超聲波聯合PAM對污泥脫水性能的影響

胡東東， 俞志敏， 易允燕

(1.合肥學院生物與環境系;2.合肥環境工程研究院， 合肥 230022)

污泥處置是城市污水處理工藝中的一個重要環節。隨著經濟社會的發展，污泥的數量日益增加。活性污泥主要性質是污泥顆粒小、有機質含量高、含水率高等［1］，而污泥處理與處置難點就在于其含水率高，不方便運輸及后續處置，因此降低污泥含水率是污泥后續處理的保證。污泥進行脫水前都需要對其進行調理，目前主要調理方式有化學調理、物理調理、生物調理及聯合調理［2］，其中，化學調理應用最廣泛，但絮凝劑的使用會增加污泥產生量，成本較高且可能產生二次污染［3］。聯合調理是指兩種或兩種以上調理技術聯合處理污泥，基于單獨的化學或物理調理有著一定的缺陷，近年來聯合調理技術也得到了一定的發展，聯合調理比單一的調理方法更能提高脫水性能并且有可能減少絮凝劑投加量降低成本。楊國友和石林等［4］采用生石灰與微波協同作用，對廣州市獵德污水廠濃縮污泥脫水的影響進行了實驗研究，結果表明，單獨投加生石灰，加入量為40 g/L時，污泥比阻由原來的4.72×1013m/kg降至1.9×1012m/kg，降低了約96%;單獨使用微波調理污泥，在800 W功率微波下輻射100 s可使污泥比阻由原來的4.72×1013m/kg降至 1.28 ×1013m/kg，降低了約72.9%;將經投加4 g生石灰調理的100 mL污泥在功率800 W的微波下輻射100 s，污泥比阻進一步降低至0.98×1011m/kg，降低了約99.8%，比單獨投加生石灰提高了約3.8%，生石灰與微波協同作用可以強化污泥脫水，并在提高污泥脫水性能的同時減少了絮凝劑生石灰的用量。

本文研究了PAM絮凝劑的投加量和濃度以及超聲波輻射時間對污泥性質的影響，最后通過正交實驗確定了超聲波與絮凝劑聯合調理的最適合的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本實驗是以合肥市經開區污水處理廠二沉池剩余污泥作為研究對象，其主要指標為:含水率98.5%、SV3097%、pH=6.8。主要實驗材料與儀器有陽離子型聚丙烯酰胺(PAM)、NDJ－5S型旋轉粘度計(上海越平科學儀器有限公司)、KH5200E型超聲波清洗器(昆山禾創超聲儀器有限公司)、污泥比阻測定裝置等。

1.2 測定指標

1.2.1 污泥沉降比(SV30)

取100 mL污泥于量筒中，經過30 min記錄其沉降體積，以此來判定污泥沉降性能。

1.2.2 污泥抽濾后含水率C(%)

污泥抽濾后含水率是污泥脫水性能的一個重要指標。本實驗抽濾的真空壓力為0.05 Mpa，抽濾時間為30 min，抽濾后的濕污泥在105℃溫度下恒溫干燥8 h以上，最后由公式(1)計算含水率［5］。

式中:W1:烘干濾紙質量;

W2:濕污泥質量;

W3:干污泥質量。

1.2.3 污泥比阻計算公式［6］

式中:r:比阻，s2/g;

P:過濾時的壓強降，g/cm2;

μ:濾液黏度，g/cm·s;

A:過濾面積，cm2;

ω:過濾時單位體積濾液在過濾介質上截留的干固體質量，g/mL;

b:恒定過濾壓力下t/V與V所得直線的斜率。

2 結果與分析

2.1 超聲波時間對污泥性質的影響

采用超聲波清洗器對盛有150 mL的污泥進行調理［7］，調理時間分別為 10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s。從圖1可以看出，在時間為20 s時污泥比阻達到最小值0.68×109s2/g，污泥脫水性能最好，但當處理時間超過20 s時，若再增加處理時間，污泥脫水性能變化不大，由此可以看出，短時間的超聲波處理對污泥脫水性能有利，但隨著處理時間的延長，污泥被“破碎”成細小的顆粒，比表面積增大，與水的結合程度加強，導致脫水性能變差。由表1可知，經超聲波處理后的污泥含水率、SV30、黏度都相應降低，污泥脫水性能得到改善。

圖1 超聲波處理對污泥比阻的影響

表1 超聲波處理后污泥性質參數

2.2 PAM絮凝劑投加量和濃度對污泥性質的影響

圖2 不同濃度下PAM投加量對污泥比阻的影響

污泥中加入 0.05%、0.1%、0.15%PAM，再以45 r/min慢速攪拌 2 min［8］，使污泥的絮凝反應充分。由圖2可以看出，在PAM絮凝劑投加量相同而濃度不同的情況下污泥比阻值各不相同，但變化趨勢都是在一定投加量范圍下比阻值隨投加量的增加而減小，污泥脫水性能得到改善，如若繼續增加投加量，即3種濃度投加量分別超過80 mg/L、100 mg/L、100 mg/L時，比阻值不會繼續下降反而逐漸增大，導致污泥脫水性能變差。最后得出結論:3種濃度分別在投加量為80 mg/L、100 mg/L、100 mg/L情況下達到最小值，分別為 0.67 ×109、0.32 ×109、0.5×109s2/g，污泥脫水得到明顯改善。

2.3 超聲波與PAM聯合調理對污泥性質的影響

2.3.1 調理順序的確定

實驗研究了超聲波調理和投加絮凝劑調理先后順序對污泥脫水性能的影響，其衡量指標為污泥比阻值。第1組先進行絮凝劑調理后再進行超聲波調理，第2組先進行超聲波調理后再進行投加化學絮凝劑，其他實驗條件均相同。由表2可知，不同的調理順序對污泥脫水性能的影響效果不同，經第2組實驗處理后的污泥比阻值小于第1組，即脫水性能得到了更好的改善，主要原因是先投加絮凝劑再進行超聲波調理，污泥的絮凝體結構會被超聲波作用破壞，導致污泥整體脫水性能變差;而經超聲波先處理后，在一定程度上能夠破壞污泥形成的菌膠團結構，使得菌膠團內部包含的水釋放出來，同時保持較大的污泥顆粒，而且促進了絮凝階段的吸附架橋作用和電中和作用，進一步改善了污泥的脫水性能［9］。由此得出結論:用超聲波與PAM聯合調理時，最佳的調理順序為先進行超聲波調理后再投加絮凝劑。

表2 聯合調理順序對污泥性質的影響

2.3.2 聯合調理最佳工藝條件的確定

由于聯合調理實驗的影響因素很多，為了避免增加研究的工作量，通過正交試驗來初步確定各因素的條件，用污泥比阻值作為污泥脫水性能的指標，考察超聲波處理時間，PAM投加量以及其濃度3個因素對污泥脫水性能的影響。實驗因素及水平見表3。由表4中結果可知:(1)影響污泥脫水性能因素的主次關系為:PAM濃度＞投加量＞時間;(2)第2組實驗的結果最好，其比阻值最低為0.263×109s2/g。通過計算和分析得出的最適合的工藝條件為:時間20 s、PAM投加量為100 mg/L、濃度為0.15%。為了使實驗結果更準確，追加兩組實驗來驗證結果，通過表5得出的實驗結果可以看出與正交實驗所得的結果基本一致。

表3 正交試驗因素與水平

表4 正交試驗

表5 不同濃度對污泥比阻的影響

3 結論

(1)單獨使用超聲波對污泥進行調理有利于脫水性能的改善，最佳調理時間為20 s。

(2)單獨化學絮凝劑調理對污泥調理在不同濃度下最佳投加量不同且對污泥脫水性能改善的程度也不同。其中當絮凝劑濃度為0.1%，投加量為100 mg/L時效果最好，污泥比阻降至最低為0.32 ×109s2/g。

(3)通過實驗確定了超聲波與絮凝劑聯合調理時，調理順序為先超聲波后投加化學絮凝劑，最佳的聯合調理條件為:先經超聲波調理20 s，然后添加濃度為0.15%，投加量為100 mg/L的PAM絮凝劑。超聲波、化學絮凝劑聯合調理與單獨采用超聲波或化學絮凝劑調理相比，對改善污泥脫水性能的影響更大。

［1］于俊杰，汪家權.絮凝劑對城市污水處理廠污泥的調理研究［J］.廣州化工，2013，41(10):11 －14.

［2］吳玲.改善城市污水廠污泥脫水性能的試驗研究［D］.長沙，湖南大學，2012.

［3］嚴媛媛，馮雷雨.超聲能量密度對污泥脫水性能影響［J］.化工學報，2010，61(2):491 －495.

［4］李玉瑛，曹晨腸.超聲波對剩余污泥化學調理的影響［J］.生態環境學報，2012，2l(7):1357 －1360.

［5］楊國友，石林.生石灰與微波協同作用對污泥脫水的影響［J］.環境化學，2011，30(3):698 －701.

［6］侯保林.微波輻射和粉煤灰聯合改善污水污泥脫水性能的研究［D］.長沙，湖南科技大學，2013.

［7］葉運弟，鄭莉.超聲波能量對污泥脫水性能的影響變化研究［J］.輕工科技，2013，178(9):112 －114.

［8］涂玉.污泥調理中混凝劑對污泥脫水性能的影響研究［D］.南昌，南昌大學，2008.

［9］李丹陽.超聲波預處理污泥研究進展［J］.環境污染治理技術與設備，2003，4(8):70－72.