过硫酸钠与PAM联合改善污泥脱水效果的研究

时间：2024-07-28

曾婧荀久玉

(锦州市生态环境保护中心，辽宁锦州 121001)

污水处理厂剩余污泥中通常含有99%以上的水分，为降低污泥运输和处理成本，污泥处理的最重要部分是通过污泥脱水来降低污泥含水率，以减少污泥体积。污泥中的水分按结合程度由弱到强依次分为：间隙水(自由水)、毛细管结合水、表面吸附水及内部(结合)水[1]。常规的脱水方法主要脱除的是间隙水(自由水)，脱水后泥饼的含水率一般为70～80%。

为改善污泥的脱水效果，本研究采用过硫酸钠(添加硫酸亚铁)与阳离子聚丙烯酰胺(PAM)联合对污泥进行脱水。过硫酸钠是一种强氧化剂，用其预氧化处理污泥，可以使污泥胞外多聚物(EPS)中的蛋白质、多糖等物质被破坏，大分子变成小分子，释放出被EPS禁锢的内部水。同时EPS含量的减少，降低了污泥的粘度，从而使得污泥之间的相互作用不再紧密，泥水之间的相互作用力减弱，降低污泥比阻，使得污泥颗粒间隙水更容易去除，从而改善污泥脱水效果[2]。

阳离子PAM可通过压缩双电层、吸附电中和和吸附架桥作用使污泥中的小颗粒絮凝成较大的絮体颗粒，增大污泥颗粒间的孔距，降低污泥比阻，使污泥中的水更易被去除，提高污泥的脱水性能[4]。

利用过硫酸钠(添加硫酸亚铁)和PAM联合处理污泥，通过对污泥的氧化和絮凝作用，改变污泥结构，降低污泥比阻和含水率，改善污泥脱水效果，减小污泥的体积。

1 实验部分

1.1 实验药品及材料

硫酸亚铁、过硫酸钠、浓硫酸、氢氧化钠、PAM、剩余污泥。

1.2 实验设备

PHS-25酸度计，HS-12磁力转动搅拌器，ME204/02电子天平，101-0电热恒温鼓风干燥箱，UT377测速仪，SHZ-D(A)循环水真空泵，LT202B电子天平。

1.3 实验方法

1.3.1 过硫酸钠氧化污泥

用量筒取50 mL污泥于250 mL的烧杯中，用硫酸调节污泥pH，然后加入含有硫酸亚铁的过硫酸钠浓度为50 g/L的溶液，用搅拌器搅拌使其在350 r/min转速下进行氧化反应，反应一段时间后抽滤脱水，用电子天平称量滤饼与滤纸的总重，再放入恒温鼓风干燥箱中，在温度为103～105℃的条件下干燥至恒重，称干泥饼和滤纸总重，计算脱水后泥饼的含水率。

1.3.2 PAM絮凝污泥

用量筒取50 mL污泥于250 mL的烧杯中，在上步确定的最佳氧化条件下进行氧化反应，再调节pH，加入一定量浓度为0.1%的阳离子PAM，先在400 r/min转速下快速搅拌1 min使PAM与污泥充分混合，再调低转速为200 r/min，搅拌一定时间进行絮凝反应，反应一段时间后进行抽滤脱水，用电子天平称量滤饼与滤纸的总重，再放入恒温鼓风干燥箱中，在温度为103 ℃～105 ℃的条件下干燥至恒重，称干泥饼和滤纸总重，计算脱水后泥饼的含水率。

1.4 污泥含水率的测定方法

污泥的脱水效果用脱水后泥饼含水率来衡量。

将定量滤纸放入恒温鼓风干燥箱中，在温度为103 ℃～105 ℃的条件下干燥至恒重，记录滤纸重量m1。将抽滤后的泥饼连同滤纸于电子天平中称重，总重记为m2，再将其放入恒温鼓风干燥箱中，在温度为103 ℃～105 ℃的条件下干燥至恒重，总重记为m3，应用公式计算脱水后泥饼含水率。

2 结果与讨论

2.1 过硫酸钠氧化污泥

2.1.1 氧化时间对污泥脱水效果的影响

控制氧化温度为25℃、过硫酸钠用量为1.0 g/L、Fe2+/S2O82-摩尔比为0.6、pH为7的条件下，改变氧化时间分别为10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min，考察其对污泥脱水效果的影响。结果见图1。

图1 氧化时间对污泥脱水效果的影响

由图1可以看出，当氧化时间在10 min～40 min之间时，泥饼含水率随氧化时间的延长而下降，40 min后泥饼含水率随着氧化时间的延长反而上升。

这是因为，氧化时间在10 min～40 min时段内，随着氧化时间的延长，Fe2+激活过硫酸钠所产生的硫酸根自由基越多，污泥中被硫酸根自由基和过硫酸钠氧化的EPS越多，释放的水分越多，污泥脱水效果越好。当氧化时间超过40 min后，随时间的延长，Fe2+会被产生的硫酸根自由基氧化，使得Fe2+与污泥争夺硫酸根自由基，同时硫酸根自由基相互猝灭，使得硫酸根自由基反而减少，反应速率降低。由于EPS被氧化，微生物细胞被破坏，污泥颗粒粒径随氧化时间的延长而不断减小。当反应时间过长时，形成的细小颗粒会增大污泥过滤时的比阻，影响污泥脱水效果。

确定最佳氧化时间为40 min。

2.1.2 过硫酸钠用量对污泥脱水效果的影响

控制氧化温度为25℃、氧化时间为40 min、Fe2+/S2O82-摩尔比为0.6、pH为7的条件下，改变过硫酸钠用量分别为0.75 g/L、1.0 g/L、1.25 g/L、1.5 g/L、1.75 g/L、2.0 g/L，考察其对污泥脱水效果的影响。结果见图2。

图2 过硫酸钠用量对污泥脱水效果的影响

由图2可以看出，当过硫酸钠用量在0.75 ～1.5 g/L范围内时，泥饼含水率随着过硫酸钠用量的增加而降低，过硫酸钠用量在1.5 g/L后泥饼含水率随着过硫酸钠用量的增加反而上升。

这是因为，过硫酸钠用量在0.75 g/L～1.5 g/L范围内，随过硫酸钠用量的增加，硫酸根自由基不断增多，EPS被氧化的越多，释放的水分越多，污泥脱水效果越好；过硫酸钠用量超过1.5 g/L时，污泥分解越破碎，粒径越小，越不利于过滤，同时产生过多的硫酸根自由基之间发生自我猝灭，Fe2+被过量的硫酸根自由基氧化成Fe3+，Fe2+对过硫酸钠的激活反应受到抑制，Fe3+的絮凝作用会使得部分未被氧化的污泥团聚，而无法与硫酸根自由基接触，降低氧化作用，影响污泥脱水效果。

确定过硫酸钠的最佳用量为1.5 g/L。

2.1.3 Fe2+/S2O82-摩尔比对污泥脱水效果的影响

控制氧化温度为25℃、氧化时间为40 min、过硫酸钠用量为1.5 g/L、pH为7的条件下，改变Fe2+/S2O82-摩尔比分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，考察其对污泥脱水效果的影响。结果见图3。

图3 Fe2+/S2O82-摩尔比对污泥脱水效果的影响

由图3可以看出，当Fe2+/S2O82-摩尔比在0.1～0.3范围内时，泥饼含水率随Fe2+/S2O82-摩尔比的增加而降低，在Fe2+/S2O82-摩尔比到达0.3后，泥饼含水率随着Fe2+/S2O82-摩尔比增加又开始上升。

这是因为，Fe2+/S2O82-摩尔比在0.1～0.3范围内，随着Fe2+投加量的增加，Fe2+激活过硫酸钠产生的硫酸根自由基量越多，氧化的EPS越多，释放的水分越多，污泥脱水效果越好；当Fe2+/S2O82-摩尔比超过0.3时，随着摩尔比的增加，加入的Fe2+量过多，过量的亚铁离子会与污泥争夺产生的硫酸根自由基，硫酸根自由基的含量反而下降，污泥的氧化作用降低，EPS的释放量减少，影响污泥脱水效果。

确定最佳Fe2+/S2O82-摩尔比为0.3。

2.1.4 氧化pH对污泥脱水效果的影响

控制氧化温度为25℃、氧化时间为40 min、过硫酸钠用量为1.5 g/L，Fe2+/S2O82-摩尔比为0.3的条件下，改变pH分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9，考察其对污泥脱水效果的影响。结果见 4。

由图4可以看出，当pH在1～4范围内时，泥饼含水率随pH的增加而降低，pH在4之后，泥饼含水率随着pH的增加而上升。

图4 氧化pH对污泥脱水效果的影响

这是因为，pH<7时，在酸性条件下，随着pH的降低，H+浓度升高，促进硫酸根自由基的生成，有利于EPS的氧化释放水，污泥脱水效果不断改善。当pH<4时，由于pH过低，酸性过强，H+过多，反而抑制了硫酸根自由基的生成，硫酸根自由基生成量降低，氧化作用减小，污泥脱水效果反而降低。当pH>7时，硫酸根自由基氧化H2O和OH-生成羟基自由基，而产生的羟基自由基又与H+反应重新生成水，部分硫酸根自由基在与羟基自由基的转化中被消耗，硫酸根自由基对污泥的氧化作用降低，EPS释放水量减少，影响污泥脱水效果。

确定氧化的最佳pH为4。

2.2 PAM絮凝污泥

2.2.1 絮凝pH对污泥脱水效果的影响

控制过硫酸钠氧化条件为：氧化温度为25℃、氧化时间为40 min、过硫酸钠用量为1.5 g/L、Fe2+/S2O82-摩尔比为0.3、pH为4；控制PAM絮凝条件为：PAM用量为60 mg/L、絮凝时间为10 min，改变pH分别为2、3、4、5、6、7、8、9，考察其对污泥脱水效果的影响。结果见图5。

图5 絮凝pH对污泥脱水效果的影响

由图5可以看出，当pH过高或过低时污泥的脱水性能均明显下降。当pH在2～5范围内，泥饼含水率随着pH增加不断下降。当污泥pH=5时，泥水分离的效果显著。当pH>5时，泥饼含水率随着pH增加而升高，pH>8时甚至出现泥水无法分离现象。

这是因为，污泥中的颗粒表面带负电荷，投加阳离子PAM与污泥发生电中和，降低污泥斥力。同时电动电位降低，污泥脱稳，可促进污泥絮凝，提高污泥脱水效果。当pH<5时，污泥中加入了过量的H+，H+中和了污泥颗粒的负电荷后，之后随pH的下降，过多的H+会使颗粒间建立新的静电斥力，不利于PAM对污泥颗粒的絮凝作用，污泥比阻随pH的降低反而增加；由于硫酸根自由基氧化EPS过程中发生夺H+反应，会产生部分负电荷，也会使污泥颗粒表面电性增加，增大了污泥颗粒间排斥力。pH>5时，体系中H+浓度较低，污泥颗粒间的斥力不能完全消除，絮凝效果降低，污泥脱水效果下降；随着pH继续增大污泥呈碱性时，外加的OH将进一步增大污泥斥力，使污泥无法凝聚。在较高的pH下，会使污泥形成胶体或者类胶体状态，PAM裹有大量水分而无法去除，从而出现泥水无法分离的现象。

确定絮凝的最佳pH为5。

2.2.2 絮凝时间对污泥脱水效果的影响

控制过硫酸钠氧化条件为：氧化温度为25℃、氧化时间为40 min、过硫酸钠用量为1.5 g/L、Fe2+/S2O82-摩尔比为0.3、pH为4；控制PAM絮凝条件为：PAM用量为60 mg/L、絮凝反应pH为5，改变絮凝时间分别为6 min、8 min、10 min、12 min、14 min、16 min，考察其对污泥脱水效果的影响。结果见图6。

图6 絮凝时间对污泥脱水效果的影响

由图6可以看出，絮凝时间在6 min～10 min范围内时，泥饼含水率随着絮凝时间的延长而降低，当絮凝时间为10 min时含水率达到最低值，之后随着絮凝时间延长，泥饼含水率又不断升高。

这是因为，当絮凝时间过短时，PAM分布不均匀，PAM与污泥颗粒不能充分接触，不利于絮凝剂对污泥颗粒的捕集，不利于PAM发挥作用；絮凝时间过长，絮体丧失凝聚性，污泥脱水性效果有所减弱，而且随搅拌时间的延长之前形成的良好絮体又被重新打散，降低污泥脱水效果。

确定最佳絮凝时间为10 min。

2.2.3 PAM用量对污泥脱水效果的影响

控制过硫酸钠预氧化条件为：氧化温度为25℃、氧化时间为40 min、过硫酸钠用量为1.5 g/L、Fe2+/S2O82-摩尔比为0.3、pH为4；控制PAM絮凝条件为：pH为5、絮凝时间为10 min、改变PAM用量分别为10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L，考察其污泥脱水效果的影响。结果见图7。

图7 PAM用量对污泥脱水效果的影响

由图7可以看出，当PAM用量在10 mg/L至40 mg/L范围内时，泥饼含水率随PAM用量的增加而下降，PAM用量在40 mg/L时泥饼含水率最低，污泥脱水效果适宜，之后随着PAM用量增加，泥饼含水率反而开始上升。

这是因为，PAM用量过小时，污泥絮凝作用不充分，污泥脱水效果提升不明显；PAM用量过大时，污泥絮凝作用好，污泥明显团聚形成絮体，但絮体结构疏松且裹有水分，脱水效果反而降低。同时过多的用量会增加污泥黏度，以及污泥与滤纸的粘连，增大污泥比阻，而且PAM过量会破坏污泥原有的静电平衡，反而会使颗粒间建立新的静电斥力，影响脱水效果。

确定最佳PAM用量为40 mg/L。