不同调理方法强化污水厂污泥脱水性能的对比

摘要: 以上海某生活污水厂浓缩污泥为研究对象，以泥饼含水率和毛细吸水时间( CST) 为评价指标，系统对比研究了芬顿( Fenton) 、超声波－聚合硫酸铁( PFS) 、十二烷基磺酸钠( SDS) －氢氧化钠( NaOH) 、溶菌酶和蛋白酶 K 共 5 种污泥调理方法对污泥脱水性能的强化效果。研究结果表明: 5 种调理方式中 Fenton 调理的脱水效果最好，调理后污泥泥饼含水率和 CST 分别为 64. 8%、43. 3 s，但其产生的强酸性废水和污泥可能会影响后续的处理处置; 技术经济综合分析发现，超声波-PFS 联合调理是相对最优的污泥调理方式，超声波作用时间为 30 s，PFS 投加量为 15. 0 mg /g 时，污泥的泥饼含水率可达到 70. 51%; 蛋白酶 K 的调理效果明显优于溶菌酶; 然而，研究发现 SDS-NaOH 联合调理会导致污泥脱水性能恶化。

关键词: 污水处理厂; 污泥; 脱水性能; 污泥调理方法

0 引 言

剩余污泥高含水率是限制其后续处理与处置的重要因素，如何有效降低污泥含水率是污泥处理的关键环节。为了强化污泥的脱水性能，各种物理、化学或生物调理方法应运而生，包括热处理、酸碱处理、超声处理、氧化剂处理以及生物酶处理等，主要通过破坏污泥多孔性的胶羽结构，促使污泥表面的部分胞外聚合物( EPS) 和污泥溶胞释放大量多聚物进入液相，有利于污泥表面吸附水、结合水向间隙水和自由水的转化，例如 Fenton 调理、超声波调理、生物酶调理等; 另外，通过加入调理剂调节污泥中多聚物的含量，维持合理的阳离子浓度和离子比例，使污泥颗粒脱稳聚集、增大污泥絮体，创造出有利于污泥脱水的环境条件，例如无机/有机高分子混凝剂、微生物絮凝剂［11］和表面活性剂等。然而，当前的研究主要针对某一种具体技术，而且研究结论尚存在分歧，并缺乏对已有常用技术的系统评定。

本研究在调研国内外研究现状的基础上，选择Fenton 调理、超声波-PFS 联合调理、十二烷基磺酸钠( SDS) -NaOH 联合调理、溶菌酶调理、蛋白酶 K 调理共 5 种调理方式进行污泥预处理，以泥饼含水率和毛细吸水时间( CST) 作为评价污泥脱水性能的指标，对以上 5 种调理方式的显著影响因素进行优化，并系统评定了各方式对污水厂污泥脱水性能的强化效果、应用条件及经济成本等特点，以期为污水处理厂污泥预处理技术选择提供参考。

1 实验部分

1. 1 实验污泥

实验所用污泥取自上海市闵行水处理运营有限公司产生的浓缩污泥，取回后立即放入 4 ℃冰箱中储存。实验污泥的基本性质如表 1 所示。

1. 2 调理方法

分别量取 50 mL 污泥样品，对其先后进行不同方式的调理( 表 2) 。其中，Fenton 调理和 SDS-NaOH 联合调理实验将污泥样品置于磁力搅拌机上搅拌 1 h，超声波-PFS 联合调理实验时超声波频率为 40 kHz，溶菌酶调理和蛋白酶 K 调理实验将污泥样品恒温水浴并搅拌 1 h，取出后进行污泥泥饼含水率和 CST 的测定。

1. 3 污泥指标测定

泥饼含水率的测定: 将 30 mL 待测污泥倒入布氏漏斗，在－0. 1 MPa 恒压下真空抽滤，30 s 内无滤液滴落即认为抽滤脱水完成，采用 CJ/T 221—2005《城市污水处理厂污检验方法》测定脱水泥饼的含水率。CST 的测定: 取 10 mL 待测污泥，采用毛细吸水时间测试仪( DFC-10A 型) 测定 CST。

2 结果与讨论

2. 1 Fenton 调理对污泥脱水性能的影响

2. 1. 1 Fe²⁺投加量对污泥脱水性能的影响

一般 认 为 Fenton 试剂氧化的最佳 pH 为 2 ～4，本实验中调节污泥 pH 为 3。30%H₂O₂ 投加量为 30. 0 mg /g 时，Fe²⁺投加量对污泥脱水性能的影响如图 1a 所示。随着 Fe²⁺投加量的增加，泥饼含水率和 CST 均先减小后增加，Fe2+ 投加量为 30. 0 mg /g时，泥饼含水率和 CST 达到最小值，分别为 65. 4%和33. 3 s。Fe²⁺离子在 Fenton 反应中作为催化剂促进·OH的产生，·OH 具有强氧化性，能够破解污泥絮体、胞外聚合物( EPS) 和细胞的结构，氧化分解 EPS等有机物，促进细胞内部水和结合水的释放，改善污泥脱水性能。同时，Fe²⁺被氧化生成的 Fe³⁺可以通过生成磷酸铁沉淀及 Fe³⁺水解聚合沉淀产物进一步强化污泥脱水性能。

Fe²⁺投加量过高时，会和有机物竞争·OH，且 Fe³⁺也能与 H₂O₂ 发生反应，从而削弱 Fenton 试剂的氧化效果，不利于污泥脱水性能的提升。

2. 1. 2 H₂O₂ 投加量对污泥脱水性能的影响

图 1b 是 Fe²⁺投加量为 30. 0 mg /g 时，H₂O₂ 投加量对污泥脱水性能的影响。H2O2 投加量( 以 30%H₂O₂ 计) 为 30. 0 mg /g 时，泥饼含水率和 CST 均达到最小值，分别为 64. 8%和 43. 3 s。反应体系中 H₂O₂投加量增大，使得 OH·的产生速率和产生量增大，氧化效率提高，但过量的 H₂O₂ 会与·OH 反应生成氧化性较弱的 HO₂·，也会导致 H₂O₂ 分解及·OH 自身反应，使·OH 浓度下降，影响 Fenton 调理效果。

2. 2 超声波-PFS 联合调理对污泥脱水性能的影响

2. 2. 1 PFS 投加量对污泥脱水性能的影响

图 2a 所示为超声波作用时间 30 s 时，不同 PFS投加量下的污泥脱水性能。污泥泥饼含水率和 CST均随 PFS 投加量的增加而减小，表明 PFS 的联用有利于污泥脱水性能的进一步提升。PFS 投加量为15. 0 mg /g 时，污泥泥饼含水率下降至 70. 51%，CST下降至最小值 123. 9 s。而 PFS 投加量继续增加对污泥脱水性能的提升作用趋于饱和。PFS 能水解生成多核络合物等产物，对污泥中的胶体颗粒起到电中和、吸附架桥和网捕卷扫等作用，使胶粒脱稳聚沉并释放吸附水，提高污泥脱水性能。PFS 投加量过大时反而产生胶体保护作用，使污泥聚沉速率降低。

综合考虑强化效果、经济成本等因素，认为本实验污泥条件下 PFS 最佳投加量为 15. 0 mg /g。

2. 2. 2 超声波作用时间对污泥脱水性能的影响

PFS 投加量为 15. 0 mg /g 时，超声波作用时间对污泥脱水性能的影响如图 2b 所示。泥饼含水率和CST 均在超声波作用时间为 30 s 时达到最小值，分别为 70. 51%、123. 9 s。相关研究表明，超声波的空化、水力剪切作用能破坏污泥菌胶团及细胞结构，释放部分结合水，同时超声波产生的局部发热、界面破稳和振动作用都能加速固液分离，与 PFS 的联用则进一步强化污泥沉降性能。但过长的超声波作用时间可能会导致污泥颗粒被过度分解，污泥黏度增大，污泥脱水性能反而下降，不利于后续处理。

2. 3 表面活性剂( SDS) －碱( NaOH) 联合调理对污泥脱水性能的影响

2. 3. 1 表面活性剂( SDS) 投加量对污泥脱水性能的影响

SDS-NaOH 联合调理时，NaOH 投加量为 0. 5 g /g的条件下，不同 SDS 投加量对污泥脱水性能的影响如图 3a 所示。污泥的泥饼含水率随 SDS 投加量的增加而减 小，但均大于未经调理污泥的泥饼含水率( 82. 06%) ，且不同 SDS 投加量下 CST 均大于仪器显示范围( 999 s) ，表明投加 SDS 后污泥脱水性能出现恶化。分析认为: 阴离子表面活性剂 SDS 与同样带负电荷的污泥颗粒之间存在静电斥力，使 SDS 无法很好地吸附于污泥颗粒表面，也使污泥絮体处于不稳定悬浮状态，同时 SDS 的两亲结构和增溶作用使得EPS 脱落并溶解于水中，导致包裹于污泥絮体中的颗粒被释放，使污泥絮凝、过滤性能变差，CST 值较大。而随着 SDS 投加量的增加，污泥表面张力降低，且更多 EPS 脱落并溶解，使污泥结合水和间隙水减少，泥饼含水率有所下降。

2. 3. 2 pH 对污泥脱水性能的影响

SDS 投加量为 0. 20 g /g 时，pH 对污泥脱水性能的影响如图 3b 所示。可知: 污泥脱水性能在酸性条件下较好，在碱性条件下显著恶化，最优 pH 为 3，这与洪晨等的研究结果相似。相关研究也表明，酸性条件能促进 EPS 水解，减弱污泥表面电荷，促进结合水释放和污泥絮体进一步絮凝，从而提高污泥脱水性能。

2. 4 生物酶调理对污泥脱水性能的影响

根据相关研究，本实验选择溶菌酶和蛋白酶K 调理的反应温度分别为 37，55 ℃。pH = 6. 5 时，溶菌酶和蛋白酶 K 投加量对污泥脱水性能的影响分别如图 4a、b 所示。可知: 两种酶作用下，污泥泥饼含水率和 CST 均随酶投加量的增加而先减小后趋于稳定。由图 4a 可知: 溶菌酶的最佳投加量为 3. 0 mg /g，此时泥饼含水率和 CST 分别下降至 74. 34%、250. 6 s，溶菌酶投加量进一步提高至 6. 0 mg /g 时，污泥泥饼含水率回升至 75. 24%，CST 则进一步下降至 238. 7 s，表明溶菌酶对污泥脱水性能提升的效果趋于稳定。

由图 4b 可知: 蛋白酶 K 调理时，污泥泥饼含水率和CST 在蛋白酶 K 投加量为 0. 5 mg /g 时达到最低值，分别为 66. 57%、88. 1 s，而继续增加蛋白酶 K 投加量，污泥脱水性能不再有明显上升。

溶菌酶的等电点在 11 左右，在污泥溶液中带正电荷，能与呈电负性的污泥胶体颗粒相互作用而促进微生物细胞壁水解，释放结合水。但溶菌酶减弱了 EPS 与微生物间的黏附作用，破坏污泥絮体结构，使污泥沉降性能下降，污泥 CST 相对偏大。使用蛋白酶调理污泥时，蛋白酶能够催化裂解细胞结构，并水解细胞释放出的及污泥中原有的蛋白质，因而其对污泥脱水性能的强化作用优于溶菌酶。实验结果表明，过量的酶并不能提高污泥脱水性能，可能是由于酶促反应在此底物污泥浓度下达到“饱和”。

2. 5 不同调理方法强化污水厂污泥脱水性能的综合比较

图 5 对比了各调理方法在最优条件下所得污泥的泥饼含水率和 CST。可知: 各调理方法能不同程度地降低污泥的泥饼含水率和 CST，提高污泥的脱水性能。Fenton 调理的效果最为突出，泥饼含水率下降17. 26 百分点，CST 下降 520. 6 s，其次依次是蛋白酶K 调理、超声波-PFS 联合调理、SDS-NaOH 联合调理和溶菌酶调理。其中，SDS-NaOH 联合调理的最优pH 均为 3，NaOH 的协同作用反而使污泥脱水性能恶化。溶菌酶调理和蛋白酶 K 调理效果对比表明蛋白酶 K 更能促进污泥中水分的脱除，可能是由于蛋白酶 K 不仅能促进污泥中微生物细胞结构的水解，还能水解污泥中原有的和细胞破解后释放的有机物质。

表 3 总结了本研究涉及的 5 种污泥调理方法的脱水机理、应用条件、调理效果及应用特点，并根据市场价格计算各方法的经济成本。可知: Fenton 调理每吨干污泥的费用最低，其次是超声波-PFS 联合调理，费用最高的是 SDS-NaOH 联合调理。虽然溶菌酶和蛋白酶 K 的投加量相对较少，但其单价高导致每吨干污泥的处理费用较高，后续研究可以考虑探讨酶与混凝剂联合使用对污泥脱水性能和经济成本的影响。

超声波-PFS 联合调理的反应条件较温和且反应时间仅 30 s，有利于污泥处理和污水处理的衔接，同时超声波的协同作用能减少 PFS 的投加量，相应经济成本较低。因此可认为超声波-PFS 联合调理是最适合污水处理厂的污泥调理方式。

3 结 论

1) 本研究选用的 5 种污泥调理方式中，Fenton 调理对污泥脱水性能的改善效果最好，pH = 3，Fe²⁺和H₂O₂( 以 30%H₂O₂ 计) 的投加量均为 30. 0 mg /g 时，污泥泥饼含水率和 CST 分别为 64. 8%、43. 3 s，且经济成本最低，但其强酸性条件可能会对设备运行和污泥后续处理处置和资源化利用带来困难。

2) 技术经济综合分析认为: 超声波-PFS 联合调理是相对最优的污泥调理方式，超声波作用时间30 s，PFS 投加量为 15. 0 mg /g 时，污泥的泥饼含水率平均为 70. 51%。

3) SDS-NaOH 联合调理后污泥的脱水性能发生恶化，原因可能在于碱性条件下污泥中过量的 EPS难以溶解。而在强酸性条件( pH = 3) 下，污泥脱水性能有所提升。与投加表面活性剂相比，pH 的变化对污泥脱水性能的影响更明显。

4) 两组酶处理中，蛋白酶 K 比溶菌酶更有利于污泥脱水性能的提升，可能归因于蛋白酶 K 能促进细胞壁中和细胞破碎后所释放蛋白质的水解。