近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，污水處理廠的負(fù)荷逐漸增加，污水處理成為全球水行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。污水處理廠在各個(gè)工藝過(guò)程(物理、化學(xué)和生物)中產(chǎn)生的廢物稱為污泥。污泥中不僅含有難以降解的重金屬和持久性有機(jī)污染物，而且含水量極高，給后續(xù)處理處置造成了極大的困難。污泥處理廣泛采用機(jī)械脫水的方法，但由于胞外聚合物(EPS)的親水性，污泥機(jī)械脫水的效率受到了一定的限制。因此有必要在機(jī)械脫水前對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，降低污泥的含水率，以提高污泥脫水效率，節(jié)約后續(xù)的運(yùn)輸和處理處置成本。
污泥的脫水處理又分為物理法和化學(xué)法。物理法通常指通過(guò)物理方法改變污泥的性質(zhì)，如高溫、凍融和微波處理等。化學(xué)法是指添加酸堿、表面活性劑、氧化劑或混凝劑等改變污泥的化學(xué)特性。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，混凝工藝因?yàn)槠淞畠r(jià)的成本和較高的效率受到了較為廣泛的關(guān)注。
在污泥混凝脫水處理過(guò)程中，混凝劑的種類在很大程度上決定著污泥脫水效果的好壞。混凝劑主要分為無(wú)機(jī)混凝劑(鋁鹽、鐵鹽和鋁鐵的聚合物)、有機(jī)絮凝劑(聚丙烯酰胺及其衍生物)和助凝劑(骨架構(gòu)建體，如粉煤灰等)。到目前為止，無(wú)機(jī)混凝劑主要用作污泥的調(diào)理劑。有機(jī)絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物主要用作污泥脫水劑使用，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用占據(jù)了污泥脫水中的大部分市場(chǎng)。一般而言，有機(jī)脫水劑主要通過(guò)其吸附電中和作用和吸附架橋作用使污泥聚集，從而改善污泥脫水性能，因此，有機(jī)脫水劑的分子量、陽(yáng)離子度和電荷密度等性質(zhì)將對(duì)污泥脫水性能產(chǎn)生較大影響。但迄今為止，關(guān)于有機(jī)脫水劑的電荷密度、黏度、陽(yáng)離子度和Zeta電位等性質(zhì)對(duì)污泥脫水性能影響的系統(tǒng)研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。
因此，本研究選用市售相同系列不同性質(zhì)的8種有機(jī)脫水劑，在分析測(cè)定其電荷密度、黏度、陽(yáng)離子度和Zeta電位等特性指標(biāo)的前提下，采用相同的投加量對(duì)剩余污泥進(jìn)行脫水處理，測(cè)定處理后污泥的污泥比阻(SRF)、泥餅含水率、黏度和絮體特性等指標(biāo)，研究不同陽(yáng)離子聚丙烯酰胺有機(jī)脫水劑對(duì)污泥脫水性能的影響情況。
1、材料與方法
1.1 污泥來(lái)源與性質(zhì)
污泥取自山東大學(xué)青島校區(qū)污水處理廠污泥井，該污水處理廠為一體化設(shè)計(jì)，處理規(guī)模5100m3·d-1，采用A2O處理工藝，兩組模塊并行。污泥自污水處理廠取回后，靜置沉淀12h除去上清液，測(cè)得含水率和各項(xiàng)指標(biāo)。余下污泥放入冰箱于4℃低溫儲(chǔ)存，并在4d內(nèi)用完。進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前，污泥過(guò)40目篩，以去除其中的泥沙和大顆粒物。初始污泥的各項(xiàng)指標(biāo)如表1。
1.2 試劑來(lái)源與性質(zhì)
本研究使用的8種有機(jī)脫水劑為神美科技提供的水處理用固體試劑。脫水劑為同系列的陽(yáng)離子PAM，基于其陽(yáng)離子度的不同，名稱分別為9101、9102、9103、9104、9106、9108、9110和9112.除陽(yáng)離子度外，8種陽(yáng)離子聚丙烯酰胺還具有不同的電荷密度、Zeta電位和黏度等。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
量取500mL污泥置于1L燒杯中，在ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)(深圳中潤(rùn)公司)上完成所有污泥脫水實(shí)驗(yàn)。混凝實(shí)驗(yàn)各階段操作條件如下：首先在200r·min-1下快攪30s，使污泥充分混勻;在30s末加藥，加藥后繼續(xù)以200r·min-1的轉(zhuǎn)速快攪30s，使脫水劑與污泥充分混勻;然后在60r·min-1下慢攪3min。混凝結(jié)束后取污泥樣品進(jìn)行后續(xù)指標(biāo)的測(cè)定。有機(jī)脫水劑的投加量均為絕干泥的1‰~5‰。取3‰投加量時(shí)測(cè)定其結(jié)合水含量和EPS分布。
1.4 脫水劑表征方法
有機(jī)脫水劑的電荷密度采用PCD-05顆粒電荷測(cè)定儀(德國(guó)BTG公司)進(jìn)行測(cè)定;Zeta電位采用Zetasizernano(英國(guó)馬爾文公司)進(jìn)行測(cè)定;黏度采用NDJ-5S型黏度計(jì)(上海倫捷公司)進(jìn)行測(cè)定;陽(yáng)離子度采用GB/T-31246-2014中的方法進(jìn)行測(cè)定。
1.5 污泥脫水性能指標(biāo)
1.5.1 污泥比阻的測(cè)定
污泥SRF采用污泥比阻測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，具體測(cè)定方法為：取100mL污泥在0.05MPa的壓力下真空過(guò)濾，每隔一定時(shí)間記錄濾液體積，直至過(guò)濾滿20min或真空被破壞。泥餅放入104℃的烘箱中干燥2h測(cè)定含水率。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到SRF值。
式中， p為過(guò)濾壓力(Pa); A為過(guò)濾面積(m2); b為過(guò)濾過(guò)程中t/V對(duì)V作直線的斜率，其中t為過(guò)濾時(shí)間(s)， V為濾液體積(mL); μ為濾液黏度(Pa·s); C為單位體積污泥產(chǎn)生的濾餅質(zhì)量(kg)，計(jì)算公式如下：
式中， Ci為100g污泥中的干污泥量(g); Cf為100g濾餅中的干污泥量(g)。
1.5.2 污泥絮體特性的測(cè)定
絮體中位粒徑(D0.5)體現(xiàn)了污泥中絮體粒徑的大小，分形維數(shù)(Df)體現(xiàn)了絮體結(jié)構(gòu)的疏松程度。污泥的絮體特性采用Mastersizer3000(英國(guó)馬爾文公司)進(jìn)行測(cè)定：在持續(xù)慢速攪拌(60r·min-1)的條件下測(cè)定粒徑大小。根據(jù)散射光強(qiáng)(I)和散射矢量(Q)的結(jié)果計(jì)算Df，三者關(guān)系如下：
因此，根據(jù)log(I)與log(Q)的擬合直線斜率計(jì)算Df。一般認(rèn)為， Df值越小，絮體結(jié)構(gòu)越疏松，反之，絮體結(jié)構(gòu)越緊密。
1.5.3 其它指標(biāo)的測(cè)定
污泥黏度采用NDJ-5S型黏度計(jì)(上海倫捷公司)進(jìn)行測(cè)定;污泥顆粒表面的Zeta電位取離心后污泥的上清液，采用Zetasizernano(英國(guó)馬爾文公司)進(jìn)行測(cè)定;EPS采用熱處理和超聲處理相結(jié)合的方式提取，提取后采用F-4500FL熒光分光光度計(jì)(日本Hitachi公司)進(jìn)行分析;結(jié)合水含量采用Q2000型差示掃描量熱儀(美國(guó)TA公司)進(jìn)行測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 有機(jī)脫水劑的性質(zhì)
8種市售有機(jī)脫水劑的電荷密度、黏度、陽(yáng)離子度和Zeta電位測(cè)定結(jié)果如圖1所示。其中，電荷密度、Zeta電位和黏度均為ρ(有機(jī)脫水劑)=1g·L-1時(shí)的結(jié)果，陽(yáng)離子度為根據(jù)國(guó)標(biāo)方法測(cè)試的結(jié)果。結(jié)果表明，不同有機(jī)脫水劑的各項(xiàng)指標(biāo)均有一定的差異。通過(guò)圖1(a)可以看出，脫水劑9101~9112的電荷密度逐漸增加，由9101的0.72meq·L-1增加到9112的2.98meq·L-1;黏度的變化趨勢(shì)是先增加后有略微下降，由9101的23.97mPa·s逐漸增加到9108的87.83mPa·s，最后又下降到9112的85.07mPa·s。從圖1(b)可知，Zeta電位和陽(yáng)離子度也有著相似的趨勢(shì)，8種有機(jī)脫水劑的Zeta電位由9101的15.53mV逐漸增加到9110的69.80mV，后略微下降至9112的67.10mV;而陽(yáng)離子度呈現(xiàn)一直增加的趨勢(shì)，由9101的2.17%增加到9112的17.42%。
2.2 有機(jī)脫水劑對(duì)污泥脫水性能的影響
不同性質(zhì)有機(jī)污泥脫水劑對(duì)污泥的SRF、泥餅含水率、黏度、污泥顆粒表面Zeta電位、絮體特性、結(jié)合水含量和EPS分布的影響結(jié)果如下。
2.2.1 有機(jī)脫水劑對(duì)污泥比阻的影響
不同性質(zhì)有機(jī)脫水劑對(duì)污泥SRF和泥餅含水率的影響如圖2所示。結(jié)果表明，隨著有機(jī)脫水劑投加量的增加，SRF和泥餅含水率先降低后保持不變。這是因?yàn)槲勰嗄z體粒子帶負(fù)電荷，有機(jī)脫水劑攜帶的正電荷會(huì)中和污泥表面的負(fù)電荷，使污泥膠體脫穩(wěn)形成絮體，改善污泥脫水性能。當(dāng)有機(jī)脫水劑投加量達(dá)到最佳時(shí)，污泥表面的負(fù)電荷可被完全中和而接近等電點(diǎn)，此時(shí)污泥的SRF值最低，其脫水性能最好;繼續(xù)投加脫水劑，污泥脫水性能反而出現(xiàn)一定程度的惡化。這是因?yàn)檫^(guò)量投加的有機(jī)脫水劑會(huì)使體系帶有相反電荷，不利于污泥脫水性能的改善。
從SRF的結(jié)果來(lái)看，從9101到9112，有機(jī)脫水劑對(duì)SRF的改善效果逐漸增強(qiáng)，投加量為4‰時(shí)，SRF的改善率由9101的82.36%逐漸增加至9110的96.97%，隨后又略微下降至9112的94.70%。投加5‰的9108、9110和9112后，污泥脫水性能出現(xiàn)了惡化，說(shuō)明此時(shí)投加量已過(guò)量。泥餅含水率的結(jié)果表明，經(jīng)9108、9110和9112脫水處理后的污泥含水率較低，投加量為4‰時(shí)，泥餅含水率可由原泥的91.83%降低至83%左右。
2.2.2 有機(jī)脫水劑對(duì)污泥絮體特性的影響
不同性質(zhì)有機(jī)脫水劑對(duì)污泥絮體特性的影響如圖3.結(jié)果表明，有機(jī)脫水劑投加量在1‰~5‰的范圍內(nèi)，不同性質(zhì)脫水劑處理后污泥絮體的D0.5和Df呈現(xiàn)出了相似的趨勢(shì)，即隨著有機(jī)脫水劑投加量的增加， D0.5先增大后保持相對(duì)穩(wěn)定， Df先增大后略微下降。一般而言，較小的絮體會(huì)堵塞泥餅中的疏水通道，導(dǎo)致污泥脫水時(shí)過(guò)濾阻力增大，不利于改善污泥脫水性能。 Df表示了絮體結(jié)構(gòu)的疏松程度，其值越大表明絮體越密實(shí)。密實(shí)的絮體可以形成更加緊密的疏水通道，且相互之間的作用也會(huì)更加緊密，從而減少了絮體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可能性。
不同有機(jī)脫水劑處理后污泥絮體的D0.5結(jié)果表明，投加9112后，可使D0.5由原來(lái)的294.45μm增長(zhǎng)到1744.78μm，增長(zhǎng)幅度可達(dá)492.55%;而投加9101后D0.5由原來(lái)的410.11μm最高僅增長(zhǎng)到1442.27μm，增長(zhǎng)幅度僅為251.68%，這說(shuō)明脫水劑的性質(zhì)對(duì)污泥絮體粒徑有較大的影響。不同性質(zhì)有機(jī)脫水劑處理后污泥的絮體Df結(jié)果表明，9108和9112均能有效改善污泥絮體的結(jié)構(gòu)，最高分別使Df增加了63.27%和72.28%。
2.2.3 有機(jī)脫水劑對(duì)污泥黏度、污泥顆粒表面Zeta電位的影響
不同性質(zhì)有機(jī)脫水劑對(duì)污泥黏度、污泥顆粒表面Zeta電位的影響如圖4所示。結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)脫水劑投加量在1‰~5‰的范圍內(nèi)，不同性質(zhì)污泥脫水劑處理后污泥黏度和污泥顆粒表面Zeta電位呈現(xiàn)出了相似的趨勢(shì)，即隨著有機(jī)脫水劑投加量的增加，污泥黏度逐漸減小，后有略微上升;污泥顆粒表面Zeta電位逐漸增大。污泥黏度與污泥脫水性能密切相關(guān)，黏度越大，表明絮體之間的作用力越大，污泥的脫水性能越差。污泥黏度在有機(jī)脫水劑投加量3‰~4‰時(shí)達(dá)到最低，說(shuō)明在此投加量下，有機(jī)脫水劑對(duì)污泥脫水性能有較好的改善作用。投加有機(jī)污泥脫水劑會(huì)使污泥顆粒表面的Zeta電位值有所上升，甚至出現(xiàn)由負(fù)變正的情況，這是因?yàn)橛袡C(jī)脫水劑帶有大量的正電荷，在污泥脫水過(guò)程中，有機(jī)脫水劑發(fā)揮電中和作用，使污泥顆粒表面的Zeta電位上升。
不同性質(zhì)有機(jī)脫水劑處理后污泥的黏度結(jié)果表明，有機(jī)脫水劑9108、9110和9112在投加量為3‰時(shí)就能使污泥黏度降到較低的水平，而其余5種有機(jī)脫水劑則需投加4‰才能達(dá)到相近的處理效果。從污泥顆粒表面的Zeta電位結(jié)果來(lái)看，在有機(jī)脫水劑投加量為3‰時(shí)，8種脫水劑處理后污泥顆粒表面的Zeta電位不相上下，均為-7.00mV左右，但經(jīng)9108、9110和9112處理后污泥的脫水性能較好，說(shuō)明這3種脫水劑除了有著較強(qiáng)的電中和能力，還能發(fā)揮較強(qiáng)的吸附架橋作用。
2.2.4有機(jī)脫水劑對(duì)污泥水分分布的影響
為了研究不同性質(zhì)有機(jī)脫水劑對(duì)污泥水分分布的影響，在投加3‰脫水劑后測(cè)定污泥總水分含量和結(jié)合水含量，結(jié)果如表2.
結(jié)果表明，不同脫水劑處理后污泥的水分分布各不相同。在8種有機(jī)脫水劑中，9106和9108處理后污泥的結(jié)合水含量較低，是9101處理后污泥結(jié)合水含量的40.00%和49.71%。從結(jié)果來(lái)看，污泥結(jié)合水含量與污泥SRF結(jié)果具有明顯的差異性，說(shuō)明有機(jī)脫水劑并不是通過(guò)破壞結(jié)合水來(lái)改善污泥脫水性能。但經(jīng)不同有機(jī)脫水劑處理后污泥的結(jié)合水含量略有不同，說(shuō)明一定量的有機(jī)脫水劑可以影響污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使結(jié)合水轉(zhuǎn)化成自由水，提高污泥脫水性能。
2.2.5 有機(jī)脫水劑對(duì)污泥EPS分布的影響
為了研究不同性質(zhì)有機(jī)脫水劑對(duì)污泥EPS分布的影響，在投加3‰脫水劑后測(cè)定污泥中EPS分布，具體結(jié)果如表3。
結(jié)果表明，不同有機(jī)脫水劑處理后污泥的EPS分布有一定的差異。從類蛋白質(zhì)物質(zhì)(PeakA，280/335)和芳香族蛋白(PeakB，230/335)的峰強(qiáng)度來(lái)看，投加有機(jī)脫水劑會(huì)使緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)中的蛋白類物質(zhì)減少，而使疏松結(jié)合型EPS(LB-EPS)和溶解性EPS(S-EPS)中的蛋白類物質(zhì)增多，這說(shuō)明有機(jī)脫水劑的加入可以使TB-EPS中的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到LB-EPS和S-EPS中，從而改善污泥脫水性能。在8種有機(jī)脫水劑中，9108對(duì)TB-EPS中物質(zhì)的減少作用最為明顯，兩類蛋白類物質(zhì)的峰強(qiáng)度分別由原泥的3178.0和1987.0降低至1343.0和937.7。
2.3 有機(jī)脫水劑性質(zhì)與污泥脫水性能的關(guān)系
為了研究有機(jī)脫水劑的性質(zhì)與處理后污泥脫水性能之間的關(guān)系，采用投加量4‰時(shí)的SRF值，與有機(jī)脫水劑的各項(xiàng)特性指標(biāo)作線性擬合，具體結(jié)果如圖5所示。
結(jié)果表明，有機(jī)脫水劑的各項(xiàng)指標(biāo)均與處理后污泥的脫水性能有一定的關(guān)系。從圖5可知，污泥SRF值與脫水劑的電荷密度、Zeta電位、黏度和陽(yáng)離子度均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)分別為0.75611、0.88189、0.92025和0.71244，即脫水劑電荷密度、Zeta電位、黏度和陽(yáng)離子度越高，處理后污泥的SRF值越小，污泥脫水性能越好。對(duì)于電荷密度、Zeta電位和陽(yáng)離子度來(lái)說(shuō)，較高的值表明有機(jī)脫水劑電性較高，即能發(fā)揮較強(qiáng)的電中和作用。而污泥SRF值與脫水劑黏度的關(guān)系表明，脫水劑也會(huì)通過(guò)高的分子量發(fā)揮強(qiáng)的吸附架橋作用。在上述4種特性指標(biāo)中，SRF與有機(jī)脫水劑黏度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.92025，表明在有機(jī)脫水劑的污泥處理過(guò)程中，吸附架橋作用對(duì)于污泥脫水性能的影響要大于電中和作用，但總體來(lái)看，兩種作用相輔相成，共同改善了污泥的脫水性能。
3、結(jié)論
(1)8種有機(jī)脫水劑具有不同的性質(zhì)，電荷密度、Zeta電位、黏度和陽(yáng)離子度均由9101~9112逐漸增加。
(2)不同性質(zhì)有機(jī)脫水劑處理后污泥的脫水性能各不相同。有機(jī)脫水劑是通過(guò)電中和作用和吸附架橋作用改變污泥的SRF、絮體特性、黏度和污泥顆粒表面Zeta電位來(lái)改善污泥脫水性能的。除此之外，有機(jī)脫水劑還能破壞污泥的結(jié)合水，轉(zhuǎn)移TB-EPS中的物質(zhì)使污泥易于脫水。
(3)有機(jī)脫水劑性質(zhì)對(duì)污泥脫水性能具有不同的影響。在有機(jī)脫水劑的性質(zhì)指標(biāo)中，電荷密度、陽(yáng)離子度、黏度和Zeta電位均與處理后污泥SRF值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，污泥SRF值與有機(jī)脫水劑黏度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.92025，表明在污泥脫水處理中，有機(jī)脫水劑的吸附架橋作用起了主導(dǎo)作用。而污泥SRF值與有機(jī)脫水劑電荷密度、陽(yáng)離子度和Zeta電位的相關(guān)系數(shù)均在0.75以上，說(shuō)明電中和作用也在污泥脫水過(guò)程中起了重要作用。
(4)在污泥脫水的實(shí)際應(yīng)用中，建議選擇黏度大的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺脫水劑，以發(fā)揮較強(qiáng)的吸附架橋作用。在本文選用的8種陽(yáng)離子聚丙烯酰胺脫水劑中，9108、9110和9112的應(yīng)用性能較強(qiáng)。陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的投加量盡量選擇2‰~3‰，最高不宜超過(guò)4‰。（來(lái)源：山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東省水環(huán)境污染控制與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，神美科技有限公司）
