董 岳 韓曉剛 劉 燁 蔣曉春 莊子康 朱思凱 陸永生

(1.南京水務集團有限公司, 南京 210000； 2.常州市清流水處理劑有限公司, 江蘇 常州 213144；3.上海大學環(huán)境與化學工程學院, 上海 200444)

CPAM及與無機混凝劑聯(lián)用對污泥脫水的改善*

董 岳1韓曉剛2劉 燁2蔣曉春2莊子康3朱思凱3陸永生3

(1.南京水務集團有限公司, 南京 210000； 2.常州市清流水處理劑有限公司, 江蘇 常州 213144；3.上海大學環(huán)境與化學工程學院, 上海 200444)

以南京地區(qū)某城鎮(zhèn)污水處理廠剩余污泥為處理對象，通過測定污泥含水率、過濾性能、污泥比阻及沉降性能等，研究投加不同劑量陽離子聚丙烯酰胺CPAM，及聚合氯化鋁PAC或聚合硫酸鐵PFS與CPAM聯(lián)用條件下，實現(xiàn)改善污泥脫水性能的目的。試驗結果表明：單獨投加CPAM污泥脫水性能得到明顯改善，投加量為10 mg/L，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.387×109s2/g；污泥含水率自98.13%降至82.55%；投加30.8mg/LPAC+ 10mg/LCPAM或40.2mg/LPFS+ 10mg/LCPAM，污泥比阻分別降至0.261×109s2/g、0.269×10s2/g，污泥含水率分別降至80.63%和79.71%。

污泥脫水；陽離子聚丙烯酰胺；無機混凝劑；含水率；污泥比阻

隨著我國城市化進程不斷加快，隨之而來的是城市用水量增長迅猛，城市污水處理廠運行負荷不斷增大。據(jù)統(tǒng)計，2014年全國污水處理廠達到3 622座，廢水處理量達1.53億m3/d。處理污水的同時勢必會產生大量的剩余污泥，產量約為處理水體積的0.15%～1%。若任意排放不加處理的污泥，則會對環(huán)境造成嚴重的污染[1]。因此污水處理過程中產生的高含水率剩余污泥，需要盡可能地脫去水份，得到含固率高的泥餅，這對后續(xù)的運輸及處理處置具有重要意義。由于污泥就其本性而言屬于較難脫水的物質，實踐中常通過投加化學藥劑來改善污泥的脫水性能[2]。目前污泥脫水困難已經(jīng)成為污泥處理與處置的瓶頸問題。現(xiàn)有的研究主要集中于調理方案的比選及優(yōu)化配方[3-4]。本文通過投加陽離子型聚丙烯酰胺CPAM，及聚合氯化鋁PAC或聚合硫酸鐵PFS與CPAM聯(lián)用，進行污泥脫水性能的改善；并通過比較污泥處理前后的含水率、污泥比阻、過濾速度和沉降性能的變化，得到污泥調質過程的最佳操作條件，為實際工程應用提供可靠的依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試驗泥樣

本試驗所采用泥樣取自南京某污水處理廠二沉池剩余污泥，其含水率97.3%～98.1%，污泥比阻0.68～0.83×109s2/g，pH介于6.85～7.12范圍。為了避免污泥理化性質隨時間的變化而影響試驗數(shù)據(jù)的可靠性，所有試驗均在兩天內完成。

1.2 藥劑

試驗過程選用的干粉型陽離子型聚丙烯酰胺CPAM，分子量1 200萬，陽離子度20%，污泥調質試驗過程中配制濃度為0.1 g/L。聚合硫酸鐵PFS(有效Fe含量11.0%，ρ20℃=1.46g/cm3)、聚合氯化鋁(有效Al2O3含量10.0%，ρ20℃=1.23g/cm3)。

1.3 試驗方法

1.3.1 污泥調質試驗

采用ZR4-6六聯(lián)攪拌機進行污泥調質試驗，取500mL混合均勻的污泥于杯中，啟動攪拌機，按試驗設計迅速加入一定量的濃度為0.1g/LCPAM，反應初期以200r/min快速攪拌2min，隨后以50r/min慢速攪拌10min，最后靜置30min。

CPAM及PFS、PAC組合試驗過程中，調整投加藥劑的濃度及投加量，參照上述步驟進行實驗。

1.3.2 泥餅含水率的測定

采用布氏漏斗進行抽濾，在0.04Mpa的壓力下抽濾3min，取下濕污泥及濾紙，通過MA-35快速水分測定儀測定污泥含水率。

1.3.3 過濾速度及污泥比阻的測定

取60mm中速濾紙若干，將濾紙潤濕后放入布氏漏斗，漏斗下接100mL量筒，將加藥后混合均勻的污泥倒入布氏漏斗，重力過濾1min，記下濾液量后，在0.04Mpa抽濾3min，每隔10s(濾速減慢后每隔30s)，記下計量筒內相應的濾液體積。

μ—濾出液的動力粘度，N·s/m2；

P—過濾壓力，N/m2，即為真空表的讀數(shù)；

A—過濾面積，m2，即以布氏漏斗內徑為直徑的圓的面積；

b—比阻測定中的斜率，由坐標值可以計算出，s/m6；

c—單位體積濾出液所得濾餅干重，kg/ m3，即抽濾后的泥餅干重。

1.3.4 污泥沉降性能測定

將處理后的污泥混合均勻，取100 mL倒入100 mL量筒中，攪拌均勻后，靜置，每隔一段時間記錄固液分界線讀數(shù)，并將空白樣(原污泥)作為對照。

2 結果與討論

絮凝劑能改善污泥脫水性能，在于改變污泥顆粒結構，破壞膠體穩(wěn)定性。一些呈線型結構的絮凝劑在濃度較低時，吸附在顆粒表面上的高分子長鏈可以同時吸附在另一顆粒的表面上，通過“架橋”方式將兩個或更多的顆粒連在一起，使顆粒逐漸結大，從而導致絮凝[5]。試驗設計投加CPAM，PAC或PFS與CPAM組合方式對污泥進行調質，其含水率、1 min濾液量和污泥比阻的變化如圖1所示。

2.1 含水率

污泥含水率是表征污泥脫水性能的主要指標之一，如圖1-A所示，使用CPAM后泥餅經(jīng)過抽濾后含水率隨其投加量的增加而持續(xù)減小。投加10 mg/L時，污泥含水率為82.55%，較原污泥經(jīng)抽濾后含水率84.85%，降幅為2.7%。雖然隨著CPAM投加量的增加，污泥含水率下降，但CPAM價格相對較貴，投加過多CPAM勢必造成投加性價比大幅下降。試驗結果表明，投加CPAM 10 mg/L已經(jīng)對污泥含水率有了很大的改善，考慮到技術經(jīng)濟因素，所以單純增加CPAM投加量，降低污泥含水率的意義不大。因此，結合后續(xù)試驗結果，如污泥比阻等因素，確定CPAM 10 mg/L為適宜投加量。

圖1 不同投加組合處理后污泥特性變化

PAC與CPAM聯(lián)用使污泥含水率有明顯下降，投加15.4 mg/L PAC+10 mg/L CPAM時，污泥含水率降至81.35%，原污泥經(jīng)抽濾后含水率為84.29%，降幅為3.6%，高于單一投加10 mg/L CPAM時的降幅。當投加量為76.9 mg/L PAC+10 mg/L CPAM時，含水率最低為78.99%，降幅為6.4%。

PFS與CPAM聯(lián)用同樣使污泥含水率下降趨勢明顯，投加20.1 mg/L PFS+ 10 mg/L CPAM時，污泥含水率降至81.15%，降幅為3%，也高于單一投加10 mg/L CPAM時的降幅。當投加量為80.5 mg/L PFS+10 mg/L CPAM時含水率最低為78.60%，降幅為6%。

由圖1-A可以看出，混合投加15.4 mg/L PAC+10 mg/L CPAM和20.1 mg/L PFS+ 10 mg/L CPAM，與單獨CPAM投加量20～30 mg/L時，含水率差異不大。據(jù)市場調查，本實驗所用CPAM售價約38 000元/噸、PAC約660元/噸、PFS約500元/噸。從技術經(jīng)濟角度考慮，PAC或PFS與CPAM聯(lián)用在保證污泥脫水性能得到明顯改善的前提下，實現(xiàn)了污泥處理成本的有效控制。

2.2 過濾性能

為適應實際工程應用需要，試驗設計采用重力過濾1 min得到的濾液量來考察污泥的過濾性能。3種投加方式得到的濾液量如圖1-B所示，試驗結果發(fā)現(xiàn)，其基本趨勢表現(xiàn)為投加量越大，得到的濾液量越多；但是單獨投加CPAM得到的濾液量比PAC或PFS聯(lián)用后的濾液量多。原細小的污泥顆粒相互凝結為體積較大的顆粒，顆粒之間空隙變大，污泥整體變得疏松，這樣有利于脫除污泥中的間隙水和游離水，再經(jīng)過加壓抽濾后，污泥表面吸附水、內部結合水和毛細管結合水也可得到部分脫除。單獨投加CPAM時污泥形成的絮體密實，在重力過濾時下層液體能很快排出，濾液量多；PAC或PFS與CPAM聯(lián)用調理后的污泥形成的濾餅更易通過濾液，含水率和污泥比阻更低。

2.3 污泥比阻

污泥比阻是表示污泥脫水性能的綜合指標，污泥比阻愈大，脫水性能愈差，反之，則脫水性能愈好。比阻r >1.0 ×109s2/g 時為不易脫水的污泥，比阻r位于(0.5～0.9) ×109s2/g 時為脫水性能中等的污泥，比阻r < 0.5×109s2/g 時為較易脫水的污泥。添加絮凝劑可以改善污泥的脫水性質，使污泥的比阻減小。

污泥比阻結果如圖1-C所示，原污泥比阻為0.680×109s2/g，經(jīng)過投加CPAM、PAC或PFS與CPAM組合后，污泥比阻呈先下降再緩慢上升的趨勢。投加10mg/LCPAM時，污泥比阻最低為0.387×109s2/g。觀察PAC或PFS與CPAM聯(lián)用得到的污泥比阻情況，可以發(fā)現(xiàn)，投加30.8mg/LPAC+ 10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.261×109s2/g；投加40.2mg/LPFS+ 10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.269×109s2/g；這種PAC或PFS引入的投加方式有助于污泥比阻的降低，且形成的泥餅含固率較高，污泥的脫水性能得到顯著改善。

2.4 沉降性能

從圖2可以看到原污泥的沉降性能較差，沉降1h污泥體積為95mL。在投加CPAM后，污泥沉降性能明顯改善，并且隨著投加量的增大，沉降性能越理想。當CPAM投加量為40mg/L時，污泥體積最小，沉降1h污泥體積為60mL。CPAM投加量為10mg/L時，沉降1h污泥體積為91mL，降幅為4.21%。投加PAC+CPAM組合后的污泥沉降性能如圖3所示，投加15.4mg/LPAC+10mg/LCPAM時，沉降1h污泥體積為96mL，降幅為1.03%。投加PFS+CPAM組合后的污泥沉降性能如圖4所示，投加20.1mg/LPFS+ 10mg/LCPAM時，沉降1h污泥體積為96mL，降幅為1.03%。

試驗結果表明，PAC或PFS與CPAM聯(lián)用后，污泥沉降性能不如單獨投加CPAM，這與之前含水率與污泥比阻的趨勢不符。王鑫[11]研究認為沉降是一種污泥絮體利用自身重力克服浮力排開下層液體的過程，而真空抽濾是一種污泥中的液體通過不斷密實的濾餅，克服濾餅的阻力的過程。前者效果好壞在于絮體的密度等，后者效果好壞在于濾餅的形成快慢以及濾餅對濾液的阻力。污泥中的水分劃分為自由水、間隙水、吸附水和結合水4種形態(tài)，但這種劃分目前沒有定量測定的方法，因此在大多數(shù)對水分的定量測定中，簡單地將污泥中的水分劃分為自由水和束縛水[12]。因此，單獨投加CPAM時污泥的絮體更加密實，在沉降過程中容易把下層的液體排出，污泥中的自由水更容易脫除；故PAC或PFS與CPAM聯(lián)用調理后的污泥脫水性能得到改善，更多的束縛水在抽濾過程中得到部分脫除。

圖2 不同CPAM投加量的污泥沉降性能

圖3 投加PAC+10 mg/L CPAM后污泥沉降性能

圖4 投加PFS+10 mg/L CPAM后污泥沉降性能

3 結論

(1) 選用陽離子型聚丙烯酰胺CPAM作為污泥調理劑，城市污水處理廠剩余污泥的含水率、污泥比阻及沉降性能均得到不同程度的改善。結合其處理污泥后的各項指標以及成本因素，故選10mg/LCPAM為最佳投加量。

(2) 固定CPAM投加量為10mg/L，選用不同投加量的PAC、PFS與CPAM聯(lián)用，對比最終的含水率和污泥比阻，聯(lián)用的效果要優(yōu)于單獨投加CPAM。投加30.8mg/LPAC+10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.261×109s2/g，污泥含水率自98.13%降至80.63%；投加40.2mg/LPFS+10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.269×109s2/g；污泥含水率自98.13%降至79.71%。

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Experiment on improving sludge dewatering ability using CPAM and CPAM coupled with inorganic coagulant

Dong Yue1, Han Xiaogang2, Jiang Xiaochun2, Zhuang Zikang3, Zhu Sikai3, Lu Yongsheng3

(1.Nanjing Water Group Co., LTD, Nanjing 210000; 2.Changzhou Qingliu Water Treatment Chemicals Co., LTD; 3.School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai, 200444)

the cationoid polyacrylamide (CPAM) and CPAM coupled with inorganic coagulants were investigated for using as agents to improve sludge dewatering ability from wastewater treatment plant (WWTP) of Nanjing area. The key parameters influencing the dewater ability of sludge conditioned, including the water content, filtration time, sedimentation and specific resistance were systematically evaluated. The experimental results showed that the dewatering performance of sludge was improved significantly when 10 mg/L CPAM alone was added into the sludge, and the specific resistance of sludge can be reduced from 0.680 109s2/g to 0.387 109s2/g, the sludge water content can be reduced from 98.13% to 82.55%. When dosage of PAC 30.8 mg/L, or dosage of PFS 40.2 mg/L coupled with 10 mg/L CPAM were used,the specific resistance s of sludge were 0.261×109s2/g and 0.269×109s2/g, the sludge water contents were 80.63% and 79.71% respectively.

sludge dewatering ability; cationoid polyacrylamide; inorganic coagulant; water content; specific resistance of sludge

* 南京水務集團有限公司科技項目(201405010031)

2015-05-02； 2015-05-19修回

董岳，男，1983年生，碩士，工程師，研究方向：水污染控制及凈化技術。Email：fc107214@126.com

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