含磷廢水化學污泥的脫水研究

楊 威，宋國平，關洪亮，何東升

(1 武漢工程大學，湖北 武漢 430205；2 孝感市生態環境局應城分局，湖北 孝感 432400)

隨著磷化工產業的飛速發展，污水量急劇增加，污泥作為污水處理的副產物，其排放量大幅增加[1]。污泥量增加會引發土地占用、環境二次污染、生態污染等問題[2]，快速有效地處理處置污泥成為人們關注的焦點，污泥脫水作為污泥處理中的重要環節，是實現污泥穩定化、減量化和無害化的重要措施。現行污泥脫水方式效果不理想，產生高昂的處理費用[3]，對污泥進行高效脫水一直是實際應用中的難點。有研究表明[4]，對污泥進行預處理可有效提高后續污泥脫水的效果，因此對污泥脫水的預處理方式進行研究十分必要。

污泥脫水的預處理方法可以分為物理方法、化學方法和生物方法三大類。物理方法通過改變其物理性質來對污泥進行處理，具有清潔高效的特點，如熱處理、超聲處理、微波處理、冷凍融化等，但通常能耗較高，在實際應用中較難操作；化學方法通過投加化學藥劑來對污泥進行處理，是最常見的一類污泥脫水預處理方法，具有操作簡單、效果明顯的特點，如酸堿調理法、絮凝沉淀法、氧化法等；生物方法具有成本低、環境友好的特點，但該方法容易受到外界環境的影響，不能處理含對微生物有害成分的污泥，如微生物絮凝劑法、生物瀝浸法等。

本研究的目的在于得到一種實際的含磷廢水化學污泥脫水的方法，能夠達到有效降低污泥含水率的目的。處理后的污泥的含水率能夠達到相應資源化利用的標準，對環境和生態的影響降低，并具有一定的環境和經濟效益。

1 污泥性質

1.1 污泥來源及性質

本研究中的污泥來源于湖北某磷化工企業含磷廢水處理過程中產生的化學污泥。該污泥經企業機械脫水，測得其含水率約65.37%，pH為9.58。

1.2 污泥礦物組成

將污泥置于105 ℃烘箱中烘干，研磨成粉末后，采用X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)對其主要成分進行分析，譜圖如圖1所示，分析譜圖可知該污泥的主要成分為磷灰石和磷石膏。

圖1 污泥的XRD分析譜圖Fig.1 XRD analysis spectrum of sludge

1.3 污泥化學組成

將污泥置于105 ℃烘箱中烘干，研磨后，采用X射線熒光光譜(X-Ray Fluorescent，XRF)對污泥的化學組成進行分析，化學組成如表 1所示。

表1 污泥成分分析表布Table 1 Composition analysis of sludge

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

2.1.1 試劑

陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)：用于配制0.1% CPAM溶液；聚丙烯酰胺(PAM)：用于配制0.1% PAM溶液；H2SO4、NaOH，均為分析純。

2.1.2 儀器

060S有超聲波清洗機；XMA-2000電熱鼓風干燥箱； pHS-3CpH計；BSA124S分析天平；85-2A雙數顯恒溫磁力攪拌器。

2.2 試驗方法

本研究依據污泥的性質分別選取了調節污泥pH值、CPAM、PAM、超聲四種方法對污泥進行預處理。

2.2.1 pH

以NaOH和H2SO4調節污泥的pH值為3～11，探究不同pH對污泥含水率和污泥沉降性能的影響。

2.2.2 CPAM

向污泥中投加0.5～5 mL 0.1% CPAM溶液，探究CPAM的投加量對污泥含水率和污泥沉降性能的影響；以NaOH和H2SO4調節污泥的pH值為3～11，探究CPAM對不同pH污泥含水率和污泥沉降性能的影響。

2.2.3 PAM

向污泥中投加0.1～0.5 mL 0.1% PAM溶液，探究PAM的投加量對污泥含水率和污泥沉降性能的影響；以NaOH和H2SO4調節污泥的pH值為3～11，探究PAM對不同pH污泥含水率和污泥沉降性能的影響。

2.2.4 超聲

用超聲處理污泥，探究不同超聲時間對污泥含水率和污泥沉降性能的影響。

2.3 測定方法

2.3.1 含水率測定

本研究采用重量法測定污泥的含水率。將調理后的污泥置于布氏漏斗中抽濾15 min，得到污泥樣品，取烘干至恒重的坩堝，稱量其質量為m1，將污泥樣品放入坩堝后，稱量總質量為m2，再將裝入污泥樣品后的坩堝放入105 ℃的烘箱中，烘干至恒重，測得質量為m3。根據下列公式計算可以得到污泥樣品的含水率：

2.3.2 污泥沉降性能

用量筒量取100 mL調理后的污泥將其沉降1 h，過程中記錄不同時間下的污泥體積，該體積占混合液總體積的百分比即為SV值。繪制沉降時間-SV曲線，比較不同調理條件下的污泥沉降性能。

3 結果與討論

3.1 烘干時間

本試驗通過測定不同烘干時間下的污泥的含水率以探究其烘干至恒重的時間，得到如圖2所示結果。據圖分析，可知當烘干時間為6 h以上時，污泥含水率約為62.07%，基本不變，因此本研究中測定污泥的含水率為將污泥置于烘箱中烘干6 h以上的結果。

圖2 烘干時間對污泥含水率的影響Fig.2 The effect of drying time on the moisture content of sludge

3.2 pH對污泥脫水的影響

通過調節污泥的pH值為2.99、5.06、7.02、9.03、11.04后測定污泥沉降性能和脫水后污泥的含水率，探究pH對污泥脫水效果和沉降性能的影響，結果如圖3和圖4所示。據圖3分析，pH為7.02時，污泥脫水后的含水率最低，為60.51%，pH降低或升高都會增高污泥脫水后的含水率， pH為2.99和11.04時，污泥脫水后的含水率分別為63.71%和62.30%，因此中性條件下污泥的脫水效果最好。據圖4分析，隨著pH增大，污泥的沉降性能越來越差，因此酸性條件更有利于改善污泥的沉降性能。

圖3 pH對污泥含水率的影響Fig.3 The influence of pH on the moisture content of sludge

圖4 pH對污泥沉降性能的影響Fig.4 The influence of pH on the sedimentation performance of sludge

3.3 CPAM對污泥脫水的影響

本試驗向污泥中投加CPAM進行預處理，測定污泥沉降性能和脫水后污泥的含水率，探究CPAM投加量和pH對污泥脫水效果和沉降性能的影響。

3.3.1 CPAM投加量的影響

通過調節CPAM的投加量為1、2、3、4、5 mL后測定污泥沉降性能和脫水后污泥的含水率，結果如圖5和圖6所示。據圖5分析，隨著CPAM投加量的增加，污泥脫水后的含水率先下降后上升，當投加量為2 mL時，污泥含水率最低，為60.12%。據圖6分析，隨著CPAM投加量的增加，污泥沉降速度越來越快，污泥的沉降性能越來越好，但沉降1 h后污泥的SV值隨著CPAM投加量的增加先減小后增加，在CPAM投加量為3 mL時最小，為 27.60%，說明沉降后污泥體積受CPAM投加量的影響。

圖5 0.1%CPAM投加量對含水率的影響Fig.5 The influence of 0.1% CPAM dosage on water content

3.3.2 pH對CPAM處理污泥的影響

控制CPAM的投加量為2 mL，調節pH為3.07、5.05、7.05、9.02、11.03，探究CPAM對不同pH污泥含水率和污泥沉降性能的影響，結果如圖 7和圖8所示。據圖7分析，隨著pH降低，污泥脫水后的含水率先基本不變后增大，pH≥7時，污泥脫水后的含水率基本不變，約60%；pH<7時，污泥脫水后的含水率較高，說明酸性條件不利于污泥的脫水。據圖8分析，隨著pH降低，污泥的沉降速度變快，說明酸性條件下污泥的沉降性能更好。

圖8 pH對CPAM處理污泥沉降性能的影響Fig.8 The effect of pH on the sedimentation performance of sludge treated by CPAM

據上述試驗分析，用CPAM對污泥進行預處理的最佳反應條件是pH≥7，投加量為2 mL，此時，污泥脫水后的含水率為60%。

3.4 PAM對污泥脫水的影響

本試驗向污泥中投加PAM進行預處理，測定污泥沉降性能和脫水后污泥的含水率，探究PAM投加量和pH對污泥脫水效果和沉降性能的影響。

3.4.1 PAM投加量的影響

通過調節PAM的投加量為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL后測定污泥沉降性能和脫水后污泥的含水率，結果如圖9和圖10所示。據圖9分析，隨著PAM投加量的增加，污泥脫水后的含水率先下降后上升，投加量為0.2 mL時，污泥含水率最低，為59.8%。據圖10分析，隨PAM投加量的增加，其沉降速度越來越快，沉降1 h后污泥的SV值隨著PAM投加量的增加先增加后減少，在PAM投加量為0.4 mL時最大，為 34.04%，在PAM投加量為0.5 mL時最小，為28.95%，說明沉降后污泥體積受PAM投加量的影響。

圖9 0.1%PAM投加量對污泥含水率的影響Fig.9 The influence of 0.1% PAM dosage on the moisture content of sludge

圖10 0.1%PAM投加量對污泥沉降性能的影響Fig.10 The influence of 0.1% PAM dosage on sludge sedimentation performance

3.4.2 pH對PAM處理污泥的影響

控制PAM的投加量為0.2 mL，調節pH值為3.02、5.03、6.97、9.07、11.04后測定污泥沉降性能和脫水后污泥的含水率，結果如圖11和圖12所示。據圖11分析，pH為6.97時，污泥脫水后的含水率最低，為58.46%，pH降低或升高都會增高污泥脫水后的含水率，pH為3.02和11.04時，污泥脫水后的含水率分別為61.44%和60.26%，因此中性條件下PAM預處理污泥的脫水效果最好。據圖12分析，pH對PAM處理污泥的沉降速度影響不大，僅pH值為3.02時污泥沉降1 h后的SV值較高，為32.99%，其余pH值條件下污泥沉降1 h后的SV值均小于30%，說明不同pH對污泥沉降性能影響不大。

圖11 pH對PAM處理污泥含水率的影響Fig.11 The influence of pH on the moisture content of sludge treated by PAM

圖12 pH對PAM處理污泥沉降性能的影響Fig.12 The effect of pH on the sedimentation performance of PAM treatment sludge

據上述試驗分析，投加PAM對污泥進行預處理后脫水的最佳反應條件是pH=7，投加量為0.2 mL，此條件下污泥脫水后的含水率可達到58.46%。

3.5 超聲對污泥脫水的影響

調節超聲時間為20、40、60、80、100、120 s測定其污泥沉降性能和脫水后污泥的含水率，結果如圖13和圖14所示。據圖13分析，隨著超聲時間的增加，污泥脫水后的含水率先減小后增加，在超聲時間為60s時，污泥脫水后的含水率最低，為57.55%，時間縮短或加長都會增高污泥脫水后的含水率，超聲時間為20 s和120 s時，污泥脫水后的含水率分別為59.68%和58.54%，據圖14分析，不同超聲時間的污泥的沉降性能相差不大，但超聲處理后的污泥的沉降性能整體較差，污泥沉降1 h后的SV值還處于90%左右。

圖13 超聲對污泥含水率的影響Fig.13 The effect of ultrasound on the moisture content of sludge

圖14 超聲對污泥沉降性能的影響Fig.14 The effect of ultrasound on sludge sedimentation performance

3.6 各預處理方法對污泥脫水效果的對比

比較上述不同預處理方法在各自最佳條件下處理污泥后污泥的沉降性能和污泥脫水后的含水率，結果如表2、圖15和 圖16所示。據結果分析，這四種方法對污泥的脫水效果均有影響，超聲處理后的污泥的脫水效果最好，含水率為57.55%；其次為PAM預處理，含水率為58.46%；再次為CPAM預處理，含水率為60%；直接調pH的方法最差，含水率為60.51%。四種預處理方法對于污泥沉降性能的影響不一致，其沉降性能由好到壞依次是經PAM處理的污泥、經CPAM處理的污泥、僅調節pH的污泥、經超聲處理的污泥，其中，只有超聲調理后的污泥的沉降性能比原始污泥差。

圖15 不同預處理方法處理的污泥含水率對比圖Fig.15 Comparison of water content of sludge treated by different pretreatment methods

圖16 不同預處理方法處理的污泥沉降性能對比圖Fig.16 Comparison of sludge settlement performance treated by different pretreatment methods

表2 不同預處理方法對污泥脫水效果對比表 Table 2 Comparison table of the effect of different pretreatment methods on sludge dewatering

4 結 論

本研究對比了四種不同的預處理方法對于污泥性能的影響，選取了污泥脫水后的含水率和污泥沉降性能來進行對比。

(1)用酸堿調理法對污泥進行預處理的最佳條件為pH=7.02，此時污泥脫水后的含水率為60.51%；投加0.1% CPAM對污泥進行預處理的最佳反應條件是pH≥7，投加量為2 mL，此時污泥脫水后的含水率為60%；投加0.1%PAM對污泥進行預處理的最佳反應條件是pH=7，投加量為0.2 mL，此條件下污泥脫水后的含水率為58.46%；用超聲波對污泥進行預處理的最佳處理時長為60 s，此時污泥脫水后的含水率為57.55%。

(2)對污泥進行預處理后污泥的沉降性能由好到壞依次是經PAM調理的污泥、經CPAM調理的污泥、僅調節pH的污泥、超聲調理后的污泥，其中，只有超聲調理后的污泥的沉降性能比原始污泥差。

(3)研究表明，若僅考慮污泥脫水后的含水率，超聲對污泥進行預處理效果最佳；若同時考慮污泥的沉降性能和污泥脫水后的含水率， PAM對污泥進行預處理的效果最好。

(4)本研究僅采取單一方法對污泥進行預處理，后續可探究多種方法相結合對污泥進行預處理，以期達到更佳的處理效果。