無機(jī)混凝劑與殼聚糖聯(lián)合調(diào)理對污泥脫水影響

　　生活污水處理過程中產(chǎn)生的大量剩余污泥，顆粒較小，含水率高且脫水性能差，制約著污泥資源化和減量化利用。而化學(xué)調(diào)理是改善污泥脫水效果應(yīng)用最廣泛的一種手段，其具有操作簡便、效果顯著的特點(diǎn)。常用的化學(xué)調(diào)理劑有CaO、聚合氯化鋁鐵(PAFC)和聚合氯化鋁(PAC)等無機(jī)混凝劑和PAM等有機(jī)高分子混凝劑〔1〕。單一混凝劑調(diào)理容易出現(xiàn)投加量過大而使脫水效果下降的現(xiàn)象;而無機(jī)混凝劑對過濾速度的提高不如有機(jī)混凝劑，但其“骨架”作用卻有利于污泥脫水程度的提高〔2〕。因此，2種混凝劑聯(lián)合調(diào)理則成為近年來污泥處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。另外，因PAM具有生物毒性，難以被生物降解，天然、無毒、易生物降解的高分子絮凝劑殼聚糖(CTS)替代有機(jī)合成高分子絮凝劑成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。到目前為止，無機(jī)混凝劑與CTS協(xié)同作用已在給水凈化、海水淡化〔3, 4〕等方面有較多的研究和應(yīng)用，但在污泥脫水方面的研究還較少�；�于此，本研究選取2種無機(jī)混凝劑(PAFC、PAC)與CTS聯(lián)合調(diào)理污泥，以期利用殼聚糖的架橋、電中和及螯合作用〔5〕，以及無機(jī)混凝劑的“骨架”等作用實(shí)現(xiàn)對污泥的高效脫水。

　　1 材料與方法

　　1.1 污泥樣品

　　實(shí)驗(yàn)所用污泥取自廣州市大坦沙污水處理廠濃縮池，該廠處理規(guī)模為55萬m3/d，采用A2O工藝。實(shí)驗(yàn)污泥在分析基本性質(zhì)后放在4 ℃冰箱中保存，所有污泥均在5 d內(nèi)使用。污泥的基本性質(zhì)見表 1。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

　　實(shí)驗(yàn)材料：CTS，脫乙酰度≥90%，實(shí)驗(yàn)時(shí)用體積分?jǐn)?shù)為1%的乙酸溶液配制成1 g/L的殼聚糖溶液，臨用前配制。PAC、PAFC，均為工業(yè)級。

　　實(shí)驗(yàn)儀器：ZR4-6型六聯(lián)混凝攪拌儀，深圳中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司;比阻裝置，自制;WGZ-1型濁度計(jì)，上海昕瑞儀器儀表有限公司; Agilent 8453型紫外-可見分光光度計(jì)，安捷倫科技有限公司; Nano-2990 Zeta電位分析儀，英國馬爾文儀器有限公司; Eye Tech激光粒度粒形分析儀，荷蘭安米德有限公司;S-3400N型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

　　1.3 污泥調(diào)理

　　取200 mL 污泥于燒杯中，啟動(dòng)混凝攪拌儀，迅速加入混凝劑。先于250 r/min 下快速攪拌30 s，再在80 r/min下慢攪5 min。靜置30 min后，測定各項(xiàng)指標(biāo)。每組實(shí)驗(yàn)做3個(gè)平行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取其平均值。混凝劑投加量按干污泥量計(jì)。

　　1.4 分析方法

　　以污泥比阻(SRF)和濾餅含水率來評價(jià)污泥脫水效果，輔以測定濾液中SCOD和EPS(蛋白質(zhì)和多糖)來研究調(diào)理對污泥脫水效果的影響。

　　污泥比阻的測定：取100 mL污泥倒入布氏漏斗，在恒定氣壓0.04 MPa下真空抽濾，直至濾餅龜裂，真空度破壞時(shí)結(jié)束。記錄抽濾時(shí)間和濾液體積，測定濾餅含水率，計(jì)算污泥比阻。濾餅含水率采用重量法測定。

　　濾液中SCOD、EPS含量的測定：取40 mL污泥，在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心30 min后，測定濾液EPS和SCOD含量。SCOD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測定;多糖采用蒽酮比色法測定;蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)法測定。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1 CTS調(diào)理對污泥脫水效果的影響

　　2.1.1 CTS投加量對污泥脫水效果的影響

　　取200 mL污泥，采用不同量的CTS對其進(jìn)行調(diào)理，結(jié)果見表 2。

　　從表象觀察，隨著CTS投加量的增加，所形成的絮體增大，上清液增多;但CTS投加超過一定量后，不但不能使污泥形成絮體，反而使污泥混濁，惡化了脫水效果。因此，控制CTS投加量對提高污泥脫水性能較為重要。由表 2可知，污泥比阻、濾餅含水率以及濾液濁度均隨著CTS投加量的增加而先減小后增大。當(dāng)CTS投加量為3.0 mg/g時(shí)，污泥比阻比原泥降低了80.6%，濾餅含水率降至78.37%;當(dāng)CTS投加量為5.0 mg/g時(shí)，污泥比阻和濾餅含水率最低，濾液濁度僅為7.2 NTU，此時(shí)污泥的脫水性能最好，抽濾僅需41 s;繼續(xù)增加CTS投加量，污泥比阻、濾餅含水率均有小幅度上升，這是因?yàn)檫^量的CTS會增加污泥絮體間的黏度〔5〕，阻礙絮凝劑分子的完全伸展，減弱了顆粒間的相互碰撞，使污泥混濁，進(jìn)而影響污泥膠體顆粒的沉降，導(dǎo)致污泥絮凝脫水效果下降。

　　2.1.2 CTS投加量對污泥濾液EPS和SCOD的影響

　　胞外聚合物(EPS)是微生物代謝過程中分泌的包圍在細(xì)胞壁外的有機(jī)大分子物質(zhì)，包括多糖、蛋白質(zhì)、少量DNA和脂類等〔6, 7〕，其組成和濃度直接影響著污泥的表面特性、絮凝沉降性和脫水性能。對污泥采用CTS調(diào)理后，濾液中EPS和SCOD濃度的變化如圖 1所示。

 圖 1 CTS 調(diào)理對濾液EPS和SCOD的影響

　　從圖 1可以看出，污泥濾液EPS中蛋白質(zhì)和多糖濃度隨著CTS投加量的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，與污泥比阻的變化趨勢一致，說明污泥的脫水性能與污泥中EPS及CTS與EPS的相互作用相關(guān)。當(dāng)CTS投加量為3.0 mg/g時(shí)，濾液EPS中蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度達(dá)到最小，分別為0.14、10.16 μg/mL;繼續(xù)增加CTS投加量，EPS含量有所上升，相應(yīng)的污泥脫水性能會有所下降。分析認(rèn)為，污泥絮體中EPS屬于親水性物質(zhì)，其通過極性基團(tuán)吸附水分子，使其表面形成一層水化膜，阻礙顆粒的相互凝結(jié)，保持顆粒的穩(wěn)定性〔8〕。加入CTS后，由于吸附架橋和電中和作用，水化作用及水化膜隨之減弱或消失，污泥顆粒脫穩(wěn)，釋放水分子，同時(shí)通過絮凝及凝聚作用形成大的絮體，因此，釋放到濾液中的EPS含量減少。 CTS投加量增加到一定程度后，繼續(xù)增加CTS投加量，CTS對蛋白質(zhì)和多糖的凝集能力減弱，污泥黏度增大，導(dǎo)致混凝作用減弱，濾液EPS含量升高，污泥脫水性變差。

　　污泥濾液SCOD含量隨CTS投加量的增加持續(xù)上升，這可能與EPS溶解和CTS本身也會引起水中有機(jī)物含量的增多有關(guān)。

　　2.2 無機(jī)混凝劑與CTS聯(lián)合調(diào)理對污泥脫水效果的影響

　　取200 mL污泥，分別采用PAFC、PAC、PAFC+CTS、PAC+CTS對其進(jìn)行調(diào)理，CTS投加量為3.0 mg/g，結(jié)果如圖 2所示。

 圖 2 無機(jī)混凝劑與CTS聯(lián)合調(diào)理對污泥比阻和濾餅含水率的影響

　　由圖 2可知，對于單獨(dú)使用無機(jī)混凝劑調(diào)理，污泥比阻和濾餅含水率隨著PAFC、PAC投加量的增加呈現(xiàn)先快速降低，再趨于平穩(wěn)，后略有上升的趨勢。當(dāng)PAFC、PAC投加量為60 mg/g時(shí)，PAFC、PAC調(diào)理污泥比阻比原泥分別降低了73.2%和77.2%，濾餅含水率分別為77.6%和77.89%。對于無機(jī)混凝劑與CTS聯(lián)合調(diào)理，隨著無機(jī)混凝劑的增多，污泥比阻無明顯變化，濾餅含水率則呈小幅減少再升高的趨勢。當(dāng)PAFC、PAC投加量為60 mg/g，CTS投加量為3.0 mg/g時(shí)，PAFC+CTS、PAC+CTS調(diào)理污泥比阻比原泥分別降低了87.9%和84.9%，濾餅含水率分別為76.3%和76.9%。可以看出，對于污泥脫水，無機(jī)混凝劑與CTS聯(lián)合調(diào)理優(yōu)于單一混凝劑調(diào)理。這是因?yàn)闊o機(jī)混凝劑水解生成大量疏水性氫氧化物聚合體，可充分發(fā)揮其電中和作用，破壞污泥的穩(wěn)定性;而后加入CTS，在強(qiáng)化電中和的同時(shí)，CTS分子上的氨基可以與污泥中金屬離子發(fā)生螯合，并充分發(fā)揮其立體環(huán)式結(jié)構(gòu)及尾式結(jié)構(gòu)的橋連作用，使其分子鏈在已經(jīng)脫穩(wěn)的顆粒物之間架橋，增強(qiáng)凝聚能力〔9〕。無機(jī)混凝劑與CTS的協(xié)同作用使污泥絮體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，進(jìn)而提高了污泥脫水性。

　　相比于單獨(dú)使用無機(jī)混凝劑調(diào)理，采用無機(jī)混凝劑與CTS聯(lián)合調(diào)理污泥，要達(dá)到相同的脫水效果，無機(jī)混凝劑的投加量減少了，減少了剩余污泥的絕干量，也減少了含金屬污泥的生成。

　　2.3 不同調(diào)理?xiàng)l件對污泥微觀形態(tài)的影響

　　不同調(diào)理?xiàng)l件對污泥微觀形態(tài)的影響見表 3，不同調(diào)理?xiàng)l件下污泥絮體形態(tài)的變化見圖 3

 圖 3 不同調(diào)理?xiàng)l件下污泥絮體形態(tài)的變化

　　由表 3和圖 3(a)可知，原泥粒徑較小，顆粒排列分散。采用單一PAFC、PAC調(diào)理后，污泥平均粒徑分別增至18.99、16.81 μm，Zeta電位分別升至-6.06、-5.78 mV(見表 3);調(diào)理后絮體呈現(xiàn)較為平坦的均勻的絮狀形態(tài)，同時(shí)也存在孔洞〔如圖 3(b)、圖 3(c)所示〕，這是因?yàn)镻AFC、PAC發(fā)揮了電中和、吸附架橋的作用。經(jīng)無機(jī)混凝劑調(diào)理再投加CTS調(diào)理后，污泥平均粒徑分別增至59.07、54.69 μm，Zeta電位分別升至-3.20、-3.35 mV(見表 3)，聯(lián)合調(diào)理后污泥粒徑明顯增大，Zeta電位上升。這是由于CTS可以中和顆粒表面的負(fù)電荷，減少污泥顆粒間的排斥力，且其又具有較好的吸附架橋作用，可使已脫穩(wěn)的顆粒迅速形成大的絮體，絮體呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)的聚集形態(tài)，并具有起伏不平的鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，比單一無機(jī)混凝劑調(diào)理時(shí)團(tuán)聚性顯著增強(qiáng)，孔洞增大〔如圖 3(d)、圖 3(e)所示〕，所以聯(lián)合調(diào)理具有更好的脫水效果。此外，由表 3還可以看出，相比PAC+CTS調(diào)理，PAFC+CTS調(diào)理后形成的絮體粒徑更大，Zeta電位也更趨于電中性，脫水效果更好。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)單獨(dú)采用CTS進(jìn)行污泥調(diào)理，當(dāng)CTS投加量為3.0 mg/g時(shí)，CTS的電中和與吸附架橋作用發(fā)揮充分，污泥比阻比原泥降低了80.6%，濾餅含水率低至78.37%;當(dāng)CTS投加量為5.0 mg/g時(shí)，污泥比阻和濾餅含水率均為最低，脫水效果最好。

　　(2)采用CTS進(jìn)行污泥調(diào)理，濾液中EPS含量隨著CTS投加量的增加呈先減少后有所上升的趨勢，當(dāng)CTS投加量為3.0 mg/g時(shí)，濾液中EPS含量最低;而濾液中SCOD含量則隨著CTS投加量的增加而持續(xù)升高。

　　(3)采用無機(jī)混凝劑與CTS聯(lián)合調(diào)理污泥，污泥絮體團(tuán)聚性顯著增強(qiáng)，粒徑增大，脫水效果明顯優(yōu)于單一無機(jī)混凝劑。當(dāng)無機(jī)混凝劑PAFC和PAC投加量分別為60 mg/g ，CTS投加量為3.0 mg/g時(shí)，污泥比阻比原泥分別下降了87.90%和84.93%，濾餅含水率降至76.3%和76.9%。其中，PAFC與CTS聯(lián)合調(diào)理污泥形成的絮體更大，Zeta電位也更趨于電中性，效果更佳。