关键词: 含磷污泥; 污泥脱水; 絮凝沉淀; 超声调理
随着磷化工产业的飞速发展，污水量急剧增加，污泥作为污水处理的副产物，其排放量大幅增加。污泥量增加会引发土地占用、环境二次污染、生态污染等问题，快速有效地处理处置污泥成为人们关注的焦点，污泥脱水作为污泥处理中的重要环节，是实现污泥稳定化、减量化和无害化的重要措施。现行污泥脱水方式效果不理想，产生高昂的处理费用，对污泥进行高效脱水一直是实际应用中的难点。有研究表明，对污泥进行预处理可有效提高后续污泥脱水的效果，因此对污泥脱水的预处理方式进行研究十分必要。
污泥脱水的预处理方法可以分为物理方法、化学方法和生物方法三大类。物理方法通过改变其物理性质来对污泥进行处理，具有清洁高效的特点，如热处理、超声处理、微波处理、冷冻融化等，但通常能耗较高，在实际应用中较难操作; 化学方法通过投加化学药剂来对污泥进行处理，是最常见的一类污泥脱水预处理方法，具有操作简单、效果明显的特点，如酸碱调理法、絮凝沉淀法、氧化法等; 生物方法具有成本低、环境友好的特点，但该方法容易受到外界环境的影响，不能处理含对微生物有害成分的污泥，如微生物絮凝剂法、生物沥浸法等。
本研究的目的在于得到一种实际的含磷废水化学污泥脱水的方法，能够达到有效降低污泥含水率的目的。处理后的污泥的含水率能够达到相应资源化利用的标准，对环境和生态的影响降低，并具有一定的环境和经济效益。
1 污泥性质
1. 1 污泥来源及性质
本研究中的污泥来源于湖北某磷化工企业含磷废水处理过程中产生的化学污泥。该污泥经企业机械脱水，测得其含水率约 65. 37%，pH 为 9. 58。
1. 2 污泥矿物组成
将污泥置于 105 ℃烘箱中烘干，研磨成粉末后，采用 X 射线衍射( X－Ray Diffraction，XRD) 对其主要成分进行分析，谱图如图1 所示，分析谱图可知该污泥的主要成分为磷灰石和磷石膏。
1. 3 污泥化学组成
将污泥置于 105 ℃烘箱中烘干，研磨后，采用 X 射线荧光光谱( X－Ray Fluorescent，XRF) 对污泥的化学组成进行分析，化学组成如表 1 所示。
2 实验部分
2. 1 仪器与试剂
2. 1. 1 试剂
阳离子聚丙烯酰胺( CPAM) : 用于配制 0. 1% CPAM 溶液;聚丙 烯 酰 胺 ( PAM) : 用 于 配 制 0. 1% PAM 溶 液; H2 SO4、 NaOH，均为分析纯。
2. 1. 2 仪器
060S 有 超 声 波 清 洗 机; XMA － 2000 电热鼓风干燥箱; pHS－3CpH计; BSA124S 分析天平; 85－2A 双数显恒温磁力搅拌器。
2. 2 试验方法
本研究 依 据 污 泥 的 性 质分别选取了调节污泥 pH 值、 CPAM、PAM、超声四种方法对污泥进行预处 理。
2. 2. 1 pH
以 NaOH 和 H2 SO4调节污泥的 pH 值为 3～ 11，探究不同 pH对污泥含水率和污泥沉降性能的影响。
2. 2. 2 CPAM
向污泥中投加 0. 5～ 5 mL 0. 1% CPAM 溶液，探究 CPAM 的投加量对污泥含水率和污泥沉降性能的影响; 以 NaOH 和 H2 SO4调节污泥的 pH 值为 3～ 11，探究 CPAM 对不同 pH 污泥含水率和污泥沉降性能的影响。
2. 2. 3 PAM
向污泥中投加 0. 1～ 0. 5 mL 0. 1% PAM 溶液，探究 PAM 的投加量对污泥含水率和污泥沉降性能的影响; 以 NaOH 和 H2 SO4调节污泥的 pH 值为 3 ～ 11，探究 PAM 对不同 pH 污泥含水率和污泥沉降性能的影响。
2. 2. 4 超声
用超声处理污泥，探究不同超声时间对污泥含水率和污泥沉降性能的影响。
2. 3 测定方法
2. 3. 1 含水率测定
本研究采用重量法测定污泥的含水率。将调理后的污泥置于布氏漏斗中抽滤 15 min，得到污泥样品，取烘干至恒重的坩埚，称量其质量为 m1，将污泥样品放入坩埚后，称量总质量为m2，再将装入污泥样品后的坩埚放入 105 ℃ 的烘箱中，烘干至恒重，测得质量为 m3。根据下列公式计算可以得到污泥样品的含水率:
2. 3. 2 污泥沉降性能
用量筒量取 100 mL 调理后的污泥将其沉降 1 h，过程中记录不同时间下的污泥体积，该体积占混合液总体积的百分比即为 SV 值。绘制沉降时间－SV 曲线，比较不同调理条件下的污泥沉降性能。
3 结果与讨论
3. 1 烘干时间
本试验通过测定不同烘干时间下的污泥的含水率以探究其烘干至恒重的时间，得到如图 2 所示结果。据图分析，可知当烘干时间为 6 h 以上时，污泥含水率约为 62. 07%，基本不变，因此本研究中测定污泥的含水率为将污泥置于烘箱中烘干 6 h以上的结果。
3. 2 pH 对污泥脱水的影响
通过调节污泥的 pH 值为 2. 99、5. 06、7. 02、9. 03、11. 04后测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，探究 pH 对污泥脱水效果和沉降性能的影响，结果如图 3 和图 4 所示。据图 3分析，pH 为 7. 02 时，污泥脱水后的含水率最低，为 60. 51%， pH 降低或升高都会增高污泥脱水后的含水率，pH 为 2. 99 和 11. 04 时，污泥脱水后的含水率分别为 63. 71%和 62. 30%，因此中性条件下污泥的脱水效果最好。据图 4 分析，随着 pH 增 大，污泥的沉降性能越来越差，因此酸性条件更有利于改善污泥的沉降性能。
3. 3 CPAM 对污泥脱水的影响
本试验向污泥中投加 CPAM 进行预处理，测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，探究 CPAM 投加量和 pH 对污泥脱水效果和沉降性能的影响。
3. 3. 1 CPAM 投加量的影响
通过调节 CPAM 的投加量为 1、2、3、4、5 mL 后测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，结果如图 5 和图 6 所示。
据图 5 分析，随着 CPAM 投加量的增加，污泥脱水后的含水率先下降后上 升，当 投 加 量 为 2 mL 时，污泥含水率最低，为 60. 12%。据图 6 分析，随着 CPAM 投加量的增加，污泥沉降速度越来越快，污泥的沉降性能越来越好，但沉降 1 h 后污泥的SV 值随着 CPAM 投加量的增加先减小后增加，在 CPAM 投加量为 3 mL 时最小，为 27. 60%，说明沉降后污泥体积受 CPAM投加量的影响。
3. 3. 2 pH 对 CPAM 处理污泥的影响
控制 CPAM 的 投 加 量 为 2 mL，调 节 pH 为 3. 07、5. 05、 7. 05、9. 02、11. 03，探究 CPAM 对不同 pH 污泥含水率和污泥沉降性能的影响，结果如图 7 和图 8 所示。据图 7 分析，随着pH 降低，污泥脱水后的含水率先基本不变后增大，pH≥7 时，污泥脱水后的含水率基本不变，约 60%; pH＜7 时，污泥脱水后的含水率较高，说明酸性条件不利于污泥的脱水。据图 8 分 析，随着 pH 降低，污泥的沉降速度变快，说明酸性条件下污泥的沉降性能更好。
据上述试验分析，用 CPAM 对污泥进行预处理的最佳反应条件是 pH≥7，投加量为 2 mL，此时，污泥脱水后的含水率为60%。
3. 4 PAM 对污泥脱水的影响
本试验向污泥中投加 PAM 进行预处理，测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，探究 PAM 投加量和 pH 对污泥脱水效果和沉降性能的影响。
3. 4. 1 PAM 投加量的影响
通过调节 PAM 的投加量为 0. 1、0. 2、0. 3、0. 4、0. 5 mL后测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，结果如图 9 和图10 所示。据图 9 分析，随着 PAM 投加量的增加，污泥脱水后的含水率先下降后上升，投加量为 0. 2 mL 时，污泥含水率最低，为 59. 8%。据图 10 分析，随 PAM 投加量的增加，其沉降速度越来越快，沉降 1 h 后污泥的 SV 值随着 PAM 投加量的增加 先 增 加 后 减 少，在 PAM 投 加 量 为 0. 4 mL 时 最 大，为 34. 04%，在 PAM 投加量为 0. 5 mL 时最小，为 28. 95%，说明沉降后污泥体积受 PAM 投加量的影响。
3. 4. 2 pH 对 PAM 处理污泥的影响
控制 PAM 的投加量为 0. 2 mL，调节 pH 值为 3. 02、5. 03、 6. 97、9. 07、11. 04 后测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，结果如图 11 和图 12 所示。据图 11 分析，pH 为 6. 97 时，污泥脱水后的含水率最低，为 58. 46%，pH 降低或升高都会增高污泥脱水后的含水率，pH 为 3. 02 和 11. 04 时，污泥脱水后的含水率分别为 61. 44%和 60. 26%，因此中性条件下 PAM 预处理污泥的脱水效果最好。据图 12 分析，pH 对 PAM 处理污泥的沉降速度影响不大，仅 pH 值为 3. 02 时污泥沉降 1 h 后的 SV值较高，为 32. 99%，其余 pH 值条件下污泥沉降 1 h 后的 SV值均小于 30%，说明不同 pH 对污泥沉降性能影响不大。
据上述试验分析，投加 PAM 对污泥进行预处理后脱水的最佳反应条件是 pH= 7，投加量为 0. 2 mL，此条件下污泥脱水后的含水率可达到 58. 46%。
3. 5 超声对污泥脱水的影响
调节超声时间为 20、40、60、80、100、120 s 测定其污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，结果如图 13 和图 14 所示。据图 13 分析，随着超声时间的增加，污泥脱水后的含水率先减小后增加，在超声时间为 60s 时，污泥脱水后的含水率最低， 为 57. 55%，时间缩短或加长都会增高污泥脱水后的含水率，超声时间 为 20 s 和 120 s 时，污泥脱水后的含水率分别为59. 68%和 58. 54%，据图 14 分析，不同超声时间的污泥的沉降性能相差不大，但超声处理后的污泥的沉降性能整体较差，污泥沉降 1 h 后的 SV 值还处于 90%左右。
3. 6 各预处理方法对污泥脱水效果的对比
比较上述不同预处理方法在各自最佳条件下处理污泥后污泥的沉降性能和污泥脱水后的含水率，结果如表 2、图 15 和 图 16所示。据结果分析，这四种方法对污泥的脱水效果均有影响，超声处理后的污泥的脱水效果最好，含水率为 57. 55%;其次为 PAM 预处理，含水率为 58. 46%; 再次为 CPAM 预处理，含 水 率 为 60%; 直 接 调 pH 的 方 法 最 差，含 水 率 为60. 51%。四种预处理方法对于污泥沉降性能的影响不一致，其沉降性能由好到坏依次是经 PAM 处理的污泥、经 CPAM 处理的污泥、仅调节 pH 的污泥、经超声处理的污泥，其中，只有超声调理后的污泥的沉降性能比原始污泥差。
4 结 论
本研究对比了四种不同的预处理方法对于污泥性能的影响，选取了污泥脱水后的含水率和污泥沉降性能来进行对比。
( 1) 用酸碱调理法对污泥进行预处理的最佳条件为 pH = 7. 02，此时污泥脱水后的含水率为 60. 51%; 投加 0. 1% CPAM对污泥进行预处理的最佳反应条件是 pH≥7，投加量为 2 mL，此时污泥脱水后的含水率为 60%; 投加 0. 1%PAM 对污泥进行预处理的最佳反应条件是 pH = 7，投加量为 0. 2 mL，此条件下污泥脱水后的含水率为 58. 46%; 用超声波对污泥进行预处理的最佳处理时长为 60 s，此时污泥脱水后的含水率为 57. 55%。
( 2) 对污泥进行预处理后污泥的沉降性能由好到坏依次是经 PAM 调理的污泥、经 CPAM 调理的污泥、仅调节 pH 的污泥、超声调理后的污泥，其中，只有超声调理后的污泥的沉降性能比原始污泥差。
( 3) 研究表明，若仅考虑污泥脱水后的含水率，超声对污泥进行预处理效果最佳; 若同时考虑污泥的沉降性能和污泥脱水后的含水率，PAM 对污泥进行预处理的效果最好。
( 4) 本研究仅采取单一方法对污泥进行预处理，后续可探究多种方法相结合对污泥进行预处理，以期达到更佳的处理效果。
原标题：含磷废水化学污泥的脱水研究
原作者：杨 威，宋国平，关洪亮，何东升
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