污泥脫水性能改善方法

在污水處理技術中，活性污泥法是技術zui為成熟和穩定的方法。它是利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，將水相中的有機物轉化到固相中，以實現有機物的去除。在此過程中，往往會產生大量的含水率*的剩余污泥，其含水率高達95.0%～99.5%〔1〕，體積約占總處理水量的0.3%～0.5%〔2〕。因此必須對污泥進行濃縮，以減少污泥的質量和體積。目前，大多數污水處理廠采用投加陽離子絮凝劑的方法來改善污泥的脫水性能。其中陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)以其的絮凝效果在水處理行業得到廣泛的應用。但合成聚丙烯酰胺的單體丙烯酰胺是一種神經毒素，是強致癌物〔3, 4〕，且聚丙烯酰胺難于生物降解。其絮凝的污泥也只能進行填埋，喪失了再利用的價值。

研究表明，改性天然高分子絮凝劑與合成有機高分子絮凝劑相比，具有選擇性大、無毒、價廉等顯著優點〔5〕。我國是制革大國，每年產生140萬t的皮革固體廢棄物〔6〕，在這些廢棄物中除少量的非膠原蛋白外，大約80%以上都是由膠原蛋白構成的〔7〕。將基于膠原蛋白改性的陽離子膠原蛋白絮凝劑(PCDMC)用于污水中的絮凝處理，起到了“以廢治污"的作用，具有廣闊的應用前景。本研究以實驗室自制的PCDMC為絮凝劑，考察其對污泥脫水效果的影響及脫水機制。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：PCDMC(自制);活性污泥取自西安市第五污水處理廠二沉池，測定污泥的含水率為98.72%，pH=7.35，經30 min沉淀后，測其SV30為35%，污泥比阻為2.174×1013 m/kg。

儀器：LiquiTOCⅡ測定儀，德國Elementar公司;DZ-2BC電子萬用爐，南京飛達干燥設備有限公司;Anke TDL-40B高速離心機，上海安亭科學儀器廠;KH-111循環水多用真空泵，上海科恒實業發展有限公司;Metrohm 905 Titrando電位滴定儀，深圳市凱銘杰儀器設備有限公司。

1.2 PCDMC的制備

從皮革固體廢棄物中提取膠原蛋白，以甲基丙烯酰氧乙基*基氯化銨為單體，叔丁基過氧化氫和焦亞硫酸鈉為引發劑在氮氣保護下對其改性，制備了陽離子膠原蛋白絮凝劑(PCDMC)〔8〕。制備原理如圖 1所示。

將制備的絮凝劑溶液噴霧干燥后，便可得到固含量大于95.8%，pH=5.80(質量分數為10%的水溶液)，含有陽離子官能團的白色粉末狀PCDMC。

1.3 實驗方法

1.3.1 污泥比阻的測定

污泥比阻是單位質量的污泥在一定的壓強下過濾時，在單位過濾面積所具有的阻力，它是表征污泥脫水性能的綜合指標。濾液體積與過濾時間遵從過濾基本公式(1)，根據該公式可計算出污泥比阻。污泥比阻愈大，脫水性能愈差，反之，脫水性能愈好。本實驗采用自制的污泥比阻測試裝置。

式中：r——污泥比阻，m/kg;

t——過濾時間，s;

P——過濾壓強，Pa;

A——過濾面積，m2;

V——濾液體積，m3;

μ——濾液的動力黏滯度，Pa·s;

ω——濾過單位體積的濾液在過濾介質上截留的固體質量，kg/m3;

b ——公式中t/V-V直線的斜率。

取100 mL污泥倒入實驗裝置的布氏漏斗中，在重力作用下過濾1 min(記錄量筒中的濾液量，在分析時減去此值)，隨后在0.05 MPa真空度下進行定壓抽濾，每隔10 s記錄不同抽濾時間t時的濾液體積V，等濾速減慢后，每隔30 s或60 s記錄濾液體積，直到真空度破壞或過濾時間達到20 min時結束〔9〕。

1.3.2 COD的測定

采用《快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)測定經過不同用量的PCDMC在不同條件下調質后的濃縮污泥上清液的COD。

1.3.3 Zeta電位的測定

將經過不同用量的PCDMC調質后的濃縮污泥放置在Metrohm 905 Titrando電位滴定儀的測試槽中，自動檢測經調質后的濃縮污泥的Zeta電位。

2 結果與討論

2.1 絮凝劑投加量對污泥脫水性能的影響

每次測定前，將活性污泥沉淀30 min后去掉上清液，在室溫下攪拌均勻。隨后分別倒入9個100 mL的量筒中，并依次加入質量濃度為1 g/L的PCDMC溶液1、2、3、4、5、6、7、8、9 mL，快速攪拌30 s后再低速攪拌2 min。進行污泥上清液COD及污泥比阻的測定，結果見圖 2。

由圖 2可知，隨著PCDMC投加量的增加，污泥上清液COD和污泥比阻均呈現先降低后升高的趨勢。PCDMC的投加量在1～4 mL時，所形成的污泥絮體大而緊密，污泥上清液COD和污泥比阻迅速降低。這是由于PCDMC水溶液中含有大量的陽離子聚合體絡合離子，這些陽離子能夠吸附難以沉淀的污泥膠體顆粒，中和膠體表面的負電荷，降低污泥膠粒的Zeta電位，使膠體脫穩，膠體顆粒相互吸引，從而凝聚沉淀;PCDMC的投加量在4～7 mL時，污泥比阻降低幅度很小且污泥上清液的COD開始緩慢上升。其原因在于，隨著PCDMC投加量的增加，污泥的黏度也會不斷增大，不利于污泥絮體的沉降;PCDMC的投加量在7 mL以上時，污泥比阻開始升高。這是由于加入藥劑過量，PCDMC水溶液中的陽離子將污泥顆粒表面所帶的負電荷中和*后，污泥顆粒將帶上正電荷，Zeta電位上升，膠體重新穩定，污泥的脫水性能降低〔10〕。因此，結合不同投加量下的試驗現象及上清液COD，PCDMC的*投加量為4 mL。

2.2 攪拌速度對絮凝劑脫水性能的影響

攪拌速度也是影響絮凝劑脫水性能的重要因素之一。攪拌速度過低，絮凝劑與污泥不能充分混合，絮凝效果不明顯;攪拌速度過高，會打散污泥絮體，降低絮凝劑的網捕作用。實驗考察當PCDMC溶液質量濃度為1 g/L，投加量為4 mL時，100 mL濃縮污泥分別在40、80、120、160、200 r/min下攪拌10 min后再靜置5 min的污泥上清液COD及污泥比阻，結果見圖 3。

實驗結果顯示，隨著攪拌速度的增大，污泥絮體也不斷增大，但攪拌速度高于120 r/min時，污泥溶液中開始出現較大絮體，但隨后又被打散，污泥上清液COD和污泥比阻降低幅度非常小，當攪拌速度高于160 r/min時，污泥上清液COD和污泥比阻已不再降低，并均出現緩慢升高的趨勢。因此，考慮攪拌速度對PCDMC脫水性能的影響以及工廠動力消耗，PCDMC的*攪拌速度為120 r/min。在120r/min下，污泥絮團大而結實，能夠充分發揮絮凝劑的吸附架橋和網捕作用。

2.3 溫度對絮凝劑脫水性能的影響

實驗溫度分別選定為5、12、20、40 ℃，模擬四季變化〔11〕。當PCDMC溶液質量濃度為1 g/L，投加量為4 mL時，測定的污泥上清液COD及污泥比阻變化如圖 4所示。

由圖 4可知，隨著絮凝溫度的升高，污泥上清液COD和污泥比阻不斷降低，說明升高溫度有利于污泥脫水。其原因在于，隨著溫度的升高，溶液中的布朗運動增強，增加了膠體顆粒與PCDMC分子間的碰撞，有利于電中和作用。但并不是溫度越高，PCDMC的絮凝效果越好，這是由于，溫度對絮凝劑活性的影響還與絮凝劑的成分密切相關，溫度對蛋白質類絮凝劑的絮凝活性影響更大〔12〕，而PCDMC是膠原蛋白改性而來，過高的溫度會破壞分子的組成，導致絮凝效果的降低。

2.4 污泥pH對絮凝劑脫水性能的影響

pH對膠體或顆粒表面電荷的Zeta電位有較大影響，是絮凝過程中的重要影響因素之一〔13〕。調節污泥原液的pH，研究不同pH條件下，PCDMC對污泥脫水性能的影響。當PCDMC溶液質量濃度為1 g/L，投加量為4 mL時，污泥溶液pH分別在5、6、7、8、9、10時的污泥上清液COD及污泥比阻變化如圖 5所示。

由圖 5可知，污泥的酸堿度會影響PCDMC對污泥的脫水性能。當污泥pH在6～7的弱酸環境下時，投加PCDMC會出現大而密實的絮團，絮凝效果良好。這是由于，H+的加入能中和污泥膠粒表面的負電荷，有效降低膠粒的Zeta電位，同時雙電層壓縮，擴散層變薄，膠粒間相互吸引碰撞而脫穩;當污泥pH<6時，污泥比阻有明顯增大的趨勢。其原因在于，過多的H+會建立正電荷的斥力體系，使得懸浮的膠粒重新穩定;當pH>7時，污泥中加入了過量的OH-，增大了污泥顆粒上攜帶的負電荷量，膠體顆粒間排斥力增大，污泥脫水性能降低。綜上所述，PCDMC適合在6～7的弱酸或中性環境下使用。

3 PCDMC與CPAM絮凝效果對比

為了對新型生物質絮凝劑PCDMC的絮凝效果進行檢驗，筆者選用與其相對分子質量相當的陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)進行應用對比研究。將PCDMC與CPAM均配制成1 g/L的溶液在*條件下分別對100 mL濃縮污泥進行調理，其結果見表 1。

由表 1可知，在*條件下，PCDMC對濃縮污泥的調理效果與CPAM的調理效果相當，尤其在SS去除率上高于CPAM，且PCDMC用量更少。考慮到PCDMC絮凝劑是從廢棄皮膠原改性而來，因而合成成本更低，生物親和力優良，在污泥調理方面擁有更為的經濟及環境效益。

4 PCDMC對污泥脫水機理探討

4.1 污泥中水分的存在形式及去除方法

污泥中的水分以游離水、毛細水和內部水3種形式存在。其中游離水存在于污泥顆粒間隙中，約占污泥水分的70%左右。這部分水一般借助外力對污泥進行壓縮可以與泥粒分離;毛細水存在于污泥顆粒間的毛細管中，約占污泥水分的20%左右。這部分水可通過施加離心力、負壓強等物理方法分離出來;內部水是指黏附于污泥顆粒表面的附著水和存在于其內部(包括生物細胞內)的內部水，約占污泥中水分的10%左右。其中附著水可采用投加絮凝劑或混凝劑方法，通過絮凝作用而排出，而存在于微生物細胞內的內部水則只有通過干化才能分離，但也不能*分離〔14, 15〕。目前，污水處理廠內，經絮凝后的污泥通過帶式壓濾機的擠壓，可以使濾餅含水率降至80%以下。

4.2 PCDMC絮凝機理探討

通過使用PCDMC對污水處理廠活性污泥的調質以及對PCDMC結構的分析，PCDMC的絮凝機理主要以吸附電中和與吸附架橋為主，雙電層壓縮及網捕作用為輔。首先，PCDMC是通過對膠原蛋白多肽鏈接枝改性制備而來，膠原蛋白多肽鏈上含有大量的—COO、—NH—等活性基團，同時又通過加成反應在—NH—上接枝陽離子基團，使得PCDMC的溶液擁有較強的陽離子性。為進一步分析PCDMC的絮凝機理，研究了PCDMC投加量與污泥溶液Zeta電位的關系，結果見圖 6。

由圖 6可知，PCDMC在1～3 mL(質量濃度為1 g/L)的低投加量下，Zeta電位迅速降低，且與投加量呈現較強的線性相關性，根據水樣污染物Zeta電位與藥劑投加量在電中和作用下的線性相關原則，在低投藥量下絮凝劑以吸附電中和為主〔16〕。而PCDMC的優化投加量為4 mL，由此可見，PCDMC的絮凝機理以吸附電中和原理為主。當活性污泥中加入PCDMC時，大量的陽離子能迅速中和膠粒表面所攜帶的陰離子，降低污泥顆粒間的靜電斥力，Zeta電位亦隨之減小，膠體顆粒接近而相互吸附脫穩;其次，又由于PCDMC擁有較長的多肽鏈結構，不同PCDMC分子之間由污泥膠粒電性吸附而連接在一起，這樣PCDMC就起到橋梁作用，并不斷連接延伸，甚至形成網狀，使絮體長大脫穩。通過架橋作用，可使已脫穩的凝聚顆粒迅速形成大的絮體〔17〕，當較大的絮團形成時，就會產生“網捕"效應，從而形成大而疏松的絮體〔18〕，下沉時，它們可網捕卷帶水中的膠粒〔19〕。這種架橋作用可以解釋異電荷膠體間的互凝現象;此外，大量陽離子的加入也會擠壓膠粒雙電層，使擴散層變薄，Zeta電位也會減小，使排斥勢能下降。通過以上兩主兩輔的絮凝作用，再加上PCDMC的生物質屬性，使得PCDMC不同于其他合成絮凝劑，在*的各項指標條件下，PCDMC處理后的污泥比阻zui小可達到5.273×1011 m/kg，污泥含水率由98.72%降至75.63%，擁有著廣闊的市場前景。

5 結論

(1)PCDMC對污泥的絮凝脫水效果與其投加量、攪拌速度、污泥溫度和污泥酸堿度等有關。PCDMC優化后的絮凝工藝參數為：處理100 mL濃縮污泥，需投加質量濃度為1 g/L的PCDMC 4 mL，攪拌速度為120 r/min，zui適pH為6～7，絮凝溫度5~40 ℃。

(2)在*條件下，同等相對分子質量下的PCDMC與CPAM絮凝效果相當，經PCDMC調質，可使污泥含水率由98.72%降低至75.63%，污泥上清液COD由347.2 mg/L降低至104.3 mg/L，污泥比阻由2.174×1013 m/kg降低至5.273×1011 m/kg。PCDMC顯示出的絮凝效果，且因為PCDMC具有生物質材料屬性，可生物降解性良好，具有“以廢治污"的效果，擁有著廣闊的市場前景。

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