聚丙烯酰胺對(duì)生活污泥脫水的實(shí)驗(yàn)研究

何旭，俞志敏，衛(wèi)新來(lái)

(合肥學(xué)院生物與環(huán)境工程系，合肥環(huán)境工程研究院，安徽 合肥 230601)

摘要：設(shè)置了聚丙烯酰胺的投藥量、攪拌速度、絮凝溫度、pH 4個(gè)影響因素，研究了聚丙烯酰胺在污泥絮凝的過(guò)程中，污泥的沉降性能和脫水性能。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了響應(yīng)面分析試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到最優(yōu)條件為投加量50.29mg/L、攪拌速度133.8r/min、pH 3.04、溫度30.84℃。此時(shí)污泥比阻值為4.96×107s2/g。

關(guān)鍵詞：聚丙烯酰胺；生活污泥；脫水；實(shí)驗(yàn)；污泥比阻；響應(yīng)面法

作者簡(jiǎn)介：何旭(1991-)，男，碩士。

通訊作者：俞志敏(1964-)，男，浙江寧波人，合肥學(xué)院生物與環(huán)境工程系教授。研究方向：環(huán)境工程。

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城市污水、污泥產(chǎn)生量快速增長(zhǎng)。污泥的處理處置問(wèn)題也一直受到人們的關(guān)注。其中如何提高污泥的脫水性能成為熱門的研究課題[1]。目前國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)投加絮凝劑來(lái)改善污泥的脫水性能[2]。不同的絮凝條件對(duì)污泥的絮凝效果影響很大，尋找更好的絮凝條件來(lái)滿足實(shí)際工程生產(chǎn)需要，是現(xiàn)在污泥絮凝需要解決的重要課題[3]。本論文對(duì)絮凝劑投加量、絮凝劑攪拌速度、溫度、pH值4種影響因素進(jìn)行了研究，并提出了更加有利于污泥脫水的條件。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

污泥取自合肥市某生活污水處理廠二沉池沉降污泥，污泥含水率為98.5%，pH為6.97。為了避免污泥理化性質(zhì)隨時(shí)間的變化影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，所有實(shí)驗(yàn)均在污泥采樣后3～4d完成[4]。

主要化學(xué)試劑：陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)：相對(duì)分子量800萬(wàn)(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)配成1.0g/L溶液；鹽酸(上海振企化學(xué)試劑有限公司)；氫氧化鈉(西隴化工股份有限公司)。

主要儀器裝置：JJ-6A型六聯(lián)異步自動(dòng)升降攪拌器(金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠)；CU600高精度恒溫水浴鍋(上海南榮實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司)；DGX-9073B型鼓風(fēng)干燥箱(上海南榮實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司)；AEY-120型電子分析天平(湘儀天平儀器設(shè)備有限公司)；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)；NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(上海越平科學(xué)儀器有限公司),污泥比阻測(cè)定裝置。

1.2分析方法

1.2.1濾餅含水率的測(cè)定

污泥含水率參照CJ/T221-2005《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》測(cè)定。

1.2.2污泥比阻的測(cè)定

污泥比阻參照《水污染控制工程》中的實(shí)驗(yàn)七《污泥過(guò)濾脫水—污泥比阻的測(cè)定實(shí)驗(yàn)》測(cè)定。圖1是污泥比阻測(cè)定裝置示意圖。

1.2.3污泥沉降實(shí)驗(yàn)

量取100ml經(jīng)調(diào)理后的污泥置入量筒中，每隔一段時(shí)間記錄污泥沉降體積，在同樣的條件下，比較污泥的沉降性能。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

取500ml原始污泥于燒杯中，放置于設(shè)定溫度的水浴鍋，每隔一段時(shí)間測(cè)定燒杯內(nèi)污泥溫度，達(dá)到設(shè)定溫度后用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，再加入一定量的聚丙烯酰胺，使用JJ-6A型六聯(lián)異步自動(dòng)升降攪拌器在固定的攪拌速度下攪拌。之后分別按照上述含水率、污泥比阻、沉降性能的測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1PAM投加量的影響

在溫度25℃、pH 7、攪拌速度150r/min的條件下，設(shè)置PAM投加量為40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L、80mg/L，分別測(cè)定污泥的沉降性能、污泥比阻、泥餅含水率。

從圖2可以看出，PAM投加量在70mg/L時(shí)，污泥沉降效果最好。加入絮凝劑后，污泥礬花顆粒變大，污泥層和上清液層有明顯的分界線。投加量超過(guò)70mg/L時(shí)，污泥沉降效果開始下降。圖3表明PAM投加量在60mg/L時(shí)，污泥比阻值最小，污泥具有很好的脫水性能。絮凝劑添加過(guò)多或過(guò)少都會(huì)影響污泥比阻。圖4表明脫水污泥泥餅含水率隨投加量的增加逐漸降低，絮凝劑投加量超過(guò)50mg/L時(shí)，泥餅含水率基本保持穩(wěn)定。但是總體來(lái)說(shuō)含水率偏高，說(shuō)明PAM對(duì)降低泥餅含水率的作用不明顯。

2.1.2攪拌速度的影響

在溫度25℃、pH 7、投加量 70mg/L的條件下，設(shè)置攪拌速度為100r/min、150r/min、200r/min、250r/min、300r/min，分別測(cè)定污泥的沉降性能、污泥比阻、泥餅含水率。

圖5表明污泥樣品在30min內(nèi)，隨著沉降時(shí)間的增加，污泥體積逐漸減少；從100r/min至200r/min范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，污泥最終沉降體積越?。怀^(guò)200r/min后，污泥沉降體積開始回升。從圖6可以看出，攪拌速度為150r/min時(shí)，污泥比阻為最小值，超過(guò)150r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速的增高導(dǎo)致污泥絮凝體被打散，污泥比阻反而增加，處理效果下降。從圖7可以得知，攪拌速度為150r/min時(shí)，污泥含水率達(dá)到72.7%，脫水效果明顯。

2.1.3pH的影響

在溫度25℃、攪拌速度150r/min、投加量70mg/L的條件下，設(shè)置pH為3、5、7、9、11，分別測(cè)定污泥的沉降性能、污泥比阻、泥餅含水率。

從圖8可以看出，在不同的pH條件下，污泥沉降速度不同。當(dāng)pH為5時(shí)，污泥沉降速度最快。pH過(guò)小或過(guò)大都會(huì)影響污泥沉降速度。污泥在酸性范圍內(nèi)更容易沉降。從圖9可知，隨著pH的增高，污泥比阻呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，pH為5時(shí)，污泥比阻值最小。污泥在酸性條件下脫水性能略好于堿性條件[3]。從圖10可看出，pH對(duì)污泥泥餅含水率也有影響，在堿性條件下，污泥樣品呈現(xiàn)粘稠狀，含水率高。

2.1.4溫度的影響

攪拌速度150r/min、投加量70mg/L、pH 7，設(shè)置溫度為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，分別測(cè)定污泥的沉降性能、污泥比阻、泥餅含水率。

從圖11可以看出，外界溫度不同，污泥沉降速度不同。在相同的時(shí)間下，溫度越高，污泥沉降越快。但是實(shí)際工程生產(chǎn)中需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，溫度過(guò)高，耗能太大，不能達(dá)到利益最大化。從圖12可以看出，溫度對(duì)污泥比阻影響顯著，溫度低于50℃時(shí)，污泥比阻隨溫度的升高而降低。高于50℃時(shí)，比阻值迅速增高，由此可見(jiàn)50℃最有利于污泥脫水。圖13說(shuō)明了在50℃時(shí)，泥餅含水率最低，符合圖12中50℃最有利于污泥脫水的結(jié)論。

2.2響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝條件

2.2.1響應(yīng)面分析因素的選擇

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)原理，以污泥比阻為指標(biāo)，設(shè)計(jì)4因素3水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，因素水平編碼見(jiàn)表1，用Design Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定最佳絮凝條件[5]。

表1　污泥絮凝影響因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)因素水平表

2.2.2中心組合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)矩陣及結(jié)果

根據(jù)表1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將每組實(shí)驗(yàn)得到的污泥比阻值填入表中，如表2所示。

2.2.3模型的建立及分析

將所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入軟件內(nèi)，然后進(jìn)行多元回歸擬合，得到以污泥比阻值為目標(biāo)函數(shù)的回歸方程：

Y的方差分析如表3所示。

在本例中，模型顯著性檢驗(yàn)p<0.05，表明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[6]。Model失擬項(xiàng)的P值為0.3279，>0.05，說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著，表明模型方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的比較好，選擇合適。一次項(xiàng)中的X2、X3、X4對(duì)污泥比阻值有顯著影響。投加量(X1)的P值>0.05，說(shuō)明其對(duì)污泥比阻值大小影響不顯著。4種因素對(duì)污泥比阻值大小影響程度為：pH>溫度>攪拌速度>投加量。在2因素的交互作用中，投加量和pH的交互作用對(duì)污泥比阻值的影響最大，投加量和攪拌速度的交互作用對(duì)污泥比阻值的影響最小。

表2　實(shí)驗(yàn)矩陣及結(jié)果

2.2.4因素交互作用對(duì)響應(yīng)值影響的曲面圖

從圖14中可以看出，隨著投加量和攪拌速度的增加，污泥比阻值不斷減小。當(dāng)投加量相同時(shí)，隨著攪拌速度的增加，污泥比阻降低的速度比當(dāng)攪拌速度相同時(shí)，隨著投加量的增加污泥比阻降低的速度快，這說(shuō)明投加量和攪拌速度交互作用時(shí)，攪拌速度對(duì)污泥比阻的影響大于投加量對(duì)污泥比阻的影響。同樣分析圖15至圖18即可以得到哪個(gè)影響因素最大[7]，例如從圖15可以看出pH對(duì)污泥比阻的影響大于投加量對(duì)污泥比阻的影響，從圖16可以看出溫度對(duì)污泥比阻的影響大于投加量對(duì)污泥比阻的影響。這與上述從方差分析表中得到的結(jié)論一致。

表3　Y回歸方程的方差分析

2.2.5最佳工藝的確定

通過(guò)Design Expert軟件分析得出響應(yīng)值最大的4個(gè)最佳的絮凝條件。當(dāng)投加量為50.29mg/L、攪拌速度為133.8r/min、pH為3.04、溫度為30.84℃時(shí)，污泥比阻值達(dá)到最低，為4.95×107s2/g。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的實(shí)際可操作性，選取投加量為50mg/L、攪拌速度為133r/min、pH為3、溫度為30.84℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，做3組平行樣來(lái)驗(yàn)證軟件分析的可靠性。表4為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表4　平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

三組實(shí)驗(yàn)污泥比阻值的平均值為4.96×107s2/g，與軟件預(yù)測(cè)吻合。得到的污泥樣品污泥比阻值小，極易脫水干化。

3結(jié)論

(1)通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得知，投加量60mg/L、攪拌速度150r/min、pH為5、溫度為50℃的條件下均能使污泥比阻最小，表明該4種影響因素均對(duì)污泥脫水效果有一定影響。

(2)通過(guò)響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)，確定當(dāng)投加量為50.29mg/L、攪拌速度為133.8r/min、pH為3.04、溫度為30.84℃時(shí)，污泥比阻值達(dá)到最低，此時(shí)污泥比阻為4.96×107s2/g，極易脫水，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(3)通過(guò)Design Expert軟件分析，建立并對(duì)模型進(jìn)行分析，確定影響污泥比阻的因素大小為：pH>溫度>攪拌速度>投加量。

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Experimental Study of Dehydrating Domestic Sludge Using Polyacrylamide

HE Xu,YUZhi-min,WEI Xin-lai

(Hefei University,Biological and Environmental Engineering,Hefei Institute of

Environmental Engineering,Hefei Anhui 230601,China)

Abstract：The capabilities of polyacrylamide on sedimentation rate and dehydration of domestic sludge were studied by testing the dose of polyacrylamide, the stirring speed, flocculation temperature, and pH value.The response surface methods were applied based on the single factor experiments. All the test results were optimized to obtain the optimal conditions as the dosage of 50.29 mg/L,and the stirring speed of 133.8r/min with pH value of 3.04 and temperature of 30.84℃. The Specific resistance of sludge was 4.96×107s2/gunder the optimal conditions.

Key words： polyacrylamide;sludge;dehydrate;experiment;specific resistance;response surface method