量取100 mL污泥于200 mL燒杯中加入調(diào)理試劑，在室溫條件下，置于攪拌器下以恒定的轉(zhuǎn)速攪拌以混合均勻，充分反應(yīng)后進(jìn)行布氏抽濾脫水實(shí)驗(yàn)。單因素試驗(yàn)條件見表 4、5。

4  殼聚糖調(diào)理污泥試驗(yàn)條件

用量(干污泥質(zhì)量比)/(mg·g-1)	攪拌強(qiáng)度(轉(zhuǎn)速)/(r·min-1)	反應(yīng)時(shí)間/s
1	30	30
2.5	60	60
5	120	150
6.5	150	240
10		300

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5  硅藻土調(diào)理污泥試驗(yàn)條件

用量(干污泥質(zhì)量比)/(g·g-1)	攪拌強(qiáng)度(轉(zhuǎn)速)/(r·min-1)	反應(yīng)時(shí)間/s
0.1	60	30
0.25	90	90
0.5	120	150
0.75	150	240
1.0		300

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采用指標(biāo)分析法，污泥脫水性能的表征指標(biāo)種類繁多，根據(jù)方靜雨等^[13]綜合分析研究，污泥比阻與毛細(xì)吸水時(shí)間(CST) 呈正相關(guān)，沒(méi)必要同時(shí)測(cè)定，因此, 試驗(yàn)主要分析污泥比阻下降率(相對(duì)原污泥)，再衡量脫水率、泥餅含水率、過(guò)濾時(shí)間等指標(biāo)，綜合考慮污泥的脫水性能。

1) 污泥比阻測(cè)定  采用布氏抽濾法測(cè)定，根據(jù)過(guò)濾基本原理Carman公式推導(dǎo)得到比阻計(jì)算公式

式中:P為過(guò)濾壓力，mPa；A為過(guò)濾面積，m²；μ為濾液的動(dòng)力粘滯度，mPa·s；ω為濾過(guò)單位體積的濾液在過(guò)濾介質(zhì)上截流的固體重量，kg/m³；b為Carman公式中t/V~V的直線斜率；t為過(guò)濾時(shí)間，s；V為濾液體積，m³。

2) 泥餅含水率測(cè)定  采用重量法測(cè)定：取部分污泥置于蒸發(fā)皿中，于烘箱內(nèi)105 ℃恒溫烘干至恒重，放入干燥器中冷卻后稱重，根據(jù)式(2) 計(jì)算結(jié)果。

式中：m₁為空蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；m₂為濕泥及蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；m₃為干泥及蒸發(fā)皿質(zhì)量, g。

3) 脫水率測(cè)定  采用式(3) 計(jì)算^[14]。

式中:m_F為濾液質(zhì)量，kg；m_W為添加調(diào)理試劑所含水分質(zhì)量，kg；m_s為污泥總質(zhì)量，kg；m_DS為干污泥質(zhì)量，kg。

4) 過(guò)濾時(shí)間測(cè)定  污泥抽濾一定體積所需時(shí)間，試驗(yàn)根據(jù)單次抽濾污泥量(100 mL) 取50 mL。

采用濃度為1 g/L的殼聚糖溶液，投加用量按表 4選取，對(duì)供試污泥進(jìn)行調(diào)理，攪拌強(qiáng)度選取150 r/min，反應(yīng)5 min。觀察污泥體系表象，隨著殼聚糖在污泥中混勻，懸浮的污泥逐漸絮凝，最后整個(gè)體系中都存在細(xì)小的絮體礬花。污泥比阻隨殼聚糖投加量的變化情況如圖 1所示。

1  CTS用量對(duì)SRF的影響

 

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由圖 1可知，整體來(lái)看，隨著殼聚糖用量的加大，污泥比阻不斷減小，在0~5 mg/g的范圍內(nèi)急劇下降，5~6.5 mg/g范圍內(nèi)下降的比率趨于平緩，6.5 mg/g之后再加大殼聚糖用量，污泥比阻有所回升。為了分析出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因，試驗(yàn)進(jìn)一步探究殼聚糖用量對(duì)泥餅含水率和過(guò)濾時(shí)間的影響，其變化規(guī)律如圖 2所示。

2  CTS用量對(duì)FCM及TTF的影響

 

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由圖 2可知，當(dāng)殼聚糖用量超過(guò)5 mg/g后，泥餅含水率開始回升，說(shuō)明此時(shí)過(guò)濾液所截流的干物質(zhì)量開始減少；用量超過(guò)6.5 mg/g后，過(guò)濾時(shí)間也出現(xiàn)反彈。分析污泥比阻公式可知，比阻值與過(guò)濾液所截流的干物質(zhì)量反相關(guān)，與過(guò)濾時(shí)間正相關(guān)，因而殼聚糖用量過(guò)高時(shí)污泥比阻下降率出現(xiàn)回升。通過(guò)本研究可確定殼聚糖最佳用量為5 mg/g。

投加濃度為1 g/L的殼聚糖溶液5 mL，攪拌強(qiáng)度穩(wěn)定在150 r/min，對(duì)供試污泥進(jìn)行調(diào)理，觀察污泥體系表象，不同反應(yīng)時(shí)間下，都存在細(xì)小絮體礬花，但礬花團(tuán)規(guī)模有一定差別。污泥脫水性能隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況如圖 3所示。

3  反應(yīng)時(shí)間對(duì)SRF、FCM、TTF的影響

 

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由圖 3可以看出，改變反應(yīng)時(shí)間對(duì)污泥比阻的影響比較小，反應(yīng)時(shí)間為150 s時(shí)污泥比阻下降率相對(duì)最優(yōu)為77.07%；泥餅含水率和過(guò)濾時(shí)間的變化波動(dòng)比較大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 s與150 s時(shí)，泥餅含水率接近85%，而從過(guò)濾時(shí)間來(lái)看反應(yīng)150 s時(shí)污泥脫水性能有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。因此，殼聚糖調(diào)理污泥最佳反應(yīng)時(shí)間為150 s。

投加濃度為1 g/L的殼聚糖溶液5 mL，固定反應(yīng)時(shí)間150 s，對(duì)供試污泥進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理之后抽濾之前，觀察到污泥體系中的絮體礬花形狀大小有所不同，總體表現(xiàn)為強(qiáng)度越大礬花越小，圖 4是污泥比阻隨攪拌強(qiáng)度的變化情況。

4  攪拌強(qiáng)度對(duì)SRF的影響

 

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分析攪拌強(qiáng)度改善污泥脫水效果的規(guī)律，可以看到污泥比阻隨著攪拌強(qiáng)度的提升，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。因此，本研究確定殼聚糖調(diào)理污泥最佳攪拌強(qiáng)度為30 r/min。

殼聚糖改善污泥脫水性能的能力，主要與自身帶有羥基和氨基活性基團(tuán)的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)^[15]。殼聚糖的弱陽(yáng)離子性與負(fù)電位的原污泥體系靜電中和使得污泥顆粒脫穩(wěn)，釋放水分子，其吸附架橋作用使污泥凝聚成更大的絮體，從而使抽濾脫水變得更容易。同樣的殼聚糖用量下，需要一定的反應(yīng)時(shí)間讓絮體凝聚，同時(shí)限于殼聚糖作為弱陽(yáng)離子調(diào)理劑，與污泥形成的絮體強(qiáng)度不高，因此高強(qiáng)度攪拌會(huì)打散絮體礬花，使得污泥脫水性能變差。

由此，本研究確定殼聚糖調(diào)理污泥的最佳條件是投加5 mg/g在30 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌反應(yīng)150 s，污泥比阻下降率為92.80%。

在探究硅藻土調(diào)理污泥的影響因素過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間及攪拌強(qiáng)度幾乎無(wú)影響，主要作用變量是投加劑量，圖 5是污泥脫水性能隨硅藻土投加量(干污泥質(zhì)量比) 的變化情況。

5  DE用量對(duì)SRF及DR的影響

 

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從圖 5中可以看出，隨著硅藻土用量不斷增加，污泥比阻不斷下降，而下降的速度在0.5 g/g前后有明顯的差距，如果考慮經(jīng)濟(jì)因素應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)，應(yīng)采用0.5 g/g的硅藻土用量。同時(shí)有研究認(rèn)為，污泥比阻不適用于有大量的調(diào)理劑投加到污泥中的情況，此時(shí)污泥固體濃度產(chǎn)生了較大影響^[16]。若僅用比阻來(lái)評(píng)價(jià)污泥脫水性能的改善程度會(huì)存在偏差，因此本研究還采用脫水率來(lái)評(píng)價(jià)污泥的過(guò)濾脫水性能。脫水率的變化整體表現(xiàn)為先上升后下降，其峰值出現(xiàn)在0.5 g/g。因此，綜合考慮，硅藻土用量相對(duì)干污泥質(zhì)量比最佳條件應(yīng)為0.5 g/g。

由于硅藻土自身無(wú)定形的SiO₂特殊多孔結(jié)構(gòu)，具有巨大的比表面積^[17]，在污泥調(diào)理中以吸附作用為主，吸附需要一定時(shí)間但并不對(duì)過(guò)濾產(chǎn)生關(guān)鍵性影響，且在調(diào)理過(guò)程中并不產(chǎn)生如殼聚糖調(diào)理時(shí)的絮體礬花，這與試驗(yàn)觀察表象保持一致，攪拌并不會(huì)阻礙吸附作用，因而反應(yīng)時(shí)間及攪拌強(qiáng)度對(duì)硅藻土調(diào)理污泥幾乎沒(méi)有影響。

硅藻土對(duì)污泥的吸附作用，對(duì)原污泥體系難脫水的穩(wěn)定性是一種破壞，因此加大其用量可以降低污泥比阻，但當(dāng)過(guò)量的硅藻土進(jìn)入污泥后，會(huì)吸附更多水分，因此造成脫水率的反彈。

聯(lián)合使用調(diào)理試劑，除了考慮單獨(dú)試劑本身最佳作用條件外，由于不同的調(diào)理劑存在不同的結(jié)構(gòu)和作用方式，聯(lián)合使用時(shí)，不同的試劑投加順序可能會(huì)導(dǎo)致不同的調(diào)理結(jié)果。因此，考察了殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理時(shí)，投加順序的影響。兩者聯(lián)合使用，存在3種不同的工序：a) 先投加殼聚糖攪拌混勻后再投加硅藻土攪拌混勻；b) 先投加硅藻土攪拌混勻再投加殼聚糖攪拌混勻；c) 殼聚糖和硅藻土同時(shí)投加到污泥中再進(jìn)行攪拌混勻。

污泥采用5 mg/g殼聚糖與0.5 g/g硅藻土聯(lián)合調(diào)理后，3種投加方式所得的調(diào)理結(jié)果見表 6。

6  聯(lián)合調(diào)理不同工序下的污泥脫水性能

工序	SRF/(109m·kg-1)	DR/%	FCM/%	TTF/s
a	1.11	89.47	85.29	31.58
b	0.85	91.02	83.13	29.44
c	0.91	90.66	83.64	36.99

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從表 6可以看出，先投加硅藻土比先投加殼聚糖的污泥比阻下降了23.77%，比一起投加下降了6.89%，脫水率、泥餅含水率及過(guò)濾時(shí)間皆有不同程度的改善，因此殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理最佳的投加順序應(yīng)是先投加硅藻土再投加殼聚糖，這與陳暢亞的研究^[16]相符合。分析其原因，硅藻土是擁有巨大比表面積的吸附劑，先投加到污泥體系，可以降低體系的穩(wěn)定性，這種改變更有利于發(fā)揮殼聚糖的弱陽(yáng)離子電位差絮凝效應(yīng)，同時(shí)硅藻土在殼聚糖形成的大污泥絮體中相當(dāng)于“骨架”作用，上訴的兩者協(xié)同作用使污泥結(jié)構(gòu)和性質(zhì)朝有利于脫水的方向變化，整個(gè)過(guò)程可以看作是對(duì)污泥體系的“打亂-重建”的歷程。

從調(diào)理試驗(yàn)表象觀察，投加聚丙烯酰胺比聯(lián)合投加調(diào)理污泥所形成的絮體礬花體積更大，且在攪拌強(qiáng)度150 r/min下反應(yīng)5 min并不會(huì)被打散，調(diào)理后污泥體系上清液也更澄清。聚丙烯酰胺調(diào)理污泥時(shí)，污泥比阻的變化規(guī)律如圖 6所示。

6  PAM用量對(duì)SRF的影響

 

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由圖 6可知，隨著聚丙烯酰胺投加量的增加，污泥比阻急劇下降，其最佳效果是投加量為3 mg/g時(shí)，污泥比阻的下降比為96.02%。與之前研究所得的殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理的相對(duì)最佳效果相比(見表 7)，當(dāng)先投加0.5 g/g硅藻土再添加5 mg/g殼聚糖反應(yīng)時(shí)，污泥比阻的下降比為95.43%，兩者的效果十分接近。而比較脫水率及泥餅含水率，聚比稀酰胺的調(diào)理效果不占優(yōu)勢(shì)。

7  聯(lián)合試劑與聚丙烯酰胺調(diào)理污泥綜合性能比較

調(diào)理試劑	SRF下降率/%	DR/%	FCM/%	TTF/s
PAM	96.02	88.26	89.72	19
CTS+DE	95.43	91.62	82.30	29.5

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