不同活化方式下PMS对污泥脱水性能的影响及机理分析

王飞坤，王曦，郭庆峰，李登新，3，4，林政友

(1.东华大学 环境科技与工程学院,上海 201620；2.东华大学 国家环境保护纺织污染防治工程技术中心，上海 201620；3.同济大学 环境科学与工程学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 201620；4.上海污染控制与生态安全研究院,上海 201620；5.上海环安环境管理有限公司，上海 202150)

本文以城市污水厂的剰余污泥为实验对象，考察PMS投加量、活化温度、活化碱的种类、碱/PMS摩尔比以及热与碱联合活化后对污泥脱水性能的影响，并通过一系列的表征研究脱水机理，探究PMS调理改善污泥脱水性能的适宜条件，对污泥后续处置提供一些见解。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

污泥,取自上海松江污水处理厂浓缩池，自然沉降弃去上清液,保留底部污泥，置于4 ℃恒温冷藏柜中保存，以防变质，污泥性质见表1;浓硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、硫酸亚铁铵、重铬酸钾、试亚铁灵、戊二醇等均为分析纯;PMS为过硫酸氢钾,阿拉丁试剂。

表1 污泥性质Table 1 Characteristics of sludge

DKY-11型水浴恒温振荡器；FE20型pH计；Quanta250环境扫描电子显微镜；TGA8000热重分析仪；CenLee16R台式高速冷冻离心机；DHG-9053A电热恒温鼓风干燥箱；GCMS-QP2010Ultra气相色谱质谱联用仪；DFC-10A毛细吸水时间测试仪；KHCOD-100型COD自动消解回流仪。

1.2 污泥调理脱水

将100 mL剩余污泥置于250 mL烧杯中，加入0.3 mmol/g(污泥干基质量)KOH及PMS 0.6 mmol/g,调整反应温度80 ℃，150 r/min搅拌一定时间，终止反应。调理后的污泥置于装有定量滤纸的布氏漏斗中，在0.055 MPa 的真空负压下抽滤脱水。污泥用超滤无纺布包裹，于嵌样机中20 MPa持续1 min，污泥滤饼置于105 ℃烘箱中干燥至恒重。测定Wc(泥饼含水率)及SCOD(溶解性化学需氧量),计算污泥含水率。

Wc=(W1-W2)/W1×100%

(1)

式中Wc——污泥泥饼含水率，%；

W1——污泥泥饼质量，g；

W2——污泥在105 ℃下烘干至恒重的泥饼质量，g。

1.3 分析方法

1.3.1 SCOD测定 按照HJ 828—2017《水质化学需氧量测定 重铬酸盐法》[9]测定污泥的溶解性化学需氧量。

1.3.2 CST测定 使用DFC-10A毛细吸水时间测试仪测定。

1.3.3 气相色谱分析 使用GCMS-QP2010Ultra气相色谱质谱联用仪测试。

1.3.4 热重分析 污泥经10 000 r/min、20 min离心后，使用TGA8000热重分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 碱活化PMS对污泥脱水性能的影响

2.1.1 不同碱活化PMS对污泥脱水性能的影响 采用KOH和NaOH分别活化PMS对污泥进行预处理，碱与PMS等摩尔比配制，碱和PMS加入量对污泥脱水性能的影响，见图1。

图1 不同碱活化PMS对污泥脱水性能的影响Fig.1 Effect of different alkali activated PMS on sludge dewatering performance

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，RH为有机物。

2.1.2 KOH/PMS摩尔比对污泥脱水性能的影响 PMS的投加量0.6 mmol/g,改变KOH的投加量，KOH/PMS摩尔比对污泥脱水性能的影响见图2。

图2 KOH/PMS摩尔比对污泥脱水性能的影响Fig.2 Effect of molar ratio(KOH/PMS) on sludge dewatering performance

(6)

2.2 温度对污泥脱水性能的影响

实验条件同上，温度对污泥脱水性能的影响见图3。

图3 温度对污泥脱水性能的影响Fig.3 Effect of temperatures on sludge dewatering performance

由图3可知，随着温度的升高，污泥含水率降低，SCOD升高，60 ℃和80 ℃含水率差距不大，但SCOD悬殊，80 ℃时SCOD最高，表明此时PMS对污泥的破壁效果最好。60 ℃和80 ℃时，污泥的含水率分别为51.42%和51.5%，降低了32.34%和32.24%，SCOD分别为655.2,926.28 mg/L，升高了374.1%和570.2%。

2.3 热和碱复合活化PMS对污泥脱水性能的影响

PMS的投加量0.6 mmol/g、KOH的投加量0.3 mmol/g 热和碱联合活化PMS对污泥脱水性能的影响见图4。

图4 热和碱联合活化PMS对污泥脱水性能的影响Fig.4 Effect of heat and alkali combined activation of PMS on sludge dewatering performance

由图4可知，80 ℃时污泥的含水率达到了49.0%，降低了35.5%，而SCOD为925.7 mg/L，升高了602.2%，表明此时污泥破壁效果和脱水性能最好，污泥中的胞内水和结合水最大限度转化为了自由水，为后续的机械脱水与干化提供了便利。

2.4 活化方式对污泥沉降性能的影响

在以上最佳实验条件下，测试不同活化方式下PMS对污泥沉降性能的影响，结果见图5。

图5 预处理前后污泥沉降曲线Fig.5 Sludge sedimentation curve before and after pretreatment

由图5可知，3种预处理方式后，污泥的沉降性能都得到了改善，其中沉降性能最好的是热活化下PMS氧化后的污泥，而热和碱联合活化下PMS氧化后污泥沉降性能介于两个单因素条件之间，分析认为污泥絮体和EPS结构在碱的作用下破坏，污泥变得疏松，颗粒粒径减小，增加了沉降时的阻力[14]，沉降速度变慢。

2.5 不同活化方式下PMS对污泥脱水性能的机理分析

在不同活化方式下，PMS对污泥作用后各项参数变化情况见表2。

表2 不同活化方式下PMS对污泥参数变化Table 2 Changes of sludge parameters of PMS under different activation modes

由表2可知，3种预处理方式均能显著降低污泥的CST，其中热与碱联合活化PMS后对污泥的脱水效果最好。3种预处理方式均能显著减少污泥的质量和体积，其中热与碱联合活化PMS后对污泥的减量化程度最好。在工业应用中可以考虑利用废碱、废热或余热来实现热碱复合活化体系，达到更高的污泥减量和脱水效果。

图6是预处理前后的污泥SEM图。

图6 不同活化方式下PMS对污泥作用后SEM图Fig.6 SEM image of PMS on sludge under different activation modesa.原泥；b.热活化；c.碱活化；d.热与碱联合活化

由图6可知，污泥经预处理后，结构都变得疏松，其中d图污泥絮体孔状结构最丰富，表明热和碱联合活化PMS后使污泥絮体呈明显的网状结构，污泥结构破坏最明显。热和碱联合活化PMS，絮体结构松散，边界面清晰，污泥菌胶团的破裂，细胞结构被破坏，内部结合水流出，转化为自由水，有利于污泥的脱水[14-15]。

不同活化方式下，PMS对污泥作用后，上清液气相色谱图见图7。

图7 不同活化方式下PMS对污泥作用后上清液气相色谱图Fig.7 Gas chromatogram of supernatant after PMS treatment on sludge under different activation modes

由图7可知，相对分子质量为62的乙二醇最早出峰，相对分子质量为222的7-亚甲基甘菊环-6-醇最晚出峰，出峰时间分别为4.27 min和 15.325 min。原污泥经处理后相对分子量较大的有机物含量减少甚至消失，分子量较小的有机物占可检测出有机物总量的比例明显升高，其中在原污泥中存在的苯系物3,5-二叔丁基苯酚(出峰时间为14.24 min)，在热活化、碱活化及热与碱复合活化时消失。由色谱峰面积可知，PMS在热与碱复合活化下对污泥大分子的有机物的分解效果最好，特别是对大分子污染物分解更明显，而且污泥细胞破裂溶出有机物和PMS水解形成的自由基反应，污泥减量化效果也最好。

2.6 热碱复合活化PMS处理后污泥的热重分析

由图8可知，处理后污泥的失重速率曲线比原泥的“矮胖”,且出现双峰，表明处理后污泥比原泥干燥速率更大，达到最大失重速率对应温度更低，因为更易扩散的自由水和毛细水所占比例更高[16-17]。处理后,污泥中水分更易挥发，且有机质减少，可失重总量降低。失重曲线上出现双峰，是因为有机物含量降低，污泥中有机质通过氢键结合的水分含量降低，水分挥发和有机物挥发同步性降低。因此，可认为污泥在热碱复合活化PMS处理后,干燥性能得到了较好改善。

图8 污泥的失重速率曲线Fig.8 Rate curve of weight loss of sludge升温速率10 ℃/min

3 结论

(1)PMS处理污泥时,KOH的活化效果大于NaOH的活化效果。热与碱联合活化PMS处理污泥达到最佳脱水效果时温度为80 ℃，PMS和KOH的最佳投加量分别为0.6 mmol/g和0.3 mmol/g，此时含水率降低了35.5%，SCOD升高了602.2%。

(2)污泥经热与碱联合活化PMS处理后，污泥颗粒脱稳,絮体孔状结构丰富，细胞结构被破坏,内部结合水流出，转化为自由水；处理后,相对分子量较大的污染物被分解，分子量较小的有机物占可检测出有机物总量的比例明显升高；污泥沉降性能得到提高，CST降低效果和减量化效果明显。

(3)污泥经热与碱联合活化PMS处理后，更易失水的自由水和毛细水所占比例升高，水分挥发和有机物挥发同步性降低，污泥的干燥性能得到了改善。