生物壳粉与CPAM联用改善污泥脱水性能的研究

刘一止，周先桃，杨 彤

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200030）

据统计，2019年我国的污泥产量已超过6 000万t，预计2025年产量将超过9 000万t〔1〕。污泥的处理与处置是污水处理中花费最高且较为复杂的环节，其中污泥脱水是污泥处理过程的关键一环。直接对污泥进行脱水处理效果不佳，一般在脱水之前对污泥进行调理以改善污泥特性，达到提高脱水效率的目的〔2〕。

污泥调理方法主要包括化学调理、物理调理、化学物理联合调理、微生物调节等〔3〕。常见的化学调理剂如阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）、三氯化铁（FeCl3）可以中和带电污泥，促使其凝聚成更大絮体，使絮体内部的水更易脱出〔4〕，这样虽然可以提高污泥的脱水效率，但易引起二次污染，所以近年来研究者也在尝试使用物理调理剂。物理调理剂一般不具备絮凝效果，通过在污泥中形成坚硬的骨架结构，维持通畅的排水通道，从而提高污泥的脱水性能〔5〕。

目前研究较多的物理调理剂包括生物质材料（稻谷壳、秸秆和林业产物等）以及矿物基质材料（石灰及粉煤灰等）〔6〕。吴彦等〔7〕研究了农林废弃物稻壳对污泥脱水性能的改善情况，当稻壳与FeCl3联用时污泥比阻降低了59.73%，污泥净产率增加45.27%。郭俊元等〔8〕利用玉米秸秆制备了生物炭及AlCl3改性生物炭，污泥比阻下降为1.3×1012m/kg，污泥净产量增加到17.8 kg/（m2·h）。许多研究者探索了物理调理剂的效果，但是相当一部分专注于植物矿物类物理调理剂，缺少对生物壳调理剂的探索。

我国的垃圾填埋场中填埋有大量蛋壳和贝壳，这些废弃生物壳不仅未得到有效利用，还会污染环境〔9〕。将废弃生物壳作为污泥调理剂还鲜有研究报道。贝壳粉和蛋壳粉的性质与粉煤灰相似，都具有一定吸附性能，有成为优良调理剂的可能。笔者拟将废弃生物壳作为新型骨架构建体调理污泥，研究其改善污泥脱水性能的效果，分析生物壳骨架对污泥脱水性能的影响及作用机理。

1 试验部分

1.1 污泥来源

试验污泥取自上海市某污水处理厂的二沉池，取回后先重力沉降3 h，去除上层清液后静置在4℃冰箱中冷藏保存。每次脱水试验前，污泥样品需置于20℃恒温水浴锅内预处理30 min。污泥样品含水率98.9%，含有机质49.7%，pH 7.65～7.80，污泥比阻（SRF）为1.13×1013m/kg，污泥净产率（YN）1.21 kg/（m2·h）。

1.2 仪器与材料

BSM-220.4型电子天平，上海卓精电子科技有限公司；101-0A型电热鼓风干燥箱，上海秋佐科学仪器有限公司；SHB-Ⅲ型真空泵、84-1A型磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；HH-1型恒温水浴锅，常州智博瑞仪器制造有限公司。

贝壳粉及蛋壳粉，自购，过0.150 mm筛（100目筛）后在恒温烘箱中烘干，之后密封保存，置于常温干燥环境中备用。

与生物壳粉末联合调理污泥的化学调理剂使用阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）。CPAM溶液的质量分数为0.1%（质量浓度为1 g/L）。CPAM-A、CPAM-B、CPAM-C的相对分子质量分别为800万、1 000万、1 200万，离子度均为20%，纯度>99%。

1.3 试验过程

（1）生物壳单独调理污泥脱水试验。以污泥干质量计，分别取质量分数为10%、20%、30%、40%、50%、60%的生物壳粉（蛋壳粉或贝壳粉）加入200 mL污泥中，用磁力搅拌器高速搅拌2 min，然后低速搅拌10 min，使生物壳粉完全溶于污泥，静置30 min。

（2）CPAM单独调理污泥脱水试验。取质量分数为0.1%的CPAM-A（或CPAM-B、CPAM-C）溶液，分别按10、20、30、40、50、60 mg/L的投加量加入污泥中，在高速和低速下依次搅拌2、10 min，使CPAM溶液与污泥充分均匀混合，静置30 min。

（3）CPAM与生物壳联合调理污泥脱水试验。确定最佳生物壳类型、最佳CPAM投加量，考察生物壳粉末与CPAM联合调理污泥时二者添加顺序对污泥脱水性能的影响；考察不同投加量的生物壳粉末与定量CPAM联合调理对污泥脱水性能的影响；考察定量的生物壳粉末与不同投加量的CPAM联合调理对污泥脱水性能的影响。

（4）对比贝壳粉、CPAM、贝壳粉与CPAM联合调理对污泥的压缩效果，分析污泥脱水作用机理。

1.4 污泥脱水性能评价

（1）泥饼含水率（FCMC）常用来表示污泥的脱水性能。将脱水后的泥饼放入电热干燥箱中烘干至质量无变化（设定温度为105℃、烘干12 h以上），取出泥饼冷却后称重，根据烘干前后泥饼质量的变化计算含水率。

（2）污泥比阻（SRF）通常用来表示污泥脱水的难易程度。污泥比阻越大，表示污泥过滤阻力越大，越难以脱水〔10〕。试验采用标准布氏漏斗法测定和计算污泥比阻。污泥的过滤直径为8 cm，过滤压力为0.03 MPa，脱水时间为15 min。

（3）污泥净产率（YN）通常用来表示在单位时间单位过滤面积上过滤的污泥固体量。YN越大，表明污泥的脱水性能越好，计算方法见式（1）～式（3）。

式中：YN——污泥净产率，kg/（m2·h）；

F——修正因子；

P——过滤压强，N/m2；

μ——滤液的动力黏度系数，N·s/m2；

ω——单位体积的滤液在过滤介质上滤得的固体总量，kg/m3；

t——过滤时间，s；

SRF——污泥比阻，m/kg；

SSoriginal——每升纯污泥中包含的固体质量，g；

SSconditioner——每升纯污泥中添加的调理剂固体质量，g；

ωi——100 g污泥中干固体的质量，g；

ωf——100 g泥饼中干固体的质量，g。

（4）可压缩系数。泥饼的可压缩性表示在压力作用下污泥体积因受压而变小的性质〔10〕，一般用可压缩系数（S）表示污泥压缩性的大小，计算方法见式（4）。

式中：S——可压缩系数；

P0——参考压强，MPa；

Pi——实际压强，MPa；

SRF0——参考压强下测得的污泥比阻，m/kg；

SRFi——实际压强下测得的污泥比阻，m/kg。

2 结果与分析

2.1 贝壳粉、蛋壳粉单独调理时污泥的脱水性能

在生物壳粉末单独调理污泥的压滤脱水试验中，考察不同投加比例下（以污泥干质量为基准）贝壳粉、蛋壳粉对污泥净产率及泥饼含水率的影响，结果如图1所示。

图1 生物壳投加量对污泥净产率（a）及泥饼含水率（b）的影响Fig.1 Effect of bioshell dosage on sludge yield（a）and moisture content of sludge cake（b）

由图1（a）可知，两种生物壳粉都对污泥净产率（YN）有一定的改善作用，随着贝壳粉和蛋壳粉投加量的不断增加，污泥净产率均表现为先大幅上升后小幅下降的趋势。当贝壳粉投加量为30%时，污泥净产率为1.31 kg/（m2·h），与未经调理的污泥〔1.21 kg/（m2·h）〕相比，增长了8.3%。蛋壳粉投加量对YN的影响与贝壳粉类似，但其YN低于投加贝壳粉时的情况，当蛋壳粉投加量在30%时，污泥净产率达到峰值，为1.28 kg/（m2·h）。贝壳粉效果略好于蛋壳粉，可能是由于同样大小的贝壳粉颗粒硬度大于蛋壳粉颗粒硬度，可以更有效地增强滤饼的抗压性能，便于水分从中排出。

从图1（b）看出，随着生物壳投加量的增加泥饼含水率呈不断下降趋势。贝壳粉投加量在10%～60%内，污泥的泥饼含水率从81.3%降至67.1%；贝壳粉投加量在40%～60%时，泥饼含水率的降幅相比10%～30%的小。这是因为生物壳粉末虽然有助于构建出水通道，但也具有吸水性，同时过多粉末会堵塞出水通道。由污泥净产率来看，其最佳投加量为污泥干质量的30%，过多的粉末反而效率不高。

蛋壳粉投加量为30%时，泥饼含水率降为70.1%，较原污泥的泥饼含水率（81.3%）下降13.8%。蛋壳粉对泥饼含水率的影响与贝壳粉类似，相比于树叶粉调理可将泥饼含水率从87.63%降至76.52%〔6〕，贝壳粉的调理更具优势，与木屑降低泥饼含水量的效果相差不多。

上述结果表示：适量投加贝壳粉及蛋壳粉能够有效改善污泥的脱水性能，且贝壳粉对脱水性能的改善效果优于蛋壳粉，其最佳投加量为污泥干质量的30%。

2.2 CPAM对污泥脱水性能的影响

取现配的质量分数为0.1%的CPAM溶液（CPAM的 相 对 分 子 质 量 分 别 为800万、1 000万、1 200万）加入污泥中，研究3种CPAM溶液投加量在10～60 mg/L范围内时泥饼含水率、污泥比阻的变化规律，结果见图2。

图2 CPAM投加量对污泥比阻（a）及泥饼含水率（b）的影响Fig.2 Effect of CPAM dosage on sludge specific resistance（a）and moisture content of sludge cakes（b）

由图2（a）可见，3种CPAM溶液对污泥比阻都有一定改善效果。投加量在10～60 mg/L时，随着CPAM投加量的增加，污泥比阻表现为先下降后上升。加入20 mg/L CPAM-B时，污泥比阻为7.25×1012m/kg，加入30 mg/L CPAM-C时，污泥比阻为7.47×1012m/kg，两者效果相差不大，考虑到经济因素，选择投加20 mg/L的CPAM-B，可有效降低污泥比阻。由图2（b）可知，原污泥的泥饼含水率为82.2%，在10～60 mg/L的范围内，随着CPAM投加量的递增，泥饼含水率呈现出先减小后增大的趋势，这与CPAM投加量对污泥比阻的影响规律一致。在这3种CPAM中，经CPAM-B（相对分子质量为1 000万）调理后的污泥脱水效率最高，其最佳投加质量浓度为20 mg/L，此时泥饼含水率达到最低值75.3%，相较于原污泥的泥饼含水率降低了8.4%。

产生这种现象的原因可能是：使用过量CPAM进行调理，污泥中的CPAM浓度过高，与污泥之间的斥力作用逐渐增大，导致污泥黏度上升，污泥内部水分的扩散速率变慢，从而增加污泥的抽滤难度，影响污泥的脱水性能。

根据以上分析可知，3种CPAM中以相对分子质量为1 000万的CPAM对污泥的调理效果最佳，最佳投加质量浓度为20 mg/L。

2.3 贝壳粉与CPAM联合调理对脱水性能的影响

（1）贝壳粉与CPAM联合调理时投加顺序的优化。化学调理剂与物理调理剂两者联合使用时，由于作用方式不一样，调理剂的投加顺序会对污泥调理结果产生一定影响，进而影响污泥脱水性能。

分别采用3种投加顺序：同时投加贝壳粉和CPAM水溶液；先投加贝壳粉后投加CPAM水溶液；先投加CPAM水溶液后投加贝壳粉。试验中贝壳粉投加量为污泥干质量的30%，CPAM投加质量浓度为20 mg/L。3种投加顺序对污泥脱水性能的影响如表1所示。

由表1可见，先投加贝壳粉后投加CPAM时SRF最小，YN最大。原因可能在于，在污泥与贝壳粉充分混合的情况下CPAM可以更好地发挥絮凝作用，更利于水分的排出。

（2）联合调理时贝壳粉投加量的优化。在污泥中投加不同量的贝壳粉（投加质量分数分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%，以污泥干质量为基准），再投加20 mg/L CPAM溶液，考察其对污泥比阻、泥饼含水率、泥饼质量变化率的影响，结果见图3。

图3 贝壳粉投加量对污泥脱水效果的影响Fig.3 Effect of shell powder dosage on sludge dewatering

从图3可知，贝壳粉投加量增加会使泥饼含水率和污泥比阻呈现下降趋势。与分别调理相比，二者联合调理对污泥的脱水效果更好。当贝壳粉投加量为15%时，污泥比阻降至3.03×1012m/kg，泥饼含水率降至63.63%，与CPAM单独调理时相比，滤饼质量上升了2.62%。

（3）联合调理时CPAM投加量的优化。保持贝壳粉投加量为污泥干质量的15%，之后向污泥中添加CPAM溶液，投加量分别为5、10、15、20、25 mg/L，考察CPAM投加量对污泥比阻、泥饼含水率及泥饼质量变化率的影响，结果见图4。

图4 CPAM投加量对污泥脱水效果的影响Fig.4 Effect of CPAM dosage on sludge dewatering

由图4可见，CPAM投加量增加后污泥比阻、泥饼含水率、泥饼质量变化率均呈现不断下降的趋势。当贝壳粉投加量为15%、CPAM投加量为10 mg/L时，污泥比阻降至4.68×1012m/kg，泥饼含水率降至68%；与贝壳粉单独调理相比，滤饼质量降低了8.11%。后续继续增大CPAM的投加量，污泥比阻、泥饼含水率及滤饼质量均下降缓慢。

考虑到经济成本，使用CPAM和贝壳粉对污泥进行联合调理，先投加15%贝壳粉再加入10 mg/L CPAM可达到较理想的脱水效果。相较于原污泥，联合调理后污泥比阻降低了58.6%，泥饼含水率降低了17.3%；相较于CPAM单独调理，联合调理后污泥比阻降低了25.1%，泥饼含水率降低了9.7%。与稻壳粉作物理调理剂的效果相比（污泥比阻降低59.73%），两者相差不大。

继续投加贝壳粉和CPAM效果不够理想的原因在于，投加过多物理调理剂会使污泥质量变大，同时过量化学调理剂会使污泥黏度上升，反而加大污泥的后续处置负担。联合调理的最佳投加条件：贝壳粉投加量为污泥干质量的15%，CPAM投加质量浓度为10 mg/L，投加顺序为先添加贝壳粉后添加CPAM。

在常规污水处理厂中，1 t污泥一般添加10～20 g CPAM用于调理，相对于继续添加CPAM，添加一定量的贝壳粉可以减少化学调理剂的投加量，降低调理费用。

2.4 脱水后泥饼的可压缩性

考察各种调理剂对泥饼可压缩系数的影响，结果如图5所示。

图5 泥饼可压缩系数变化情况Fig.5 Variation of compressibility coefficient of sludge cake

由图5可见，原污泥泥饼的可压缩系数（S1）为1.25。经CPAM单独调理后，泥饼的可压缩系数（S2）为1.02；贝壳粉单独调理后，泥饼可压缩系数（S3）变为0.96；贝壳粉与CPAM复配使用时，泥饼可压缩系数（S4）为0.85，在3种调理方式中其可压缩系数最低，说明此时泥饼有较高的抗压缩性。

综上可知，贝壳粉可以有效降低污泥的可压缩性，与CPAM联用时二者产生相互协同作用。在CPAM的作用下，贝壳粉与污泥颗粒相互吸引，增强了贝壳粉的骨架构建及助滤作用，使污泥孔隙率增大，这可能是二者共同作用时泥饼的可压缩性降至最低、污泥脱水性能最佳的主要原因。

3 结论

（1）采用生物壳粉末单独调理污泥时，贝壳粉的调理效果优于蛋壳粉。当贝壳粉投加量为污泥干质量的30%时，污泥脱水效果最好，与未经调理的污泥相比，污泥净产率从1.21 kg/（m2·h）升至1.31 kg/（m2·h），泥饼含水率从81.3%降至70.1%。

（2）使用3种不同相对分子质量的CPAM单独调理污泥，相对分子质量为1 000万的CPAM对污泥脱水效果的改善程度最好，最佳投加质量浓度为20 mg/L，与原污泥相比，污泥比阻由11.3×1012m/kg降至7.25×1012m/kg，泥饼含水率由82.2%降至75.3%。

（3）相对分子质量为1 000万的CPAM与贝壳粉联合调理的脱水效果优于二者单独调理污泥时的效果。联合调理的最佳投加方案：先投加15%贝壳粉，再投加10 mg/L CPAM，与未经处理的污泥相比，污泥比阻降至4.68×1012m/kg，泥饼含水率降至68%，与贝壳粉单独调理的泥饼相比，质量降低了8.11%。

（4）贝壳粉与CPAM联合使用改善污泥脱水的作用机理可能是：一方面，由于贝壳粉为骨架颗粒，具备一定的硬度，在高压下可保持低可压缩性和高渗透性；另一方面，贝壳粉与CPAM联合使用时，泥饼的可压缩系数由开始的1.25降至0.85，说明在CPAM的作用下，贝壳粉能够与污泥颗粒絮凝到一起，从而增强贝壳粉的骨架构建与助滤作用。