酸碱调节过程中剩余污泥的特性变化

苑宏英，王 亭，王小佩，牛四芳，祁 丽

(天津城建大学 a. 环境与市政工程学院；b. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384)

环境与市政

酸碱调节过程中剩余污泥的特性变化

苑宏英a,b，王 亭a,b，王小佩a,b，牛四芳a,b，祁 丽a,b

(天津城建大学 a. 环境与市政工程学院；b. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384)

采用5个反应器(1#，2#，3#，4#和5#)，其中1#为单独酸(pH3.0)调节，2#为单独碱(pH10.0)调节，3#，4#为酸碱联合调节，3#为先酸(pH3.0)后碱(pH10.0)调节，4#为先碱(pH10.0)后酸(pH3.0)调节，5#为pH不调的对比试验，对比分析了不同的酸碱调节过程中剩余污泥比阻值的变化．结果表明，污泥经先酸后碱调节(3#反应器)后比阻值比其他调节方式的更小，说明这种调节方式更利于污泥脱水；同时研究了先酸后碱调节(3#反应器)过程中，污泥上清液的浊度、Zeta电位和平均粒径的变化情况，结果表明，浊度、Zeta电位、平均粒径分别在3.18～149,NTU、－13.4～－0.899,mV、6.11～9.18,µm之间变动，且由酸调节为碱时，浊度明显减小，Zeta电位明显增高．

剩余污泥；酸碱调节；脱水性能；浊度；Zeta电位

活性污泥法是污水处理厂的核心技术，产生大量的剩余活性污泥．污泥的含水率高，体积大，性质不稳定，极易腐化并产生臭气，不利于运输和处置[1]．如何实现污泥的无害化、稳定化、减量化和资源化，成为污水厂面临的重大难题．污泥脱水能有效地减小污泥的体积，有利于后续污泥的无害化、稳定化处理以及综合利用．剩余污泥由亲水性带负电荷的胶体颗粒组成，比阻值大，脱水困难，而在污泥脱水前进行污泥调理，可以使比阻(SRF)值处在适合机械脱水的范围内[2]，有利于进一步的处理处置．

目前常用的化学调理方法主要有絮凝剂调节、酸碱处理、臭氧法等[3-6]．例如，Chen等人[7]对酸调节剩余污泥脱水性能进行了研究，结果表明，pH值越低脱水效率越高，滤饼含水率下降3%～5%．Zhang等人[8]指出，随着pH值的升高，污泥比阻增大，脱水性能变差．本文研究了单独酸碱调节、酸碱联合调节过程中剩余污泥比阻(SRF)的变化以及先酸后碱调节时污泥上清液的浊度、Zeta电位、平均粒径的变化情况．

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行

试验采用5个直径为120,mm，高为300,mm的有机玻璃反应器，其有效体积为2.5,L(见图1)．1#为单独酸(pH3.0，16,d)调节，2#为单独碱(pH10.0，16,d)调节；3#，4#为酸碱联合调节，3#为先酸(pH3.0，8,d)后碱(pH10.0，8,d)调节，4#为先碱(pH10.0，8,d)后酸(pH3.0，8,d)调节；5#为pH不调(16,d)的对比试验．

图1 试验装置示意图

试验采用天津市欧诺仪器仪表有限公司生产的电动搅拌器对污泥进行搅拌，搅拌速度控制在70～90,r/min，使污泥能够搅拌均匀但不产生漩涡．试验为一次投料、长期水解酸化的间歇式运行方式．试验温度为室温，使用30%的HCl或20%的NaOH溶液进行pH值调节．从装置中的上、中、下3个取样口分别取样，混合均匀后首先采用布氏漏斗法测定污泥的比阻，然后测浊度、Zeta电位和平均粒径等指标．

1.2 剩余污泥来源与特性

剩余污泥取自天津某污水处理厂的回流污泥泵房，污泥取回后静置24,h，排出上清液后使用．试验所用剩余污泥初始特性如下：pH值为6.77～7.01，比阻(SRF)为2.23×1013,～2.28×1013,m/kg，浊度为3.18,NTU，Zeta电位是－0.90,mV，平均粒径为6.16,µm．

1.3 测定方法

pH值采用雷磁PHS-25型pH计测定；比阻(SRF)采用布氏漏斗法(真空度为0.07,MPa)测定．浊度采用HACH 2100,Q便携式浊度仪测定；Zeta电位采用Nano-ZS型Zeta电位分析仪测定；平均粒径采用LS-C(I)激光粒度分析仪测定．

2 结果与讨论

2.1 酸碱调节对污泥脱水性能的影响

比阻(SRF)是表征污泥脱水性能的重要指标，它在数值上等于黏度为1,Pa·s的流体以1,m/s的平均流速通过厚度为1,m的颗粒床层时所产生的压强降[9]．比阻越大，说明过滤时污泥的阻力越大，越难脱水．一般认为污泥的比阻值在(0.1～0.4)× 1013,m/kg之间时，进行机械脱水较为适宜[10]．水解过程中，5个反应器中的污泥比阻的变化情况见表1．

表1 不同调节方式下SRF的变化 m/kg

从表1可以看出，SRF的变化基本上表现为3#＜1#＜4#＜5#＜2#，说明先酸后碱调节最利于污泥脱水，且单独酸调节优于单独碱调节．究其原因可能是：1#调节为酸后，H＋与污泥相结合，改变了污泥的表面电荷特性，促进了污泥絮体间的进一步絮凝，减少了污泥结合的水含量，从而改善了脱水效果．根据Tian等人[11]的研究，酸处理能使胞外聚合物(EPS)脱离活性污泥颗粒的表面，使污泥更易于聚集，从而降低污泥脱水后的含水率．在2#碱调节过程中，由于污泥絮体和微生物细胞壁的破坏，使有机质大量流出[12]，泥液呈黏稠状，分离较困难，导致比阻变大，脱水性能降低．3#反应器中，污泥在酸调节转为碱调节时处于相对较易脱水阶段，Lee等人[13]也阐明了当初始污泥为酸性时，进一步的碱处理有利于污泥混凝．4#污泥经碱处理，再调为酸性后，污泥的性质和结构被严重破坏，导致在酸环境中有利于脱水的部分特性失效，使得最终脱水效果欠佳．5#污泥随着水解时间的延长，比阻变大，原因可能是由于有机质的释放速率大于降解速率，使得两者的浓度逐渐升高，有机质的部分基团对水的亲和力增加，结合的水含量相应增加，从而比阻值不断增大，脱水性能变差；当有机质的释放速率小于降解速率时，脱水性能会稍有改善．

2.2 酸碱联合调节下污泥的指标变化情况

2.2.1 浊度的变化

浊度是由于水中含有泥沙、黏土、有机物、无机物、浮游生物和微生物等悬浮物质所造成的，可使光散射或吸收．浊度值是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度．反应过程中，3#和5#反应器中浊度的变化情况见图2．

图2 不同方式下浊度的变化

如图2所示，两个反应器中浊度的变化表现为：整体上酸阶段的浊度为先酸后碱＞空白，碱阶段的浊度为空白＞先酸后碱．对于先酸后碱调节，浊度值在3.18～149,NTU之间变动，酸调节第一天，浊度值从初始的3.18,NTU剧增到121,NTU，在酸调节的4,d里浊度逐渐增加，第五天调为碱性后浊度从149,NTU骤减到5.98,NTU，在之后的碱调节阶段趋于稳定，在3.40～5.98,NTU之间变动，对照组的浊度则在27.6～50.4,NTU之间浮动．试验结果和其他文献一致，Dash等人[14]研究表明pH增加时上清液浊度降低．联系前面的结果，污泥调节转为碱调节时污泥上清液浊度骤降，污泥的脱水性能变好．碱调节污泥处理的依据是EPS的破裂，网捕污泥颗粒凝聚成絮体[15]，碱调节后悬浮物对光线透过时所产生的阻碍程度低，在图2显示为浊度值降低，在表1显示为比阻减小，说明污泥由酸调节转为碱调节而又保持酸的特性未消尽时有利于脱水．

2.2.2 Zeta电位的变化

Zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标．对于两种不同的带电粒子体系，Zeta电位(绝对值)较高的体系，颗粒间排斥力较大，不易发生聚沉，处于相对稳定状态；而Zeta电位较低的体系，质点间排斥力较小，不稳定，容易发生聚沉；在等电点即Zeta电位为零时，质点间排斥力最小，胶体稳定性最低，也最容易发生聚沉[16]．反应过程中，3#和5#反应器中Zeta电位的变化见图3．

图3 不同方式下Zeta电位的变化

由图3可以看出，污泥电位呈负值，整体上，先酸后碱调节和空白对照组污泥上清液的Zeta电位(绝对值)几乎都呈增高的趋势，但是先酸后碱调节过程中污泥上清液的Zeta电位一直低于空白．在先酸后碱调节的整个过程中，污泥上清液的Zeta电位在－13.400～－0.899,mV之间变动，在酸调节阶段，Zeta电位相对稳定在－5～0,mV的范围内；转为碱调节阶段时，Zeta电位急剧增高，Zeta电位值从－2.04,mV变为－11.7,mV，然后稳定在－13.4～－10.5,mV的范围内，污泥在酸调节转为碱调节时处于一种不稳定的状态，容易发生凝聚，在表1表示为此时污泥脱水性能变好，这和许多研究者的结论一致．Yuan等人[17]研究表明污泥表面的Zeta电位随着pH值的增加而增高．

2.2.3 平均粒径的变化

污泥颗粒的大小也是影响污泥脱水的关键因素，反应过程中，3#和5#反应器中污泥的平均粒径的变化见图4．

图4 不同方式下平均粒径的变化

由图4可以看出，整体上，空白对照组污泥的平均粒径几乎是一直大于先酸后碱调节组，先酸后碱调节组污泥的平均粒径在6.16～9.18,µm之间浮动，污泥调节为酸性后污泥上清液中的平均粒径由6.16,µm增加到8.84,µm然后减小到7.70,µm，调节为碱性后，平均粒径先减小至6.11,µm后增加至9.18,µm，结合表1分析可得，平均粒径的变化趋势与SRF的变化趋势一致，说明平均粒径越小，SRF值就越小，越有利于污泥脱水，在先酸后碱调节为碱性的第一天时平均粒径最小，为6.11,µm．分析其原因，可能与酸碱调节改变污泥中微生物种类与数量有关．Owen等人[18]的研究指出，在酸性条件下丝状菌膨胀过量生长，导致污泥絮体的平均粒径增大，并且呈现双峰分布，絮体分形维数较低，结构松散；在中性条件下，无明显丝状菌生长，絮体平均粒径减小，分形维数较高，结构致密；偏碱性条件下，虽然没有大量丝状菌出现，但絮体平均粒径较中性条件略有增大，分形维数相应减小．

目前，有很多研究者研究粒径分布与污泥脱水之间的关系，如Vaxelaire等人[19]指出污泥粒径是影响污泥脱水的一个重要影响因素．Houghton等人[20]论证了污泥粒径分布也是控制污泥脱水性能的关键因素，因为污泥中EPS的含量可以改变污泥粒径的分布，使污泥脱水变得困难．Eskicioglu等人[4]指出，污泥经预处理后污泥固体颗粒的粒径明显减小，笔者的研究结果也显示在污泥脱水较好的时间段污泥粒径较小．

3 结 论

对污泥进行单独酸(pH3.0)、单独碱(pH10.0)、先酸(pH3.0)后碱(pH10.0)和先碱(pH10.0)后酸(pH3.0)调节过程中，先酸后碱有利于污泥脱水；在先酸后碱调节过程中，由酸调节转为碱调节时，污泥上清液的浊度值从120～149,NTU减小到3.40～5.98,NTU；Zeta电位由－1.71～－3.88,mV增高(绝对值)到－10.5～－13.4,mV，且浊度和Zeta电位都在酸调为碱时出现较大变动，碱调节使得浊度减小以及Zeta电位增高；整个酸碱调节过程中平均粒径在6.11～9.18,µm之间变动．

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Characteristic Change of Wasted Sludge in the Course of Acid-base Regulation

YUAN Hong-yinga,b，WANG Tinga,b，WANG Xiao-peia,b，NIU Si-fanga,b，QI Lia,b
(a. School of Environmental and Municipal Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，Tianjin Chengjian Unirersity，Tianjin 300384，China)

Five reactors(1#，2#，3#，4#and 5#)were set up to analyze the effect of different acid-base regulations on the specific resistance to filtration(SRF)of wasted sludge. pH was controlled with only acidic regulation(pH 3.0)for Reactor No.1 and only alkalinity regulation(pH 10.0)for Reactor No.2. Reactors No.3 and No.4 are acid-alkali joint regulations，namely the pH of Reactor No.3 changed from acidity(pH 3.0)to alkalinity(pH 10.0)while pH of Reactor No.4 was transformed from alkalinity(pH 10.0)to acidity(pH 3.0). The control experiment without any regulation was conducted in Reactor No.5. The results show that the SRF of sludge in the third reactor was the minimum，so the third regulation was more beneficial to sludge dewatering. Then the changes of turbidity，Zeta potential and average particle size of sludge supernatant at the acid-alkali joint adjustment stage of the third reactor was also studied. The results show that the values of turbidity，Zeta potential and average particle size were changed between 3.18～149NTU，-13.4～-0.899mV，6.11～9.18 µm respectively，and when the sludge was regulated from acid to alkalinity，the turbidity decreased and Zeta potential increased distinctly.

wasted sludge；acid-base regulation；dewaterability；turbidity；Zeta potential

X705

A

2095-719X(2014)05-0332-05

（编辑校对：胡玉敏）

2014-07-14；

2014-09-15

天津市科技计划项目（13ZCZDGX03100）；天津市滨海新区科技计划项目（2011-BH14003）

苑宏英（1974—），女，山西大同人，天津城建大学教授，博士.