针对污水处理厂污泥脱水难度大、运行成本高等问题，深入研究了 NaClO 投加量、污泥混合液 pH 值以及在 NaClO 最佳投加量和污泥混合液最佳 pH 值下耦合聚合硫酸铁（PFS）和三氯化铁（FeCl3）对污泥脱水性能的影响，以期获得氧化-絮凝调理对活性污泥脱水性能的影响机制。结果表明，在 NaClO 投加量 40 mg/g DS（绝干污泥）和污泥混合液 pH 值为 3 时，PFS 耦合 NaClO 调理后的泥饼含水率和污泥比阻（Specific Cake Resistance，SRF）分别降至 85.86% 和 4.74×1011 m/kg；FeCl3耦合 NaClO 调理后的泥饼含水率和污泥比阻分别降至 86.36% 和 3.93×1011 m/kg。调理后的污泥絮体粒度 D50的大小关系为：NaClO+PFS>NaClO+FeCl3>pH 值>原泥>NaClO。很显然经过氧化-絮凝调理后的污泥絮体粒径明显增大，滤液中的有机质含量降低。氧化-絮凝调理可使得活性污泥比阻显著降低，脱水性能显著改善。研究结果表明，NaClO 耦合 PFS 和 NaClO 耦 合 FeCl3有望成为高效环保、价格低廉的新型污泥脱水调理剂。

关键词：
       污水处理；污泥调理；污泥脱水；次氯酸钠；絮凝

       城镇化和工业化的发展产生了大量的生活污水和工业废水，在污水厂处理过程中会产生大量副产物剩余污泥[1]。生活污水厂的剩余污泥包括生化单元产生的污泥和预处理/深度处理单元产生的污泥，其中生化污泥是水处理过程中产生的一种由细菌细胞、难溶有机物等成分组成的胶体结构物质，由于含有大量有机质且易于发酵产生异味，需对其采取安全环保有效的调理脱水以便最终处置和资源化利用，否则会给环境带来严重污染[2]。污泥脱水是污泥处理中必不可少的环节。由于市政污泥具有黏度高、絮体松散、有机物含量高等特点，城市污水处理厂广泛采用的机械脱水方法的脱水效率受到很大的限制。因此，有必要在机械脱水前对污泥进行预处理，以提高污泥脱水效率，降低处理后污泥的含水率[3]。

        目前，污泥脱水调理方法很多，主要有以下几种：
1）物理调理：机械法、利用超声处理，冷热交替处理，微波调理，添加物理调理剂；
2）化学调理：投加絮凝剂、强氧化剂等调理污泥；
3）生物法，如生物絮凝剂或生物淋滤等[4]。物理调理法运用物理作用使得污泥结构、性质发生变化而达到预处理的目的。其中，机械预处理是在高强度的剪切力或碰撞、搅拌等作用下对污泥细胞进行破壁，目前已经较少单一采用，通常与其他调理技术联合使用。化学调理法中投入使用最广泛的是投加化学调理剂法。化学调理剂包括无机絮凝剂如聚合氯化铝、聚合硫酸铁、氯化铁等，有机絮凝剂如聚丙烯酰胺等。

        生物调理虽具有处理污泥量大、不会造成二次污染等优点，但目前关于生物絮凝剂的研究比较少，技术不成熟，很难大规模使用，且生物法本身处理效率也比较低[5]。徐文迪等[6]采用 Fe3+/EDTA-2Na 类芬顿体系强化调理市政污泥，调理后污泥胞外聚合物被破坏、结合水被释放，脱水后泥饼含水率降至67. 8%。黄锦佳等[7]采用超声-生物沥浸-氧化钙联合调理市政污泥，经预调理联合超高压压滤系统处理后，泥饼含水率降低至 49. 94%。罗璐等[8]投加15% 溶菌酶在 30 min 内（无需调节污泥 pH 值）可使污泥含水率和毛细吸水时间（capillary suction time，CST）分别降低 25% 和 65%。综合成本、技术成熟程度、受环境制约程度等因素考虑，目前化学调理是污泥调理技术中的最常见的工程化选择。化学调理的脱水效率在很大程度上取决于絮凝剂的特性。常见的化学调理剂包括无机絮凝剂和有机絮凝剂。无机絮凝剂虽然有价格低廉、易大规模投入使用等优点，但其用量较多且生成的絮体较小，把一些重金属代入污泥造成环境污染等缺点也限制了其应用；而大量的丙烯酰胺单体会造成污泥毒性的累积，会对人类和周围生态环境造成不利影响，进而限制其发展[9]。联合调理成为近期研究的热点，不同的药剂联合使用，通过试验得到其最佳的投配比，提高污泥的脱水性能，降低投加量和成本。

        笔 者 采 用 次 氯 酸 钠（NaClO）、聚 合 硫 酸 铁（PFS）和三氯化铁（FeCl3）3 种水处理药剂进行污泥预处理，以泥饼含水率、污泥比阻 SRF 作为评价污泥脱水性能的指标。将滤液 pH 值、污泥 pH 值、滤 液 COD、SEM、UV、荧光光谱、絮体粒径作为脱水性能机理的检测指标，通过考察不同化学调理剂的投加量对各类指标的影响，测试不同药剂的投加量，在成本和效果上优化，给污水处理厂污泥预处理提供可靠的参考。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

       次氯酸钠、聚合硫酸铁、三氯化铁、硫酸银、硝酸铁、硝酸铈、硝酸钴、酒石酸钾钠、抗坏血酸等均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。硫酸汞和酒石酸氧锑钾均为分析纯，购自上海麦克林生物化学有限公司。实际污泥水样取自南京某污水处理厂二沉池污泥，原污泥泥质见表 1。

1. 2 污泥调理与脱水实验

        在室温下，用 NaClO、PFS 和 FeCl3进行污泥调理实验，分别取 200 mL 污泥置于 6 个 500 mL 的烧杯中。NaClO 的投加量分别为 10、20、30、40、50、60mg/g DS。将烧杯置于六联混凝搅拌器上在 350 r/min 转动 2 min，接着 75 r/min 转动 15 min，静置 30min 后进行抽滤脱水。选出 NaClO 最佳投加量后， 在 NaClO 最佳投加量的基础上，将污泥 pH 值调至2、4、6、8、10、12（H2SO4 和 NaOH）重复上述步骤进行试验。选出污泥的最佳 pH 值后，在 NaClO 最佳投 加 量 和 最 佳 污 泥 pH 基 础 上 ，联 合 PFS（40、60、80、100、120、140 mg/g DS）以及 FeCl3（40、60、80、100、120、140 mg/g DS）重 复 上 述 步 骤 进 行 试 验 。

污泥脱水采用真空抽滤，保持真空抽滤的压力为0. 05 MPa，连续抽滤 2 min，记录抽滤时间以及相对应时间内抽出的滤液体积。在投加完药剂并进行搅拌之后，测量污泥的 pH 值。在污泥脱水之后，取滤 液 ，测 量 滤 液 的 pH 值 和 滤 液 的 COD、UV 全 波段、荧光光谱、Zeta 电位。根据污泥脱水时的读数计算 SRF。在泥饼烘干后，测量滤饼的含水和 SEM。 

1. 3 污泥指标分析方法

        COD 采用哈希测定仪（COD 测定仪、DR1010、哈希公司、美国）测定；泥饼粒径分析采用激光粒度分析仪（激光粒度分析仪、Winner2018、济南微纳颗粒仪器股份有限公司、中国）；SEM 采用扫描电镜（日立新型高分辨扫描电镜 SU8000 系列、SU8010、日立高科技有限公司、日本）；滤液 UV 全波段采用紫 外/可 见 光 分 光 光 度 计（紫 外/可 见 光 分 光 光 度计、UV-5500PC、上海元析仪器有限公司、中国）测 定；滤液 pH、泥饼 pH 测定方法见《城市污水处理厂污泥检验方法》（CJ/T 221—2005）。

2 试验结果与讨论

2. 1 NaClO 投加量对污泥脱水性能的影响

       NaClO 投加量对污泥脱水性能的影响如图 1 所 示，随着 NaClO 投加量的增加，污泥的 SRF 先降后升。当 NaClO 投加量为 40 mg/g DS 时，污泥比阻SRF 最低为 1. 93×1012 m/kg。滤饼含水率变化趋势 与 污 泥 比 阻 SRF 相 同 。 滤 饼 含 水 率 最 低 为73. 44%，此时，NaClO 投加量为 40 mg/g DS。滤液COD 随 着 NaClO 投 加 量 增 加 先 下 降 后 上 升 。 当NaClO 投加量为 30 mg/g DS 时，滤液 COD 含量最低为 45 mg/L。滤液 pH 值随 PFS 投加量增加先缓慢 下 降 再 缓 慢 上 升 ，pH 值 最 低 为 7. 77，此 时 ，NaClO 投 加 量 为 40 mg/g DS。 污 泥 pH 随 NaClO投加量增加逐渐增加，污泥 pH 值最高为 9. 27，此 时，NaClO 投加量为 140 mg/g DS。 在 NaClO 投加量较低的时候，随着 NaClO 投加量可以提高污泥的过滤性能。这是因为 NaClO 的氧化作用使得污泥的胞外聚合物被氧化，使其分子量和黏性降低，从而提高了污泥的过滤性能。但 是，当 NaClO 作用达到最优之后继续增加用量时，污泥比阻 SRF 没有明显改善，甚至比原始污泥的脱水 性 能 更 差 。 当 NaClO 投 加 量 超 过 40 mg/g DS时，污泥比阻 SRF 明显有增大趋势，表现出污泥脱水性能的抑制效果。这可能是高投加量 NaClO 释放了过量的 ClO-，ClO-与水反应生成 HClO，HClO能够渗透穿过 EPS 层，对污泥的结构造成了过度的破坏，释放出过多的 EPS（胞外聚合物），使污泥絮体崩解，最终堵塞污泥脱水通道，絮凝效果下降。

         泥饼含水率的变化趋势与污泥比阻 SRF 的变化趋势类似，进一步说明了过量 NaClO 对污泥脱水性能有抑制作用。滤液 COD 先下降后急剧上升是因为低投加量 NaClO 能有效地溶解污泥中的有机物并氧化成更小的分子，通过卷扫网捕作用使污泥中的有机质留在泥饼中。当 NaClO 投量过高时，过量的ClO-与 H+发生反应产生氯气，消解后的样品变成绿色且浑浊，严重影响 COD 的测定值[10]。滤液 pH 值先下降后上升的原因是 ClO-与水反应生成 HClO，HClO 具有弱酸性，随着过量 NaClO 的加入，NaClO与水反应生成 NaOH，导致滤液 pH 的上升。污泥pH 上升的原因是 NaClO 与水反应生成 NaOH，因此污泥 pH 呈碱性。综合 SRF、泥饼含水率和滤液COD 三个指标考虑后，NaClO 的最佳投加量为 40mg/g DS。 

2. 2 pH 值对污泥脱水性能的影响

       pH 对污泥脱水性能的影响如图 2 所示，随着pH 值的上升，污泥的 SRF 先降后升。当 pH 值为 4 时，污泥比阻 SRF 最低为 8. 03×1011 m/kg。滤饼含水率变化趋势与污泥比阻 SRF 相同。当 pH 值为 4 时 ，滤 饼 含 水 率 最 低 为 79. 35%。 随 着 pH 值 的 上升，滤液 COD 先下降后急剧上升。当 pH 值为 8 时，滤液 COD 含量最低为 143 mg/L。滤液 pH 值和污泥 pH 值都逐步上升。

       图 2 结果表明，酸性条件更有利于污泥脱水，这是因为在酸性条件下 NaClO 调理能更有效破坏污泥结构，进而去除污泥中 EPS。研究表明，EPS 的溶解会使污泥中的结合水释放提高污泥脱水的性能。同时酸性条件能促进微小絮体的凝聚，水中的H+与污泥表面的负电荷发生电中和，使得污泥表面的电荷趋于电中性，提高了污泥的脱水性能。而碱性条件会破坏污泥絮体，过量的 OH-使污泥表面的性能。泥饼含水率的变化趋势与污泥比阻 SRF 的变化趋势类似，进一步说明了酸性条件更有利于污泥脱水能力的提升，碱性条件会恶化污泥的脱水性能。当 pH 值为 8 时，滤液中 COD 的最小，这是因为在中性和弱碱性的条件下污泥的电性趋于电中性，污泥中的 EPS 不易被破坏，通过卷扫网捕作用使污泥中的有机质留在泥饼中[11]。碱性条件下，OH-增加了污泥的电负性，颗粒间排斥力增大，污泥释放过 多 的 EPS 于 滤 液 中 导 致 了 滤 液 COD 的 急 剧 上升。综合 SRF、泥饼含水率和滤液 COD 三个指标考虑后，最佳 pH 控制在 4。

 2. 3 NaClO 耦合 PFS 对污泥脱水性能的影响

       NaClO 耦合 PFS 对污泥脱水性能的影响如图 3所示，随着 PFS 投加量的增加，污泥的 SRF 先降后升 。 当 PFS 投 加 量 为 100 mg/g DS 时 ，污 泥 比 阻SRF 最低为 4. 74×1011 m/kg。滤饼含水率变化趋势 与 污 泥 比 阻 SRF 相 同 。 当 PFS 投 加 量 为 100mg/g DS 时，滤饼含水率最低为 85. 86%。随 PFS投加量增加，滤液 COD 缓慢下降。当 PFS 投加量为 140 mg/g DS 时，滤液 COD 含量最低为 84 mg/L。 滤 液 pH 值 随 PFS 投 加 量 增 加 缓 慢 下 降 。 当PFS 投加量为 140 mg/g DS 时，滤液 pH 值最低为4. 29。污泥 pH 值随 PFS 投加量增加缓慢下降。当PFS 投 加 量 为 140 mg/g DS 时 ，污 泥 pH 值 最 低为 4. 02。NaClO 耦合 PFS 可以显著提高污泥过滤性能。

        在相同条件下，NaClO 耦合 PFS 可以使污泥脱水效果更好。污泥经 NaClO 氧化后，污泥絮体被分散，部分 EPS 被溶解，难以进一步压缩脱水。因此，有必要提高污泥絮体的强度和压缩性能，进而提高污泥脱水性能。PFS 能有效中和污泥表面的负电荷，形成紧密稳定的絮体，使污泥颗粒聚集成团，有利于后续机械脱水过程，从而有利于污泥水分的脱除[12]。当 PFS 投量过多时，PFS 自身长链结构相互粘连，破坏污泥颗粒表面的电中性，导致颗粒拖稳，污泥比阻和滤饼含水率、滤液 COD 上升。污泥 pH值和滤液 pH 值降低是因为 PFS 本质上是多核羟基络合物的中间产物，PFS 与颗粒物的吸附实际上是表面络合配位作用。PFS 吸附污泥颗粒表面后，溶液中的羟基依然受 PFS 的影响，继续进行水解沉淀，直到吸附饱和成为氢氧化物沉淀，因此，污泥 pH值和滤液 pH 值呈酸性。综合 SRF、泥饼含水率和滤液 COD 三个指标考虑后，PFS 的最佳投加量为100 mg/g DS。
2. 4 NaClO 耦合 FeCl3对污泥脱水性能的影响

 

原标题：氧化-絮凝调理对剩余污泥脱水性能的影响

原作者：夏加华，饶汀，季娟，刘安康，梁炎凯，孙永军