1. 福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2. 福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所3. 福建師范大學(xué)環(huán)境技術(shù)開發(fā)與工程設(shè)計(jì)所 江 娟 劉文偉 鄭育毅 孫啟元

1 概述

污泥是污水生物處理的必然產(chǎn)物，成分復(fù)雜且含水率高，含有大量的寄生蟲和病原體，故對污泥的無害化處理處置尤為重要。污泥脫水是污泥處理處置方式必須經(jīng)過的一個(gè)重要步驟[1]。所謂污泥脫水，是指將污泥中的水分去除，從而便于后續(xù)進(jìn)一步處理。而污泥中的水分，根據(jù)Vesilind[2-3]定義，可以分為自由水、間隙水、表面吸附水以及結(jié)合水，其中自由水和間隙水通過抽濾即可去除，而對表面吸附水和結(jié)合水而言，則需要適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行調(diào)理后才可以通過機(jī)械力作用使其去除。

一般有物理法、化學(xué)法以及生物法三種調(diào)理方法，其中化學(xué)法操作簡單，就是向污泥中加入一定量的化學(xué)絮凝劑，使污泥表面顆粒物質(zhì)與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而提升污泥的脫水性能[4]?；瘜W(xué)絮凝劑種類很多，目前國內(nèi)運(yùn)用最廣泛的化學(xué)絮凝劑當(dāng)屬陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）。CPAM能在污泥顆粒間起到架橋吸附作用，中和污泥顆粒表面的負(fù)電荷，而且能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對細(xì)小顆粒物進(jìn)行網(wǎng)補(bǔ)。

影響污泥脫水效率的因素可以概括為兩個(gè)方面：脫水速度和濾餅含水率，而常見的反映污泥脫水難易程度的指標(biāo)，如污泥比阻（SRF）、毛細(xì)水時(shí)間（CST）、污泥可沉降性等卻不能將這兩方面影響明確區(qū)分[5]。胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）來自于污泥微生物的新陳代謝，附著于微生物細(xì)胞表面的大分子有機(jī)聚合物上。研究表明，EPS與污泥脫水性能有著緊密的聯(lián)系?，F(xiàn)階段，關(guān)于CPAM投加量以及其他類絮凝劑與CPAM聯(lián)合調(diào)理的研究有很多[6-8]，但關(guān)于 CPAM 在提高污泥脫水效率中所扮演的角色仍是了解甚微。因此，本研究通過試驗(yàn)經(jīng)12組不同分子量和離子度的CPAM調(diào)理后，污泥脫水性能參數(shù)值（濾餅含水率）和微生物表面EPS含量變化來探究CPAM對污泥脫水的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 污泥來源

污泥取自福州祥坂污水處理廠的回流污泥，將回流污泥先自由沉降30min后取下層污泥作為實(shí)驗(yàn)污泥[9]。

2.1.2 化學(xué)試劑

取定量的陽離子型聚丙酰胺（北京佳瑞林公司）于燒杯中溶解，制備成濃度為0.3mg/ml的聚丙烯酰胺溶液。實(shí)驗(yàn)中所用聚丙酰胺型號及參數(shù)見表1。

表1 陽離子型聚丙酰胺規(guī)格

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 污泥調(diào)理

取200mL污泥，放入250mL的燒杯中，加入污泥含固率為0.3%的CPAM，玻璃棒攪拌至絮體穩(wěn)定。

2.2.2 濾餅含水率的測定

實(shí)驗(yàn)采用污泥濾餅的含水率（WC）來評價(jià)實(shí)驗(yàn)污泥調(diào)理前后的脫水效果與性能[10-12]，具體步驟是：將 100mL調(diào)理后的污泥倒入直徑為900mm布氏漏斗中，在0.055MPa的真空壓力下過濾，待布氏漏斗30s內(nèi)不再有濾液濾出即停止過濾，取下殘留在濾紙上的濾餅，稱重，然后在 105℃下干燥至恒重，計(jì)算濾餅含水率WC：

式中，W1表示濾后污泥餅質(zhì)量，W2表示污泥在 105℃下烘干至恒重的泥餅質(zhì)量。

2.2.3 污泥胞外聚合物測定

采用熱提取法來提取實(shí)驗(yàn)污泥中的胞外聚合物，具體步驟是：取20mL污泥，在速度為3000r/min的離心機(jī)中處理10min，棄去上清液；往污泥中加入 0.85%NaCl溶液恢復(fù)至20mL，在速度為3000r/min的離心機(jī)中處理20min，棄去上清液，重復(fù)該步驟2～3次（最后一次無需離心，污泥待用）；將用 NaCl溶液洗好的污泥放入水浴鍋中，在 80℃加熱30min；結(jié)束加熱后，冷卻至室溫，在速度為6000r/min的離心機(jī)中處理10min，上清液用0.22μm微孔濾膜過濾，濾液待測[13]。EPS含量主要是通過測濾液中的蛋白質(zhì)、糖和核酸含量進(jìn)行表征。其中蛋白質(zhì)濃度采用考馬斯亮藍(lán)法測定[14]，多糖濃度用蒽酮比色法測定[15-16]，核酸濃度由紫外分光光度法測定[17]。

3 結(jié)論與討論

3.1 CPAM對濾餅含水率的影響

從圖1可以看出，剩余污泥的濾餅含水率高達(dá)79.7%。當(dāng)CPAM的離子度相同時(shí)，隨CPAM分子量的增加，污泥濾餅含水率呈現(xiàn)下降的趨勢?？梢奀PAM分子結(jié)構(gòu)越大，污泥脫水效果越好。污泥顆粒表面帶有負(fù)電荷，而CPAM攜帶著一定濃度的陽離子電解質(zhì)，故CPAM的加入，不僅與污泥顆粒間能通過吸附架橋形成絮體，還能與其表面的負(fù)電荷發(fā)生電性中和。其強(qiáng)度主要受電解質(zhì)濃度的影響：當(dāng)離子度很低時(shí)，電性中和能力與高分子的吸附架橋能力相比，顯得很薄弱，顆粒物間的排斥力依然很強(qiáng)大，導(dǎo)致形成的絮體結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大導(dǎo)致了濾餅含水率升高（1#、4#、7#CPAM）。適當(dāng)?shù)卦黾与娊赓|(zhì)濃度，能完全中和污泥顆粒表面的電負(fù)性，有利于污泥顆粒間的絮凝、壓縮，污泥含水率明顯降低，提高了污泥過濾性能。這些結(jié)果也說明了聚丙烯酰胺的吸附架橋作用必須搭配一定濃度的陽離子電解質(zhì)協(xié)助絮凝，從而壓縮了污泥顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)，縮短了顆粒間的空間距離，釋放出表面吸附的水，才能使污泥的脫水程度提高。

圖1 不同CPAM對濾餅含水率的影響

3.2 CPAM對結(jié)合態(tài)胞外聚合物的影響

采用前述多種方法分別測定EPS中的多糖、蛋白質(zhì)、核酸含量，三者總量視為EPS的總量（見圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨電解質(zhì)濃度的增加，EPS含量整體呈下降的趨勢，因而，可以認(rèn)為，陽離子電解質(zhì)的存在，不僅能通過壓縮污泥顆粒物表面的雙電層結(jié)構(gòu)來釋放結(jié)合水，而且還能破壞親水性聚合態(tài)物質(zhì)TB，進(jìn)一步改善污泥脫水性能。

在相同離子度下，分子量為8×106的 CPAM對TB的破壞效果一般最好（5#除外），分子量 10×106、12×106的 CPAM次之，分子量 6×106的 CPAM 最差，且對比 1#、2#、3#發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)濃度的升高對TB含量的影響甚小，說明在分子量為6×106的CPAM調(diào)理下，由于聚合結(jié)構(gòu)小，更易完全伸張，吸附架橋作用更易進(jìn)行，導(dǎo)致電解質(zhì)的作用受到一定程度的抑制。通過增加CPAM分子量大小、延長CPAM聚合結(jié)構(gòu)展開時(shí)間，能使更多的顆粒物與電解質(zhì)充分接觸，從而顆粒物表面負(fù)電荷被中和，更多的親水基團(tuán)被破壞，符合離子度相同的情況下，分子量越大則濾餅含水率越低的結(jié)果。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，6#調(diào)理下的TB含量最低（約26μg/mL），4#、8#、9#次之，可見，分子量過大，使得聚合結(jié)構(gòu)展開耗時(shí)過久，顆粒物表面重新帶上正電荷，相互的斥力使得顆粒物為能與CPAM碳鏈發(fā)生架橋吸附的同時(shí)，顆粒物表面親水物質(zhì)的破壞過程也受到了影響?？梢?，CPAM對TB的破壞是有機(jī)碳鏈和電解質(zhì)協(xié)同作用的結(jié)果。

圖2 不同聚丙烯酰胺對結(jié)合態(tài)胞外聚合物含量的影響

4 結(jié)論

（1）CPAM 對污泥濾餅含水率的影響受到其分子量及離子度的影響非常大。分子量和離子度過小會使其過濾性能受到嚴(yán)重的負(fù)面影響，分子量和離子度的增加都有助于濾餅含水率的降低。

（2）胞外聚合物是公認(rèn)的影響污泥脫水性能的重要因子，而CPAM對污泥胞外聚合物有一定的破壞作用，這種破壞作用依賴于CPAM的碳鏈結(jié)構(gòu)以及電解質(zhì)的存在。

綜上所述，CPAM分子碳鏈的吸附架橋和電解質(zhì)的電性中和對于改善污泥脫水性能具有意義重大的協(xié)同作用，兩者的協(xié)同作用能否得以發(fā)揮，關(guān)系著污泥的過濾性能和胞外聚合物的含量。

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