曾 婧 荀久玉

(錦州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)中心，遼寧 錦州 121001)

污水處理廠剩余污泥中通常含有99%以上的水分，為降低污泥運(yùn)輸和處理成本，污泥處理的最重要部分是通過污泥脫水來降低污泥含水率，以減少污泥體積。污泥中的水分按結(jié)合程度由弱到強(qiáng)依次分為：間隙水(自由水)、毛細(xì)管結(jié)合水、表面吸附水及內(nèi)部(結(jié)合)水[1]。常規(guī)的脫水方法主要脫除的是間隙水(自由水)，脫水后泥餅的含水率一般為70～80%。

為改善污泥的脫水效果，本研究采用過硫酸鈉(添加硫酸亞鐵)與陽離子聚丙烯酰胺(PAM)聯(lián)合對污泥進(jìn)行脫水。過硫酸鈉是一種強(qiáng)氧化劑，用其預(yù)氧化處理污泥，可以使污泥胞外多聚物(EPS)中的蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)被破壞，大分子變成小分子，釋放出被EPS禁錮的內(nèi)部水。同時(shí)EPS含量的減少，降低了污泥的粘度，從而使得污泥之間的相互作用不再緊密，泥水之間的相互作用力減弱，降低污泥比阻，使得污泥顆粒間隙水更容易去除，從而改善污泥脫水效果[2]。

陽離子PAM可通過壓縮雙電層、吸附電中和和吸附架橋作用使污泥中的小顆粒絮凝成較大的絮體顆粒，增大污泥顆粒間的孔距，降低污泥比阻，使污泥中的水更易被去除，提高污泥的脫水性能[4]。

利用過硫酸鈉(添加硫酸亞鐵)和PAM聯(lián)合處理污泥，通過對污泥的氧化和絮凝作用，改變污泥結(jié)構(gòu)，降低污泥比阻和含水率，改善污泥脫水效果，減小污泥的體積。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及材料

硫酸亞鐵、過硫酸鈉、濃硫酸、氫氧化鈉、PAM、剩余污泥。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

PHS-25酸度計(jì)，HS-12磁力轉(zhuǎn)動攪拌器，ME204/02電子天平，101-0電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，UT377測速儀，SHZ-D(A)循環(huán)水真空泵，LT202B電子天平。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 過硫酸鈉氧化污泥

用量筒取50 mL污泥于250 mL的燒杯中，用硫酸調(diào)節(jié)污泥pH，然后加入含有硫酸亞鐵的過硫酸鈉濃度為50 g/L的溶液，用攪拌器攪拌使其在350 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行氧化反應(yīng)，反應(yīng)一段時(shí)間后抽濾脫水，用電子天平稱量濾餅與濾紙的總重，再放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在溫度為103～105℃的條件下干燥至恒重，稱干泥餅和濾紙總重，計(jì)算脫水后泥餅的含水率。

1.3.2 PAM絮凝污泥

用量筒取50 mL污泥于250 mL的燒杯中，在上步確定的最佳氧化條件下進(jìn)行氧化反應(yīng)，再調(diào)節(jié)pH，加入一定量濃度為0.1%的陽離子PAM，先在400 r/min轉(zhuǎn)速下快速攪拌1 min使PAM與污泥充分混合，再調(diào)低轉(zhuǎn)速為200 r/min，攪拌一定時(shí)間進(jìn)行絮凝反應(yīng)，反應(yīng)一段時(shí)間后進(jìn)行抽濾脫水，用電子天平稱量濾餅與濾紙的總重，再放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在溫度為103 ℃～105 ℃的條件下干燥至恒重，稱干泥餅和濾紙總重，計(jì)算脫水后泥餅的含水率。

1.4 污泥含水率的測定方法

污泥的脫水效果用脫水后泥餅含水率來衡量。

將定量濾紙放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在溫度為103 ℃～105 ℃的條件下干燥至恒重，記錄濾紙重量m1。將抽濾后的泥餅連同濾紙于電子天平中稱重，總重記為m2，再將其放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在溫度為103 ℃～105 ℃的條件下干燥至恒重，總重記為m3，應(yīng)用公式計(jì)算脫水后泥餅含水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 過硫酸鈉氧化污泥

2.1.1 氧化時(shí)間對污泥脫水效果的影響

控制氧化溫度為25℃、過硫酸鈉用量為1.0 g/L、Fe2+/S2O82-摩爾比為0.6、pH為7的條件下，改變氧化時(shí)間分別為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min，考察其對污泥脫水效果的影響。結(jié)果見圖1。

圖1 氧化時(shí)間對污泥脫水效果的影響

由圖1可以看出，當(dāng)氧化時(shí)間在10 min～40 min之間時(shí)，泥餅含水率隨氧化時(shí)間的延長而下降，40 min后泥餅含水率隨著氧化時(shí)間的延長反而上升。

這是因?yàn)?，氧化時(shí)間在10 min～40 min時(shí)段內(nèi)，隨著氧化時(shí)間的延長，F(xiàn)e2+激活過硫酸鈉所產(chǎn)生的硫酸根自由基越多，污泥中被硫酸根自由基和過硫酸鈉氧化的EPS越多，釋放的水分越多，污泥脫水效果越好。當(dāng)氧化時(shí)間超過40 min后，隨時(shí)間的延長，F(xiàn)e2+會被產(chǎn)生的硫酸根自由基氧化，使得Fe2+與污泥爭奪硫酸根自由基，同時(shí)硫酸根自由基相互猝滅，使得硫酸根自由基反而減少，反應(yīng)速率降低。由于EPS被氧化，微生物細(xì)胞被破壞，污泥顆粒粒徑隨氧化時(shí)間的延長而不斷減小。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過長時(shí)，形成的細(xì)小顆粒會增大污泥過濾時(shí)的比阻，影響污泥脫水效果。

確定最佳氧化時(shí)間為40 min。

2.1.2 過硫酸鈉用量對污泥脫水效果的影響

控制氧化溫度為25℃、氧化時(shí)間為40 min、Fe2+/S2O82-摩爾比為0.6、pH為7的條件下，改變過硫酸鈉用量分別為0.75 g/L、1.0 g/L、1.25 g/L、1.5 g/L、1.75 g/L、2.0 g/L，考察其對污泥脫水效果的影響。結(jié)果見圖2。

圖2 過硫酸鈉用量對污泥脫水效果的影響

由圖2可以看出，當(dāng)過硫酸鈉用量在0.75 ～1.5 g/L范圍內(nèi)時(shí)，泥餅含水率隨著過硫酸鈉用量的增加而降低，過硫酸鈉用量在1.5 g/L后泥餅含水率隨著過硫酸鈉用量的增加反而上升。

這是因?yàn)?，過硫酸鈉用量在0.75 g/L～1.5 g/L范圍內(nèi)，隨過硫酸鈉用量的增加，硫酸根自由基不斷增多，EPS被氧化的越多，釋放的水分越多，污泥脫水效果越好；過硫酸鈉用量超過1.5 g/L時(shí)，污泥分解越破碎，粒徑越小，越不利于過濾，同時(shí)產(chǎn)生過多的硫酸根自由基之間發(fā)生自我猝滅，F(xiàn)e2+被過量的硫酸根自由基氧化成Fe3+，F(xiàn)e2+對過硫酸鈉的激活反應(yīng)受到抑制，F(xiàn)e3+的絮凝作用會使得部分未被氧化的污泥團(tuán)聚，而無法與硫酸根自由基接觸，降低氧化作用，影響污泥脫水效果。

確定過硫酸鈉的最佳用量為1.5 g/L。

2.1.3 Fe2+/S2O82-摩爾比對污泥脫水效果的影響

控制氧化溫度為25℃、氧化時(shí)間為40 min、過硫酸鈉用量為1.5 g/L、pH為7的條件下，改變Fe2+/S2O82-摩爾比分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，考察其對污泥脫水效果的影響。結(jié)果見圖3。

圖3 Fe2+/S2O82-摩爾比對污泥脫水效果的影響

由圖3可以看出，當(dāng)Fe2+/S2O82-摩爾比在0.1～0.3范圍內(nèi)時(shí)，泥餅含水率隨Fe2+/S2O82-摩爾比的增加而降低，在Fe2+/S2O82-摩爾比到達(dá)0.3后，泥餅含水率隨著Fe2+/S2O82-摩爾比增加又開始上升。

這是因?yàn)?，F(xiàn)e2+/S2O82-摩爾比在0.1～0.3范圍內(nèi)，隨著Fe2+投加量的增加，F(xiàn)e2+激活過硫酸鈉產(chǎn)生的硫酸根自由基量越多，氧化的EPS越多，釋放的水分越多，污泥脫水效果越好；當(dāng)Fe2+/S2O82-摩爾比超過0.3時(shí)，隨著摩爾比的增加，加入的Fe2+量過多，過量的亞鐵離子會與污泥爭奪產(chǎn)生的硫酸根自由基，硫酸根自由基的含量反而下降，污泥的氧化作用降低，EPS的釋放量減少，影響污泥脫水效果。

確定最佳Fe2+/S2O82-摩爾比為0.3。

2.1.4 氧化pH對污泥脫水效果的影響

控制氧化溫度為25℃、氧化時(shí)間為40 min、過硫酸鈉用量為1.5 g/L，F(xiàn)e2+/S2O82-摩爾比為0.3的條件下，改變pH分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9，考察其對污泥脫水效果的影響。結(jié)果見 4。

由圖4可以看出，當(dāng)pH在1～4范圍內(nèi)時(shí)，泥餅含水率隨pH的增加而降低，pH在4之后，泥餅含水率隨著pH的增加而上升。

圖4 氧化pH對污泥脫水效果的影響

這是因?yàn)椋琾H<7時(shí)，在酸性條件下，隨著pH的降低，H+濃度升高，促進(jìn)硫酸根自由基的生成，有利于EPS的氧化釋放水，污泥脫水效果不斷改善。當(dāng)pH<4時(shí)，由于pH過低，酸性過強(qiáng)，H+過多，反而抑制了硫酸根自由基的生成，硫酸根自由基生成量降低，氧化作用減小，污泥脫水效果反而降低。當(dāng)pH>7時(shí)，硫酸根自由基氧化H2O和OH-生成羥基自由基，而產(chǎn)生的羥基自由基又與H+反應(yīng)重新生成水，部分硫酸根自由基在與羥基自由基的轉(zhuǎn)化中被消耗，硫酸根自由基對污泥的氧化作用降低，EPS釋放水量減少，影響污泥脫水效果。

確定氧化的最佳pH為4。

2.2 PAM絮凝污泥

2.2.1 絮凝pH對污泥脫水效果的影響

控制過硫酸鈉氧化條件為：氧化溫度為25℃、氧化時(shí)間為40 min、過硫酸鈉用量為1.5 g/L、Fe2+/S2O82-摩爾比為0.3、pH為4；控制PAM絮凝條件為：PAM用量為60 mg/L、絮凝時(shí)間為10 min，改變pH分別為2、3、4、5、6、7、8、9，考察其對污泥脫水效果的影響。結(jié)果見圖5。

圖5 絮凝pH對污泥脫水效果的影響

由圖5可以看出，當(dāng)pH過高或過低時(shí)污泥的脫水性能均明顯下降。當(dāng)pH在2～5范圍內(nèi)，泥餅含水率隨著pH增加不斷下降。當(dāng)污泥pH=5時(shí)，泥水分離的效果顯著。當(dāng)pH>5時(shí)，泥餅含水率隨著pH增加而升高，pH>8時(shí)甚至出現(xiàn)泥水無法分離現(xiàn)象。

這是因?yàn)椋勰嘀械念w粒表面帶負(fù)電荷，投加陽離子PAM與污泥發(fā)生電中和，降低污泥斥力。同時(shí)電動電位降低，污泥脫穩(wěn)，可促進(jìn)污泥絮凝，提高污泥脫水效果。當(dāng)pH<5時(shí)，污泥中加入了過量的H+，H+中和了污泥顆粒的負(fù)電荷后，之后隨pH的下降，過多的H+會使顆粒間建立新的靜電斥力，不利于PAM對污泥顆粒的絮凝作用，污泥比阻隨pH的降低反而增加；由于硫酸根自由基氧化EPS過程中發(fā)生奪H+反應(yīng)，會產(chǎn)生部分負(fù)電荷，也會使污泥顆粒表面電性增加，增大了污泥顆粒間排斥力。pH>5時(shí)，體系中H+濃度較低，污泥顆粒間的斥力不能完全消除，絮凝效果降低，污泥脫水效果下降；隨著pH繼續(xù)增大污泥呈堿性時(shí)，外加的OH將進(jìn)一步增大污泥斥力，使污泥無法凝聚。在較高的pH下，會使污泥形成膠體或者類膠體狀態(tài)，PAM裹有大量水分而無法去除，從而出現(xiàn)泥水無法分離的現(xiàn)象。

確定絮凝的最佳pH為5。

2.2.2 絮凝時(shí)間對污泥脫水效果的影響

控制過硫酸鈉氧化條件為：氧化溫度為25℃、氧化時(shí)間為40 min、過硫酸鈉用量為1.5 g/L、Fe2+/S2O82-摩爾比為0.3、pH為4；控制PAM絮凝條件為：PAM用量為60 mg/L、絮凝反應(yīng)pH為5，改變絮凝時(shí)間分別為6 min、8 min、10 min、12 min、14 min、16 min，考察其對污泥脫水效果的影響。結(jié)果見圖6。

圖6 絮凝時(shí)間對污泥脫水效果的影響

由圖6可以看出，絮凝時(shí)間在6 min～10 min范圍內(nèi)時(shí)，泥餅含水率隨著絮凝時(shí)間的延長而降低，當(dāng)絮凝時(shí)間為10 min時(shí)含水率達(dá)到最低值，之后隨著絮凝時(shí)間延長，泥餅含水率又不斷升高。

這是因?yàn)?，?dāng)絮凝時(shí)間過短時(shí)，PAM分布不均勻，PAM與污泥顆粒不能充分接觸，不利于絮凝劑對污泥顆粒的捕集，不利于PAM發(fā)揮作用；絮凝時(shí)間過長，絮體喪失凝聚性，污泥脫水性效果有所減弱，而且隨攪拌時(shí)間的延長之前形成的良好絮體又被重新打散，降低污泥脫水效果。

確定最佳絮凝時(shí)間為10 min。

2.2.3 PAM用量對污泥脫水效果的影響

控制過硫酸鈉預(yù)氧化條件為：氧化溫度為25℃、氧化時(shí)間為40 min、過硫酸鈉用量為1.5 g/L、Fe2+/S2O82-摩爾比為0.3、pH為4；控制PAM絮凝條件為：pH為5、絮凝時(shí)間為10 min、改變PAM用量分別為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L，考察其污泥脫水效果的影響。結(jié)果見圖7。

圖7 PAM用量對污泥脫水效果的影響

由圖7可以看出，當(dāng)PAM用量在10 mg/L至40 mg/L范圍內(nèi)時(shí)，泥餅含水率隨PAM用量的增加而下降，PAM用量在40 mg/L時(shí)泥餅含水率最低，污泥脫水效果適宜，之后隨著PAM用量增加，泥餅含水率反而開始上升。

這是因?yàn)?，PAM用量過小時(shí)，污泥絮凝作用不充分，污泥脫水效果提升不明顯；PAM用量過大時(shí)，污泥絮凝作用好，污泥明顯團(tuán)聚形成絮體，但絮體結(jié)構(gòu)疏松且裹有水分，脫水效果反而降低。同時(shí)過多的用量會增加污泥黏度，以及污泥與濾紙的粘連，增大污泥比阻，而且PAM過量會破壞污泥原有的靜電平衡，反而會使顆粒間建立新的靜電斥力，影響脫水效果。

確定最佳PAM用量為40 mg/L。

3 結(jié)論

本研究采用過硫酸鈉(添加硫酸亞鐵)和PAM聯(lián)合改善污泥脫水效果，通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)Fe2+可激活過硫酸根，產(chǎn)生的硫酸根自由基，過硫酸鈉和硫酸根自由基可氧化剩余污泥中的EPS，釋放出內(nèi)部水的同時(shí)降低污泥比阻，改善了污泥脫水效果。

過硫酸鈉氧化污泥的最佳條件為：氧化時(shí)間為40 min、過硫酸鈉用量為1.5 g/L、Fe2+/S2O82-摩爾比為0.3、pH為4。

(2)陽離子PAM可通過壓縮雙電層、吸附電中和和吸附架橋作用使污泥中的小顆粒絮凝成較大的絮體顆粒，增大污泥顆粒間的孔距，降低污泥比阻，改善了污泥脫水效果。

PAM絮凝污泥的最佳條件為：pH為5，絮凝時(shí)間為10 min、PAM用量為40 mg/L。

(3)過硫酸鈉與PAM聯(lián)合使用可使含水率為96%的剩余污泥脫水后泥餅含水率降到63.3%，脫水效果良好。