陽離子聚丙烯酰胺聯(lián)合稻殼粉調(diào)理城市污泥脫水的研究

王茂清，鐘銀海，藍(lán)巧娟，吳　彥，周　佳，楊九江，陳若楠

（重慶三峽學(xué)院　環(huán)境與工程學(xué)院，重慶　404000）

隨著人們生活水平的逐步提高，生活廢水的處理率迅速提高，污水和污泥的產(chǎn)量急劇增加，到2020年污泥產(chǎn)量將突破6 000萬噸[1]，污水處理廠在采用活性污泥法處理廢水時，會產(chǎn)生大量的剩余污泥，剩余污泥是一種由金屬、有機(jī)物、無機(jī)顆粒、膠體顆粒組成的混合物質(zhì)，并且有機(jī)物含量高，長期堆放容易腐化發(fā)臭[2]，而這些剩余污泥含水率極高（大約在98%以上），因此在處理這些污泥時會造成很大的人力和財力損失，如果處理不當(dāng)，不僅會對污水處理廠的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，還對土壤和水源造成嚴(yán)重污染；對剩余污泥產(chǎn)生的難聞臭氣不加以妥善處理，將會造成更為嚴(yán)重的二次污染[3]，對環(huán)境和人類健康造成威脅。我國在城市生活污泥和工業(yè)污泥的處理利用率不足10%，距發(fā)達(dá)國家如美國的處理利用率60%～70%相差甚遠(yuǎn)[4]。污泥濃縮、污泥穩(wěn)定、污泥脫水是我國應(yīng)用最為廣泛的處理處置技術(shù)[4-5]。為了減少污泥的體積，必須對污泥進(jìn)行脫水處理，為了提高污泥的脫水率和泥餅的含固率，將對污泥進(jìn)行調(diào)理，從而改變污泥的理化性質(zhì)，破壞污泥膠體自身的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減少泥水之間的親和力。污泥調(diào)理是污泥的濃縮或污泥的脫水前處理，目的是為了提升和改進(jìn)污泥的脫水性能，同時提高機(jī)械脫水設(shè)備的脫水能力，因此污泥調(diào)理是污泥濃縮和脫水過程中至關(guān)重要的工藝流程[6]。

目前，國內(nèi)污水處理廠常用的化學(xué)調(diào)理劑為陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），CPAM能夠通過絮凝作用實(shí)現(xiàn)泥水分離，有效提高污泥的脫水性能，但是，其調(diào)理后的污泥泥餅可壓縮性較高，在污泥脫水過程中，污泥泥餅變得越來越致密，從而阻礙了污泥的進(jìn)一步脫水。因此，向污泥中投加一些骨架調(diào)理劑，如粉煤灰能有效改善污泥泥餅的微觀結(jié)構(gòu)，提高污泥泥餅的多孔性和滲透性，促進(jìn)污泥的進(jìn)一步脫水[7]。

中國是世界上稻谷生產(chǎn)大國，稻谷年產(chǎn)量約2.05億噸，每年產(chǎn)生約4 000萬噸稻殼，全球水稻年產(chǎn)量約4.89億噸，約產(chǎn)生稻殼9 000萬噸[8]。稻殼作為稻米加工后的副產(chǎn)物，易于收集且產(chǎn)量大，是一種不可忽視的生物質(zhì)資源，倘若沒有妥善的處理方式，將會造成污染環(huán)境的問題，對其本身也是一種資源的浪費(fèi)[9]。目前稻殼也會作為飼料使用，但因其對動物的適口性差，難以被消化，所以不適用于當(dāng)作飼料；作為燃料來燃燒[10]，產(chǎn)生的熱量用于做飯取暖等，但會產(chǎn)生溫室氣體以及有害氣體，污染空氣。稻殼具有良好的韌性、多孔性、低密度以及質(zhì)地粗糙等特點(diǎn)，也具有成為骨架顆粒的潛能[11]。因此，本研究主要用CPAM聯(lián)合稻殼粉來調(diào)理污泥，考查兩種調(diào)理劑聯(lián)合調(diào)理對污泥脫水性能的影響，對調(diào)理劑投加順序以及投加劑量進(jìn)行優(yōu)化，并通過對污泥濾液Zeta電位的變化，污泥泥餅微觀結(jié)構(gòu)以及泥餅可壓縮性系數(shù)的變化的測定，對CPAM聯(lián)合稻殼粉調(diào)理污泥脫水的機(jī)理進(jìn)行分析。

1　材料和方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

供試污泥采自湖南省長沙國禎水處理有限公司(原長沙市第二污水處理凈化中心)，本實(shí)驗(yàn)所用污泥為剩余污泥，自污泥濃縮池中取得。靜置2 h后，倒出部分上清液即為實(shí)驗(yàn)用污泥。樣品保存于聚乙烯塑料桶中并置于4°C的冰箱備用[12-13]，最長貯存時間不超過一個月。污泥性質(zhì)如表1所示。CPAM配制成1 g/L的溶液。稻殼用去離子水洗凈之后烘干，粉碎并過篩，顆粒大小為150～250μm。

表1　污泥的基本性質(zhì)Table 1　Main characteristics of sludge

1.2　污泥調(diào)理的方法

1.2.1　單加CPAM調(diào)理污泥的方法

按順序分別向污泥中加入0.72 g/kg，1.43 g/kg，2.15 g/kg，2.86 g/kg，3.58 g/kg，4.29 g/kg，5.01 g/kg，5.72 g/kg，6.44 g/kg和7.16g/kg污泥干重的CPAM進(jìn)行調(diào)理，污泥脫水性能以污泥比阻（SRF）為主要評價指標(biāo)。

1.2.2　CPAM與稻殼粉投加順序的影響

確定投加順序分為三類：同時投加，先投加稻殼粉再投加CPAM，先投加CPAM再投加稻殼粉。稻殼粉投加量為50%污泥干重，CPAM投加劑量為1.2.1節(jié)所得最佳投加劑量。污泥脫水性能以污泥凈產(chǎn)率（YN）為主要評價指標(biāo)，以SRF為次要評價指標(biāo)。

1.2.3　CPAM-稻殼粉對污泥的調(diào)理實(shí)驗(yàn)

按照1.2.2節(jié)過程所得最佳投加順序?qū)煞N調(diào)理劑進(jìn)行投加，稻殼粉投加劑量設(shè)定為0，10%,20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%和90%的污泥干重，CPAM投加劑量在單獨(dú)投加的最佳劑量前后選取3個投加劑量值。

SRF的測定參照趙瑞娟的研究方法[14]，SRF值愈小其脫水性愈好，反之愈差。YN的測定參考Wu等人[15]的研究方法，YN的值愈高其脫水性愈好，反之愈差。

1.2.4　CPAM聯(lián)合稻殼調(diào)理污泥機(jī)理實(shí)驗(yàn)方法

污泥濾液的Zeta電位用Zeta電位分析儀（ZEN3600，英國）測定，污泥泥餅微觀結(jié)構(gòu)用環(huán)境場掃描電鏡ESEM（Quanta200，美國）測定，泥餅可壓縮性系數(shù)如黃顯浪等[16]的研究方法所示，污泥泥餅的可壓縮性愈小證明污泥泥餅具有不可壓縮性[17]。

2　結(jié)果與討論

2.1　CPAM投加劑量對污泥脫水性能的影響

CPAM投加劑量對污泥脫水性能的影響如圖1所示，SRF隨著CPAM投加量的增加而逐漸減小，當(dāng)CPAM投加量為4.29 g/kg污泥干重時，SRF值最小，證明此時污泥脫水性能最好，因此，單獨(dú)投加CPAM時，其最佳投加劑量為4.29 g/kg污泥干重。

圖1　CPAM投加量對污泥脫水性能的影響Fig.1　Effect of CPAM dosage on sludge dewater ability

2.2　CPAM與稻殼粉投加順序?qū)ξ勰嗝撍阅艿挠绊?/h3>

不同的調(diào)理劑投加順序可能會影響到污泥調(diào)理的結(jié)果[18-19]，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出先投加稻殼粉后加入CPAM溶液時污泥的脫水效果最佳。這可能是因?yàn)榈練し巯扰c污泥混合均勻，污泥內(nèi)部形成一個多孔和多通道的骨架結(jié)構(gòu)，從而有效提高污泥的脫水性能。而另外兩種投加方式可能是先投加CPAM，已經(jīng)將污泥進(jìn)行絮凝，后投加稻殼粉，稻殼粉沒有在污泥內(nèi)部充分混勻。

表2　稻殼粉與CPAM投加順序?qū)ξ勰嗝撍阅艿挠绊慣able 2　Effect of adding order of rice husk flour and CPAM on sludge dewater ability

2.3　CPAM聯(lián)合稻殼粉對污泥脫水性能的影響

CPAM聯(lián)合稻殼粉對污泥脫水性能的影響如圖2所示，CPAM的投加劑量為3.58 g/kg、4.29 g/kg和5.01 g/kg污泥干重，稻殼粉的投加劑量為0～90%污泥干重。由圖2（a）可知，當(dāng)?shù)練し弁都恿恐饾u增大時，SRF先略有增加，然后逐漸下降；由圖2（b）可知，YN先隨著稻殼粉投加量的增大而逐漸升高，升高至最大值后又減小，當(dāng)CPAM投加量為5.01 g/kg污泥干重，稻殼粉投加量為50%污泥干重時，YN最大，污泥脫水性能最優(yōu)。因此，5.01 g/kg污泥干重的CPAM，50%污染干重的稻殼粉是CPAM聯(lián)合稻殼粉的最佳投加劑量。與單獨(dú)投加CPAM（5.01 g/kg污泥干重）相比，SRF由13.3×109m/kg降低為4×109m/kg，降低了69.9%，YN由65.96 kg/（m2·h）升高為226.95 kg/（m2·h），增加了2.44倍。根據(jù)羅海健[19]用CPAM聯(lián)合焚燒底渣調(diào)理污泥的研究，污泥凈產(chǎn)率增加約83%，表明CPAM聯(lián)合稻殼粉調(diào)理污泥效果較優(yōu)。與此同時，與前期研究成果相比，利用三氯化鐵聯(lián)合污泥生物炭調(diào)理污泥，YN由原泥的1.38 kg/（m2·h）增加到28.6 kg/（m2·h)[15]，證明CPAM聯(lián)合稻殼粉調(diào)理污泥效果較優(yōu)。此結(jié)果還表明，與稻殼粉聯(lián)合調(diào)理時，CPAM的投加量較單獨(dú)投加時有所增加。

圖2　CPAM與稻殼粉投加量對污泥脫水性能的影響Fig.2　Effect of CPAM and rice husk flour dosages on sludge dewater ability

2.4　CPAM聯(lián)合稻殼粉調(diào)理污泥機(jī)理分析

2.4.1　污泥濾液Zeta電位的變化

由于污泥膠體粒子帶有負(fù)電荷，彼此存在靜電斥力，使得污泥難以沉降，根據(jù)DLVO理論，若污泥表面負(fù)電荷越多，絮體間的排斥力越大，污泥的絮凝以及沉降性能愈差，為了使污泥表面負(fù)電荷減少，膠粒能相互碰撞、凝聚，需加入調(diào)理劑以減小或消除膠粒表面的負(fù)電荷，改善污泥的沉降和脫水性能。表3表示投加調(diào)理劑對污泥濾液Zeta電位的影響，原泥Zeta電位為-16.25 mV，而CPAM（5.01 g/kg污泥干重）聯(lián)合稻殼粉（50%污泥干重）調(diào)理后的污泥電位為-7.20 mV。由此可以推斷，調(diào)理后的污泥濾液Zeta電位的上升主要是由于CPAM所帶的正電荷與污泥所帶的負(fù)電荷產(chǎn)生了靜電中和的作用，而純稻殼粉Zeta電位為-21.74 mV，證明稻殼粉不具備電荷中和作用[20]。同時，此結(jié)果可以解釋2.2節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于稻殼粉表面帶負(fù)電荷，先投加到污泥中，與表面帶負(fù)電荷的污泥形成相對穩(wěn)定且均勻分布的膠體狀態(tài)，再投加CPAM，與污泥顆粒以及稻殼粉同時形成絮凝，這也是與稻殼粉聯(lián)用后CPAM的最佳投加劑量比單獨(dú)投加CPAM時投加量有所提高的原因。

表3　污泥濾液Zeta電位的變化Table 3　Zeta potential change of sludge filtrate

2.4.2　污泥泥餅微觀結(jié)構(gòu)的變化

污泥泥餅的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示[圖3（a）、圖3（b）為放大500倍，圖3（c）為放大200倍，圖3（d）放大100倍]，原污泥泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，CPAM調(diào)理后的污泥泥餅與原泥泥餅微觀結(jié)構(gòu)類似，沒有明顯的孔隙，證明在污泥脫水過程中，污泥泥餅會變得越來越致密，水分無法通過泥餅，從而阻礙了水的進(jìn)一步脫除。圖3（c）表明稻殼粉聯(lián)合CPAM調(diào)理后的污泥泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，污泥泥餅中稻殼粉清晰可見；如圖3（d）所示，在稻殼粉周圍有很大的孔洞出現(xiàn)，從而證明稻殼粉的確在污泥泥餅中起支撐作用，經(jīng)稻殼粉調(diào)理后的污泥泥餅內(nèi)部已形成多孔的骨架結(jié)構(gòu)，稻殼粉能有效改善污泥泥餅的壓縮性和緊實(shí)性，從而進(jìn)一步提高污泥的脫水性能[17]。

圖3　污泥泥餅的微觀結(jié)構(gòu)變化Fig.3　Change of microstructure of sludge cakes

2.4.3　污泥泥餅可壓縮性系數(shù)的變化

污泥泥餅的可壓縮性系數(shù)由圖4所示，原污泥泥餅的可壓縮系數(shù)為1.06，單加陽離子聚丙烯酰胺調(diào)理的污泥泥餅可壓縮系數(shù)為0.98，經(jīng)CPAM與稻殼粉聯(lián)合調(diào)理后的污泥泥餅可壓縮性系數(shù)為0.87，低于原污泥以及CPAM調(diào)理后的污泥泥餅，由此表明稻殼粉起到了骨架支撐的作用，使得污泥的可壓縮性降低，故提高了污泥脫水的性能[17]，此結(jié)果與圖3所得結(jié)果一致。

圖4　污泥泥餅的可壓縮性（CPAM投加量為5.01 g/kg污泥干重，稻殼粉投加量為50%污泥干重）Fig.4　Coefficient of compressibility of sludge cakes(CPAM dosage of 5.01 g/kg DS,rice husk flour dosage of 50%DS)

3　結(jié)論

（1）用CPAM聯(lián)合稻殼粉調(diào)理污泥能有效提高污泥的脫水性能，CPAM聯(lián)合稻殼粉調(diào)理污泥的最佳條件：先投加稻殼粉，投加量為50%污泥干重，后投加5.01 g/kg污泥干重的CPAM。在最佳投加條件下，與單獨(dú)投加CPAM相比，由13.3×109m/kg降低為4×109m/kg，污泥凈產(chǎn)率由原泥的65.96 kg/（m2·h）升高為226.95kg/（m2·h）。

（2）通過污泥濾液Zeta電位的分析得出，CPAM所帶的正電荷與污泥所帶的負(fù)電荷產(chǎn)生了靜電中和的作用，但稻殼粉本身不具備絮凝作用。

（3）通過污泥泥餅微觀結(jié)構(gòu)以及可壓縮性系數(shù)的測定得出，稻殼粉能夠有效改善污泥泥餅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使污泥內(nèi)部形成一個多孔和多通道的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，提高污泥的不可壓縮性，從而有效提高污泥的脫水性能。

[1]趙樂樂，馮偉，繆靜.城鎮(zhèn)污泥處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].廣州化工，2016，44（5）：35-36，+54.

[2]田野.污水污泥處置與建材化利用現(xiàn)狀探討[J].四川水泥，2017（2）：121.

[3]韓法昌.城市污水處理廠污泥處理處置方法探究[J].城市建設(shè)，2010（15）：1-2.

[4]曹偉華，孫曉杰.污泥處理與資源化應(yīng)用實(shí)例[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[5]戴曉虎.我國城市污水處理處置現(xiàn)狀及機(jī)遇[J].建設(shè)科技，2011（19）：55-59.

[6]嚴(yán)偉嘉，孫永軍.污泥調(diào)理技術(shù)研究進(jìn)展[J].土木建筑與環(huán)境工程，2015，37（S1）：41-45.

[7]NITTAMI T，UEMATSU K，NABATAME R，et al.Effect of compressibility of synthetic fibers as conditioning materials on dewatering of activated sludge[J].Chemical Engineering Journal，2015，268：86-91.

[8]吳獻(xiàn)，馬依穎.稻殼水泥熟料煅燒實(shí)驗(yàn)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2016，32（5）：882-889.

[9]謝定，韓丹妮.稻殼綜合利用技術(shù)與經(jīng)濟(jì)淺析[J].糧食科技與經(jīng)濟(jì)，2010，35（3）：35-37.

[10]CHUAN T G，JUMASIAH A，AZNI I，et al.Rice husk as a potentially low-cost biosorbent for heavy metal and dye removal：an overview[J].Desalination，2005，175（3）：305-316.

[11]QI Y，THAPA K B，HOADLEY A.Application of filtration aids for improving sludge dewatering properties–A review[J].Chemical Engineering Journal，2011，171（2）：373-384.

[12]WANG J S，LIU J C，LEE D J.Dual conditioning of sludge utilizing polyampholyte[J].Journal of Environmen?tal Engineering，2005，131（12）：1659-1666.

[13]WU Y，ZHANG P Y，ZHANG H B，et al.Possibility of sludge conditioning and dewatering with rice husk biochar modified by ferric chloride[J].Bioresource Technology，2016，205：258-263.

[14]趙瑞娟，李小明，楊麒，等.酸改性沸石對污泥調(diào)理的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報，2013，7（7）：2678-2684.

[15]WU Y,ZHANG P Y,ZENG G M，et al.Enhancing sew?age sludge dewater ability by a skeleton builder：Biochar produced from sludge cake conditioned with rice husk flour and FeCl3[J].ACS Sustainable Chemistry&Engineer?ing，2016，4（10）：5711-5717.

[16]黃顯浪，李小明.CTAB改性斜發(fā)沸石對剩余污泥的調(diào)理作用[J].環(huán)境工程學(xué)報，2016，10（6）：3193-3199.

[17]董凌霄，丁紹蘭，謝林花，等.核桃殼添加改善污泥壓縮性能研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報，2016，34（4）：26-30.

[18]陳暢亞.殼聚糖—改性粉煤灰聯(lián)合調(diào)理改善污泥脫水性能及機(jī)理初探[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

[19]羅海健.助濾劑（污泥焚燒底渣、木屑）對工業(yè)污泥脫水性能的影響研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

[20]ZHAO Y Q.Enhancement of alum sludge dewatering ca?pacity by using gypsum as skeleton builder[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering As?pects，2002，211（2/3）：205-212.