董 岳 韩晓刚 刘 烨 蒋晓春 庄子康 朱思凯 陆永生

(1.南京水务集团有限公司, 南京 210000； 2.常州市清流水处理剂有限公司, 江苏 常州 213144；3.上海大学环境与化学工程学院, 上海 200444)

CPAM及与无机混凝剂联用对污泥脱水的改善*

董 岳1韩晓刚2刘 烨2蒋晓春2庄子康3朱思凯3陆永生3

(1.南京水务集团有限公司, 南京 210000； 2.常州市清流水处理剂有限公司, 江苏 常州 213144；3.上海大学环境与化学工程学院, 上海 200444)

以南京地区某城镇污水处理厂剩余污泥为处理对象，通过测定污泥含水率、过滤性能、污泥比阻及沉降性能等，研究投加不同剂量阳离子聚丙烯酰胺CPAM，及聚合氯化铝PAC或聚合硫酸铁PFS与CPAM联用条件下，实现改善污泥脱水性能的目的。试验结果表明：单独投加CPAM污泥脱水性能得到明显改善，投加量为10 mg/L，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.387×109s2/g；污泥含水率自98.13%降至82.55%；投加30.8mg/LPAC+ 10mg/LCPAM或40.2mg/LPFS+ 10mg/LCPAM，污泥比阻分别降至0.261×109s2/g、0.269×10s2/g，污泥含水率分别降至80.63%和79.71%。

污泥脱水；阳离子聚丙烯酰胺；无机混凝剂；含水率；污泥比阻

随着我国城市化进程不断加快，随之而来的是城市用水量增长迅猛，城市污水处理厂运行负荷不断增大。据统计，2014年全国污水处理厂达到3 622座，废水处理量达1.53亿m3/d。处理污水的同时势必会产生大量的剩余污泥，产量约为处理水体积的0.15%～1%。若任意排放不加处理的污泥，则会对环境造成严重的污染[1]。因此污水处理过程中产生的高含水率剩余污泥，需要尽可能地脱去水份，得到含固率高的泥饼，这对后续的运输及处理处置具有重要意义。由于污泥就其本性而言属于较难脱水的物质，实践中常通过投加化学药剂来改善污泥的脱水性能[2]。目前污泥脱水困难已经成为污泥处理与处置的瓶颈问题。现有的研究主要集中于调理方案的比选及优化配方[3-4]。本文通过投加阳离子型聚丙烯酰胺CPAM，及聚合氯化铝PAC或聚合硫酸铁PFS与CPAM联用，进行污泥脱水性能的改善；并通过比较污泥处理前后的含水率、污泥比阻、过滤速度和沉降性能的变化，得到污泥调质过程的最佳操作条件，为实际工程应用提供可靠的依据。

1 试验部分

1.1 试验泥样

本试验所采用泥样取自南京某污水处理厂二沉池剩余污泥，其含水率97.3%～98.1%，污泥比阻0.68～0.83×109s2/g，pH介于6.85～7.12范围。为了避免污泥理化性质随时间的变化而影响试验数据的可靠性，所有试验均在两天内完成。

1.2 药剂

试验过程选用的干粉型阳离子型聚丙烯酰胺CPAM，分子量1 200万，阳离子度20%，污泥调质试验过程中配制浓度为0.1 g/L。聚合硫酸铁PFS(有效Fe含量11.0%，ρ20℃=1.46g/cm3)、聚合氯化铝(有效Al2O3含量10.0%，ρ20℃=1.23g/cm3)。

1.3 试验方法

1.3.1 污泥调质试验

采用ZR4-6六联搅拌机进行污泥调质试验，取500mL混合均匀的污泥于杯中，启动搅拌机，按试验设计迅速加入一定量的浓度为0.1g/LCPAM，反应初期以200r/min快速搅拌2min，随后以50r/min慢速搅拌10min，最后静置30min。

CPAM及PFS、PAC组合试验过程中，调整投加药剂的浓度及投加量，参照上述步骤进行实验。

1.3.2 泥饼含水率的测定

采用布氏漏斗进行抽滤，在0.04Mpa的压力下抽滤3min，取下湿污泥及滤纸，通过MA-35快速水分测定仪测定污泥含水率。

1.3.3 过滤速度及污泥比阻的测定

取60mm中速滤纸若干，将滤纸润湿后放入布氏漏斗，漏斗下接100mL量筒，将加药后混合均匀的污泥倒入布氏漏斗，重力过滤1min，记下滤液量后，在0.04Mpa抽滤3min，每隔10s(滤速减慢后每隔30s)，记下计量筒内相应的滤液体积。

μ—滤出液的动力粘度，N·s/m2；

P—过滤压力，N/m2，即为真空表的读数；

A—过滤面积，m2，即以布氏漏斗内径为直径的圆的面积；

b—比阻测定中的斜率，由坐标值可以计算出，s/m6；

c—单位体积滤出液所得滤饼干重，kg/ m3，即抽滤后的泥饼干重。

1.3.4 污泥沉降性能测定

将处理后的污泥混合均匀，取100 mL倒入100 mL量筒中，搅拌均匀后，静置，每隔一段时间记录固液分界线读数，并将空白样(原污泥)作为对照。

2 结果与讨论

絮凝剂能改善污泥脱水性能，在于改变污泥颗粒结构，破坏胶体稳定性。一些呈线型结构的絮凝剂在浓度较低时，吸附在颗粒表面上的高分子长链可以同时吸附在另一颗粒的表面上，通过“架桥”方式将两个或更多的颗粒连在一起，使颗粒逐渐结大，从而导致絮凝[5]。试验设计投加CPAM，PAC或PFS与CPAM组合方式对污泥进行调质，其含水率、1 min滤液量和污泥比阻的变化如图1所示。

2.1 含水率

污泥含水率是表征污泥脱水性能的主要指标之一，如图1-A所示，使用CPAM后泥饼经过抽滤后含水率随其投加量的增加而持续减小。投加10 mg/L时，污泥含水率为82.55%，较原污泥经抽滤后含水率84.85%，降幅为2.7%。虽然随着CPAM投加量的增加，污泥含水率下降，但CPAM价格相对较贵，投加过多CPAM势必造成投加性价比大幅下降。试验结果表明，投加CPAM 10 mg/L已经对污泥含水率有了很大的改善，考虑到技术经济因素，所以单纯增加CPAM投加量，降低污泥含水率的意义不大。因此，结合后续试验结果，如污泥比阻等因素，确定CPAM 10 mg/L为适宜投加量。

图1 不同投加组合处理后污泥特性变化

PAC与CPAM联用使污泥含水率有明显下降，投加15.4 mg/L PAC+10 mg/L CPAM时，污泥含水率降至81.35%，原污泥经抽滤后含水率为84.29%，降幅为3.6%，高于单一投加10 mg/L CPAM时的降幅。当投加量为76.9 mg/L PAC+10 mg/L CPAM时，含水率最低为78.99%，降幅为6.4%。

PFS与CPAM联用同样使污泥含水率下降趋势明显，投加20.1 mg/L PFS+ 10 mg/L CPAM时，污泥含水率降至81.15%，降幅为3%，也高于单一投加10 mg/L CPAM时的降幅。当投加量为80.5 mg/L PFS+10 mg/L CPAM时含水率最低为78.60%，降幅为6%。

由图1-A可以看出，混合投加15.4 mg/L PAC+10 mg/L CPAM和20.1 mg/L PFS+ 10 mg/L CPAM，与单独CPAM投加量20～30 mg/L时，含水率差异不大。据市场调查，本实验所用CPAM售价约38 000元/吨、PAC约660元/吨、PFS约500元/吨。从技术经济角度考虑，PAC或PFS与CPAM联用在保证污泥脱水性能得到明显改善的前提下，实现了污泥处理成本的有效控制。

2.2 过滤性能

为适应实际工程应用需要，试验设计采用重力过滤1 min得到的滤液量来考察污泥的过滤性能。3种投加方式得到的滤液量如图1-B所示，试验结果发现，其基本趋势表现为投加量越大，得到的滤液量越多；但是单独投加CPAM得到的滤液量比PAC或PFS联用后的滤液量多。原细小的污泥颗粒相互凝结为体积较大的颗粒，颗粒之间空隙变大，污泥整体变得疏松，这样有利于脱除污泥中的间隙水和游离水，再经过加压抽滤后，污泥表面吸附水、内部结合水和毛细管结合水也可得到部分脱除。单独投加CPAM时污泥形成的絮体密实，在重力过滤时下层液体能很快排出，滤液量多；PAC或PFS与CPAM联用调理后的污泥形成的滤饼更易通过滤液，含水率和污泥比阻更低。

2.3 污泥比阻

污泥比阻是表示污泥脱水性能的综合指标，污泥比阻愈大，脱水性能愈差，反之，则脱水性能愈好。比阻r >1.0 ×109s2/g 时为不易脱水的污泥，比阻r位于(0.5～0.9) ×109s2/g 时为脱水性能中等的污泥，比阻r < 0.5×109s2/g 时为较易脱水的污泥。添加絮凝剂可以改善污泥的脱水性质，使污泥的比阻减小。

污泥比阻结果如图1-C所示，原污泥比阻为0.680×109s2/g，经过投加CPAM、PAC或PFS与CPAM组合后，污泥比阻呈先下降再缓慢上升的趋势。投加10mg/LCPAM时，污泥比阻最低为0.387×109s2/g。观察PAC或PFS与CPAM联用得到的污泥比阻情况，可以发现，投加30.8mg/LPAC+ 10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.261×109s2/g；投加40.2mg/LPFS+ 10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.269×109s2/g；这种PAC或PFS引入的投加方式有助于污泥比阻的降低，且形成的泥饼含固率较高，污泥的脱水性能得到显著改善。

2.4 沉降性能

从图2可以看到原污泥的沉降性能较差，沉降1h污泥体积为95mL。在投加CPAM后，污泥沉降性能明显改善，并且随着投加量的增大，沉降性能越理想。当CPAM投加量为40mg/L时，污泥体积最小，沉降1h污泥体积为60mL。CPAM投加量为10mg/L时，沉降1h污泥体积为91mL，降幅为4.21%。投加PAC+CPAM组合后的污泥沉降性能如图3所示，投加15.4mg/LPAC+10mg/LCPAM时，沉降1h污泥体积为96mL，降幅为1.03%。投加PFS+CPAM组合后的污泥沉降性能如图4所示，投加20.1mg/LPFS+ 10mg/LCPAM时，沉降1h污泥体积为96mL，降幅为1.03%。

试验结果表明，PAC或PFS与CPAM联用后，污泥沉降性能不如单独投加CPAM，这与之前含水率与污泥比阻的趋势不符。王鑫[11]研究认为沉降是一种污泥絮体利用自身重力克服浮力排开下层液体的过程，而真空抽滤是一种污泥中的液体通过不断密实的滤饼，克服滤饼的阻力的过程。前者效果好坏在于絮体的密度等，后者效果好坏在于滤饼的形成快慢以及滤饼对滤液的阻力。污泥中的水分划分为自由水、间隙水、吸附水和结合水4种形态，但这种划分目前没有定量测定的方法，因此在大多数对水分的定量测定中，简单地将污泥中的水分划分为自由水和束缚水[12]。因此，单独投加CPAM时污泥的絮体更加密实，在沉降过程中容易把下层的液体排出，污泥中的自由水更容易脱除；故PAC或PFS与CPAM联用调理后的污泥脱水性能得到改善，更多的束缚水在抽滤过程中得到部分脱除。

图2 不同CPAM投加量的污泥沉降性能

图3 投加PAC+10 mg/L CPAM后污泥沉降性能

图4 投加PFS+10 mg/L CPAM后污泥沉降性能

3 结论

(1) 选用阳离子型聚丙烯酰胺CPAM作为污泥调理剂，城市污水处理厂剩余污泥的含水率、污泥比阻及沉降性能均得到不同程度的改善。结合其处理污泥后的各项指标以及成本因素，故选10mg/LCPAM为最佳投加量。

(2) 固定CPAM投加量为10mg/L，选用不同投加量的PAC、PFS与CPAM联用，对比最终的含水率和污泥比阻，联用的效果要优于单独投加CPAM。投加30.8mg/LPAC+10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.261×109s2/g，污泥含水率自98.13%降至80.63%；投加40.2mg/LPFS+10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.269×109s2/g；污泥含水率自98.13%降至79.71%。

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Experiment on improving sludge dewatering ability using CPAM and CPAM coupled with inorganic coagulant

Dong Yue1, Han Xiaogang2, Jiang Xiaochun2, Zhuang Zikang3, Zhu Sikai3, Lu Yongsheng3

(1.Nanjing Water Group Co., LTD, Nanjing 210000; 2.Changzhou Qingliu Water Treatment Chemicals Co., LTD; 3.School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai, 200444)

the cationoid polyacrylamide (CPAM) and CPAM coupled with inorganic coagulants were investigated for using as agents to improve sludge dewatering ability from wastewater treatment plant (WWTP) of Nanjing area. The key parameters influencing the dewater ability of sludge conditioned, including the water content, filtration time, sedimentation and specific resistance were systematically evaluated. The experimental results showed that the dewatering performance of sludge was improved significantly when 10 mg/L CPAM alone was added into the sludge, and the specific resistance of sludge can be reduced from 0.680 109s2/g to 0.387 109s2/g, the sludge water content can be reduced from 98.13% to 82.55%. When dosage of PAC 30.8 mg/L, or dosage of PFS 40.2 mg/L coupled with 10 mg/L CPAM were used,the specific resistance s of sludge were 0.261×109s2/g and 0.269×109s2/g, the sludge water contents were 80.63% and 79.71% respectively.

sludge dewatering ability; cationoid polyacrylamide; inorganic coagulant; water content; specific resistance of sludge

* 南京水务集团有限公司科技项目(201405010031)

2015-05-02； 2015-05-19修回

董岳，男，1983年生，硕士，工程师，研究方向：水污染控制及净化技术。Email：fc107214@126.com

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