生物殼粉與CPAM聯(lián)用改善污泥脫水性能的研究

劉一止，周先桃，楊 彤

（華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200030）

據(jù)統(tǒng)計，2019年我國的污泥產(chǎn)量已超過6 000萬t，預計2025年產(chǎn)量將超過9 000萬t〔1〕。污泥的處理與處置是污水處理中花費最高且較為復雜的環(huán)節(jié)，其中污泥脫水是污泥處理過程的關鍵一環(huán)。直接對污泥進行脫水處理效果不佳，一般在脫水之前對污泥進行調(diào)理以改善污泥特性，達到提高脫水效率的目的〔2〕。

污泥調(diào)理方法主要包括化學調(diào)理、物理調(diào)理、化學物理聯(lián)合調(diào)理、微生物調(diào)節(jié)等〔3〕。常見的化學調(diào)理劑如陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）、三氯化鐵（FeCl3）可以中和帶電污泥，促使其凝聚成更大絮體，使絮體內(nèi)部的水更易脫出〔4〕，這樣雖然可以提高污泥的脫水效率，但易引起二次污染，所以近年來研究者也在嘗試使用物理調(diào)理劑。物理調(diào)理劑一般不具備絮凝效果，通過在污泥中形成堅硬的骨架結構，維持通暢的排水通道，從而提高污泥的脫水性能〔5〕。

目前研究較多的物理調(diào)理劑包括生物質(zhì)材料（稻谷殼、秸稈和林業(yè)產(chǎn)物等）以及礦物基質(zhì)材料（石灰及粉煤灰等）〔6〕。吳彥等〔7〕研究了農(nóng)林廢棄物稻殼對污泥脫水性能的改善情況，當?shù)練づcFeCl3聯(lián)用時污泥比阻降低了59.73%，污泥凈產(chǎn)率增加45.27%。郭俊元等〔8〕利用玉米秸稈制備了生物炭及AlCl3改性生物炭，污泥比阻下降為1.3×1012m/kg，污泥凈產(chǎn)量增加到17.8 kg/（m2·h）。許多研究者探索了物理調(diào)理劑的效果，但是相當一部分專注于植物礦物類物理調(diào)理劑，缺少對生物殼調(diào)理劑的探索。

我國的垃圾填埋場中填埋有大量蛋殼和貝殼，這些廢棄生物殼不僅未得到有效利用，還會污染環(huán)境〔9〕。將廢棄生物殼作為污泥調(diào)理劑還鮮有研究報道。貝殼粉和蛋殼粉的性質(zhì)與粉煤灰相似，都具有一定吸附性能，有成為優(yōu)良調(diào)理劑的可能。筆者擬將廢棄生物殼作為新型骨架構建體調(diào)理污泥，研究其改善污泥脫水性能的效果，分析生物殼骨架對污泥脫水性能的影響及作用機理。

1 試驗部分

1.1 污泥來源

試驗污泥取自上海市某污水處理廠的二沉池，取回后先重力沉降3 h，去除上層清液后靜置在4℃冰箱中冷藏保存。每次脫水試驗前，污泥樣品需置于20℃恒溫水浴鍋內(nèi)預處理30 min。污泥樣品含水率98.9%，含有機質(zhì)49.7%，pH 7.65～7.80，污泥比阻（SRF）為1.13×1013m/kg，污泥凈產(chǎn)率（YN）1.21 kg/（m2·h）。

1.2 儀器與材料

BSM-220.4型電子天平，上海卓精電子科技有限公司；101-0A型電熱鼓風干燥箱，上海秋佐科學儀器有限公司；SHB-Ⅲ型真空泵、84-1A型磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；HH-1型恒溫水浴鍋，常州智博瑞儀器制造有限公司。

貝殼粉及蛋殼粉，自購，過0.150 mm篩（100目篩）后在恒溫烘箱中烘干，之后密封保存，置于常溫干燥環(huán)境中備用。

與生物殼粉末聯(lián)合調(diào)理污泥的化學調(diào)理劑使用陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）。CPAM溶液的質(zhì)量分數(shù)為0.1%（質(zhì)量濃度為1 g/L）。CPAM-A、CPAM-B、CPAM-C的相對分子質(zhì)量分別為800萬、1 000萬、1 200萬，離子度均為20%，純度>99%。

1.3 試驗過程

（1）生物殼單獨調(diào)理污泥脫水試驗。以污泥干質(zhì)量計，分別取質(zhì)量分數(shù)為10%、20%、30%、40%、50%、60%的生物殼粉（蛋殼粉或貝殼粉）加入200 mL污泥中，用磁力攪拌器高速攪拌2 min，然后低速攪拌10 min，使生物殼粉完全溶于污泥，靜置30 min。

（2）CPAM單獨調(diào)理污泥脫水試驗。取質(zhì)量分數(shù)為0.1%的CPAM-A（或CPAM-B、CPAM-C）溶液，分別按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攪拌2、10 min，使CPAM溶液與污泥充分均勻混合，靜置30 min。

（3）CPAM與生物殼聯(lián)合調(diào)理污泥脫水試驗。確定最佳生物殼類型、最佳CPAM投加量，考察生物殼粉末與CPAM聯(lián)合調(diào)理污泥時二者添加順序?qū)ξ勰嗝撍阅艿挠绊?；考察不同投加量的生物殼粉末與定量CPAM聯(lián)合調(diào)理對污泥脫水性能的影響；考察定量的生物殼粉末與不同投加量的CPAM聯(lián)合調(diào)理對污泥脫水性能的影響。

（4）對比貝殼粉、CPAM、貝殼粉與CPAM聯(lián)合調(diào)理對污泥的壓縮效果，分析污泥脫水作用機理。

1.4 污泥脫水性能評價

（1）泥餅含水率（FCMC）常用來表示污泥的脫水性能。將脫水后的泥餅放入電熱干燥箱中烘干至質(zhì)量無變化（設定溫度為105℃、烘干12 h以上），取出泥餅冷卻后稱重，根據(jù)烘干前后泥餅質(zhì)量的變化計算含水率。

（2）污泥比阻（SRF）通常用來表示污泥脫水的難易程度。污泥比阻越大，表示污泥過濾阻力越大，越難以脫水〔10〕。試驗采用標準布氏漏斗法測定和計算污泥比阻。污泥的過濾直徑為8 cm，過濾壓力為0.03 MPa，脫水時間為15 min。

（3）污泥凈產(chǎn)率（YN）通常用來表示在單位時間單位過濾面積上過濾的污泥固體量。YN越大，表明污泥的脫水性能越好，計算方法見式（1）～式（3）。

式中：YN——污泥凈產(chǎn)率，kg/（m2·h）；

F——修正因子；

P——過濾壓強，N/m2；

μ——濾液的動力黏度系數(shù)，N·s/m2；

ω——單位體積的濾液在過濾介質(zhì)上濾得的固體總量，kg/m3；

t——過濾時間，s；

SRF——污泥比阻，m/kg；

SSoriginal——每升純污泥中包含的固體質(zhì)量，g；

SSconditioner——每升純污泥中添加的調(diào)理劑固體質(zhì)量，g；

ωi——100 g污泥中干固體的質(zhì)量，g；

ωf——100 g泥餅中干固體的質(zhì)量，g。

（4）可壓縮系數(shù)。泥餅的可壓縮性表示在壓力作用下污泥體積因受壓而變小的性質(zhì)〔10〕，一般用可壓縮系數(shù)（S）表示污泥壓縮性的大小，計算方法見式（4）。

式中：S——可壓縮系數(shù)；

P0——參考壓強，MPa；

Pi——實際壓強，MPa；

SRF0——參考壓強下測得的污泥比阻，m/kg；

SRFi——實際壓強下測得的污泥比阻，m/kg。

2 結果與分析

2.1 貝殼粉、蛋殼粉單獨調(diào)理時污泥的脫水性能

在生物殼粉末單獨調(diào)理污泥的壓濾脫水試驗中，考察不同投加比例下（以污泥干質(zhì)量為基準）貝殼粉、蛋殼粉對污泥凈產(chǎn)率及泥餅含水率的影響，結果如圖1所示。

圖1 生物殼投加量對污泥凈產(chǎn)率（a）及泥餅含水率（b）的影響Fig.1 Effect of bioshell dosage on sludge yield（a）and moisture content of sludge cake（b）

由圖1（a）可知，兩種生物殼粉都對污泥凈產(chǎn)率（YN）有一定的改善作用，隨著貝殼粉和蛋殼粉投加量的不斷增加，污泥凈產(chǎn)率均表現(xiàn)為先大幅上升后小幅下降的趨勢。當貝殼粉投加量為30%時，污泥凈產(chǎn)率為1.31 kg/（m2·h），與未經(jīng)調(diào)理的污泥〔1.21 kg/（m2·h）〕相比，增長了8.3%。蛋殼粉投加量對YN的影響與貝殼粉類似，但其YN低于投加貝殼粉時的情況，當?shù)皻し弁都恿吭?0%時，污泥凈產(chǎn)率達到峰值，為1.28 kg/（m2·h）。貝殼粉效果略好于蛋殼粉，可能是由于同樣大小的貝殼粉顆粒硬度大于蛋殼粉顆粒硬度，可以更有效地增強濾餅的抗壓性能，便于水分從中排出。

從圖1（b）看出，隨著生物殼投加量的增加泥餅含水率呈不斷下降趨勢。貝殼粉投加量在10%～60%內(nèi)，污泥的泥餅含水率從81.3%降至67.1%；貝殼粉投加量在40%～60%時，泥餅含水率的降幅相比10%～30%的小。這是因為生物殼粉末雖然有助于構建出水通道，但也具有吸水性，同時過多粉末會堵塞出水通道。由污泥凈產(chǎn)率來看，其最佳投加量為污泥干質(zhì)量的30%，過多的粉末反而效率不高。

蛋殼粉投加量為30%時，泥餅含水率降為70.1%，較原污泥的泥餅含水率（81.3%）下降13.8%。蛋殼粉對泥餅含水率的影響與貝殼粉類似，相比于樹葉粉調(diào)理可將泥餅含水率從87.63%降至76.52%〔6〕，貝殼粉的調(diào)理更具優(yōu)勢，與木屑降低泥餅含水量的效果相差不多。

上述結果表示：適量投加貝殼粉及蛋殼粉能夠有效改善污泥的脫水性能，且貝殼粉對脫水性能的改善效果優(yōu)于蛋殼粉，其最佳投加量為污泥干質(zhì)量的30%。

2.2 CPAM對污泥脫水性能的影響

取現(xiàn)配的質(zhì)量分數(shù)為0.1%的CPAM溶液（CPAM的 相 對 分 子 質(zhì) 量 分 別 為800萬、1 000萬、1 200萬）加入污泥中，研究3種CPAM溶液投加量在10～60 mg/L范圍內(nèi)時泥餅含水率、污泥比阻的變化規(guī)律，結果見圖2。

圖2 CPAM投加量對污泥比阻（a）及泥餅含水率（b）的影響Fig.2 Effect of CPAM dosage on sludge specific resistance（a）and moisture content of sludge cakes（b）

由圖2（a）可見，3種CPAM溶液對污泥比阻都有一定改善效果。投加量在10～60 mg/L時，隨著CPAM投加量的增加，污泥比阻表現(xiàn)為先下降后上升。加入20 mg/L CPAM-B時，污泥比阻為7.25×1012m/kg，加入30 mg/L CPAM-C時，污泥比阻為7.47×1012m/kg，兩者效果相差不大，考慮到經(jīng)濟因素，選擇投加20 mg/L的CPAM-B，可有效降低污泥比阻。由圖2（b）可知，原污泥的泥餅含水率為82.2%，在10～60 mg/L的范圍內(nèi)，隨著CPAM投加量的遞增，泥餅含水率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，這與CPAM投加量對污泥比阻的影響規(guī)律一致。在這3種CPAM中，經(jīng)CPAM-B（相對分子質(zhì)量為1 000萬）調(diào)理后的污泥脫水效率最高，其最佳投加質(zhì)量濃度為20 mg/L，此時泥餅含水率達到最低值75.3%，相較于原污泥的泥餅含水率降低了8.4%。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是：使用過量CPAM進行調(diào)理，污泥中的CPAM濃度過高，與污泥之間的斥力作用逐漸增大，導致污泥黏度上升，污泥內(nèi)部水分的擴散速率變慢，從而增加污泥的抽濾難度，影響污泥的脫水性能。

根據(jù)以上分析可知，3種CPAM中以相對分子質(zhì)量為1 000萬的CPAM對污泥的調(diào)理效果最佳，最佳投加質(zhì)量濃度為20 mg/L。

2.3 貝殼粉與CPAM聯(lián)合調(diào)理對脫水性能的影響

（1）貝殼粉與CPAM聯(lián)合調(diào)理時投加順序的優(yōu)化?；瘜W調(diào)理劑與物理調(diào)理劑兩者聯(lián)合使用時，由于作用方式不一樣，調(diào)理劑的投加順序會對污泥調(diào)理結果產(chǎn)生一定影響，進而影響污泥脫水性能。

分別采用3種投加順序：同時投加貝殼粉和CPAM水溶液；先投加貝殼粉后投加CPAM水溶液；先投加CPAM水溶液后投加貝殼粉。試驗中貝殼粉投加量為污泥干質(zhì)量的30%，CPAM投加質(zhì)量濃度為20 mg/L。3種投加順序?qū)ξ勰嗝撍阅艿挠绊懭绫?所示。

由表1可見，先投加貝殼粉后投加CPAM時SRF最小，YN最大。原因可能在于，在污泥與貝殼粉充分混合的情況下CPAM可以更好地發(fā)揮絮凝作用，更利于水分的排出。

（2）聯(lián)合調(diào)理時貝殼粉投加量的優(yōu)化。在污泥中投加不同量的貝殼粉（投加質(zhì)量分數(shù)分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%，以污泥干質(zhì)量為基準），再投加20 mg/L CPAM溶液，考察其對污泥比阻、泥餅含水率、泥餅質(zhì)量變化率的影響，結果見圖3。

圖3 貝殼粉投加量對污泥脫水效果的影響Fig.3 Effect of shell powder dosage on sludge dewatering

從圖3可知，貝殼粉投加量增加會使泥餅含水率和污泥比阻呈現(xiàn)下降趨勢。與分別調(diào)理相比，二者聯(lián)合調(diào)理對污泥的脫水效果更好。當貝殼粉投加量為15%時，污泥比阻降至3.03×1012m/kg，泥餅含水率降至63.63%，與CPAM單獨調(diào)理時相比，濾餅質(zhì)量上升了2.62%。

（3）聯(lián)合調(diào)理時CPAM投加量的優(yōu)化。保持貝殼粉投加量為污泥干質(zhì)量的15%，之后向污泥中添加CPAM溶液，投加量分別為5、10、15、20、25 mg/L，考察CPAM投加量對污泥比阻、泥餅含水率及泥餅質(zhì)量變化率的影響，結果見圖4。

圖4 CPAM投加量對污泥脫水效果的影響Fig.4 Effect of CPAM dosage on sludge dewatering

由圖4可見，CPAM投加量增加后污泥比阻、泥餅含水率、泥餅質(zhì)量變化率均呈現(xiàn)不斷下降的趨勢。當貝殼粉投加量為15%、CPAM投加量為10 mg/L時，污泥比阻降至4.68×1012m/kg，泥餅含水率降至68%；與貝殼粉單獨調(diào)理相比，濾餅質(zhì)量降低了8.11%。后續(xù)繼續(xù)增大CPAM的投加量，污泥比阻、泥餅含水率及濾餅質(zhì)量均下降緩慢。

考慮到經(jīng)濟成本，使用CPAM和貝殼粉對污泥進行聯(lián)合調(diào)理，先投加15%貝殼粉再加入10 mg/L CPAM可達到較理想的脫水效果。相較于原污泥，聯(lián)合調(diào)理后污泥比阻降低了58.6%，泥餅含水率降低了17.3%；相較于CPAM單獨調(diào)理，聯(lián)合調(diào)理后污泥比阻降低了25.1%，泥餅含水率降低了9.7%。與稻殼粉作物理調(diào)理劑的效果相比（污泥比阻降低59.73%），兩者相差不大。

繼續(xù)投加貝殼粉和CPAM效果不夠理想的原因在于，投加過多物理調(diào)理劑會使污泥質(zhì)量變大，同時過量化學調(diào)理劑會使污泥黏度上升，反而加大污泥的后續(xù)處置負擔。聯(lián)合調(diào)理的最佳投加條件：貝殼粉投加量為污泥干質(zhì)量的15%，CPAM投加質(zhì)量濃度為10 mg/L，投加順序為先添加貝殼粉后添加CPAM。

在常規(guī)污水處理廠中，1 t污泥一般添加10～20 g CPAM用于調(diào)理，相對于繼續(xù)添加CPAM，添加一定量的貝殼粉可以減少化學調(diào)理劑的投加量，降低調(diào)理費用。

2.4 脫水后泥餅的可壓縮性

考察各種調(diào)理劑對泥餅可壓縮系數(shù)的影響，結果如圖5所示。

圖5 泥餅可壓縮系數(shù)變化情況Fig.5 Variation of compressibility coefficient of sludge cake

由圖5可見，原污泥泥餅的可壓縮系數(shù)（S1）為1.25。經(jīng)CPAM單獨調(diào)理后，泥餅的可壓縮系數(shù)（S2）為1.02；貝殼粉單獨調(diào)理后，泥餅可壓縮系數(shù)（S3）變?yōu)?.96；貝殼粉與CPAM復配使用時，泥餅可壓縮系數(shù)（S4）為0.85，在3種調(diào)理方式中其可壓縮系數(shù)最低，說明此時泥餅有較高的抗壓縮性。

綜上可知，貝殼粉可以有效降低污泥的可壓縮性，與CPAM聯(lián)用時二者產(chǎn)生相互協(xié)同作用。在CPAM的作用下，貝殼粉與污泥顆粒相互吸引，增強了貝殼粉的骨架構建及助濾作用，使污泥孔隙率增大，這可能是二者共同作用時泥餅的可壓縮性降至最低、污泥脫水性能最佳的主要原因。

3 結論

（1）采用生物殼粉末單獨調(diào)理污泥時，貝殼粉的調(diào)理效果優(yōu)于蛋殼粉。當貝殼粉投加量為污泥干質(zhì)量的30%時，污泥脫水效果最好，與未經(jīng)調(diào)理的污泥相比，污泥凈產(chǎn)率從1.21 kg/（m2·h）升至1.31 kg/（m2·h），泥餅含水率從81.3%降至70.1%。

（2）使用3種不同相對分子質(zhì)量的CPAM單獨調(diào)理污泥，相對分子質(zhì)量為1 000萬的CPAM對污泥脫水效果的改善程度最好，最佳投加質(zhì)量濃度為20 mg/L，與原污泥相比，污泥比阻由11.3×1012m/kg降至7.25×1012m/kg，泥餅含水率由82.2%降至75.3%。

（3）相對分子質(zhì)量為1 000萬的CPAM與貝殼粉聯(lián)合調(diào)理的脫水效果優(yōu)于二者單獨調(diào)理污泥時的效果。聯(lián)合調(diào)理的最佳投加方案：先投加15%貝殼粉，再投加10 mg/L CPAM，與未經(jīng)處理的污泥相比，污泥比阻降至4.68×1012m/kg，泥餅含水率降至68%，與貝殼粉單獨調(diào)理的泥餅相比，質(zhì)量降低了8.11%。

（4）貝殼粉與CPAM聯(lián)合使用改善污泥脫水的作用機理可能是：一方面，由于貝殼粉為骨架顆粒，具備一定的硬度，在高壓下可保持低可壓縮性和高滲透性；另一方面，貝殼粉與CPAM聯(lián)合使用時，泥餅的可壓縮系數(shù)由開始的1.25降至0.85，說明在CPAM的作用下，貝殼粉能夠與污泥顆粒絮凝到一起，從而增強貝殼粉的骨架構建與助濾作用。