絮凝剂对市政污泥脱水性能的影响
摘要：以某市政污水处理厂浓缩池污泥为研究对象，以污泥沉降比、污泥比阻（SRF）为指标，研究了聚丙烯酰胺（PAM）对污泥脱水性能的影响，探讨了助凝剂生石灰对污泥脱水性能的影响。结果表明：PAM作污泥调理剂的最佳投加量为40mg/L且生石灰联合PAM作为污泥的调理剂脱水效果更好。生石灰10g/L、PAM 20mg/L为最佳污泥调理药剂组合。
关键词：市政污泥脱水；沉降性能；污泥比阻；PAM
中图分类号：X131.2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）05-0227-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.135
Abstract ： Taking the sludge from a concentrated municipal sewage treatment plant as the research object， the effect of polyacrylamide （PAM） on the dewatering performance of sludge was studied by using the sludge settlement ratio and sludge specific resistance （SRF） as indicators. Influence of Coagulant Quicklime on Dewatering Performance of Sludge . The results showed that： 1） Quicklime combined with PAM as a conditioning agent for sludge was more effective than single PAM conditioner. 2） When PAM is used as a sludge conditioner， the optimal dosage is 40 mg/L. 3） Adding quicklime coagulant can significantly increase the dewatering effect of sludge， and can greatly reduce the amount of PAM flocculant. Under the experimental conditions， quicklime 10g/L and PAM 20mg/L were the optimal sludge conditioning agents.
Key words： Municipal sludge dewatering； Settling performance； Sludge specific resistance； PAM
城市污水廠的污泥，一般产量大、含水率高，并且含有大量的重金属、有机物和致病细菌等[1]。污泥的脱水处理是处理污泥的一个必要环节，目前处理污泥脱水主要是通过物理、化学或生物方法先对污泥进行调理，之后采用先进设备进行脱水。在污泥脱水的三种方法中化学调理方法简单可行。絮凝剂是化学调理方法中的一种药剂，通过这种药剂可以使微小悬浮物或一些不稳定的胶体聚结成大的絮凝体，最后沉降下来。絮凝剂主要有四大类：无机絮凝剂、有机絮凝剂、复合絮凝剂和微生物絮凝剂[2]。无机絮凝剂主要包括铝系和铁系，如聚合硫酸铝（PAS）、三氯化铁；有机絮凝剂又分天然的和人工合成的，淀粉、蛋白质、动物胶等属于天然型有机絮凝剂，聚丙烯酰胺（PAM）属于合成型有机絮凝剂；复合絮凝剂是将两种或两种以上的单组分絮凝剂通过某些化学反应形成的共聚复合物，根据组份性质不同又可分为无机-无机复合絮凝剂、无机-有机絮凝剂、有机-有机絮凝剂；微生物絮凝剂是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而成的，这种絮凝剂具有生物分解分界性，无毒、无二次污染，有很高的安全性。絮凝剂单独使用易造成投加量大、泥饼增容等问题[3]。因此研究絮凝剂与生石灰等助凝剂的联合应用，确定高效的药剂配比，对提高市政污泥脱水效果有重要意义。本文以污泥比阻、沉降性能为污泥脱水性能评价指标，研究了单一絮凝剂PAM作污泥调理剂时的脱水效果，并给出了其最佳投加量，对助凝剂生石灰和PAM联合对污泥脱水效果也做了分析，旨在优化污泥脱水药剂配置，提高污泥脱水效果。
1 实验材料与方法
1.1 实验污泥
实验所用污泥采集于某市政污水处理厂浓缩池，污泥采集后马上保存于4℃冰箱中，污泥基本理化性质如表1所示：
1.2 实验方法
1.2.1 污泥调理
将一定量原始污泥置于烧杯中，加入所需量的PAM或者生石灰，投加后用搅拌器进行搅拌。投加PAM后以300r/min快速搅拌5min，再以150r/min慢速搅拌10min；投加生石灰后以300r/min快速搅拌3min，再以150r/min慢速搅拌5min。将调理后污泥用于比阻测定和沉降实验。
1.2.2 污泥沉降
取调理后污泥100mL置于100mL量筒中静置，分别在0min、5min、10min、15min、20min、25min、30min时记录沉淀后污泥的体积，沉淀后污泥体积占初始污泥体积百分比即代表污泥沉降性能，百分比约小，沉降性能越好[1]。
1.2.3 污泥比阻测定
污泥比阻（SRF）是常用来表征污泥的脱水性能的参数，SRF值越小，表示污泥脱水性能越好，通常认为当SRF值小于3.67×1011cm.g-1，污泥较容易脱水，脱水性能较好，当SRF值大于9.18×（1011-1012）cm.g-1，污泥较难脱水，属于难脱水污泥。污泥比阻测定方法为：取100ml调理后污泥，置于布式漏斗中，漏斗要事先铺好过滤滤纸并调节好。待污泥在重力下过滤1min钟后，开启真空泵，调节真空压力至35.5KPa，此时同时记下滤液体积，记为V0，开启计时器，每隔5秒记录一次滤液体积，记作Vt，实验中要保持压力恒定，至滤饼破裂或7-8min后可停止过滤。污泥比阻SRF可通过如下公式计算：
2 实验结果与讨论
2.1 PAM单独作用对污泥的脱水性能的影响
将PAM配成质量浓度为0.2%的PAM溶液，加入污泥中，在不同PAM加入量下，污泥比阻如图1所示。当PAM投加量较小时，SRF随着PAM投加量的增加而降低，当PAM浓度为40mg/L时，SRF达到最低，此后PAM再增加时，SRF随着PAM投加量的增加而呈上升趋势。PAM在污泥中呈伸展链状，当PAM投入量较少，PAM浓度较低，PAM高分子链通过吸附架桥的形式可以同时吸附多个颗粒物，将多个颗粒物联合在一起，起到絮凝效果，同时阳离子的正电荷可以中和带负电荷的污泥颗粒，减弱颗粒间因同种电荷引起的排斥作用，使颗粒更好聚集，此时PAM投入越多，吸附的颗粒越多，中和的负电荷越多，絮凝效果越好。当PAM投入过多时絮凝效果反而变差，不同的学者有不同的认识。张勋江等[4]研究认为当PAM投入过多，PAM分子链相互覆盖，减少少了颗粒的吸附空间，同时带入的大量正电荷使污泥也重新带上正电荷而相互排斥，因此絮凝效果下降。刘渝等[5]在研究有机高分子絮凝剂对污泥脱水性能的影响时也发现污泥比阻值会随着投加量的增加先降低后上升，其认为可能有2个原因：一是当投加过量的有机高分子后，多余的长链分子会吸附污泥颗粒架桥，形成更加紧密的絮体结构，这个结构会包卷一部分水，使水分不易通过；另一种可能是多余的有机高分析絮凝剂粘附在滤纸上，阻塞滤孔，使水分难以压滤。本研究种PAM可使污泥SRF从15.7×1011cm.g-1降低至6.89×1011cm.g-1，降低了56.1%。
图2为投加不同浓度PAM后所得的污泥的沉降性曲线。从图2可以看出，投加不同浓度的PAM调理污泥后，污泥的沉降性能都得到不同程度的改善。随着投加PAM浓度的增大，污泥沉降性曲线的下降趋势明显，污泥沉降曲线在5min内下降迅速，之后下降趋势变得平缓。在PAM投加量为60mg/L时污泥沉降的效果最优，PAM投加量为40mg/L时污泥沉降的效果次之。当PAM投加量为60mg/L时，污泥沉降性能也最好，在30min时，沉降污泥体积由100ml下降至51ml，污泥沉降比达到51%；当PAM投加量为40mg/L时，污泥沉降性能次之，在30min时，沉降污泥体积由100ml下降至55ml，污泥沉降比达到55%。可见，当PAM投加量为40mg/L或60mg/L时，污泥都有好的沉降性能。结合图1当PAM投加量为40mg/L时污泥的SRF值最小，并考虑到經济效益，可知当PAM单独作用于污泥的脱水性能时，其最佳投加量是40mg/L，此时污泥的SRF为6.89×1011cm.g-1。
2.2 PAM联合生石灰对污泥的脱水性能的影响
将生石灰和PAM按照不同的比例进行投加，在不同配比下污泥SRF如图3所示。在单独加入PAM时，污泥SRF的范围是6.89～15.7×1011cm.g-1（图1），而当在污泥中一起加入PAM和生石灰时，污泥SRF的范围是3.14～7.98×1011cm.g-1（图3），相比于单独投加PAM，加入生石灰后，污泥SRF整体下降明显。这种明显的下降趋势主要可能是生石灰的作用，也可能是生石灰和PAM的共同作用。通过比较发现PAM在较低浓度（10mg/L）单独作用时对SRF降低率不明显（降低3.8%），但投加生石灰后，SRF可降低至49.2%～55.5%，可见在PAM处于较低浓度时，生石灰起主要作用，随PAM浓度增加，PAM和生石灰共同作用于污泥的SRF。
本研究所配置比例中当生石灰和PAM投加量分别为5g/L、40mg/L时，污泥SRF最低，为3.14×1011cm.g-1， 污泥的SRF降低了80.0%。值得注意的是当生石灰和PAM投加量分别为10g/L、20mg/L时，污泥的SRF也较低，为为3.21×1011cm.g-1，污泥的SRF降低了79.5%。显然，这两种配置方案对污泥的SRF下降作用相当，但是PAM的投加量为40mg/L时是PAM投加量为20mg/L时的2倍，实际生活中PAM的价格要远高于生石灰，经济效益是生产应用中需要考虑。丁绍兰等研究发现当石灰的投加量增加时，污泥的SRF整体呈下降趋势，从经济角度出发，石灰调理污泥的最佳投药量是2.5g/L，另外其发现PAM联合石灰的联合调理与石灰单独调理对污泥脱水性能改善效果相近，因此在实际污水脱水处理过程中，可以使用部分石灰代替有机PAM，在达到脱水效果的同时降低处理费用。相比于投加单一PAM，投加生石灰后，PAM在较低用量即可达较好的SRF降低效果。
图4为不同比例的生石灰和PAM与污泥SRF的关系。从图4可以看出，PAM联合生石灰可以改善污泥的沉降性能。随着时间的延长，污泥的沉降曲线先迅速下降，之后趋于平衡，其中污泥沉降曲线在5min内下降迅速，在10min之后下降趋势变得平缓。虽然当生石灰和PAM投加量分别为5g/L、40mg/L时，污泥的SRF值最小，但是此种情况下污泥的沉降比却高达68%，污泥的沉降性能一般。当生石灰和PAM投加量分别为10g/L、20mg/L时，污泥沉降效果最优，在30min时，沉降污泥体积由100ml下降至36ml，污泥沉降比达到36%。可见当生石灰和PAM联合调理于污泥时，其最佳投加量是生石灰为10g/L，PAM为20mg/L，此时污泥的SRF为3.14×1011cm.g-1。
3 结论
（1）在试验条件下，生石灰联合PAM作为污泥的调理剂脱水效果要好于单一PAM调理剂。（2）在试验污泥条件下，当PAM单独作用于污泥的脱水性能时，其最佳投加量是40mg/L，此时污泥的SRF为6.89×1011cm.g-1。（3）当生石灰和PAM联合调理于污泥时，其最佳投加量是生石灰为10g/L，PAM为20mg/L，此时污泥的SRF为3.14×1011cm.g-1。
参考文献
[1]林奕明，周少奇，陈安安.城市污水厂剩余活性污泥生产生态水泥[J].化工学报，2011，62（4）：1117-1123.
[2]杨博，孙宾宾.水处理絮凝剂的研究现状[J].合成材料老化与应用，2016，45（5）：92-96.
[3]申娟娟，刘根起，宋金月等.有机高分子絮凝剂的研究现状[J].材料开发与应用，2011，26（2）：96-99.
[4]张勋江.聚丙烯酰胺在水土保持中的应用研究[D].西安：西北大学，2012.
[5]刘渝，唐绍明，蒋丽春等.有机高分子絮凝剂对污泥脱水性能的影响研究[J].工业安全与环保，2010，36（12）：56-58.[6]丁绍兰，曹凯，董凌霄.石灰调理对污泥脱水性能的影响[J].陕西科技大学学报，2015（4）：23-27.
收稿日期：2018-03-30
作者简介：裘慧珺（1982-），男，本科，环境工程学士，研究方向为城市给排水技术和管理。
关键词：市政污泥脱水；沉降性能；污泥比阻；PAM
中图分类号：X131.2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）05-0227-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.135
Abstract ： Taking the sludge from a concentrated municipal sewage treatment plant as the research object， the effect of polyacrylamide （PAM） on the dewatering performance of sludge was studied by using the sludge settlement ratio and sludge specific resistance （SRF） as indicators. Influence of Coagulant Quicklime on Dewatering Performance of Sludge . The results showed that： 1） Quicklime combined with PAM as a conditioning agent for sludge was more effective than single PAM conditioner. 2） When PAM is used as a sludge conditioner， the optimal dosage is 40 mg/L. 3） Adding quicklime coagulant can significantly increase the dewatering effect of sludge， and can greatly reduce the amount of PAM flocculant. Under the experimental conditions， quicklime 10g/L and PAM 20mg/L were the optimal sludge conditioning agents.
Key words： Municipal sludge dewatering； Settling performance； Sludge specific resistance； PAM
城市污水廠的污泥，一般产量大、含水率高，并且含有大量的重金属、有机物和致病细菌等[1]。污泥的脱水处理是处理污泥的一个必要环节，目前处理污泥脱水主要是通过物理、化学或生物方法先对污泥进行调理，之后采用先进设备进行脱水。在污泥脱水的三种方法中化学调理方法简单可行。絮凝剂是化学调理方法中的一种药剂，通过这种药剂可以使微小悬浮物或一些不稳定的胶体聚结成大的絮凝体，最后沉降下来。絮凝剂主要有四大类：无机絮凝剂、有机絮凝剂、复合絮凝剂和微生物絮凝剂[2]。无机絮凝剂主要包括铝系和铁系，如聚合硫酸铝（PAS）、三氯化铁；有机絮凝剂又分天然的和人工合成的，淀粉、蛋白质、动物胶等属于天然型有机絮凝剂，聚丙烯酰胺（PAM）属于合成型有机絮凝剂；复合絮凝剂是将两种或两种以上的单组分絮凝剂通过某些化学反应形成的共聚复合物，根据组份性质不同又可分为无机-无机复合絮凝剂、无机-有机絮凝剂、有机-有机絮凝剂；微生物絮凝剂是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而成的，这种絮凝剂具有生物分解分界性，无毒、无二次污染，有很高的安全性。絮凝剂单独使用易造成投加量大、泥饼增容等问题[3]。因此研究絮凝剂与生石灰等助凝剂的联合应用，确定高效的药剂配比，对提高市政污泥脱水效果有重要意义。本文以污泥比阻、沉降性能为污泥脱水性能评价指标，研究了单一絮凝剂PAM作污泥调理剂时的脱水效果，并给出了其最佳投加量，对助凝剂生石灰和PAM联合对污泥脱水效果也做了分析，旨在优化污泥脱水药剂配置，提高污泥脱水效果。
1 实验材料与方法
1.1 实验污泥
实验所用污泥采集于某市政污水处理厂浓缩池，污泥采集后马上保存于4℃冰箱中，污泥基本理化性质如表1所示：
1.2 实验方法
1.2.1 污泥调理
将一定量原始污泥置于烧杯中，加入所需量的PAM或者生石灰，投加后用搅拌器进行搅拌。投加PAM后以300r/min快速搅拌5min，再以150r/min慢速搅拌10min；投加生石灰后以300r/min快速搅拌3min，再以150r/min慢速搅拌5min。将调理后污泥用于比阻测定和沉降实验。
1.2.2 污泥沉降
取调理后污泥100mL置于100mL量筒中静置，分别在0min、5min、10min、15min、20min、25min、30min时记录沉淀后污泥的体积，沉淀后污泥体积占初始污泥体积百分比即代表污泥沉降性能，百分比约小，沉降性能越好[1]。
1.2.3 污泥比阻测定
污泥比阻（SRF）是常用来表征污泥的脱水性能的参数，SRF值越小，表示污泥脱水性能越好，通常认为当SRF值小于3.67×1011cm.g-1，污泥较容易脱水，脱水性能较好，当SRF值大于9.18×（1011-1012）cm.g-1，污泥较难脱水，属于难脱水污泥。污泥比阻测定方法为：取100ml调理后污泥，置于布式漏斗中，漏斗要事先铺好过滤滤纸并调节好。待污泥在重力下过滤1min钟后，开启真空泵，调节真空压力至35.5KPa，此时同时记下滤液体积，记为V0，开启计时器，每隔5秒记录一次滤液体积，记作Vt，实验中要保持压力恒定，至滤饼破裂或7-8min后可停止过滤。污泥比阻SRF可通过如下公式计算：
2 实验结果与讨论
2.1 PAM单独作用对污泥的脱水性能的影响
将PAM配成质量浓度为0.2%的PAM溶液，加入污泥中，在不同PAM加入量下，污泥比阻如图1所示。当PAM投加量较小时，SRF随着PAM投加量的增加而降低，当PAM浓度为40mg/L时，SRF达到最低，此后PAM再增加时，SRF随着PAM投加量的增加而呈上升趋势。PAM在污泥中呈伸展链状，当PAM投入量较少，PAM浓度较低，PAM高分子链通过吸附架桥的形式可以同时吸附多个颗粒物，将多个颗粒物联合在一起，起到絮凝效果，同时阳离子的正电荷可以中和带负电荷的污泥颗粒，减弱颗粒间因同种电荷引起的排斥作用，使颗粒更好聚集，此时PAM投入越多，吸附的颗粒越多，中和的负电荷越多，絮凝效果越好。当PAM投入过多时絮凝效果反而变差，不同的学者有不同的认识。张勋江等[4]研究认为当PAM投入过多，PAM分子链相互覆盖，减少少了颗粒的吸附空间，同时带入的大量正电荷使污泥也重新带上正电荷而相互排斥，因此絮凝效果下降。刘渝等[5]在研究有机高分子絮凝剂对污泥脱水性能的影响时也发现污泥比阻值会随着投加量的增加先降低后上升，其认为可能有2个原因：一是当投加过量的有机高分子后，多余的长链分子会吸附污泥颗粒架桥，形成更加紧密的絮体结构，这个结构会包卷一部分水，使水分不易通过；另一种可能是多余的有机高分析絮凝剂粘附在滤纸上，阻塞滤孔，使水分难以压滤。本研究种PAM可使污泥SRF从15.7×1011cm.g-1降低至6.89×1011cm.g-1，降低了56.1%。
图2为投加不同浓度PAM后所得的污泥的沉降性曲线。从图2可以看出，投加不同浓度的PAM调理污泥后，污泥的沉降性能都得到不同程度的改善。随着投加PAM浓度的增大，污泥沉降性曲线的下降趋势明显，污泥沉降曲线在5min内下降迅速，之后下降趋势变得平缓。在PAM投加量为60mg/L时污泥沉降的效果最优，PAM投加量为40mg/L时污泥沉降的效果次之。当PAM投加量为60mg/L时，污泥沉降性能也最好，在30min时，沉降污泥体积由100ml下降至51ml，污泥沉降比达到51%；当PAM投加量为40mg/L时，污泥沉降性能次之，在30min时，沉降污泥体积由100ml下降至55ml，污泥沉降比达到55%。可见，当PAM投加量为40mg/L或60mg/L时，污泥都有好的沉降性能。结合图1当PAM投加量为40mg/L时污泥的SRF值最小，并考虑到經济效益，可知当PAM单独作用于污泥的脱水性能时，其最佳投加量是40mg/L，此时污泥的SRF为6.89×1011cm.g-1。
2.2 PAM联合生石灰对污泥的脱水性能的影响
将生石灰和PAM按照不同的比例进行投加，在不同配比下污泥SRF如图3所示。在单独加入PAM时，污泥SRF的范围是6.89～15.7×1011cm.g-1（图1），而当在污泥中一起加入PAM和生石灰时，污泥SRF的范围是3.14～7.98×1011cm.g-1（图3），相比于单独投加PAM，加入生石灰后，污泥SRF整体下降明显。这种明显的下降趋势主要可能是生石灰的作用，也可能是生石灰和PAM的共同作用。通过比较发现PAM在较低浓度（10mg/L）单独作用时对SRF降低率不明显（降低3.8%），但投加生石灰后，SRF可降低至49.2%～55.5%，可见在PAM处于较低浓度时，生石灰起主要作用，随PAM浓度增加，PAM和生石灰共同作用于污泥的SRF。
本研究所配置比例中当生石灰和PAM投加量分别为5g/L、40mg/L时，污泥SRF最低，为3.14×1011cm.g-1， 污泥的SRF降低了80.0%。值得注意的是当生石灰和PAM投加量分别为10g/L、20mg/L时，污泥的SRF也较低，为为3.21×1011cm.g-1，污泥的SRF降低了79.5%。显然，这两种配置方案对污泥的SRF下降作用相当，但是PAM的投加量为40mg/L时是PAM投加量为20mg/L时的2倍，实际生活中PAM的价格要远高于生石灰，经济效益是生产应用中需要考虑。丁绍兰等研究发现当石灰的投加量增加时，污泥的SRF整体呈下降趋势，从经济角度出发，石灰调理污泥的最佳投药量是2.5g/L，另外其发现PAM联合石灰的联合调理与石灰单独调理对污泥脱水性能改善效果相近，因此在实际污水脱水处理过程中，可以使用部分石灰代替有机PAM，在达到脱水效果的同时降低处理费用。相比于投加单一PAM，投加生石灰后，PAM在较低用量即可达较好的SRF降低效果。
图4为不同比例的生石灰和PAM与污泥SRF的关系。从图4可以看出，PAM联合生石灰可以改善污泥的沉降性能。随着时间的延长，污泥的沉降曲线先迅速下降，之后趋于平衡，其中污泥沉降曲线在5min内下降迅速，在10min之后下降趋势变得平缓。虽然当生石灰和PAM投加量分别为5g/L、40mg/L时，污泥的SRF值最小，但是此种情况下污泥的沉降比却高达68%，污泥的沉降性能一般。当生石灰和PAM投加量分别为10g/L、20mg/L时，污泥沉降效果最优，在30min时，沉降污泥体积由100ml下降至36ml，污泥沉降比达到36%。可见当生石灰和PAM联合调理于污泥时，其最佳投加量是生石灰为10g/L，PAM为20mg/L，此时污泥的SRF为3.14×1011cm.g-1。
3 结论
（1）在试验条件下，生石灰联合PAM作为污泥的调理剂脱水效果要好于单一PAM调理剂。（2）在试验污泥条件下，当PAM单独作用于污泥的脱水性能时，其最佳投加量是40mg/L，此时污泥的SRF为6.89×1011cm.g-1。（3）当生石灰和PAM联合调理于污泥时，其最佳投加量是生石灰为10g/L，PAM为20mg/L，此时污泥的SRF为3.14×1011cm.g-1。
参考文献
[1]林奕明，周少奇，陈安安.城市污水厂剩余活性污泥生产生态水泥[J].化工学报，2011，62（4）：1117-1123.
[2]杨博，孙宾宾.水处理絮凝剂的研究现状[J].合成材料老化与应用，2016，45（5）：92-96.
[3]申娟娟，刘根起，宋金月等.有机高分子絮凝剂的研究现状[J].材料开发与应用，2011，26（2）：96-99.
[4]张勋江.聚丙烯酰胺在水土保持中的应用研究[D].西安：西北大学，2012.
[5]刘渝，唐绍明，蒋丽春等.有机高分子絮凝剂对污泥脱水性能的影响研究[J].工业安全与环保，2010，36（12）：56-58.[6]丁绍兰，曹凯，董凌霄.石灰调理对污泥脱水性能的影响[J].陕西科技大学学报，2015（4）：23-27.
收稿日期：2018-03-30
作者简介：裘慧珺（1982-），男，本科，环境工程学士，研究方向为城市给排水技术和管理。
