剩余活性污泥脱水性能影响因素探讨

王汉林,钟子彦,周 旻,蒋昊晨

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院,湖北 黄石 435003;2武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；3黄石二中，湖北 黄石 435003;4湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,湖北 黄石 435003)

剩余活性污泥脱水性能影响因素探讨

王汉林1,2,4,钟子彦3,周 旻2*,蒋昊晨2

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院,湖北 黄石 435003;2武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；3黄石二中，湖北 黄石 435003;4湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,湖北 黄石 435003)

通过对污泥比阻、泥饼含水率和扫描电镜图像的测定，进行污泥脱水性能影响因素的分析研究。对可能影响污泥脱水性能的2个因素进行了探究，2个影响因素分别为药剂投加顺序和反应温度。实验表明加药顺序应为液相氯化铁溶液在先，固相粉末在后，氯化铁溶液和固相粉末的最佳投配比为氯化铁溶液4.95%、固相粉末(石灰∶HAS固化剂=1∶1)16.50%；污泥脱水改性时温度对实验体系的影响显著，且存在最佳温度，最佳状态为17 ℃±2 ℃。该研究结果可为剩余活性污泥脱水处理提供科学依据。

污泥脱水；影响因素；污泥比阻；泥饼含水率

剩余活性污泥是污水处理的副产物，通常含有大量有毒、有害、对环境产生负面影响的物质，容易造成二次污染。污泥污染作为环境问题的一部分，已经严重影响人们的生产和生活。陈同斌表示，到2015年，中国将成为全球污泥产量最大的国家，预测全国每年产生污泥量将超过3×107t[1]。但长期以来，我国仅有10%左右的污泥，真正按照“减量化、无害化、资源化”的垃圾“三化”原则进行有效处理，与欧美等发达国家普遍超过50%污泥量的处理水平相比，我国还存在较大差距[2]。

目前我国绝大部分城市污水处理厂采用生化工艺处理污水，与此同时，在污水处理过程中会产生大量的污泥。处理这些剩余污泥的一般方法为，先进行浓缩脱水，再采用机械压榨脱水，脱水后的泥饼可外运填埋或者焚烧处理。污泥处理费用通常占污水处理厂总运行费用的50%左右，甚至高达70%。针对污泥的不同脱水要求，国内外发展了不同的污泥脱水技术。概括起来，主要分为物理脱水(污泥浓缩、机械脱水等)和化学脱水(污泥调理)两大类。

污泥含水率高且难以脱水是污泥处理处置过程中的一大难题，本研究的意义在于通过寻找合适改性脱水剂配比量及不同影响因素对实验结果的影响，有效提高污泥脱水性能，使改性污泥易于机械脱水，有利于污泥的进一步处理处置和资源化利用。本课题小组前期选用三氯化铁溶液、石灰、HAS固化剂为污泥脱水改性剂，采用中心复合设计(CCDs)为实验设计方法，对改性剂的最佳配方进行实验研究，在得到最佳投配比的前提下，对可能影响污泥脱水性能的2个因素进行了探究，2个影响因素分别为药剂投加顺序和反应温度。通过实验，试图得到较为理想的工艺参数，为脱水污泥的回收利用提供科学依据。

1 实验材料

实验用污泥为武汉某污水处理厂机械脱水后的污泥，污泥取回后采用塑料桶封存，在密封、遮光的环境中保存，温度控制在10 ℃左右，防止污泥失水和降解[3]。污泥的基本性质见表1。污泥原样扫描电镜图如图1所示。

表1 污泥的基本性质

图1 污泥原样扫描电镜图

由表1可知：原污泥含水率为79.32%，有机质含量为40.45%，湿污泥的pH值为7.181，污泥比阻>109s2/g。结合图1可知，原泥含水率、有机质含量均较高，湿污泥基本呈中性，属于难以脱水污泥[4]。

HAS 固化剂(专利号：98113594.3)是武汉大学实验人员申请的专利，它是一种用途广泛的新型灰渣胶凝材料，主要原料(占80%以上)为工业废渣，包括矿渣、磷渣、粉煤灰液态渣、沸腾炉渣等，另外配以一定比例的活化剂混合磨制而成。该材料具有优良的固化性能，且无须冲洗和筛分[5]，能在常温下固化稳定化处理各种固体废弃物，如粉煤灰、各种工业尾矿、含泥石屑、粘土、城市垃圾、河海淤泥等。对HAS 固化剂进行基本性能测试，测试结果[5]见表2。

表2 HAS 固化剂的基本性能

石灰取自武汉某石灰厂，为灰白色无定形粉末具有吸潮性，其有效氧化钙含量为75.39%，消化时间为1 h，消化温度为65 ℃。

使用无水三氯化铁(分析纯)配制氯化铁溶液，无水三氯化铁来源于国药集团化学试剂有限公司，其质量分数为38%。

2 实验方法

2.1 实验测试方法

参考《城市污水厂污泥检验方法》(CJ/T 221-2005)，测试原泥含水率、有机质含量、pH值等理化指标。采用污泥比阻仪分析测试污泥比阻，采用扫描电镜(SEM)分析测试污泥微观结构[6]。

2.2 药剂投加顺序

本课题前期研究了以氯化铁、石灰和HAS固化剂为改性脱水药剂时，污泥改性脱水情况。利用中心复合法(CCDs)探究了投加药剂的最佳配比。由前期研究可知，氯化铁溶液和固体粉末试剂对改善污泥脱水性能有显著作用，氯化铁溶液和固体粉末试剂对于污泥改性的作用机理也存在差异，因此考虑试剂的投加顺序可能会对污泥改性产生影响，故设计实验，确定最佳投加顺序，并结合SEM图像进行分析。实验分为2组，第1组为逆序组：即先加固体粉末，搅拌均匀后，投加氯化铁溶液；第2组为正序组：即先加氯化铁溶液，搅拌均匀后，投加固体粉末。

通过对污泥自身性质的了解以及前期预实验确定了药剂用量的上下限值，分别为氯化铁：3%，6%；固相粉末(石灰∶HAS固化剂=1∶1)∶10%，20%。课题研究中利用Design Expert软件对2个响应值结果进行优化，平衡含水率和SRF的综合影响，得到了氯化铁和固相粉末的最佳投配比：氯化铁4.95%、固相粉末(石灰∶HAS固化剂=1∶1)16.50%。

2.3 反应温度控制

温度会影响化学反应速率[10]和絮凝效果，故预测温度会对污泥改性体系产生较为明显的影响。

实验基本过程与投加顺序实验一致，温度梯度见表3。选取表3中温度梯度进行实验。数据记录的温度分别为污泥稀释用水温度和污泥改性体系反应温度。

表3 反应温度梯度

1)在稀释过程中，仅对污泥稀释用水的温度进行调控。污泥从含水率79.32%稀释至95%，加水量较大，故水温即可代表污泥改性体系反应温度。

2)污泥改性脱水实验操作过程总用时为10～15 min，时间较短，体系温度改变微小，故实验过程中采用开放体系，并未对反应体系进行恒温处理，因此用污泥稀释用水的温度代表体系反应温度。此外，对稀释用水温度的调控也有利于未来工程过程中的操控。

3 结果与讨论

3.1 药剂投加顺序对污泥脱水性能的影响

药剂投加顺序对污泥脱水性能的影响见表4。由表4可以明显发现，第2组的含水率和污泥比阻均远远优于第1组的数据。由此可见，实验结果验证了实验前期的分析和预测，即药剂投加顺序对实验结果有明显影响，且先投加氯化铁溶液，而后投加固相粉末，为合理的实验操作顺序。

表4 药剂投加顺序对污泥脱水性能的影响

对逆序组改性污泥做了相关SEM分析，即先后对投加固体粉末和氯化铁溶液改性的污泥分别进行电镜扫描，如图2～3所示。图2是投加固体粉末改性的污泥形貌，图3为投加氯化铁溶液后污泥形貌。可以看出，投加固体粉末后污泥内部会出现一些空隙，而投加氯化铁溶液后，一些细小孔隙减少，颗粒之间连接紧密。因此分析先投加氯化铁的效果较优的原因主要有以下2点。

1)污泥溶液中固体颗粒之间空隙较少。先投加固相粉末后，石灰和HAS固化剂对原本松散的污泥溶液体系起到骨架支撑的作用，形成了出水通道；投加氯化铁溶液后，由于絮凝作用形成絮体会堵塞部分出水通道，使得污泥脱水性能降低[7]。

2)氯化铁作为有效的助凝剂，对污泥的聚凝有很大影响，且在弱酸性环境下，作用最为明显。先投加固相粉末后，大量的石灰粉末大大升高了污泥溶液的pH值，使得溶液呈碱性环境，阻碍了氯化铁溶液的作用[8]。

图2 投加固体粉末改性污泥 图3 投加氯化铁溶液改性污泥

3.2 温度对最佳配比的影响

温度会影响化学反应速率[9]和絮凝效果，故温度会对污泥改性体系产生较为明显的影响[10]。温度对污泥含水率的影响结果如图4所示。图4中实验结果显示，随着温度升高，泥饼含水率有所降低。5～15 ℃以及20～40 ℃之间泥饼含水率变化不明显，15～20 ℃之间泥饼含水率变化较大，呈下降趋势，并且在17 ℃附近出现最低点。温度对污泥比阻的影响结果如图5所示。图5中实验结果显示，污泥比阻(SRF)随温度升高整体呈增大趋势，但在12～17 ℃之间出现下降趋势，在17 ℃附近SRF出现极小值，和图中最小值相近。综合考虑温度对泥饼含水率和SRF的影响，温度升高有利于泥饼含水率的降低，但导致SRF有所增大，而温度在17 ℃附近，泥饼含水率和SRF均出现较低值，满足实验要求和实际应用，因此认为实验最佳温度范围在17 ℃±2 ℃。

图4 温度对污泥含水率的影响结果

图5 温度对污泥比阻的影响结果

4 结论

本文对2个主要影响污泥脱水性能的因素——加药顺序和反应温度进行探究，得出了以下结论。

1)通过实验研究原泥的含水率、有机质含量、pH值、SRF以及微观结构等理化性质，系统的了解了污泥的基本性质。

2)加药顺序应为氯化铁溶液在先，固相粉末在后。氯化铁溶液和固相粉末的最佳投配比：氯化铁溶液4.95%、固相粉末(石灰∶HAS固化剂=1∶1)16.50%。

3)污泥脱水改性时温度对实验体系的影响显著，且存在最佳温度，实验结果显示温度控制在17 ℃±2 ℃为最佳状态。

[1] 郭力方.污泥处理千亿级市场静待释放[N].中国证券报,2014-02-14.

[2] 高廷耀,顾国维.水污染控制工程(下册)[M].北京:高等教育出版社,2015:387-422.

[3] 王睿韬,汪澜,马忠诚.市政污泥脱水技术进展[J].中国水泥,2012(4)：57-61.

[4] 黄廷林,聂小保,张刚.水厂生产废水污泥比阻测定的影响因素分析及方法改进[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2005,37(3):297-300.

[5] 侯浩波,张发文,魏娜,等.利用HAS固化剂固化尾砂胶结充填的研究[J].武汉理工大学学报,2009(4):7-10.

[6] 杨斌,杨家宽,唐毅,等.粉煤灰和生石灰对生活污水污泥脱水影响研究[J].环境科学与技术,2007,30(4):98-100.

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[9] 朱小丽.聚硅酸的稳定性及聚硅酸金属盐复合絮凝剂的研究[D].武汉：武汉科技大学,2012.

[10] Cui Y, Li H,Liu Y,et al.Dried alum sludge for sewage sludge dewatering performance improvement[C].Proceedings of 2009 Beijing International Environmental Technology Conference,2009:234-237.

(责任编辑 高 嵩)

Discussion about Influencing Factors on Dewatering Performance of Residual Activated Sludge

WangHanlin1,2,4,ZhongZiyan3,ZhouMin2*,JiangHaochen2

(1School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Resources and Environmental Science,Wuhan University,Wuhan Hubei 430079；3Huangshi No.2 Middle School,Huangshi Hubei 435003;4Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

The influencing factors on residual activated sludge dewatering performance were analysed through the determination of sludge resistance filtration,moisture content of the cake and SEM image.The factors effecting sludge dewatering performance of adding chemical agents sequence and reaction temperature were also probed.Experiment results showed that the adding sequence could be added with FeCl3solution first and solid powder second.The optimal adding percentage was 4.95% of FeCl3solution and 16.50% of solid powder(lime∶HAS stabilizer=1∶1).The results indicated that the optimal temperature was 17 ℃±2 ℃,when it had a profound effect on dewatering capability of sludge.

sludge dewatering；influencing factors；sludge resistance filtration；moisture content of the cake

2016-06-16

湖北理工学院2013年度省级重点实验室开放课题基金立项项目(项目编号：2013105)；湖北省技术创新专项重大项目(项目编号：2016ACA162；2016ACA176)。

王汉林，讲师，博士，研究方向：废水处理的新方法、新技术及固体废物资源化利用。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.006

X705

A

2095-4565(2016)06-0026-04

*通讯作者：周旻，副教授，博士，研究方向：固体废物资源化与环境岩土工程研究。