CPAM对污泥含水率和胞外聚合物的影响*

1. 福建师范大学环境科学与工程学院 2. 福建师范大学环境科学研究所3. 福建师范大学环境技术开发与工程设计所 江 娟 刘文伟 郑育毅 孙启元

1 概述

污泥是污水生物处理的必然产物，成分复杂且含水率高，含有大量的寄生虫和病原体，故对污泥的无害化处理处置尤为重要。污泥脱水是污泥处理处置方式必须经过的一个重要步骤[1]。所谓污泥脱水，是指将污泥中的水分去除，从而便于后续进一步处理。而污泥中的水分，根据Vesilind[2-3]定义，可以分为自由水、间隙水、表面吸附水以及结合水，其中自由水和间隙水通过抽滤即可去除，而对表面吸附水和结合水而言，则需要适当的方式进行调理后才可以通过机械力作用使其去除。

一般有物理法、化学法以及生物法三种调理方法，其中化学法操作简单，就是向污泥中加入一定量的化学絮凝剂，使污泥表面颗粒物质与其发生化学反应，从而提升污泥的脱水性能[4]。化学絮凝剂种类很多，目前国内运用最广泛的化学絮凝剂当属阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）。CPAM能在污泥颗粒间起到架桥吸附作用，中和污泥颗粒表面的负电荷，而且能形成网状结构对细小颗粒物进行网补。

影响污泥脱水效率的因素可以概括为两个方面：脱水速度和滤饼含水率，而常见的反映污泥脱水难易程度的指标，如污泥比阻（SRF）、毛细水时间（CST）、污泥可沉降性等却不能将这两方面影响明确区分[5]。胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）来自于污泥微生物的新陈代谢，附着于微生物细胞表面的大分子有机聚合物上。研究表明，EPS与污泥脱水性能有着紧密的联系。现阶段，关于CPAM投加量以及其他类絮凝剂与CPAM联合调理的研究有很多[6-8]，但关于 CPAM 在提高污泥脱水效率中所扮演的角色仍是了解甚微。因此，本研究通过试验经12组不同分子量和离子度的CPAM调理后，污泥脱水性能参数值（滤饼含水率）和微生物表面EPS含量变化来探究CPAM对污泥脱水的影响。

2 材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 污泥来源

污泥取自福州祥坂污水处理厂的回流污泥，将回流污泥先自由沉降30min后取下层污泥作为实验污泥[9]。

2.1.2 化学试剂

取定量的阳离子型聚丙酰胺（北京佳瑞林公司）于烧杯中溶解，制备成浓度为0.3mg/ml的聚丙烯酰胺溶液。实验中所用聚丙酰胺型号及参数见表1。

表1 阳离子型聚丙酰胺规格

2.2 试验方法

2.2.1 污泥调理

取200mL污泥，放入250mL的烧杯中，加入污泥含固率为0.3%的CPAM，玻璃棒搅拌至絮体稳定。

2.2.2 滤饼含水率的测定

实验采用污泥滤饼的含水率（WC）来评价实验污泥调理前后的脱水效果与性能[10-12]，具体步骤是：将 100mL调理后的污泥倒入直径为900mm布氏漏斗中，在0.055MPa的真空压力下过滤，待布氏漏斗30s内不再有滤液滤出即停止过滤，取下残留在滤纸上的滤饼，称重，然后在 105℃下干燥至恒重，计算滤饼含水率WC：

式中，W1表示滤后污泥饼质量，W2表示污泥在 105℃下烘干至恒重的泥饼质量。

2.2.3 污泥胞外聚合物测定

采用热提取法来提取实验污泥中的胞外聚合物，具体步骤是：取20mL污泥，在速度为3000r/min的离心机中处理10min，弃去上清液；往污泥中加入 0.85%NaCl溶液恢复至20mL，在速度为3000r/min的离心机中处理20min，弃去上清液，重复该步骤2～3次（最后一次无需离心，污泥待用）；将用 NaCl溶液洗好的污泥放入水浴锅中，在 80℃加热30min；结束加热后，冷却至室温，在速度为6000r/min的离心机中处理10min，上清液用0.22μm微孔滤膜过滤，滤液待测[13]。EPS含量主要是通过测滤液中的蛋白质、糖和核酸含量进行表征。其中蛋白质浓度采用考马斯亮蓝法测定[14]，多糖浓度用蒽酮比色法测定[15-16]，核酸浓度由紫外分光光度法测定[17]。

3 结论与讨论

3.1 CPAM对滤饼含水率的影响

从图1可以看出，剩余污泥的滤饼含水率高达79.7%。当CPAM的离子度相同时，随CPAM分子量的增加，污泥滤饼含水率呈现下降的趋势。可见CPAM分子结构越大，污泥脱水效果越好。污泥颗粒表面带有负电荷，而CPAM携带着一定浓度的阳离子电解质，故CPAM的加入，不仅与污泥颗粒间能通过吸附架桥形成絮体，还能与其表面的负电荷发生电性中和。其强度主要受电解质浓度的影响：当离子度很低时，电性中和能力与高分子的吸附架桥能力相比，显得很薄弱，颗粒物间的排斥力依然很强大，导致形成的絮体结构松散，孔隙率大导致了滤饼含水率升高（1#、4#、7#CPAM）。适当地增加电解质浓度，能完全中和污泥颗粒表面的电负性，有利于污泥颗粒间的絮凝、压缩，污泥含水率明显降低，提高了污泥过滤性能。这些结果也说明了聚丙烯酰胺的吸附架桥作用必须搭配一定浓度的阳离子电解质协助絮凝，从而压缩了污泥颗粒表面的双电层结构，缩短了颗粒间的空间距离，释放出表面吸附的水，才能使污泥的脱水程度提高。

图1 不同CPAM对滤饼含水率的影响

3.2 CPAM对结合态胞外聚合物的影响

采用前述多种方法分别测定EPS中的多糖、蛋白质、核酸含量，三者总量视为EPS的总量（见图2）。实验结果显示，随电解质浓度的增加，EPS含量整体呈下降的趋势，因而，可以认为，阳离子电解质的存在，不仅能通过压缩污泥颗粒物表面的双电层结构来释放结合水，而且还能破坏亲水性聚合态物质TB，进一步改善污泥脱水性能。

在相同离子度下，分子量为8×106的 CPAM对TB的破坏效果一般最好（5#除外），分子量 10×106、12×106的 CPAM次之，分子量 6×106的 CPAM 最差，且对比 1#、2#、3#发现，电解质浓度的升高对TB含量的影响甚小，说明在分子量为6×106的CPAM调理下，由于聚合结构小，更易完全伸张，吸附架桥作用更易进行，导致电解质的作用受到一定程度的抑制。通过增加CPAM分子量大小、延长CPAM聚合结构展开时间，能使更多的颗粒物与电解质充分接触，从而颗粒物表面负电荷被中和，更多的亲水基团被破坏，符合离子度相同的情况下，分子量越大则滤饼含水率越低的结果。同时，实验结果表明，6#调理下的TB含量最低（约26μg/mL），4#、8#、9#次之，可见，分子量过大，使得聚合结构展开耗时过久，颗粒物表面重新带上正电荷，相互的斥力使得颗粒物为能与CPAM碳链发生架桥吸附的同时，颗粒物表面亲水物质的破坏过程也受到了影响。可见，CPAM对TB的破坏是有机碳链和电解质协同作用的结果。

图2 不同聚丙烯酰胺对结合态胞外聚合物含量的影响

4 结论

（1）CPAM 对污泥滤饼含水率的影响受到其分子量及离子度的影响非常大。分子量和离子度过小会使其过滤性能受到严重的负面影响，分子量和离子度的增加都有助于滤饼含水率的降低。

（2）胞外聚合物是公认的影响污泥脱水性能的重要因子，而CPAM对污泥胞外聚合物有一定的破坏作用，这种破坏作用依赖于CPAM的碳链结构以及电解质的存在。

综上所述，CPAM分子碳链的吸附架桥和电解质的电性中和对于改善污泥脱水性能具有意义重大的协同作用，两者的协同作用能否得以发挥，关系着污泥的过滤性能和胞外聚合物的含量。

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