无机混凝剂与壳聚糖联合调理对污泥脱水影响

Posted 2023-01-13 污泥脱水

篇首语：知识是工具，而不是目的。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了无机混凝剂与壳聚糖联合调理对污泥脱水影响相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　生活污水处理过程中产生的大量剩余污泥，颗粒较小，含水率高且脱水性能差，制约着污泥资源化和减量化利用。而化学调理是改善污泥脱水效果应用最广泛的一种手段，其具有操作简便、效果显著的特点。常用的化学调理剂有CaO、聚合氯化铝铁(PAFC)和聚合氯化铝(PAC)等无机混凝剂和PAM等有机高分子混凝剂〔1〕。单一混凝剂调理容易出现投加量过大而使脱水效果下降的现象;而无机混凝剂对过滤速度的提高不如有机混凝剂，但其“骨架”作用却有利于污泥脱水程度的提高〔2〕。因此，2种混凝剂联合调理则成为近年来污泥处理领域的研究热点。另外，因PAM具有生物毒性，难以被生物降解，天然、无毒、易生物降解的高分子絮凝剂壳聚糖(CTS)替代有机合成高分子絮凝剂成为了人们关注的焦点。到目前为止，无机混凝剂与CTS协同作用已在给水净化、海水淡化〔3, 4〕等方面有较多的研究和应用，但在污泥脱水方面的研究还较少。基于此，本研究选取2种无机混凝剂(PAFC、PAC)与CTS联合调理污泥，以期利用壳聚糖的架桥、电中和及螯合作用〔5〕，以及无机混凝剂的“骨架”等作用实现对污泥的高效脱水。

　　1 材料与方法

　　1.1 污泥样品

　　实验所用污泥取自广州市大坦沙污水处理厂浓缩池，该厂处理规模为55万m3/d，采用A2O工艺。实验污泥在分析基本性质后放在4 ℃冰箱中保存，所有污泥均在5 d内使用。污泥的基本性质见表 1。

　　1.2 实验材料与仪器

　　实验材料：CTS，脱乙酰度≥90%，实验时用体积分数为1%的乙酸溶液配制成1 g/L的壳聚糖溶液，临用前配制。PAC、PAFC，均为工业级。

　　实验仪器：ZR4-6型六联混凝搅拌仪，深圳中润水工业技术发展有限公司;比阻装置，自制;WGZ-1型浊度计，上海昕瑞仪器仪表有限公司; Agilent 8453型紫外-可见分光光度计，安捷伦科技有限公司; Nano-2990 Zeta电位分析仪，英国马尔文仪器有限公司; Eye Tech激光粒度粒形分析仪，荷兰安米德有限公司;S-3400N型扫描电子显微镜，日本日立公司。

　　1.3 污泥调理

　　取200 mL 污泥于烧杯中，启动混凝搅拌仪，迅速加入混凝剂。先于250 r/min 下快速搅拌30 s，再在80 r/min下慢搅5 min。静置30 min后，测定各项指标。每组实验做3个平行，实验数据取其平均值。混凝剂投加量按干污泥量计。

　　1.4 分析方法

　　以污泥比阻(SRF)和滤饼含水率来评价污泥脱水效果，辅以测定滤液中SCOD和EPS(蛋白质和多糖)来研究调理对污泥脱水效果的影响。

　　污泥比阻的测定：取100 mL污泥倒入布氏漏斗，在恒定气压0.04 MPa下真空抽滤，直至滤饼龟裂，真空度破坏时结束。记录抽滤时间和滤液体积，测定滤饼含水率，计算污泥比阻。滤饼含水率采用重量法测定。

　　滤液中SCOD、EPS含量的测定：取40 mL污泥，在4 000 r/min的转速下离心30 min后，测定滤液EPS和SCOD含量。SCOD采用标准重铬酸钾法测定;多糖采用蒽酮比色法测定;蛋白质采用考马斯亮蓝法测定。

　　2 实验结果与讨论

　　2.1 CTS调理对污泥脱水效果的影响

　　2.1.1 CTS投加量对污泥脱水效果的影响

　　取200 mL污泥，采用不同量的CTS对其进行调理，结果见表 2。

　　从表象观察，随着CTS投加量的增加，所形成的絮体增大，上清液增多;但CTS投加超过一定量后，不但不能使污泥形成絮体，反而使污泥混浊，恶化了脱水效果。因此，控制CTS投加量对提高污泥脱水性能较为重要。由表 2可知，污泥比阻、滤饼含水率以及滤液浊度均随着CTS投加量的增加而先减小后增大。当CTS投加量为3.0 mg/g时，污泥比阻比原泥降低了80.6%，滤饼含水率降至78.37%;当CTS投加量为5.0 mg/g时，污泥比阻和滤饼含水率最低，滤液浊度仅为7.2 NTU，此时污泥的脱水性能最好，抽滤仅需41 s;继续增加CTS投加量，污泥比阻、滤饼含水率均有小幅度上升，这是因为过量的CTS会增加污泥絮体间的黏度〔5〕，阻碍絮凝剂分子的完全伸展，减弱了颗粒间的相互碰撞，使污泥混浊，进而影响污泥胶体颗粒的沉降，导致污泥絮凝脱水效果下降。

　　2.1.2 CTS投加量对污泥滤液EPS和SCOD的影响

　　胞外聚合物(EPS)是微生物代谢过程中分泌的包围在细胞壁外的有机大分子物质，包括多糖、蛋白质、少量DNA和脂类等〔6, 7〕，其组成和浓度直接影响着污泥的表面特性、絮凝沉降性和脱水性能。对污泥采用CTS调理后，滤液中EPS和SCOD浓度的变化如图 1所示。

图 1 CTS 调理对滤液EPS和SCOD的影响

　　从图 1可以看出，污泥滤液EPS中蛋白质和多糖浓度随着CTS投加量的增加呈现先降低后上升的趋势，与污泥比阻的变化趋势一致，说明污泥的脱水性能与污泥中EPS及CTS与EPS的相互作用相关。当CTS投加量为3.0 mg/g时，滤液EPS中蛋白质和多糖质量浓度达到最小，分别为0.14、10.16 μg/mL;继续增加CTS投加量，EPS含量有所上升，相应的污泥脱水性能会有所下降。分析认为，污泥絮体中EPS属于亲水性物质，其通过极性基团吸附水分子，使其表面形成一层水化膜，阻碍颗粒的相互凝结，保持颗粒的稳定性〔8〕。加入CTS后，由于吸附架桥和电中和作用，水化作用及水化膜随之减弱或消失，污泥颗粒脱稳，释放水分子，同时通过絮凝及凝聚作用形成大的絮体，因此，释放到滤液中的EPS含量减少。 CTS投加量增加到一定程度后，继续增加CTS投加量，CTS对蛋白质和多糖的凝集能力减弱，污泥黏度增大，导致混凝作用减弱，滤液EPS含量升高，污泥脱水性变差。

　　污泥滤液SCOD含量随CTS投加量的增加持续上升，这可能与EPS溶解和CTS本身也会引起水中有机物含量的增多有关。

　　2.2 无机混凝剂与CTS联合调理对污泥脱水效果的影响

　　取200 mL污泥，分别采用PAFC、PAC、PAFC+CTS、PAC+CTS对其进行调理，CTS投加量为3.0 mg/g，结果如图 2所示。

图 2 无机混凝剂与CTS联合调理对污泥比阻和滤饼含水率的影响

　　由图 2可知，对于单独使用无机混凝剂调理，污泥比阻和滤饼含水率随着PAFC、PAC投加量的增加呈现先快速降低，再趋于平稳，后略有上升的趋势。当PAFC、PAC投加量为60 mg/g时，PAFC、PAC调理污泥比阻比原泥分别降低了73.2%和77.2%，滤饼含水率分别为77.6%和77.89%。对于无机混凝剂与CTS联合调理，随着无机混凝剂的增多，污泥比阻无明显变化，滤饼含水率则呈小幅减少再升高的趋势。当PAFC、PAC投加量为60 mg/g，CTS投加量为3.0 mg/g时，PAFC+CTS、PAC+CTS调理污泥比阻比原泥分别降低了87.9%和84.9%，滤饼含水率分别为76.3%和76.9%。可以看出，对于污泥脱水，无机混凝剂与CTS联合调理优于单一混凝剂调理。这是因为无机混凝剂水解生成大量疏水性氢氧化物聚合体，可充分发挥其电中和作用，破坏污泥的稳定性;而后加入CTS，在强化电中和的同时，CTS分子上的氨基可以与污泥中金属离子发生螯合，并充分发挥其立体环式结构及尾式结构的桥连作用，使其分子链在已经脱稳的颗粒物之间架桥，增强凝聚能力〔9〕。无机混凝剂与CTS的协同作用使污泥絮体结构发生明显变化，进而提高了污泥脱水性。

　　相比于单独使用无机混凝剂调理，采用无机混凝剂与CTS联合调理污泥，要达到相同的脱水效果，无机混凝剂的投加量减少了，减少了剩余污泥的绝干量，也减少了含金属污泥的生成。

　　2.3 不同调理条件对污泥微观形态的影响

　　不同调理条件对污泥微观形态的影响见表 3，不同调理条件下污泥絮体形态的变化见图 3

图 3 不同调理条件下污泥絮体形态的变化

　　由表 3和图 3(a)可知，原泥粒径较小，颗粒排列分散。采用单一PAFC、PAC调理后，污泥平均粒径分别增至18.99、16.81 μm，Zeta电位分别升至-6.06、-5.78 mV(见表 3);调理后絮体呈现较为平坦的均匀的絮状形态，同时也存在孔洞〔如图 3(b)、图 3(c)所示〕，这是因为PAFC、PAC发挥了电中和、吸附架桥的作用。经无机混凝剂调理再投加CTS调理后，污泥平均粒径分别增至59.07、54.69 μm，Zeta电位分别升至-3.20、-3.35 mV(见表 3)，联合调理后污泥粒径明显增大，Zeta电位上升。这是由于CTS可以中和颗粒表面的负电荷，减少污泥颗粒间的排斥力，且其又具有较好的吸附架桥作用，可使已脱稳的颗粒迅速形成大的絮体，絮体呈现出不同特点的聚集形态，并具有起伏不平的链网状结构，比单一无机混凝剂调理时团聚性显著增强，孔洞增大〔如图 3(d)、图 3(e)所示〕，所以联合调理具有更好的脱水效果。此外，由表 3还可以看出，相比PAC+CTS调理，PAFC+CTS调理后形成的絮体粒径更大，Zeta电位也更趋于电中性，脱水效果更好。。

　　3 结论

　　(1)单独采用CTS进行污泥调理，当CTS投加量为3.0 mg/g时，CTS的电中和与吸附架桥作用发挥充分，污泥比阻比原泥降低了80.6%，滤饼含水率低至78.37%;当CTS投加量为5.0 mg/g时，污泥比阻和滤饼含水率均为最低，脱水效果最好。

　　(2)采用CTS进行污泥调理，滤液中EPS含量随着CTS投加量的增加呈先减少后有所上升的趋势，当CTS投加量为3.0 mg/g时，滤液中EPS含量最低;而滤液中SCOD含量则随着CTS投加量的增加而持续升高。

　　(3)采用无机混凝剂与CTS联合调理污泥，污泥絮体团聚性显著增强，粒径增大，脱水效果明显优于单一无机混凝剂。当无机混凝剂PAFC和PAC投加量分别为60 mg/g ，CTS投加量为3.0 mg/g时，污泥比阻比原泥分别下降了87.90%和84.93%，滤饼含水率降至76.3%和76.9%。其中，PAFC与CTS联合调理污泥形成的絮体更大，Zeta电位也更趋于电中性，效果更佳。