典型表面活性劑對污泥脫水性能的影響研究

吳姁，張學偉，秦燚鶴，李松，岳樸，何緒文

(中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

焦化廢水經過生化處理后，產生富含大量有機物、重金屬、病原類微生物的剩余污泥，這些污泥的處置面臨著巨大的環(huán)境問題，因此研究焦化污泥減量化具有很強的實踐意義[1-2]。在污泥脫水之前進行化學調理，可以在提高污泥壓縮性和脫水性的同時，降低后續(xù)處理成本[3-6]。

胞外聚合物(EPS)占污泥質量的50%～90%，EPS的組分中含有親水性陰離子官能團[7-9]。而表面活性劑具有親水親油能力，可以吸附在污泥顆粒表面，破壞EPS，改變固體顆粒表面特性，提高污泥的脫水性能[10]。

本文擬研究典型離子型表面活性劑對焦化污泥脫水性能的影響，為此選擇CTAB和SDBS分別作為代表性陽離子和陰離子表面活性劑。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

污泥，取自于內蒙古烏海市某焦化污水處理廠濃縮池，其主要性質見表1；CTAB、SDBS均為分析純。

表1 污泥的基本性質Table 1 Basic properties of sludge

HD2010W電動攪拌器；DHG-9030電熱鼓風干燥箱；ME204E電子天平；哈希2100Q濁度儀；SF-TTGL-20A 型離心機；DV3T流變儀；污泥比阻實驗裝置由抽濾裝置與真空泵相連組成，自組裝。

1.2 污泥調理

200 mL污泥中加入藥劑，以400 r/min攪拌 1 min，100 r/min攪拌5 min，使之充分反應，靜置 10 min。分別取2個50 mL污泥樣品測定污泥比阻(SRF)和濾餅含水率(WC)，另取2個50 mL樣品測污泥含水率(WL)。實驗重復3遍。

1.3 指標測定

1.3.1SRF采用污泥比阻實驗裝置(見圖1)進行測定。

比阻測定裝置的布氏漏斗中提前鋪有烘干的定性濾紙。取50 mL污泥倒入布氏漏斗中，以 0.06 MPa 定壓抽濾，以10 s的間隔記錄不同抽濾時間的濾液體積(V)，直至濾餅破裂[11-13]。按式(1)計算污泥比阻。

(1)

式中r——污泥比阻，s2/g；

P——過濾壓力，g/cm2；

μ——濾液黏度，g/cm·s；

b——t/V值與V值呈直線關系的斜率，s/cm6；

F——布氏漏斗的內底面積，cm2；

ω——單位體積濾液中濾餅固體的重量，g/cm3。

采用以下公式計算：

(2)

式中Ci——泥餅初始含水率，%；

Cf——泥餅最終含水率，%。

1.3.2WC抽濾濾餅破裂后停止抽濾，取下漏斗內的污泥濾餅，放入105 ℃烘箱中烘至恒重。

(3)

式中S1——離心完后污泥重量，g；

S2——在105 ℃下烘干至恒重的濾餅重量，g。

1.3.3WL調理完的污泥在8 000 r/min的速度下離心20 min，污泥用烘箱在105 ℃下烘至恒重，計算污泥含水率[6]。

1.3.4 上清液化學需氧量(ΔCOD) 根據國標法《HJ 828—2017》對離心后的上清液進行化學需氧量測定。

1.3.5 濁度 取離心完的上清液測定濁度。

1.3.6 表觀黏度 取調理完的污泥，采用流變儀，剪切速率為200 s-1，每5 s記錄1次黏度。

1.3.7 比表面積和吸附孔徑 離心后的泥餅烘干后進行比表面積和吸附孔徑的測定。

1.3.8 SEM分析 將原污泥和調理后的污泥烘干后進行SEM分析。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑對污泥脫水性能的影響

2.1.1 表面活性劑對SRF與WC的影響SRF表示污泥過濾的難易，WC表示污泥過濾的效能[6]。兩種表面活性劑投加量對WC和SRF的影響見圖2和圖3。

圖2 SDBS投加量對SRF和WC的影響Fig.2 Effect of SDBS dosage on SRF and WC

圖3 CTAB投加量對SRF和WC的影響Fig.3 Effect of CTAB dosage on SRF and WC

由圖可知，SRF和WC開始均呈現(xiàn)下降趨勢，添加SDBS后，SRF由不加表面活性劑的1.04×1011s2/g 降低到3.57×1010s2/g，WC從83.97%降至79.80%；添加CTAB后，SRF降低到2.76×1010s2/g，WC降至77.91%。SRF和WC的下降主要因為表面活性劑破壞了污泥絮體結構，導致污泥絮體內部的間隙水和污泥內部的結合水被釋放出來，從而提高了污泥脫水性[14-15]。

由圖2可知，當SDBS用量>600 mg/L時，SRF曲線趨于平緩，含水率曲線略微上升，這可能因為過量的SDBS會將部分游離水重新吸附包裹在污泥絮體中，導致其脫水性能變差；由圖3可知，當CTAB投加量>300 mg/L時，污泥比阻SRF持續(xù)增大，含水率持續(xù)上升，這可能因為過量的CTAB使污泥顆粒帶上正電荷，膠體顆粒因為帶有正電荷，導致分散穩(wěn)定，所以污泥脫水困難[16]。

2.1.2 表面活性劑對WL的影響 圖4是兩種藥劑不同加藥量調理后的WL變化情況。

圖4 藥劑投加量對WL的影響Fig.4 Effect of dosage on WL

由圖4可知，經600 mg/L的SDBS調理后的污泥，WL由90.42%降至到88.09%，WC能降至79.80%；而經300 mg/L的CTAB調理后的污泥，WL降至86.16%，WC降至77.91%。這表明真空過濾比離心脫水更有效，這可能是由于真空過濾過程中污泥餅的壓縮性高于常規(guī)離心所導致的[17-18]。

2.1.3 表面活性劑對污泥表觀黏度的影響 一般來說表觀黏度越大，污泥脫水性能越差[19]。從流體力學角度看，污泥脫水性能是其流變性能的反映。污泥的EPS和相對穩(wěn)定的膠狀網絡結構是影響其表觀黏度的主要原因。加入表面活性劑后，可以破壞EPS，菌膠團離子沿流動方向排列，流動阻力減小，表觀黏度降低。而當表面活性劑加入過多時，菌膠團流變性被徹底破壞，表面黏度升高，脫水性能變差[19-21]。不同調理后污泥表觀黏度隨時間的變化見圖5。

圖5 污泥表觀粘度Fig.5 Apparent viscosity of sludge

由圖5可知，經過300 mg/L的CTAB調理后，污泥的表面黏度在600 s時達到極限黏度5 mPa·s；經過600 mg/L的SDBS調理后，黏度在600 s時達到10 mPa·s；原泥在600 s時達到25 mPa·s。說明300 mg/L的CTAB調理的污泥脫水性能好于經過600 mg/L的SDBS調理后的污泥。

2.2 表面活性劑對上清液濁度和ΔCOD影響

表面活性劑調理污泥所釋放EPS的量，用ΔCOD表示。由于添加表面活性劑有助于COD，因此使用COD(污泥中添加表面活性劑調理)和SDBS(超純水中單獨添加表面活性劑調理)之間的差異計算ΔCOD，結果見表2。

ΔCOD=COD-CODSDBS(CODCTAB)

(4)

由表2可知，當SDBS的添加量為600 mg/L時，上清液ΔCOD由174 mg/L增加到218 mg/L，而添加相同劑量的CTAB釋放的EPS(290 mg/L)更多，可能因為CTAB不僅具有較低的CMC(臨界膠束濃度0.85)[6，11]，還具有較高的表面活性和表面電荷密度，因此，CTAB與絮體發(fā)生的相互作用更強烈，從而釋放出更多的EPS[6]。但是當EPS溶出過多時，過量的EPS將細胞與污泥絮體界面水和結合水緊密結合，從而影響污泥的脫水性能[22]。有研究表明，從污泥中去除過量的EPS后，脫水性能得到改善[23]。

添加表面活性劑可以將胞外聚合物包裹的顆粒釋放出來，分散粒子濃度可以通過測定上清液濃度來衡量。由表2可知，藥劑投加量增大時，濁度增大，藥劑過量時，分散粒子又重新形成絮凝作用，所以濁度減小[24]。

2.3 表面活性劑對過濾速度的影響

圖6是抽濾污泥1 min濾液量隨藥劑投加量變化的關系。

由圖6可知，一定量的表面活性劑可以增大污泥的過濾速度，調理后的污泥過濾速率明顯比原污泥快。但是隨著調理劑的加入增大，調理完的污泥和原泥之間的差距不斷增大，當SDBS加藥量>600 mg/L，CTAB加藥量>300 mg/L，濾液量減少，這可能是因為污泥比阻增大，導致脫水困難，過濾速度減慢。

圖6 藥劑投加量對過濾速度的影響Fig.6 Effect of dosage on filtration speed

2.4 表面活性劑對粒度和比表面積的影響

污泥絮體是因為EPS這種大分子物質聯(lián)合重金屬發(fā)揮架橋作用從而連接污泥初級顆粒、微生物細菌和膠體粒子所形成的，所以在一定程度上，污泥的脫水性能受到胞外聚合物影響[25-26]。由表3可知，調理前后污泥粒徑變化范圍不是很大，調理前后粒徑范圍變化趨勢是遞減的，這是因為經過調理，EPS脫落于水中，從而導致原來由于EPS的架橋作用而包裹在一起的很多初級小顆粒和細菌等溶入水中，上清液中ΔCOD增高，污泥粒徑在此過程中由于絮凝作用的減弱而減小[24，27]。

由表3可知，300 mg/L的CTAB調理后，泥的三種結構性能(粒徑、比表面積和吸附孔徑)均顯著下降，說明調理后的污泥餅具有較低的多孔結構和較強的壓實度[6]。

表3 最優(yōu)情況下表面活性劑調理前后泥餅的結構特性Table 3 Structural characteristics of mud cake before and after surfactant conditioning

2.5 SEM分析

調理前后污泥的微觀形貌及堆積松散程度見 圖7～圖9。

圖7 原污泥掃描電鏡圖Fig.7 SEM of raw sludge

圖8 600 mg/L SDBS調理后掃描電鏡圖Fig.8 SEM of 600 mg/L SDBS after conditioning

圖9 300 mg/L CTAB調理后掃描電鏡圖Fig.9 SEM of 300 mg/L CTAB after conditioning

由圖7可知，未調理的污泥結構緊密，所形成的過濾通道很少，因此水很難從污泥中脫離出來，從而導致SRF過大，過濾速度很慢，泥餅含水率較高。由圖8可知，經過600 mg/L的SDBS調理后，污泥絮體變大，表面呈分散狀態(tài)，泥餅孔隙率增大，有利于污泥脫水。由圖9可知，經過300 mg/L的CTAB調理后，污泥絮體被破壞的更厲害，污泥絮體中更多的束縛水被釋放出來。

3 結論

(1)使用SDBS和CTAB調理污泥，污泥脫水性能均得到明顯的改善；且CTAB效果明顯優(yōu)于SDBS。

(2)CTAB濃度為300 mg/L時，污泥的脫水性能最好，過濾速率快，WC從83.97%降至79.80%，離心濾餅含水率降至88.09%，SRF由1.04×1011s2/g 降低至2.76×1010s2/g。

(3)表面活性劑投加量越大，EPS溶出越多，上清液ΔCOD越高，表面活性劑投加量在一定范圍內，減少了污泥顆粒間的間隙水，所以脫水污泥的含水率降低。

(4)經過CTAB調理后，污泥這三種結構性能(粒徑、比表面積和吸附孔徑)均顯著下降，說明調理后的污泥餅具有較低的多孔結構和較強的壓實度。

(5)CTAB和SDBS調理后的污泥比原污泥絮體體積變大，且CTAB調理后的污泥更加松散。