污泥調(diào)理劑的研究進展

熊 唯，劉 鵬，劉 歡，時亞飛，侯海攀，楊家寬

(華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

污泥調(diào)理劑的研究進展

熊 唯，劉 鵬，劉 歡，時亞飛，侯海攀，楊家寬

(華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

介紹了復合型污泥脫水調(diào)理劑的研發(fā)進展，著重討論了不同類型污泥調(diào)理劑的復配使用方法，指出使用復合型調(diào)理劑或復配調(diào)理劑可提高污泥脫水性能，并探討了污泥處理與處置一體化的可能性。

調(diào)理劑;污泥脫水;復配;復合調(diào)理劑

城市化進程的加快導致污水處理廠污泥量日益增長。污泥顆粒小、有機質(zhì)含量高、含水率高［1－2］，脫水困難，成為污泥處理處置的瓶頸問題。污泥脫水前必須進行物理、化學調(diào)理改善其脫水性能，便于后續(xù)處理處置［3－4］?；瘜W調(diào)理效果可靠，設備簡單，操作方便，被長期廣泛采用［5］。而化學調(diào)理的核心就是調(diào)理劑的研發(fā)。

現(xiàn)有污泥調(diào)理劑的開發(fā)一般參照水處理絮凝藥劑制備的原理和方法。單組分的污泥調(diào)理劑往往無法達到理想的脫水效果?，F(xiàn)階段污水廠脫水后的泥餅含水率高達80%左右，給衛(wèi)生填埋、焚燒等后續(xù)處置帶來困難［6］。為了進一步降低污泥含水率，國內(nèi)外研究者開始研發(fā)復合型調(diào)理劑或?qū)⒄{(diào)理劑復配使用，以提高污泥的脫水性能。

目前，污泥脫水處理中復合型調(diào)理劑與調(diào)理劑的復配使用沒有嚴格的定義，參考水處理調(diào)理劑的相關(guān)文獻［7－12］可對其做如下定義:復合型調(diào)理劑是指兩種或兩種以上傳統(tǒng)單組分調(diào)理劑經(jīng)過一定反應形成新的高分子聚合物或復合體系的調(diào)理劑，如殼聚糖(CTS)與有機單體丙烯酰胺(AM)接枝共聚制得殼聚糖衍生物(CAM);調(diào)理劑的復配使用是指將不同的調(diào)理劑按照一定的比例配合，同時或分步投加，使其發(fā)揮協(xié)同作用而顯著改善污泥脫水性能的手段，如混凝劑氯化鐵與高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)的復配使用。

本文介紹了復合型調(diào)理劑的研發(fā)現(xiàn)狀，并對調(diào)理劑的復配使用進行了深入闡述。

1 復合調(diào)理劑的研發(fā)

近年來，學者們對于污泥復合調(diào)理劑的研究大多集中在有機合成高分子絮凝劑與天然改性高分子絮凝劑上。相對單組分的調(diào)理效果，復合調(diào)理劑的調(diào)理效果較好。達到相同調(diào)理效果時，復合調(diào)理劑中單組分用量比單獨使用各組分少，有助于降低藥劑成本。此外，復合調(diào)理劑可一次性投加。但是，復合調(diào)理劑制備工藝復雜，反應條件苛刻，可能增加制備成本。

吳幼權(quán)等［13］采用 CTS與 AM 接枝共聚制得CAM，并將其與陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)進行復合，得到復合絮凝劑CAM－CPAM，用于調(diào)理污泥。當CAM－CPAM加入量為30 mg/L時效果最佳，污泥脫水率達90%;而單獨使用CPAM 或CTS，最佳加入量均為40 mg/L時污泥脫水率僅分別為75%，65%左右。

杜麗英等［14］將CTS分別與AM、二甲基二烯丙基氯化銨、丙烯酸3種單體中的1種或2種通過接枝共聚合成3種殼聚糖接枝共聚物。其中，陽離子型共聚物調(diào)理效果最優(yōu)，可使泥餅含水率下降9.4%，而單獨使用CTS調(diào)理后的泥餅含水率只下降了7.6%。

詹懷宇等［15］利用木素磺酸鈣與丙烯酰胺接枝共聚物經(jīng)過Mannich反應制備兩性絮凝脫水劑LSDC調(diào)理污泥，污泥比阻降低了59%，污泥脫水率可達87%，比單獨使用CPAM調(diào)理的污泥脫水率高22%左右。

此外，在無機－有機復合調(diào)理劑方面，劉立華等［16］用強陽離子電解質(zhì)聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC)與聚合硫酸鐵(PFS)反應制得復合絮凝劑。當PFS質(zhì)量濃度(以Fe計)為422.0 mg/L、PDMDAAC質(zhì)量濃度為30 mg/L時比較適宜，調(diào)理后污泥比阻降低了91.6%，比單獨加入等量PFS調(diào)理后的污泥比阻降低率多30.4%，比單獨使用50 mg/L的PDMDAAC調(diào)理的污泥比阻降低率多5.9%。文獻［17］指出，無機－陽離子高分子復合絮凝劑主要通過增加正電荷密度來增強對污泥電負性絮體的電中和作用，以達到絮凝增效作用。

污泥復合調(diào)理劑尚未形成工業(yè)化產(chǎn)業(yè)，其主要原因是制備方法繁瑣。有關(guān)復合調(diào)理劑的性能、復合作用機理等還有待深入探討。

2 調(diào)理劑的復配使用

將不同的污泥脫水調(diào)理劑復配使用是目前污泥調(diào)理研究的主要趨勢。污泥調(diào)理劑根據(jù)其作用機理不同可劃分為三類，污泥調(diào)理劑的分類見表 1［5，7］。

表1 污泥調(diào)理劑的分類

調(diào)理劑復配使用方法的分類見圖1。復配使用操作方便，復配種類多樣。同時，可選擇不同特性的調(diào)理劑復配對污泥進行物化改性以適應不同的污泥后續(xù)處置方式，污泥脫水調(diào)理劑的復配使用為進一步提高污泥脫水性能、降低調(diào)理成本提供了途徑。

圖1 調(diào)理劑復配使用方法的分類

2.1 以混凝劑為主的調(diào)理劑復配

混凝劑以無機低分子調(diào)理劑為主，來源廣，生產(chǎn)工藝簡單，價格低廉。酈光梅等［18］比較了氯化鐵、硫酸鋁、氯化鋁復配使用與使用GD－112有機高分子絮凝劑調(diào)理污泥的效果:當鐵鹽、鋁鹽的加入量均為2 g/L、GD－112加入量為0.05 g/L時，兩者經(jīng)濟成本相當，結(jié)果表明投加混凝劑調(diào)理后污泥比阻降低了70%，比投加GD－112有機高分子絮凝劑的污泥比阻降低率高33%;該作者還提出，混凝劑更有利于降低污泥比阻，改善污泥脫水性能，同時調(diào)節(jié)污泥成分，有利于后續(xù)建材化利用。

2.2 以絮凝劑為主的調(diào)理劑復配

在廣泛使用的高分子絮凝劑中，有機高分子絮凝劑PAM及其衍生物使用最廣泛;無機高分子絮凝劑比傳統(tǒng)低分子調(diào)理劑效果優(yōu)異，而價格較有機高分子絮凝劑低廉［19］。微生物絮凝劑具有環(huán)境、經(jīng)濟雙重效益，但目前還處于實驗室研究階段。以高分子絮凝劑為主的復配和以微生物絮凝劑為主的復配是現(xiàn)階段研究的熱點。

2.2.1 以高分子絮凝劑為主的調(diào)理劑復配

以高分子絮凝劑為主的復配包括有機－無機高分子絮凝劑的復配和多種有機高分子絮凝劑的復配。

有機高分子絮凝劑投加量少，絮凝能力強，但存在難降解、有生物毒性［20－22］、成本高等問題;無機高分子絮凝劑價格較低，但用量大，易殘留鋁、鐵等造成二次污染，因此有機－無機高分子絮凝劑復配使用有助于彌補單獨使用的不足。PAM和聚合氯化鋁復配［23］使用可使泥餅含水率降低17.95%。CTS與聚合氯化鋁復配［24］調(diào)理后的污泥比阻降低了74.5%，比單獨使用CTS調(diào)理的比阻降低率高13.7%。

有機與無機高分子絮凝劑的調(diào)理機理不同，復配使用有助于各組分充分發(fā)揮作用，增強調(diào)理效果。文獻［25］指出，無機高分子絮凝劑在水中電離出的正電離子可中和污泥表面電荷，壓縮雙電層，降低顆粒的表面電動電位，減小污泥顆粒間斥力，促進凝聚。有機高分子絮凝劑在水中溶解發(fā)生電離并通過氫鍵、共價鍵等與污泥的固體顆粒發(fā)生吸附。高分子絮凝劑分子鏈很長，且鏈上有很多活性陽離子基團，可在水中充分伸展并同時黏結(jié)多個顆粒，形成絮團。

另有學者研究了多種有機絮凝劑復配使用的效果，復配組分主要集中于陰離子、陽離子、非離子高聚物和天然高分子絮凝劑。合成有機高分子絮凝劑調(diào)理成本較高，而天然改性高分子原料廣、價格低［26］;常用污泥調(diào)理劑PAM 的單體易殘留在污泥中［27］，具有“三致”效應［28］，而天然改性高分子具有無毒、易于生物降解等特點［29］，兩者復配有望降低調(diào)理后污泥的毒性。Bradley等［30］用環(huán)糊精與PAM進行復配，環(huán)糊精中和了絮凝劑調(diào)理后污泥顆粒表面的多余電荷，從而促進凝聚，同時復配使用具有顯著經(jīng)濟性。Glover等［31］將短鏈聚丙烯酸分別與長鏈陽離子、陰離子聚合物進行復配，用于調(diào)理污泥，過濾后的泥餅含水率比單獨使用陰離子聚合物調(diào)理后的泥餅含水率分別減少了6.4%，2.9%;Lee等［32］比較了陽離子聚合物KP－201與非離子聚合物NP－800復配及單獨使用的效果，發(fā)現(xiàn)先加KP－201后加NP－800的調(diào)理效果最好，污泥的比阻降低率比單獨使用KP－201調(diào)理的高14.7%。

有機絮凝劑的吸附架橋作用使污泥微小顆粒聚集成較大顆粒，有利于離心脫水。有機絮凝劑的投加對污泥中大量有機物、微生物、重金屬和水分［33－34］的穩(wěn)定或減少幫助不大，但相比于無機調(diào)理劑(如石灰、粉煤灰)投加量過大易使污泥熱值降低的特點，投加有機絮凝劑對此方面影響較小。

綜合來看，上述兩類調(diào)理劑復配使用調(diào)理污泥均可達到比單獨使用更好的脫水效果，同時在一定程度上降低了調(diào)理成本。

2.2.2 以微生物絮凝劑為主的調(diào)理劑復配

微生物絮凝劑是由某些微生物產(chǎn)生的有絮凝活性的代謝產(chǎn)物或其菌體本身構(gòu)成的。微生物絮凝劑復配如奇異變形桿菌產(chǎn)生的微生物絮凝劑與CaCl2復配、醬油曲霉發(fā)酵制備的微生物絮凝劑與PAM進行復配［35］均可使污泥的脫水率高于80%;研究表明，微生物絮凝劑分子鏈較短，活性基團種類較多，可與分子鏈較長、活性基團種類單一的聚丙烯酰胺互補，有效地改善污泥的脫水性能［36］。

微生物絮凝劑調(diào)理效果較好且不產(chǎn)生二次污染［37］，有利于污泥的衛(wèi)生填埋與農(nóng)業(yè)利用，規(guī)避污泥處置帶來的環(huán)境風險，但其生產(chǎn)成本、技術(shù)要求高。將微生物絮凝劑與其他種類的絮凝劑進行復配可在一定程度上降低成本，為規(guī)?；a(chǎn)打下基礎，具有環(huán)境經(jīng)濟雙重效益。

2.3 以助凝劑為主的調(diào)理劑復配

助凝劑一般為石灰、粉煤灰等無機惰性物質(zhì)［38］，用于調(diào)節(jié)污泥的pH、改變污泥的顆粒結(jié)構(gòu)、破壞膠體的穩(wěn)定性。

污泥絮體中有機物含量高，高壓下易壓縮變形［39］，使污泥在過濾后期堵塞濾餅孔隙，降低機械脫水效率。助凝劑的加入起到骨架構(gòu)建體的作用，使污泥在高壓下仍保持多孔結(jié)構(gòu)，有效地解決了污泥中有機質(zhì)可壓縮性問題［40－41］，使水分在高壓下仍易于脫出，有利于板框壓濾等深度脫水方式［42］。助凝劑與其他調(diào)理劑復配使用效果見表2。助凝劑與其他調(diào)理劑復配使用可在污泥中形成多孔骨架結(jié)構(gòu)的同時也產(chǎn)生絮凝或電中和等多重效果，改善污泥的脫水性能。

Brallier等［47］發(fā)現(xiàn)助凝劑石灰有助于重金屬離子被生物同化，有利于重金屬的穩(wěn)定化，適于農(nóng)用等處置方式。采用粉煤灰等助凝劑則可以增加無機物含量，有利于污泥的建材化利用，如美國威斯康辛公司利用污泥(主原料為粉煤灰)生產(chǎn)陶粒［48］。但惰性物質(zhì)殘留在泥餅中會使待處置污泥增容，在面積小的地區(qū)若選擇填埋處置需權(quán)衡利弊。

表2 助凝劑與其他調(diào)理劑復配使用效果

3 結(jié)語

現(xiàn)階段對污泥脫水調(diào)理劑的研究仍是基于污水處理調(diào)理劑的方法原理，但污水處理的目的在于提高污水中懸浮物的沉降性能，而污泥調(diào)理則重在提高污泥的脫水性能，所以能改善懸浮物沉降性能的調(diào)理劑不一定能夠顯著改善污泥的脫水性能。因此，污泥調(diào)理劑的開發(fā)應結(jié)合污泥自身特點及污泥的后續(xù)處置。

單一水處理調(diào)理劑對污泥脫水性能的改善效果并不理想，使用復合型調(diào)理劑或?qū)⒄{(diào)理劑復配使用有助于發(fā)揮協(xié)同效應，可達到比單獨使用更好的脫水效果。其中，調(diào)理劑的復配使用操作方便、成本較低，且根據(jù)不同的污泥處置方法，可選擇不同特性的調(diào)理劑復配使用對污泥進行物化改性，有利于污泥處理與處置的一體化，具有廣泛的應用前景。

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Progresses in Research on Sludge Conditioners

Xiong Wei，Liu Peng，Liu Huan，Shi Yafei，Hou Haipan，Yang Jiakuan

(School of Environmental Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China)

The progresses in research on composite conditioners for sludge dewatering are introduced emphasizing the methods for combined utilization of different conditioners.It is pointed out that the dewatering performance of sludge can be improved by using composite conditioners or complexformulated conditioners.And the possibility of integrated treatment and disposal of sewage sludge is discussed.

conditioner;sludge dewatering;complex formulation;composite conditioner

X705

A

1006－1878(2011)06－0501－05

2011－03－17;

2011－07－14。

熊唯(1989—)，女，湖北省宜昌市人，大學，主要研究方向為污泥處理與處置。電話 15072412468，電郵xo1027@sina.com。聯(lián)系人:楊家寬，電話 027－87792207，電郵 jkyang@mail.hust.edu.cn。

國家自然科學基金資助項目(51078162);大學生創(chuàng)新活動基金資助項目(01－09－261921);教育部新世紀人才支持計劃項目(NCET－09－0392)。

(編輯 張艷霞)