微波联合PAM对污泥脱水性能的影响

韩洪军，牟晋铭

(哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，150090哈尔滨)

随着世界各国严格控制污水排放标准和加强污水处理的同时，污泥产量的增加及带来的环境污染已成为环保界关注的焦点.如何高效脱出占污水污泥重量95%以上的水分，已成为城市污泥处理处置的关键［1-4］.已有研究证明适宜的微波辐射可以明显改善污泥的脱水性能.通过微波产生的高频电磁场作用引起带负电污泥颗粒的加速运动、相互碰撞，促使污泥结构脱稳.短时间的微波辐射引起污泥中的温度梯度，破坏结合水与EPS(extracellular polymeric substances，胞外聚合物)之间的结合力［5-7］，从而使难处理的内部水和结合水转化为易处理的自由水.

以城市生活污水厂的剩余污泥为研究对象，采用微波辐射联合絮凝剂的方法，探讨该条件下污泥脱水性能的变化规律及相关机理，确定改善污泥脱水性能的最佳加载条件，从而减少絮凝剂投加量，达到剩余污泥经济、高效的处理目标.

1 实验

1.1 污泥来源

本试验的污泥来自武汉市某污水处理厂浓缩池的浓缩污泥，样品取回后静置24 h，待其稳定后去掉上清液，浓缩污泥的含水率在92%左右.

1.2 实验仪器

DFC-10A型毛细吸水时间测定仪;格兰仕P70D21N1L-Q9型微波加载器;TDL-5-A型离心机;奥林巴斯CKX41型电子显微镜;UV-2102PCS型紫外可见分光光度计;DBJ-621型定时变速搅拌机.

1.3 测定指标

包括污泥毛细吸水时间、离心脱水后污泥含水率、污泥比阻、污泥泥饼含水率等指标.

1.4 实验方法

在已有试验确定的最佳混凝剂投加量的基础上，考虑联合微波加载主要进行下述试验研究.

1)确定两者联用顺序.取10个500mL的烧杯分为两组，每组5个并进行编号，在每个烧杯中分别加入200mL浓缩污泥.第1组:5个污泥样品分别经微波(2450MHz，700W)30、40、50、60、70s后，倒出100mL污泥并分别加入1g/L的PAM溶液6mL.然后在150r/min转速下快速搅拌30s后，改为50r/min慢速搅拌2min;另一组，先用相同投加量的PAM调理，然后在相同的微波加载条件进行加载.根据tcs(capillary suction time，毛细吸水时间)和离心后污泥含水率等指标来确定联合处理顺序.

2)确定最佳混凝剂投加量和微波加载时间.对于100mL污泥样品，取1g/L的PAM溶液投加量分别为0、1、2、4、6、8mL，微波(2450MHz，700W)加载时间分别为0、30、40、50、60、70s.

2 结果与分析

2.1 联用顺序的确定

由图1可以看出，先投加PAM(6mL，1g/L)后进行微波辐射(2450MHz，700W)顺序下，污泥tcs和离心后污泥含水率都呈现逐渐增大趋势，故污泥脱水效果向着变差的方向发展，而且不断恶化并没有改善的趋势.而先微波辐射后PAM调理的顺序下，污泥tcs在起始阶段由原来的36.9s降至21.6s、离心后污泥含水率由83.28%降至80.24%，污泥的脱水性能得到明显改善，虽然后期出现反常现象，但足以表明先进行微波辐射然后进行PAM调节的方式明显优于先PAM调理后微波辐射的结合方式.原因主要是两者联用时，以混凝剂的吸附架桥和电中和作用为主，PAM在污泥胶质微粒表面起化学反应，中和污泥胶质微粒的电荷，促使污泥微粒凝聚成大的颗粒絮体［8-9］.而微波辐射对结合水与污泥絮体之间结合力的破坏作用，将污泥絮体破碎成适当大小，并释放部分结合水，结合PAM调理则可进一步改善污泥脱水性能.而先进行PAM调节，污泥微粒已凝聚成大的絮体，若再用微波辐射处理，则由于微波高频电磁场作用引起污泥颗粒的加速运动、相互碰撞，会使PAM形成的絮体破碎，同时污泥黏度进一步增加，导致污泥的脱水性能变差.

图1 联合顺序对污泥脱水性能的影响

2.2 微波辐射与PAM联用对污泥过滤性能的影响

Rsf(specific resistence to filtration，污泥比阻)是反映污泥过滤性能的综合指标，Rsf值越大，污泥脱水性能越差.由图2可以看出，在初始阶段，随着污泥投加量和微波辐射的变化，污泥比阻明显降低，特别在微波辐射时间为50 s、PAM投加量为4 mL时，污泥比阻由原泥的5.42×109降至0.35×109s2·g-1，达到容易过滤脱水污泥比阻范围.且真空抽滤后污泥含水率由94.19%降至83.18%.适宜的联用技术可使污泥的脱水性能得到明显的改善.

适宜的微波辐射通过高频电磁场作用引起带负电污泥颗粒的加速运动、相互碰撞，促使污泥结构脱稳，同时，短时间的微波辐射引起污泥中的温度梯度，破坏结合水与EPS之间的结合力.Neher等［10］发现“细胞离子通道”学说，并证明细胞因外部电磁场的作用会导致细胞壁机械性破裂.

结合以上研究成果，认为适宜的微波辐射可以破坏污泥的絮体结构，使污泥絮体中的部分结合水及间隙水溶出，结合PAM调理可使污泥脱水性能得到明显改善.

图2 污泥辐射时间和PAM投加量对污泥比阻影响

2.3 微波辐射与PAM联用对离心后污泥含水率的影响

对污泥样品进行处理后，将污泥在2500r/min的转速下离心5min，测定离心后污泥的含水率.由图3可以看出，随着微波辐射时间增加和PAM投加量的增大，离心后污泥的含水率表现出先急剧减小、然后慢慢增加的规律.离心后污泥含水率由原泥的87.86%降至80%左右，其中微波辐射50s时，各曲线的污泥含水率都最低.而PAM投加量为4 mL时，联用曲线的含水率也都为最低.说明适宜的微波和PAM联用条件可明显改善污泥的脱水性能.

2.4 微波辐射与PAM联用对污泥tcs的影响

污泥毛细吸水时间(tcs)可全面表征污泥脱水性能，因其测定简便、快速，广泛应用于污泥脱水性能的测定.由图4可以看出，经过联用处理后，污泥tcs由原泥的84.7s降为40s左右.其中微波辐射50s时，各曲线的污泥tcs都最低.而PAM投加量为4mL时，联用曲线的tcs也都为最低.但随着辐射时间和PAM投加量的增加，tcs有上升趋势.由tcs值变化规律可知，联用后污泥的tcs大幅度降低，污泥脱水性能得到明显改善.

图3 微波辐射时间和PAM投加量对污泥含水率的影响

图4 微波辐射时间和PAM投加量对污泥tcs的影响

2.5 微波对污泥絮体结构的影响

胞外聚合物(EPS)普遍存在于剩余污泥内，其主要成分为多糖和蛋白质，两者的TOC占整个EPS的70% ～80%［11-12］.EPS分子可以从细胞表面伸展出来，阻碍细胞之间的亲密接触，形成密实的凝胶，阻止结合水从凝胶的微孔挤出，所以，EPS的存在使脱水性变差［13-15］.同时，EPS是高度亲水的胶团，包括溶解性 EPS和结合性 EPS，导致污泥高黏度［16］.

本试验EPS以多糖和蛋白质质量分数来表征［17］.取污泥离心后的上清液为研究对象，测定上清液中蛋白质、糖类和核酸的质量浓度并测定离心后污泥残渣中EPS的含量.其中多糖采用苯酚-硫酸法测定［18］，蛋白质采用 Folin-酚试剂法测定［19］，核酸采用二苯胺法测定［20］.

如图5、6所示，随着辐射时间的增加，上清液中多糖和蛋白质在40～50 s时明显增加，而在EPS中其质量分数均明显减少.核酸质量分数变化不明显，表明此时主要是污泥EPS结构被破坏，少量细胞破解.随着辐射时间进一步增加，核酸质量分数及上清液中多糖和蛋白质的质量浓度随之迅速增加，此时细胞大量破解，胞内物质大量流出.结合上文污泥脱水效果表明，短时间内微波改善污泥脱水性能的原因主要是破坏污泥絮体EPS结构，使其中的结合水释出，污泥颗粒间距增大，再协同调理剂，加速了结合水的释出速率，改善了污泥的脱水性能.而长时间微波后，污泥脱水性能恶化归因于高速旋转的电磁场使污泥中大量微生物细胞壁破裂，胞内物质大量流出，EPS增加重新包裹结合水，加之污泥絮体过度破坏，污泥颗粒变细小，不利于污泥脱水.这与Jin等［21］认为tcs与EPS中的蛋白质和多糖呈负相关性及田禹等［5］的研究成果一致.

图5 上清液中蛋白质和多糖变化

图6 EPS中蛋白质、多糖及核酸变化

2.6 最佳联用条件确定

双因素方差分析结果如表1所示.为简便起见，假设微波加载时间和PAM投加量之间无相互影响(取均值)，且因素A为PAM投加量，因素B为微波辐射时间.由于污泥tcs、含水率及污泥比阻的FA、FB值均远远大于F0.01(5，25)=3.85，PAM投加量和微波辐射时间对污泥脱水性能均有显著影响.因此，选取A、B的最优联用条件为:先对污泥进行50s微波辐射(2450MHz，700W)，再投加PAM4mL(1g/L，100mL污泥)，污泥的脱水性能最优.污泥的tcs、离心后含水率及污泥比阻分别由原泥的84.7s、87.86%、5.42×109s2·g-1降至16.7s、78.16%、0.35×109s2·g-1.污泥脱水性能得到大幅度改善.

表1 双因素方差分析

3 结论

1)微波辐射和PAM联用时，两者的联用顺序对处理效果有明显影响，先微波辐射后PAM调理的联合方式明显优于先PAM调理后微波辐射.

2)适宜的微波辐射能破坏污泥的絮体EPS结构，污泥絮体颗粒变小、间隙增大，使其中的结合水释出.再协同调理剂，加速了结合水的释出速率，改善了污泥的脱水性能.而长时间的微波辐射使微生物细胞壁破裂，胞内物质大量流出，EPS增加重新包裹结合水，加之污泥絮体过度破坏使污泥脱水性能恶化.

3)最优的联用条件为:先对污泥进行50s微波辐射(2450MHz，700W)，再投加PAM4mL(1g/L，100mL污泥).污泥的tcs、离心后含水率及污泥比阻分别由原泥的84.7s、87.86%、5.42×109s2·g-1降至16.7s、78.16%、0.35×109s2·g-1.

4)只进行PAM调理时最佳投加量为6mL，调理后污泥的tcs、离心后含水率及污泥比阻分别为37.3s、83.68%、1.72×109s2·g-1;而最优联用条件下，只需投加PAM4mL，污泥指标分别为16.7s、78.16%、0.35×109s2·g-1.PAM投加量降低了33%，且处理效果更优.因此，联用技术能大大降低PAM投加量，提高污泥脱水效果，使污泥后续处理成本大大降低.

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