酸碱化学法对剩余污泥沉降和脱水性能的研究

高 彬，刘 茜

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018）

剩余活性污泥有机物含量高、颗粒细小、高度亲水，并且污泥颗粒主要是由微生物通过胞外聚合物和金属阳离子等架桥而形成的复杂絮体，即菌胶团[1]。目前，通过不同物化学、生物等技术方式，人们可以改变污泥的理化性质和结构，增强污泥的絮凝性能，增大污泥颗粒，减小固体颗粒和水分间的亲和力。

pH值作为影响活性污泥微生态系统的主要物理因素，能够影响污水处理过程中活性污泥中微生物的种类、数量、代谢方式、代谢产物类型以及活性污泥的沉降特性和沉降过程等[2]。本试验研究旨在选用简单的化学调理剂，研究污泥沉降和脱水的作用机理，从而更大程度地改善污泥的沉降和脱水性能，为污泥的后续处理和处置提供较优的污泥形态。

1 材料与方法

1.1 供试污泥

本研究以马鞍山市第一污水处理厂二沉池回流活性污泥为研究对象。

1.2 测定方法

1.2.1 污泥沉降性能的试验方法

分别取1 000 mL预处理调理后的混合液和原污泥分别倒入1 000 mL的量筒中，记录不同时间的污泥界面，以衡量不同预处理方法对污泥沉降性能的改善情况。

1.2.2 污泥自由水的测定100 mL污泥在3 000 r/min的转速下离心30 min后的上清液水分重量即为自由水含量。

1.2.3 污泥真空过滤脱水试验

将62.5 mL上述不同预处理方法调理过的污泥倒入真空过滤脱水装置的布氏漏斗中，在0.1 MPa真空度下过滤并计时，记录滤液体积到达50 mL时所消耗的时间，记为T。

1.2.4 泥饼含水率

当滤液停止滤出后，持续30 s关闭真空泵，将滤纸连同污泥称量，随后在温度设置为105℃干燥箱中干燥24 h再称量，计算滤饼含水率。

1.3 污泥预处理

将污泥进行沉淀浓缩（使SS达10 g/L左右），得到原污泥（RS），在7个1 000 mL的烧杯中加入800 mL的受试污泥，然后分别用4 mol/L的HCl和6 mol/L的NaOH调节污泥的pH值到2、4、6、8、10、12，在搅拌下维持pH值稳定5 min。

2 结果与讨论

2.1 试验现象

不同预处理污泥表观颜色，污泥颗粒都有所改变，同时伴有浓烈臭味。酸性处理中，污泥上清液颜色基本与原污泥相同，但表面漂浮有大量黏稠的絮状物质，污泥颗粒为絮状，易分层；碱性处理中污泥上清液变为较为清透的深棕色，污泥颗粒为细小颗粒状，悬浮于上清液中，不易分层。经酸碱处理后，污泥释放出的碳水化合物和蛋白质通过美拉德反应发生褐变，生成褐色物质。

2.2 pH对污泥絮体结构的影响

由于污泥自身结构特点，EPS中的蛋白质、糖类以及细胞污泥都具有缓冲能力，使得预处理污泥pH向中性变化。但pH=2和pH=12污泥的pH恢复能力有限，表明极端酸碱环境可能对絮体和微生物造成不可逆影响。

污泥中COD分为溶解性和不溶解性COD，而不溶解性COD主要存储于挥发性悬浮固体和污泥细胞中。不溶性有机物转化为溶解性有机物方式有两种，即因污泥絮体破碎而导致胞外聚合物（EPS）的释放和因微生物细胞的破碎而导致胞内有机物的释放[3]。酸碱处理污泥SCOD及DDCOD变化如图1所示，酸碱处理污泥VS变化如图2所示。由图1可知，酸碱处理后，强碱污泥中SCOD大幅增加，强酸污泥中SCOD却基本无变化。这表明强碱性环境可破坏污泥细胞细胞壁，发生融胞作用；强酸性环境因为HCL不是强氧化性酸，仅能致死部分污泥微生物，无法使微生物发生大量细胞融解作用[4]。

图1 酸碱处理污泥SCOD及DDCOD变化

图2 酸碱处理污泥VS变化

图3 酸碱处理污泥显微镜照片

由图3可以看出，污泥絮凝体机构遭到不同程度的破坏，由原污泥开始，随着pH的增加，污泥絮凝体的破坏程度逐渐增加，强碱污泥中的絮凝体的破坏程度最大，基本找不到完整的絮凝体。

图4 酸碱处理污泥SVI变化

2.3 pH对污泥沉降性能的影响

污泥体积指数（SVI），常作为反映污水处理过程中活性污泥沉降性能的指标。学者张镇南等人认为，当SVI大于150 mL/g时，污泥的沉降性能很差[5]。部分研究者认为，EPS数量增大不利于污泥沉降，污泥表面离子化聚合物的浓度和性质决定了污泥表面的电荷（即Zeta电位），EPS含量过高导致污泥表面电负性增大，致使沉降性能恶化。

因污泥微生物的胞外聚合物中含有两性物质，两性物质在酸性条件下会溶解，转化为溶解性物质，而在碱性环境中无法溶解，使得酸性环境的污泥表面电负性小于碱性环境，同时由图4可知，污泥SVI指数随着pH逐渐增加而增加。所以，酸性环境有利于污泥沉降，而碱性环境不利于污泥沉降，该结果与图5中污泥沉降曲线的结果相一致。

图5 酸碱处理污泥沉降曲线

2.4 pH对污泥脱水性能的影响

真空脱水时间是反映污泥脱水性能的重要指标，而Zeta电位则是污泥真空脱水的重要影响因素。研究表明，污泥中pH值将会影响微生物及悬浮颗粒表面的电荷性质、数量及中和电荷的能力。

酸性环境下虽然能破坏部分菌胶团结构，但无法使污泥细胞发生融胞现象；提升污泥沉降性能同时，它却少量增加了细小颗粒数量，使得脱水性能下降。强碱环境中，菌胶团和污泥细胞同时被破坏，使得液相环境中细小颗粒急速增加，严重影响了污泥的脱水性能。同时，在原污泥等电点两侧，细胞外两性物质部分被逐渐中合，分子因相互排斥逐渐分离。污泥颗粒的相互排斥与吸引影响了污泥颗粒粒径的大小，从而决定了污泥真空脱水的时间，影响污泥脱水特性。

3 结论

改变污泥pH后，污泥中絮体结构变化，强碱环境中污泥细胞发生融胞作用。强酸环境中，污泥中两性物质发生溶解，降低SVI，有利于改善污泥沉降性能。酸碱预处理能够不同程度破坏菌胶团，加之碱性环境中发生融胞现象，使得分子颗粒电荷发生改变，液相中细小颗粒数量增加，均不利于提高污泥脱水性能。