近年來，隨著工業化進程的不斷推進，污水處理廠的負荷逐漸增加，污水處理成為全球水行業面臨的關鍵挑戰。污水處理廠在各個工藝過程(物理、化學和生物)中產生的廢物稱為污泥。污泥中不僅含有難以降解的重金屬和持久性有機污染物，而且含水量極高，給后續處理處置造成了極大的困難。污泥處理廣泛采用機械脫水的方法，但由于胞外聚合物(EPS)的親水性，污泥機械脫水的效率受到了一定的限制。因此有必要在機械脫水前對污泥進行預處理，降低污泥的含水率，以提高污泥脫水效率，節約后續的運輸和處理處置成本。
污泥的脫水處理又分為物理法和化學法。物理法通常指通過物理方法改變污泥的性質，如高溫、凍融和微波處理等。化學法是指添加酸堿、表面活性劑、氧化劑或混凝劑等改變污泥的化學特性。在實際工業應用中，混凝工藝因為其廉價的成本和較高的效率受到了較為廣泛的關注。
在污泥混凝脫水處理過程中，混凝劑的種類在很大程度上決定著污泥脫水效果的好壞。混凝劑主要分為無機混凝劑(鋁鹽、鐵鹽和鋁鐵的聚合物)、有機絮凝劑(聚丙烯酰胺及其衍生物)和助凝劑(骨架構建體，如粉煤灰等)。到目前為止，無機混凝劑主要用作污泥的調理劑。有機絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物主要用作污泥脫水劑使用，其開發應用占據了污泥脫水中的大部分市場。一般而言，有機脫水劑主要通過其吸附電中和作用和吸附架橋作用使污泥聚集，從而改善污泥脫水性能，因此，有機脫水劑的分子量、陽離子度和電荷密度等性質將對污泥脫水性能產生較大影響。但迄今為止，關于有機脫水劑的電荷密度、黏度、陽離子度和Zeta電位等性質對污泥脫水性能影響的系統研究還鮮見報道。
因此，本研究選用市售相同系列不同性質的8種有機脫水劑，在分析測定其電荷密度、黏度、陽離子度和Zeta電位等特性指標的前提下，采用相同的投加量對剩余污泥進行脫水處理，測定處理后污泥的污泥比阻(SRF)、泥餅含水率、黏度和絮體特性等指標，研究不同陽離子聚丙烯酰胺有機脫水劑對污泥脫水性能的影響情況。
1、材料與方法
1.1 污泥來源與性質
污泥取自山東大學青島校區污水處理廠污泥井，該污水處理廠為一體化設計，處理規模5100m3·d-1，采用A2O處理工藝，兩組模塊并行。污泥自污水處理廠取回后，靜置沉淀12h除去上清液，測得含水率和各項指標。余下污泥放入冰箱于4℃低溫儲存，并在4d內用完。進行各項實驗前，污泥過40目篩，以去除其中的泥沙和大顆粒物。初始污泥的各項指標如表1。
1.2 試劑來源與性質
本研究使用的8種有機脫水劑為神美科技提供的水處理用固體試劑。脫水劑為同系列的陽離子PAM，基于其陽離子度的不同，名稱分別為9101、9102、9103、9104、9106、9108、9110和9112.除陽離子度外，8種陽離子聚丙烯酰胺還具有不同的電荷密度、Zeta電位和黏度等。
1.3 實驗方法
量取500mL污泥置于1L燒杯中，在ZR4-6混凝實驗攪拌機(深圳中潤公司)上完成所有污泥脫水實驗。混凝實驗各階段操作條件如下：首先在200r·min-1下快攪30s，使污泥充分混勻;在30s末加藥，加藥后繼續以200r·min-1的轉速快攪30s，使脫水劑與污泥充分混勻;然后在60r·min-1下慢攪3min。混凝結束后取污泥樣品進行后續指標的測定。有機脫水劑的投加量均為絕干泥的1‰~5‰。取3‰投加量時測定其結合水含量和EPS分布。
1.4 脫水劑表征方法
有機脫水劑的電荷密度采用PCD-05顆粒電荷測定儀(德國BTG公司)進行測定;Zeta電位采用Zetasizernano(英國馬爾文公司)進行測定;黏度采用NDJ-5S型黏度計(上海倫捷公司)進行測定;陽離子度采用GB/T-31246-2014中的方法進行測定。
1.5 污泥脫水性能指標
1.5.1 污泥比阻的測定
污泥SRF采用污泥比阻測定儀進行測定，具體測定方法為：取100mL污泥在0.05MPa的壓力下真空過濾，每隔一定時間記錄濾液體積，直至過濾滿20min或真空被破壞。泥餅放入104℃的烘箱中干燥2h測定含水率。根據公式(1)計算得到SRF值。
式中， p為過濾壓力(Pa); A為過濾面積(m2); b為過濾過程中t/V對V作直線的斜率，其中t為過濾時間(s)， V為濾液體積(mL); μ為濾液黏度(Pa·s); C為單位體積污泥產生的濾餅質量(kg)，計算公式如下：
式中， Ci為100g污泥中的干污泥量(g); Cf為100g濾餅中的干污泥量(g)。
1.5.2 污泥絮體特性的測定
絮體中位粒徑(D0.5)體現了污泥中絮體粒徑的大小，分形維數(Df)體現了絮體結構的疏松程度。污泥的絮體特性采用Mastersizer3000(英國馬爾文公司)進行測定：在持續慢速攪拌(60r·min-1)的條件下測定粒徑大小。根據散射光強(I)和散射矢量(Q)的結果計算Df，三者關系如下：
因此，根據log(I)與log(Q)的擬合直線斜率計算Df。一般認為， Df值越小，絮體結構越疏松，反之，絮體結構越緊密。
1.5.3 其它指標的測定
污泥黏度采用NDJ-5S型黏度計(上海倫捷公司)進行測定;污泥顆粒表面的Zeta電位取離心后污泥的上清液，采用Zetasizernano(英國馬爾文公司)進行測定;EPS采用熱處理和超聲處理相結合的方式提取，提取后采用F-4500FL熒光分光光度計(日本Hitachi公司)進行分析;結合水含量采用Q2000型差示掃描量熱儀(美國TA公司)進行測定。
2、結果與討論
2.1 有機脫水劑的性質
8種市售有機脫水劑的電荷密度、黏度、陽離子度和Zeta電位測定結果如圖1所示。其中，電荷密度、Zeta電位和黏度均為ρ(有機脫水劑)=1g·L-1時的結果，陽離子度為根據國標方法測試的結果。結果表明，不同有機脫水劑的各項指標均有一定的差異。通過圖1(a)可以看出，脫水劑9101~9112的電荷密度逐漸增加，由9101的0.72meq·L-1增加到9112的2.98meq·L-1;黏度的變化趨勢是先增加后有略微下降，由9101的23.97mPa·s逐漸增加到9108的87.83mPa·s，最后又下降到9112的85.07mPa·s。從圖1(b)可知，Zeta電位和陽離子度也有著相似的趨勢，8種有機脫水劑的Zeta電位由9101的15.53mV逐漸增加到9110的69.80mV，后略微下降至9112的67.10mV;而陽離子度呈現一直增加的趨勢，由9101的2.17%增加到9112的17.42%。
2.2 有機脫水劑對污泥脫水性能的影響
不同性質有機污泥脫水劑對污泥的SRF、泥餅含水率、黏度、污泥顆粒表面Zeta電位、絮體特性、結合水含量和EPS分布的影響結果如下。
2.2.1 有機脫水劑對污泥比阻的影響
不同性質有機脫水劑對污泥SRF和泥餅含水率的影響如圖2所示。結果表明，隨著有機脫水劑投加量的增加，SRF和泥餅含水率先降低后保持不變。這是因為污泥膠體粒子帶負電荷，有機脫水劑攜帶的正電荷會中和污泥表面的負電荷，使污泥膠體脫穩形成絮體，改善污泥脫水性能。當有機脫水劑投加量達到最佳時，污泥表面的負電荷可被完全中和而接近等電點，此時污泥的SRF值最低，其脫水性能最好;繼續投加脫水劑，污泥脫水性能反而出現一定程度的惡化。這是因為過量投加的有機脫水劑會使體系帶有相反電荷，不利于污泥脫水性能的改善。
從SRF的結果來看，從9101到9112，有機脫水劑對SRF的改善效果逐漸增強，投加量為4‰時，SRF的改善率由9101的82.36%逐漸增加至9110的96.97%，隨后又略微下降至9112的94.70%。投加5‰的9108、9110和9112后，污泥脫水性能出現了惡化，說明此時投加量已過量。泥餅含水率的結果表明，經9108、9110和9112脫水處理后的污泥含水率較低，投加量為4‰時，泥餅含水率可由原泥的91.83%降低至83%左右。
2.2.2 有機脫水劑對污泥絮體特性的影響
不同性質有機脫水劑對污泥絮體特性的影響如圖3.結果表明，有機脫水劑投加量在1‰~5‰的范圍內，不同性質脫水劑處理后污泥絮體的D0.5和Df呈現出了相似的趨勢，即隨著有機脫水劑投加量的增加， D0.5先增大后保持相對穩定， Df先增大后略微下降。一般而言，較小的絮體會堵塞泥餅中的疏水通道，導致污泥脫水時過濾阻力增大，不利于改善污泥脫水性能。 Df表示了絮體結構的疏松程度，其值越大表明絮體越密實。密實的絮體可以形成更加緊密的疏水通道，且相互之間的作用也會更加緊密，從而減少了絮體相對運動的可能性。
不同有機脫水劑處理后污泥絮體的D0.5結果表明，投加9112后，可使D0.5由原來的294.45μm增長到1744.78μm，增長幅度可達492.55%;而投加9101后D0.5由原來的410.11μm最高僅增長到1442.27μm，增長幅度僅為251.68%，這說明脫水劑的性質對污泥絮體粒徑有較大的影響。不同性質有機脫水劑處理后污泥的絮體Df結果表明，9108和9112均能有效改善污泥絮體的結構，最高分別使Df增加了63.27%和72.28%。
2.2.3 有機脫水劑對污泥黏度、污泥顆粒表面Zeta電位的影響
不同性質有機脫水劑對污泥黏度、污泥顆粒表面Zeta電位的影響如圖4所示。結果表明，當有機脫水劑投加量在1‰~5‰的范圍內，不同性質污泥脫水劑處理后污泥黏度和污泥顆粒表面Zeta電位呈現出了相似的趨勢，即隨著有機脫水劑投加量的增加，污泥黏度逐漸減小，后有略微上升;污泥顆粒表面Zeta電位逐漸增大。污泥黏度與污泥脫水性能密切相關，黏度越大，表明絮體之間的作用力越大，污泥的脫水性能越差。污泥黏度在有機脫水劑投加量3‰~4‰時達到最低，說明在此投加量下，有機脫水劑對污泥脫水性能有較好的改善作用。投加有機污泥脫水劑會使污泥顆粒表面的Zeta電位值有所上升，甚至出現由負變正的情況，這是因為有機脫水劑帶有大量的正電荷，在污泥脫水過程中，有機脫水劑發揮電中和作用，使污泥顆粒表面的Zeta電位上升。
不同性質有機脫水劑處理后污泥的黏度結果表明，有機脫水劑9108、9110和9112在投加量為3‰時就能使污泥黏度降到較低的水平，而其余5種有機脫水劑則需投加4‰才能達到相近的處理效果。從污泥顆粒表面的Zeta電位結果來看，在有機脫水劑投加量為3‰時，8種脫水劑處理后污泥顆粒表面的Zeta電位不相上下，均為-7.00mV左右，但經9108、9110和9112處理后污泥的脫水性能較好，說明這3種脫水劑除了有著較強的電中和能力，還能發揮較強的吸附架橋作用。
2.2.4有機脫水劑對污泥水分分布的影響
為了研究不同性質有機脫水劑對污泥水分分布的影響，在投加3‰脫水劑后測定污泥總水分含量和結合水含量，結果如表2.
結果表明，不同脫水劑處理后污泥的水分分布各不相同。在8種有機脫水劑中，9106和9108處理后污泥的結合水含量較低，是9101處理后污泥結合水含量的40.00%和49.71%。從結果來看，污泥結合水含量與污泥SRF結果具有明顯的差異性，說明有機脫水劑并不是通過破壞結合水來改善污泥脫水性能。但經不同有機脫水劑處理后污泥的結合水含量略有不同，說明一定量的有機脫水劑可以影響污泥的內部結構，使結合水轉化成自由水，提高污泥脫水性能。
2.2.5 有機脫水劑對污泥EPS分布的影響
為了研究不同性質有機脫水劑對污泥EPS分布的影響，在投加3‰脫水劑后測定污泥中EPS分布，具體結果如表3。
結果表明，不同有機脫水劑處理后污泥的EPS分布有一定的差異。從類蛋白質物質(PeakA，280/335)和芳香族蛋白(PeakB，230/335)的峰強度來看，投加有機脫水劑會使緊密結合型EPS(TB-EPS)中的蛋白類物質減少，而使疏松結合型EPS(LB-EPS)和溶解性EPS(S-EPS)中的蛋白類物質增多，這說明有機脫水劑的加入可以使TB-EPS中的物質轉移到LB-EPS和S-EPS中，從而改善污泥脫水性能。在8種有機脫水劑中，9108對TB-EPS中物質的減少作用最為明顯，兩類蛋白類物質的峰強度分別由原泥的3178.0和1987.0降低至1343.0和937.7。
2.3 有機脫水劑性質與污泥脫水性能的關系
為了研究有機脫水劑的性質與處理后污泥脫水性能之間的關系，采用投加量4‰時的SRF值，與有機脫水劑的各項特性指標作線性擬合，具體結果如圖5所示。
結果表明，有機脫水劑的各項指標均與處理后污泥的脫水性能有一定的關系。從圖5可知，污泥SRF值與脫水劑的電荷密度、Zeta電位、黏度和陽離子度均呈現負相關關系，且相關系數分別為0.75611、0.88189、0.92025和0.71244，即脫水劑電荷密度、Zeta電位、黏度和陽離子度越高，處理后污泥的SRF值越小，污泥脫水性能越好。對于電荷密度、Zeta電位和陽離子度來說，較高的值表明有機脫水劑電性較高，即能發揮較強的電中和作用。而污泥SRF值與脫水劑黏度的關系表明，脫水劑也會通過高的分子量發揮強的吸附架橋作用。在上述4種特性指標中，SRF與有機脫水劑黏度的相關系數高達0.92025，表明在有機脫水劑的污泥處理過程中，吸附架橋作用對于污泥脫水性能的影響要大于電中和作用，但總體來看，兩種作用相輔相成，共同改善了污泥的脫水性能。
3、結論
(1)8種有機脫水劑具有不同的性質，電荷密度、Zeta電位、黏度和陽離子度均由9101~9112逐漸增加。
(2)不同性質有機脫水劑處理后污泥的脫水性能各不相同。有機脫水劑是通過電中和作用和吸附架橋作用改變污泥的SRF、絮體特性、黏度和污泥顆粒表面Zeta電位來改善污泥脫水性能的。除此之外，有機脫水劑還能破壞污泥的結合水，轉移TB-EPS中的物質使污泥易于脫水。
(3)有機脫水劑性質對污泥脫水性能具有不同的影響。在有機脫水劑的性質指標中，電荷密度、陽離子度、黏度和Zeta電位均與處理后污泥SRF值呈負相關關系。其中，污泥SRF值與有機脫水劑黏度的相關系數高達0.92025，表明在污泥脫水處理中，有機脫水劑的吸附架橋作用起了主導作用。而污泥SRF值與有機脫水劑電荷密度、陽離子度和Zeta電位的相關系數均在0.75以上，說明電中和作用也在污泥脫水過程中起了重要作用。
(4)在污泥脫水的實際應用中，建議選擇黏度大的陽離子聚丙烯酰胺脫水劑，以發揮較強的吸附架橋作用。在本文選用的8種陽離子聚丙烯酰胺脫水劑中，9108、9110和9112的應用性能較強。陽離子聚丙烯酰胺的投加量盡量選擇2‰~3‰，最高不宜超過4‰。（來源：山東大學環境科學與工程學院，山東省水環境污染控制與資源化重點實驗室，神美科技有限公司）
