的投加量较单独投加时有所增加。

图2　CPAM与稻壳粉投加量对污泥脱水性能的影响Fig.2　Effect of CPAM and rice husk flour dosages on sludge dewater ability

2.4　CPAM联合稻壳粉调理污泥机理分析

2.4.1　污泥滤液Zeta电位的变化

由于污泥胶体粒子带有负电荷，彼此存在静电斥力，使得污泥难以沉降，根据DLVO理论，若污泥表面负电荷越多，絮体间的排斥力越大，污泥的絮凝以及沉降性能愈差，为了使污泥表面负电荷减少，胶粒能相互碰撞、凝聚，需加入调理剂以减小或消除胶粒表面的负电荷，改善污泥的沉降和脱水性能。表3表示投加调理剂对污泥滤液Zeta电位的影响，原泥Zeta电位为-16.25 mV，而CPAM（5.01 g/kg污泥干重）联合稻壳粉（50%污泥干重）调理后的污泥电位为-7.20 mV。由此可以推断，调理后的污泥滤液Zeta电位的上升主要是由于CPAM所带的正电荷与污泥所带的负电荷产生了静电中和的作用，而纯稻壳粉Zeta电位为-21.74 mV，证明稻壳粉不具备电荷中和作用[20]。同时，此结果可以解释2.2节的实验结果，由于稻壳粉表面带负电荷，先投加到污泥中，与表面带负电荷的污泥形成相对稳定且均匀分布的胶体状态，再投加CPAM，与污泥颗粒以及稻壳粉同时形成絮凝，这也是与稻壳粉联用后CPAM的最佳投加剂量比单独投加CPAM时投加量有所提高的原因。

表3　污泥滤液Zeta电位的变化Table 3　Zeta potential change of sludge filtrate

2.4.2　污泥泥饼微观结构的变化

污泥泥饼的微观结构如图3所示[图3（a）、图3（b）为放大500倍，图3（c）为放大200倍，图3（d）放大100倍]，原污泥泥饼内部结构致密，CPAM调理后的污泥泥饼与原泥泥饼微观结构类似，没有明显的孔隙，证明在污泥脱水过程中，污泥泥饼会变得越来越致密，水分无法通过泥饼，从而阻碍了水的进一步脱除。图3（c）表明稻壳粉联合CPAM调理后的污泥泥饼内部结构疏松，污泥泥饼中稻壳粉清晰可见；如图3（d）所示，在稻壳粉周围有很大的孔洞出现，从而证明稻壳粉的确在污泥泥饼中起支撑作用，经稻壳粉调理后的污泥泥饼内部已形成多孔的骨架结构，稻壳粉能有效改善污泥泥饼的压缩性和紧实性，从而进一步提高污泥的脱水性能[17]。

图3　污泥泥饼的微观结构变化Fig.3　Change of microstructure of sludge cakes

2.4.3　污泥泥饼可压缩性系数的变化

污泥泥饼的可压缩性系数由图4所示，原污泥泥饼的可压缩系数为1.06，单加阳离子聚丙烯酰胺调理的污泥泥饼可压缩系数为0.98，经CPAM与稻壳粉联合调理后的污泥泥饼可压缩性系数为0.87，低于原污泥以及CPAM调理后的污泥泥饼，由此表明稻壳粉起到了骨架支撑的作用，使得污泥的可压缩性降低，故提高了污泥脱水的性能[17]，此结果与图3所得结果一致。

图4　污泥泥饼的可压缩性（CPAM投加量为5.01 g/kg污泥干重，稻壳粉投加量为50%污泥干重）Fig.4　Coefficient of compressibility of sludge cakes(CPAM dosage of 5.01 g/kg DS,rice husk flour dosage of 50%DS)

3　结论

（1）用CPAM联合稻壳粉调理污泥能有效提高污泥的脱水性能，CPAM联合稻壳粉调理污泥的最佳条件：先投加稻壳粉，投加量为50%污泥干重，后投加5.01 g/kg污泥干重的CPAM。在最佳投加条件下，与单独投加CPAM相比，由13.3×109m/kg降低为4×109m/kg，污泥净产率由原泥的65.96 kg/（m2·h）升高为226.95kg/（m2·h）。

（2）通过污泥滤液Zeta电位的分析得出，CPAM所带的正电荷与污泥所带的负电荷产生了静电中和的作用，但稻壳粉本身不具备絮凝作用。

（3）通过污泥泥饼微观结构以及可压缩性系数的测定得出，稻壳粉能够有效改善污泥泥饼的内部结构，使污泥内部形成一个多孔和多通道的网状骨架结构，提高污泥的不可压缩性，从而有效提高污泥的脱水性能。

[1]赵乐乐，冯伟，缪静.城镇污泥处理技术应用现状及发展趋势[J].广州化工，2016，44（5）：35-36，+54.

[2]田野.污水污泥处置与建材化利用现状探讨[J].四川水泥，2017（2）：121.

[3]韩法昌.城市污水处理厂污泥处理处置方法探究[J].城市建设，2010（15）：1-2.

[4]曹伟华，孙晓杰.污泥处理与资源化应用实例[M].北京：冶金工业出版社，2010.

[5]戴晓虎.我国城市污水处理处置现状及机遇[J].建设科技，2011（19）：55-59.

[6]严伟嘉，孙永军.污泥调理技术研究进展[J].土木建筑与环境工程，2015，37（S1）：41-45.

[7]NITTAMI T，UEMATSU K，NABATAME R，et al.Effect of compressibility of synthetic fibers as conditioning materials on dewatering of activated sludge[J].Chemical Engineering Journal，2015，268：86-91.

[8]吴献，马依颖.稻壳水泥熟料煅烧实验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学），2016，32（5）：882-889.

[9]谢定，韩丹妮.稻壳综合利用技术与经济浅析[J].粮食科技与经济，2010，35（3）：35-37.

[10]CHUAN T G，JUMASIAH A，AZNI I，et al.Rice husk as a potentially low-cost biosorbent for heavy metal and dye removal：an overview[J].Desalination，2005，175（3）：305-316.

[11]QI Y，THAPA K B，HOADLEY A.Application of filtration aids for improving sludge dewatering properties–A review[J].Chemical Engineering Journal，2011，171（2）：373-384.

[12]WANG J S，LIU J C，LEE D J.Dual conditioning of sludge utilizing polyampholyte[J].Journal of Environmen⁃tal Engineering，2005，131（12）：1659-1666.

[13]WU Y，ZHANG P Y，ZHANG H B，et al.Possibility of sludge conditioning and dewatering with rice husk biochar modified by ferric chloride[J].Bioresource Technology，2016，205：258-263.

[14]赵瑞娟，李小明，杨麒，等.酸改性沸石对污泥调理的影响[J].环境工程学报，2013，7（7）：2678-2684.

[15]WU Y,ZHANG P Y,ZENG G M，et al.Enhancing sew⁃age sludge dewater ability by a skeleton builder：Biochar produced from sludge cake conditioned with rice husk flour and FeCl3[J].ACS Sustainable Chemistry&Engineer⁃ing，2016，4（10）：5711-5717.

[16]黄显浪，李小明.CTAB改性斜发沸石对剩余污泥的调理作用[J].环境工程学报，2016，10（6）：3193-3199.

[17]董凌霄，丁绍兰，谢林花，等.核桃壳添加改善污泥压缩性能研究[J].陕西科技大学学报，2016，34（4）：26-30.

[18]陈畅亚.壳聚糖—改性粉煤灰联合调理改善污泥脱水性能及机理初探[D].长沙：湖南大学，2013.

[19]罗海健.助滤剂（污泥焚烧底渣、木屑）对工业污泥脱水性能的影响研究[D].广州：广东工业大学，2013.

[20]ZHAO Y Q.Enhancement of alum sludge dewatering ca⁃pacity by using gypsum as skeleton builder[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering As⁃pects，2002，211（2/3）：205-212.