超聲波與PAM 聯(lián)合作用對(duì)污泥脫水性能的影響研究

楊 麗，鄒 賢，朱慧明，李秀君

（眉山川能投水務(wù)有限公司，四川 眉山 620000）

以眉山市第二污水處理廠（以下簡(jiǎn)稱“我廠”）為例，我廠實(shí)際污泥處置費(fèi)用高達(dá)污水處理費(fèi)用的18.99%左右。并且，高含水率的污泥還大大增加運(yùn)輸和后期的處置成本。所以合理降低脫水污泥含水率，在穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行、節(jié)約污泥運(yùn)輸及處置成本等方面都具有重大意義。

絮凝劑通過吸附架橋電中和等作用，使污泥絮凝形成大塊絮體，脫水性能得到改善。超聲波具有促進(jìn)污泥減量[1]，提高厭氧消化效率及改善脫水性能和沉降性能等作用，超聲波和PAM 聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥脫水性能的影響有更加積極的作用，胡東東等[2]研究了超聲波調(diào)理聯(lián)合PAM 對(duì)污泥脫水性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波、化學(xué)絮凝劑聯(lián)合調(diào)理與單獨(dú)采用超聲波或化學(xué)絮凝劑調(diào)理相比，對(duì)改善污泥脫水性能的影響更大。本文以我廠剩余污泥為研究對(duì)象，以真空抽濾時(shí)間為參考指標(biāo)，研究了污泥在PAM 和超聲聯(lián)合作用下的脫水性能，通過正交試驗(yàn)得到復(fù)合處理下的最優(yōu)工藝條件。并進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，為后期的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)剩余污泥來源于眉山市第二污水處理廠二沉池污泥，污泥含水率約為99.5%，SV30 為95.3%，真空抽濾脫水時(shí)間約為75 s。主要實(shí)驗(yàn)藥劑為陽離子型聚丙烯酰胺（PAM），相對(duì)分子量1 200 萬，陽離子度50%。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)超聲設(shè)備為定制超聲波處理器，主要使用參數(shù)為超聲頻率20 kHz，功率400 W。GM-0.5A 隔膜真空泵，主要參數(shù)為抽氣速度30 L/Min，極限壓力0.08 MPa。直徑為Φ9 cm 的中速定性濾紙，以及量筒、燒杯、移液管等玻璃儀器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先，選用L9（33）正交表，以PAM 投加濃度、超聲時(shí)間及聲能密度為考察因素，真空抽濾時(shí)間作為考察指標(biāo)。

其次，配制濃度分別為0.5‰、0.8‰、1.0‰、1.2‰和1.5‰的PAM 溶液。

再次，按照表1 中水平數(shù)進(jìn)行超聲和加藥處理，真空抽濾時(shí)，當(dāng)濾液為滴落狀態(tài)，且滴落速度為5 s/次時(shí)，記錄抽濾時(shí)間。每個(gè)水平條件進(jìn)行3 組平行實(shí)驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

最后，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)論得出優(yōu)化參數(shù)，對(duì)優(yōu)化工藝進(jìn)行放大驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表1 為正交試驗(yàn)水平設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由表1可知：影響污泥抽濾時(shí)間的主次關(guān)系為超聲時(shí)間大于聲能密度大于試劑濃度。最適合的工藝參數(shù)為超聲時(shí)間80 s，聲能密度0.024 W/mL，PAM 濃度0.8‰。為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，放大優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)。

2.2 絮凝劑濃度對(duì)抽濾時(shí)間的影響

圖1 為真空抽濾時(shí)間隨PAM 濃度的變化趨勢(shì)圖。由圖1 可以看出，在各條件下，隨著PAM 投加濃度增大，污泥真空抽濾時(shí)間均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)絮凝劑濃度為0.8‰時(shí)，真空抽濾時(shí)間最短，抽濾效率最高，污泥脫水效果最好。

圖1 抽濾時(shí)間隨PAM 濃度變化趨勢(shì)

2.3 抽濾時(shí)間隨超聲時(shí)間和聲能密度的變化關(guān)系

圖2 為真空抽濾時(shí)間隨超聲時(shí)間的變化圖。從圖2 可知，在30~180 s 的范圍內(nèi)，污泥經(jīng)過超聲預(yù)處理后，脫水效果優(yōu)于未經(jīng)超聲處理的污泥，說明利用超聲對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理有助于污泥脫水。隨著超聲時(shí)間的增加，抽濾時(shí)間表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，在超聲時(shí)間為80 s 時(shí)，抽濾效果最佳。

圖3 為聲能密度對(duì)抽濾時(shí)間的影響圖。根據(jù)圖3可以得出，聲能密度從0.012 W/mL 增大到0.024 W/mL時(shí)，抽濾時(shí)間減少，污泥脫水效果變優(yōu)，當(dāng)進(jìn)一步將聲能密度增強(qiáng)到0.036 W/mL 時(shí)，抽濾時(shí)間增加，脫水效果變差。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

2.4.1 PAM 在污泥脫水中的作用

PAM 在污泥脫水中主要發(fā)揮電中和作用和吸附架橋作用。污泥的絮凝和脫水性能主要受到胞外聚合物（EPS）的影響，EPS 中含有脂類、蛋白質(zhì)等疏水基團(tuán)，使污泥表面呈局部疏水性，當(dāng)加入一定量的陽離子型絮凝劑后，陽離子與EPS 中蛋白質(zhì)上的負(fù)官能團(tuán)結(jié)合，污泥的負(fù)電荷被中和，污泥顆粒之間的排斥阻力被降低，增強(qiáng)絮凝效果的同時(shí)，又增強(qiáng)了污泥的疏水性能[3]。另一方面，根據(jù)DCB 理論[4]，二價(jià)陽離子和EPS 的帶負(fù)電荷的功能基團(tuán)發(fā)生架橋作用，促使胞外基質(zhì)和微生物聚集和穩(wěn)定，因此可以促進(jìn)生物絮凝的形成。

再根據(jù)絮凝劑的去水化作用[5]，適當(dāng)絮凝劑能夠?qū)⒂H水膠體轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉z體，有助于污泥脫水。但是當(dāng)絮凝劑投加過量時(shí)，一方面會(huì)對(duì)微生物分泌EPS 產(chǎn)生抑制作用，另一方面，由于PAM 溶液濃度過大，增大了水體黏度，導(dǎo)致PAM 的長(zhǎng)鏈無法展開，過量的正電荷造成顆粒間的排斥作用，造成污泥脫水困難。

2.4.2 超聲在污泥脫水中的作用

當(dāng)對(duì)污泥進(jìn)行短暫且較低能量的超聲作用時(shí)，超聲波的空化作用可以產(chǎn)生很大的流體剪切力，能夠?qū)⑽勰嗟牧髯冃阅芨淖儯瑫r(shí)還能破壞菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)[6]。另外，根據(jù)殷絢等[7-8]的研究也表明，在超聲波的混凝作用和EPS 共同影響下，污泥的脫水性能得到改善。由于污泥菌膠團(tuán)塊外層的吸附力較弱，將超聲波作用于污泥時(shí)，污泥的顆粒與介質(zhì)一起振動(dòng)產(chǎn)生碰撞結(jié)合，污泥外層的結(jié)合水被釋放轉(zhuǎn)化為自由水。當(dāng)超聲時(shí)間進(jìn)一步增加，或者超聲能量增大時(shí)，正是由于污泥菌膠團(tuán)塊吸附力較弱，菌膠團(tuán)很容易被破壞，被振蕩成為更細(xì)小的顆粒，污泥比表面積增加，反而又會(huì)吸附更多的結(jié)合水，從而使污泥脫水困難。并且由于超聲時(shí)間過長(zhǎng)，EPS 中帶負(fù)電荷的功能基團(tuán)占比增加，絮凝效果變差。

2.4.3 超聲波聯(lián)合PAM 對(duì)污泥脫水的影響

PAM 對(duì)污泥的吸附作用主要來源于高分子的長(zhǎng)鏈狀態(tài)，當(dāng)其長(zhǎng)鏈在泥水體系中展開后，具有很大的比表面積，可以充分吸附污泥帶有負(fù)電荷的污泥，形成較大的絮體。但由于污泥濃度高，菌膠團(tuán)的親水性阻礙了PAM 長(zhǎng)鏈在泥水中的延展，不利于絮凝。若用一定強(qiáng)度的超聲波對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，一方面能夠有效地改變污泥的流變性能，減小污泥黏度，同時(shí)還能破壞菌膠團(tuán)對(duì)結(jié)合水的吸附力，提高高分子絮凝劑長(zhǎng)鏈在泥水中的延展性，增加PAM 的吸附效果。另一方面由于菌膠團(tuán)大小、污泥顆粒性狀均為不規(guī)則狀態(tài)，高分子長(zhǎng)鏈在對(duì)以上物質(zhì)進(jìn)行吸附時(shí)，吸附力不同，這種差異性導(dǎo)致很大一部分污泥不能被絮凝劑吸附。經(jīng)一定強(qiáng)度的超聲波處理后，污泥的性狀被改變，具有相似性，絮凝效果增強(qiáng)。此外，超聲波的剪切作用還能增加污泥中能被絮凝劑吸附的相對(duì)點(diǎn)位，增強(qiáng)絮凝效果[9-10]。

3 結(jié)論

1）一定量的PAM 對(duì)污泥脫水效果有正向促進(jìn)作用。針對(duì)本批次實(shí)驗(yàn)藥劑，當(dāng)PAM 投加量為0.8‰時(shí)，污泥抽濾效果最佳，此時(shí)脫水性能最好。隨著絮凝劑投加量進(jìn)一步增加，污泥脫水性能反而變差，主要是受到絮凝劑的電中和作用和吸附架橋作用的影響。

2）聲能密度和超聲時(shí)間對(duì)污泥脫水性能均有很大影響。當(dāng)超聲時(shí)間在80 s，聲能密度在0.024 W/mL 時(shí)，抽濾效果最佳，過長(zhǎng)的超聲時(shí)間和較大的超聲能量都會(huì)過分破壞污泥的狀態(tài)，使污泥吸附更多結(jié)合水，降低脫水性能。

3）超聲和PAM 協(xié)同作用能更有效地降低污泥脫水性能。一定強(qiáng)度的超聲作用能改變污泥的性狀和水體黏度，促進(jìn)絮凝劑高分子長(zhǎng)鏈在污泥水中的延展和對(duì)污泥顆粒的吸附，增強(qiáng)脫水效果。

4 前景及展望

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，污泥產(chǎn)量日益增加，對(duì)污泥的處理和處置要求也必將更加嚴(yán)格。大量實(shí)驗(yàn)證明，超聲波聯(lián)合絮凝劑提高污泥脫水性能相比單一的絮凝劑調(diào)理更有優(yōu)勢(shì)，污泥的含水率降低會(huì)極大地減少后期的運(yùn)輸和處置成本，從而提高經(jīng)濟(jì)收益。結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超聲在該階段的研究應(yīng)用具有廣闊前景，在節(jié)約污水處理廠運(yùn)行成本方面有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在污泥穩(wěn)定無害化運(yùn)輸處置方面可以起到積極作用。本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了利用超聲波和PAM 聯(lián)合調(diào)理來提高我廠污泥的脫水性能，確定了最優(yōu)的調(diào)理參數(shù)，為我廠后期超聲波的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了有效的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，超聲波還具有改善污泥性質(zhì)等作用，這也為我們后期的研究提供了方向。