剩余活性污泥脫水性能影響因素探討

王漢林,鐘子彥,周 旻,蔣昊晨

(1湖北理工學院 環(huán)境科學與工程學院,湖北 黃石 435003;2武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079；3黃石二中，湖北 黃石 435003;4湖北理工學院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復湖北省重點實驗室,湖北 黃石 435003)

剩余活性污泥脫水性能影響因素探討

王漢林1,2,4,鐘子彥3,周 旻2*,蔣昊晨2

(1湖北理工學院 環(huán)境科學與工程學院,湖北 黃石 435003;2武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079；3黃石二中，湖北 黃石 435003;4湖北理工學院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復湖北省重點實驗室,湖北 黃石 435003)

通過對污泥比阻、泥餅含水率和掃描電鏡圖像的測定，進行污泥脫水性能影響因素的分析研究。對可能影響污泥脫水性能的2個因素進行了探究，2個影響因素分別為藥劑投加順序和反應溫度。實驗表明加藥順序應為液相氯化鐵溶液在先，固相粉末在后，氯化鐵溶液和固相粉末的最佳投配比為氯化鐵溶液4.95%、固相粉末(石灰∶HAS固化劑=1∶1)16.50%；污泥脫水改性時溫度對實驗體系的影響顯著，且存在最佳溫度，最佳狀態(tài)為17 ℃±2 ℃。該研究結果可為剩余活性污泥脫水處理提供科學依據(jù)。

污泥脫水；影響因素；污泥比阻；泥餅含水率

剩余活性污泥是污水處理的副產物，通常含有大量有毒、有害、對環(huán)境產生負面影響的物質，容易造成二次污染。污泥污染作為環(huán)境問題的一部分，已經嚴重影響人們的生產和生活。陳同斌表示，到2015年，中國將成為全球污泥產量最大的國家，預測全國每年產生污泥量將超過3×107t[1]。但長期以來，我國僅有10%左右的污泥，真正按照“減量化、無害化、資源化”的垃圾“三化”原則進行有效處理，與歐美等發(fā)達國家普遍超過50%污泥量的處理水平相比，我國還存在較大差距[2]。

目前我國絕大部分城市污水處理廠采用生化工藝處理污水，與此同時，在污水處理過程中會產生大量的污泥。處理這些剩余污泥的一般方法為，先進行濃縮脫水，再采用機械壓榨脫水，脫水后的泥餅可外運填埋或者焚燒處理。污泥處理費用通常占污水處理廠總運行費用的50%左右，甚至高達70%。針對污泥的不同脫水要求，國內外發(fā)展了不同的污泥脫水技術。概括起來，主要分為物理脫水(污泥濃縮、機械脫水等)和化學脫水(污泥調理)兩大類。

污泥含水率高且難以脫水是污泥處理處置過程中的一大難題，本研究的意義在于通過尋找合適改性脫水劑配比量及不同影響因素對實驗結果的影響，有效提高污泥脫水性能，使改性污泥易于機械脫水，有利于污泥的進一步處理處置和資源化利用。本課題小組前期選用三氯化鐵溶液、石灰、HAS固化劑為污泥脫水改性劑，采用中心復合設計(CCDs)為實驗設計方法，對改性劑的最佳配方進行實驗研究，在得到最佳投配比的前提下，對可能影響污泥脫水性能的2個因素進行了探究，2個影響因素分別為藥劑投加順序和反應溫度。通過實驗，試圖得到較為理想的工藝參數(shù)，為脫水污泥的回收利用提供科學依據(jù)。

1 實驗材料

實驗用污泥為武漢某污水處理廠機械脫水后的污泥，污泥取回后采用塑料桶封存，在密封、遮光的環(huán)境中保存，溫度控制在10 ℃左右，防止污泥失水和降解[3]。污泥的基本性質見表1。污泥原樣掃描電鏡圖如圖1所示。

表1 污泥的基本性質

圖1 污泥原樣掃描電鏡圖

由表1可知：原污泥含水率為79.32%，有機質含量為40.45%，濕污泥的pH值為7.181，污泥比阻>109s2/g。結合圖1可知，原泥含水率、有機質含量均較高，濕污泥基本呈中性，屬于難以脫水污泥[4]。

HAS 固化劑(專利號：98113594.3)是武漢大學實驗人員申請的專利，它是一種用途廣泛的新型灰渣膠凝材料，主要原料(占80%以上)為工業(yè)廢渣，包括礦渣、磷渣、粉煤灰液態(tài)渣、沸騰爐渣等，另外配以一定比例的活化劑混合磨制而成。該材料具有優(yōu)良的固化性能，且無須沖洗和篩分[5]，能在常溫下固化穩(wěn)定化處理各種固體廢棄物，如粉煤灰、各種工業(yè)尾礦、含泥石屑、粘土、城市垃圾、河海淤泥等。對HAS 固化劑進行基本性能測試，測試結果[5]見表2。

表2 HAS 固化劑的基本性能

石灰取自武漢某石灰廠，為灰白色無定形粉末具有吸潮性，其有效氧化鈣含量為75.39%，消化時間為1 h，消化溫度為65 ℃。

使用無水三氯化鐵(分析純)配制氯化鐵溶液，無水三氯化鐵來源于國藥集團化學試劑有限公司，其質量分數(shù)為38%。

2 實驗方法

2.1 實驗測試方法

參考《城市污水廠污泥檢驗方法》(CJ/T 221-2005)，測試原泥含水率、有機質含量、pH值等理化指標。采用污泥比阻儀分析測試污泥比阻，采用掃描電鏡(SEM)分析測試污泥微觀結構[6]。

2.2 藥劑投加順序

本課題前期研究了以氯化鐵、石灰和HAS固化劑為改性脫水藥劑時，污泥改性脫水情況。利用中心復合法(CCDs)探究了投加藥劑的最佳配比。由前期研究可知，氯化鐵溶液和固體粉末試劑對改善污泥脫水性能有顯著作用，氯化鐵溶液和固體粉末試劑對于污泥改性的作用機理也存在差異，因此考慮試劑的投加順序可能會對污泥改性產生影響，故設計實驗，確定最佳投加順序，并結合SEM圖像進行分析。實驗分為2組，第1組為逆序組：即先加固體粉末，攪拌均勻后，投加氯化鐵溶液；第2組為正序組：即先加氯化鐵溶液，攪拌均勻后，投加固體粉末。

通過對污泥自身性質的了解以及前期預實驗確定了藥劑用量的上下限值，分別為氯化鐵：3%，6%；固相粉末(石灰∶HAS固化劑=1∶1)∶10%，20%。課題研究中利用Design Expert軟件對2個響應值結果進行優(yōu)化，平衡含水率和SRF的綜合影響，得到了氯化鐵和固相粉末的最佳投配比：氯化鐵4.95%、固相粉末(石灰∶HAS固化劑=1∶1)16.50%。

2.3 反應溫度控制

溫度會影響化學反應速率[10]和絮凝效果，故預測溫度會對污泥改性體系產生較為明顯的影響。

實驗基本過程與投加順序實驗一致，溫度梯度見表3。選取表3中溫度梯度進行實驗。數(shù)據(jù)記錄的溫度分別為污泥稀釋用水溫度和污泥改性體系反應溫度。

表3 反應溫度梯度

1)在稀釋過程中，僅對污泥稀釋用水的溫度進行調控。污泥從含水率79.32%稀釋至95%，加水量較大，故水溫即可代表污泥改性體系反應溫度。

2)污泥改性脫水實驗操作過程總用時為10～15 min，時間較短，體系溫度改變微小，故實驗過程中采用開放體系，并未對反應體系進行恒溫處理，因此用污泥稀釋用水的溫度代表體系反應溫度。此外，對稀釋用水溫度的調控也有利于未來工程過程中的操控。

3 結果與討論

3.1 藥劑投加順序對污泥脫水性能的影響

藥劑投加順序對污泥脫水性能的影響見表4。由表4可以明顯發(fā)現(xiàn)，第2組的含水率和污泥比阻均遠遠優(yōu)于第1組的數(shù)據(jù)。由此可見，實驗結果驗證了實驗前期的分析和預測，即藥劑投加順序對實驗結果有明顯影響，且先投加氯化鐵溶液，而后投加固相粉末，為合理的實驗操作順序。

表4 藥劑投加順序對污泥脫水性能的影響

對逆序組改性污泥做了相關SEM分析，即先后對投加固體粉末和氯化鐵溶液改性的污泥分別進行電鏡掃描，如圖2～3所示。圖2是投加固體粉末改性的污泥形貌，圖3為投加氯化鐵溶液后污泥形貌。可以看出，投加固體粉末后污泥內部會出現(xiàn)一些空隙，而投加氯化鐵溶液后，一些細小孔隙減少，顆粒之間連接緊密。因此分析先投加氯化鐵的效果較優(yōu)的原因主要有以下2點。

1)污泥溶液中固體顆粒之間空隙較少。先投加固相粉末后，石灰和HAS固化劑對原本松散的污泥溶液體系起到骨架支撐的作用，形成了出水通道；投加氯化鐵溶液后，由于絮凝作用形成絮體會堵塞部分出水通道，使得污泥脫水性能降低[7]。

2)氯化鐵作為有效的助凝劑，對污泥的聚凝有很大影響，且在弱酸性環(huán)境下，作用最為明顯。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，使得溶液呈堿性環(huán)境，阻礙了氯化鐵溶液的作用[8]。

圖2 投加固體粉末改性污泥 圖3 投加氯化鐵溶液改性污泥

3.2 溫度對最佳配比的影響

溫度會影響化學反應速率[9]和絮凝效果，故溫度會對污泥改性體系產生較為明顯的影響[10]。溫度對污泥含水率的影響結果如圖4所示。圖4中實驗結果顯示，隨著溫度升高，泥餅含水率有所降低。5～15 ℃以及20～40 ℃之間泥餅含水率變化不明顯，15～20 ℃之間泥餅含水率變化較大，呈下降趨勢，并且在17 ℃附近出現(xiàn)最低點。溫度對污泥比阻的影響結果如圖5所示。圖5中實驗結果顯示，污泥比阻(SRF)隨溫度升高整體呈增大趨勢，但在12～17 ℃之間出現(xiàn)下降趨勢，在17 ℃附近SRF出現(xiàn)極小值，和圖中最小值相近。綜合考慮溫度對泥餅含水率和SRF的影響，溫度升高有利于泥餅含水率的降低，但導致SRF有所增大，而溫度在17 ℃附近，泥餅含水率和SRF均出現(xiàn)較低值，滿足實驗要求和實際應用，因此認為實驗最佳溫度范圍在17 ℃±2 ℃。

圖4 溫度對污泥含水率的影響結果

圖5 溫度對污泥比阻的影響結果

4 結論

本文對2個主要影響污泥脫水性能的因素——加藥順序和反應溫度進行探究，得出了以下結論。

1)通過實驗研究原泥的含水率、有機質含量、pH值、SRF以及微觀結構等理化性質，系統(tǒng)的了解了污泥的基本性質。

2)加藥順序應為氯化鐵溶液在先，固相粉末在后。氯化鐵溶液和固相粉末的最佳投配比：氯化鐵溶液4.95%、固相粉末(石灰∶HAS固化劑=1∶1)16.50%。

3)污泥脫水改性時溫度對實驗體系的影響顯著，且存在最佳溫度，實驗結果顯示溫度控制在17 ℃±2 ℃為最佳狀態(tài)。

[1] 郭力方.污泥處理千億級市場靜待釋放[N].中國證券報,2014-02-14.

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

[3] 王睿韜,汪瀾,馬忠誠.市政污泥脫水技術進展[J].中國水泥,2012(4)：57-61.

[4] 黃廷林,聶小保,張剛.水廠生產廢水污泥比阻測定的影響因素分析及方法改進[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2005,37(3):297-300.

[5] 侯浩波,張發(fā)文,魏娜,等.利用HAS固化劑固化尾砂膠結充填的研究[J].武漢理工大學學報,2009(4):7-10.

[6] 楊斌,楊家寬,唐毅,等.粉煤灰和生石灰對生活污水污泥脫水影響研究[J].環(huán)境科學與技術,2007,30(4):98-100.

[7] Yuan H,Zhu N,Song F.Dewaterability characteristics of sludge conditioned with surfactants pretreatment by electrolysis[J].Bioresource Technology,2011,102(3):2308-2315.

[8] Kriipsalu,M Marques M,Maastik A.characterization of oily Sludge from a wastewater treatment plant flocculation-flotation unit in a petroleum refinery and its treatment implications[C].IEEE International conference on Acoustics,2008,30(1):2181-2184.

[9] 朱小麗.聚硅酸的穩(wěn)定性及聚硅酸金屬鹽復合絮凝劑的研究[D].武漢：武漢科技大學,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.

(責任編輯 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

湖北理工學院2013年度省級重點實驗室開放課題基金立項項目(項目編號：2013105)；湖北省技術創(chuàng)新專項重大項目(項目編號：2016ACA162；2016ACA176)。

王漢林，講師，博士，研究方向：廢水處理的新方法、新技術及固體廢物資源化利用。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.006

X705

A

2095-4565(2016)06-0026-04

*通訊作者：周旻，副教授，博士，研究方向：固體廢物資源化與環(huán)境巖土工程研究。