董凌霄，丁绍兰，谢林花，任文艳

(陕西科技大学 环境科学与工程学院，陕西 西安　710021)



核桃壳添加改善污泥压缩性能研究

董凌霄，丁绍兰，谢林花，任文艳

(陕西科技大学 环境科学与工程学院，陕西 西安710021)

摘要：污泥压缩阶段的高压缩性使得污泥脱水困难.物理调理剂可以作为骨架构建剂改善污泥的紧实性和压缩性，从而改善污泥的脱水性.本研究采用农业废弃物——核桃壳作为物理调理剂，对污泥进行预处理调节，以污泥比阻、泥饼含水率、压缩系数等为测定指标，研究了其对污泥的压缩性和脱水效果的影响.试验结果显示：核桃壳和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)单独或者混合使用时，污泥比阻(SRF)和脱水后泥饼含水率相比于原泥都有所减小，改善了污泥的压缩性能，提高了污泥的脱水效果；此外，压缩系数的变化趋势进一步证实了污泥的压缩性确实得到改善.本研究中污泥压缩性改善的最佳条件是：核桃壳的投加比例(核桃壳与干污泥质量比)为3∶7、粒径为0.25～1 mm、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量为100 mg/L，污泥压缩系数从原泥的1.576 8增加到调理后的1.997 8，抽滤后泥饼的含水率由原泥的80.59%降为73.23%.

关键词：核桃壳; 阳离子聚丙烯酰胺(CPAM); 骨架构建剂; 污泥比阻(SRF); 污泥压缩性; 污泥脱水

0引言

一般污泥经过简单处理，如浓缩和消化后，污泥的含水率还会在95%～97%范围内，相对来说体积仍然很大，这使得污泥的处置和回收仍然达不到理想的结果[1].机械脱水困难的主要原因除了过滤介质堵塞之外，污泥压缩阶段的高压缩性也是一个非常重要的影响因素.物理调理剂也称为骨架构建剂或者助滤剂，已被用来改善泥饼特性.作为骨架构建剂使用的物理调理剂，可以增加污泥的紧实性，改善污泥的可压缩性，增加污泥泥饼的渗透性，从而能够较好地提高污泥的脱水性能[2,3].

目前，使用较广泛的物理调理剂主要是含碳材料，如焦碳和细煤粉[4]、褐煤[5]，木片和小麦渣[6]、蔗渣[7]等农业废弃物质.Zall等[8]通过固结实验表明了污泥泥饼具有较高的可压缩性能；Thapa等[5]用渗透性试验测定了压缩泥饼的渗透性.污泥渗透性越大，越容易压缩，脱水效果越好.Thapa等试验结果显示，污泥自身产生的泥饼渗透性非常低，用褐煤调理后，泥饼的渗透性得到了明显地提高.同时，通过测定泥饼性质的变化，如过滤比阻、净污泥产率等，确认了这些物理调理剂在改善污泥脱水性方面具有明显的作用.

核桃作为一种木本油料植物,在我国的种植面积十分庞大.长期以来，核桃壳处于被丢弃或者焚烧的状态，对环境造成了一定的危害性.目前，核桃壳主要用在食品、医药、工艺品和化工方面，如应用在过滤器过滤采油污水[9]、制备活性炭[10]、提取制备棕色素[11]、制备抗聚剂和抗氧化剂[12,13]等方面.在本研究中，核桃壳用来作为骨架构建剂对污泥进行调理，研究了核桃壳的添加对污泥压缩性和脱水性的影响.

1试验部分

1.1污泥及材料

试验污泥取自于西安市第五污水处理厂，通过重力沉降使污泥含水率达到97.5%左右.为了减小污泥特性变化对试验结果造成影响，污泥取回放入4 ℃的冰柜中保存且时间不超过一周，污泥的值pH为6.71.

阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)能有效对污水中带负电荷的悬浮颗粒絮凝沉淀，取自西安市第五污水处理厂脱水间.污泥絮凝试验CPAM的添加量分别为60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L.

核桃壳去中隔后，清洗去杂质晾干进行破碎、过筛，得到粒径分别为0.25～1 mm、1～2 mm、2～2.8 mm的核桃壳，避光防潮备用.

1.2污泥调理和脱水试验

在一定量污泥中添加不同粒径、不同比例的核桃壳和阳离子聚丙烯酰胺对污泥进行调理.通过布氏漏斗抽滤试验确定泥饼含水率、污泥比阻和压缩系数等参数，研究了调理对污泥压缩性和脱水效果的影响，确定了在污泥压缩和脱水性能达到最佳效果时核桃壳的最佳粒径和最佳添加比例,以及阳离子聚丙烯酰胺的添加量.

1.3污泥压缩性的评价参数

(1)泥饼含水率

含水率通过重量法确定.将调理抽滤后的泥饼在105 ℃烘箱内烘干12 h以上，通过烘干前后的重量差计算含水率.

(2)污泥比阻

污泥比阻试验采用布氏漏斗装置法测定[14].

(3)压缩系数

泥饼压缩性反映在作用压力下压缩污泥的程度[15].压缩系数可以由式(1)得到：

(1)

式(1)中：S-压缩系数;P1、P2-不同的真空抽滤压力，Pa；SRF1、SRF2-P1和P2压力条件下的比阻值，m/kg.

2结果与讨论

2.1核桃壳单独调理对泥饼压缩性的影响

2.1.1对SRF的影响

用不同粒径、不同比例的核桃壳调理污泥后，在0.05 Mpa和0.08 Mpa下测得的污泥比阻值(SRF)值结果分别如图1、图2所示.从图1～2均可以看出，在同一投加比例下，随着核桃壳粒径的增大，污泥比阻(SRF)随之增大，但都小于原泥的比阻值；在同一粒径下，随着核桃壳投加比例的增加，污泥比阻(SRF)随之减小，并且都小于原污泥的比阻值.这说明核桃壳的添加有助于改善污泥的压缩性.但随着压力的增大，污泥比阻随之增大，这是因为对于可压缩性污泥，在压力作用下，颗粒会变形.压力增加后，小颗粒污泥被压缩并挤进孔道，孔道变小，使得污泥过滤比阻随压力的增大而增加[16].

图1　0.05 MPa粒径和投加比例对污泥比阻的影响

图2　0.08 MPa粒径和投加比例对污泥比阻的影响

2.1.2对抽滤后泥饼含水率的影响

图3为用核桃壳调理抽滤后泥饼的含水率.由图3可以看出，在同一投加比例下，随着核桃壳粒径的增大，泥饼含水率越大，污泥的脱水效果越差，并且粒径的变化对泥饼含水率影响不大.这主要是因为同样质量的核桃壳，当粒径变大时，核桃壳颗粒数变少，在污泥中不能有效地分散，支撑作用不明显，从而对脱水效果影响不明显；在同一粒径下，随着核桃壳投加比例的增加，泥饼的含水率降低，污泥的脱水效果越好，并且都比原污泥的脱水效果好.这是因为随着添加比例的增加，核桃壳颗粒数增多，在污泥中分散的均匀性增加，从而改善了脱水效果.

2.1.3对泥饼压缩系数的影响

图4为不同粒径核桃壳以不同的添加比例调理后污泥的压缩系数.从图4可以看出，在同一粒径下，泥饼的压缩系数随着核桃壳投加比例的增加而增加，且都大于原泥的压缩系数；在同一投加比例下，泥饼的压缩系数随着核桃壳粒径的增加而减小，但都大于原泥的压缩系数.其原因是添加物理调理剂后，使得污泥的压缩性降低，容易压缩，对应的压缩系数增大，可压缩程度增强，从而泥饼的压缩性得到改善.

图3　核桃壳调理后泥饼的含水率

图4　核桃壳调理后污泥的压缩系数

2.2阳离子聚丙烯酰铵(CPAM)单独调理对泥饼压缩性的影响

2.2.1对SRF的影响

单独添加不同剂量的CPAM调理污泥，在0.05 Mpa和0.08 MPa条件下测得的污泥比阻(SRF) 结果如图5 所示.

图5　0.05 MPa和0.08 MPa下CPAM添加量对污泥比阻的影响

从图5可以看出，随着CPAM投加量的增加，SRF减小，并且都小于原污泥的比阻值.主要原因是阳离子聚丙烯酰胺与废水中的胶体物质通过化学吸附架桥和物理网格形式产生絮凝作用，降低了污泥比阻，从而改善了污泥的压缩性.并且在不同压力作用下，污泥颗粒会变形，随着压力的增加，颗粒被压缩并挤进孔道，孔道变小，比阻随压力的增加而增大.但是，比阻的降低程度不是很明显，说明CPAM调理对泥饼的压缩性影响不大.

2.2.2对含水率的影响

CPAM单独调理后的泥饼含水率如图6所示.从图6可以看出，随着阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)投加量的增加，脱水后的泥饼含水率越小，并且都小于原污泥的泥饼含水率.因此，添加阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)有助于改善污泥的脱水性能.

图6　CPAM调理后泥饼的含水率

2.2.3对泥饼压缩系数的影响

图7为CPAM单独调理后泥饼的压缩系数.从图7可以看出，泥饼的压缩系数随着CPAM投

加量的增加而增加，且都大于原泥饼的压缩系数.这是因为添加核桃壳骨架构建剂后，使得污泥的压缩性降低，容易压缩，对应的压缩系数增大，可压缩程度增强.这也说明单独投加CPAM有助于改善污泥的压缩性能，但压缩系数差别较小，表明CPAM对污泥的压缩性改善效果不显著.

图7　CPAM调理后污泥的压缩系数

2.3核桃壳+CPAM联合调理对污泥压缩性的影响

为了确定最佳核桃壳粒径、添加比例和CPAM的添加量，进行了正交试验，其试验结果见表1所示.

表1　正交试验结果

(a)粒径各水平均值图　　　　　　　　(b)投加比例各水平均值图　　　　　　(c)投加量各水平均值图图8　0.05 MPa下污泥比阻的正交试验分析结果

从图8可以看出，使比阻达到最小水平的组合是核桃壳的粒径为0.25～1 mm、投加比例为3∶7、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量为100 mg/L.从污泥比阻来看，核桃壳和阳离子聚丙烯酰胺混合使用能够更好地改善污泥的压缩性.其原因是化学调理剂和物理调理剂结合使用时，调理剂和污泥固体之间由于它们的带电特性而发生相互作用，有助于形成一个均一的渗透性固体结构，比单独使用调理剂改善时效果更好.

对0.08 MPa条件下的SRF、抽滤后泥饼的含水率和压缩系数进行正交分析，亦得出了相同的结果：即核桃壳的粒径为0.25～1 mm、投加比例为3∶7、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量为100 mg/L，在此条件下，污泥的脱水效果最好，压缩系数最大，污泥压缩性改善效果最佳.

正交试验的验证实验结果见表2所示.实验结果也表明：当核桃壳的粒径为0.25～1 mm、投加比例为3∶7、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量为100 mg/L时，污泥的压缩系数达到最大值1.997 8.

表2　验证实验结果

3结论

使用农业废弃物核桃壳作为物理调理剂预调理污泥后，可得到以下结论：

(1)使用核桃壳和阳离子聚丙烯酰胺作为调理剂处理污泥后，污泥比阻值和脱水后泥饼含水率都小于原泥比阻值和原泥的泥饼含水率.并且，当核桃壳和阳离子聚丙烯酰胺混合使用后，比其单独使用时的改善效果更好.

(2)在核桃壳的三种粒径和三种投加比例中，对污泥压缩性改善效果最佳的粒径是0.25～1 mm，最佳的投加比例是3∶7；在阳离子聚丙烯酰胺的三种投加量中，对污泥压缩性改善最佳的投加量是100 mg/L.

(3)在最佳组合条件时，0.05 MPa压力下污泥比阻从原泥的5.68×1013m/kg降低到3.29×1013m/kg；在0.08 MPa压力下污泥比阻从原泥的10.82×1013m/kg降低到8.43×1013m/kg;抽滤后泥饼含水率由原泥的80.59%降低至73.23%.

(4)当核桃壳粒径为0.25～1 mm、添加比例为3∶7、CPAM添加量为100 mg/L时，污泥的压缩系数改善最明显，从原泥的1.576 8增加到1.997 8.在其它调理条件下，污泥压缩系数相比于原泥也有所提高.

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【责任编辑：晏如松】

Walnut shell aided to improve sludge compressibility

DONG Ling-xiao, DING Shao-lan, XIE Lin-hua, REN Wen-yan

(College of Environmental Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:The main difficulty in mechanical dewatering is the high compressibility of the flocculated sludge except for the block of the filter media.Physical conditioners are usually used to improve sludge dewatering by reducing the sludge compressibility and strengthening sludge permeability.In the study,walnut shell which is an agricultural waste of China was selected to condition sludge used as physical conditioner which played a role of skeleton builders.During the course of experiments,sludge resistance of filtration (simplified as SRF),water content of sludge cake,coefficient of compressibility were taken as indicative parameters of sludge compressibility.The experiment results showed that SRF and water content of sludge cake decreased when sludge was conditioned with walnut or cationic polyacrylamide (simplified as CPAM),or co-condition with walnut and CPAM.This identified that sludge compressibility was improved and so increased dewatering rate of sludge. In addition,the variation trend of compressibility coefficient also showed that sludge compressibility had been improved.The fittest condition was that the ratio of walnut shell to dry solid (ratio of weight) was 3∶7,particle size of walnut shell was 0.25～1 mm and the dose of CPAM was 100 mg/L.The coefficient of compressibility increased from 1.576 8 of raw sludge to 1.997 8 of treated sludge conditioned with walnut shell and CPAM.Water content of sludge cake filtered with vacuum pump decreased from 80.59% without any condition to 73.23% after conditioned under the fittest condition.

Key words:walnut shell; cationic polyacrylamide(CPAM); skeleton builder; sludge specific resistance(SRF); sludge compressibility; dewaterability

*收稿日期:2016-04-13

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(15JK1100)

作者简介:董凌霄(1975-),女，山西万荣人，讲师，在读博士研究生，研究方向：废水生物处理技术及应用、农业废弃物在污水污泥处理中的应用

文章编号：1000-5811(2016)04-0026-05

中图分类号：X705

文献标志码：A