超声波与PAM 联合作用对污泥脱水性能的影响研究

杨 丽，邹 贤，朱慧明，李秀君

（眉山川能投水务有限公司，四川 眉山 620000）

以眉山市第二污水处理厂（以下简称“我厂”）为例，我厂实际污泥处置费用高达污水处理费用的18.99%左右。并且，高含水率的污泥还大大增加运输和后期的处置成本。所以合理降低脱水污泥含水率，在稳定生产运行、节约污泥运输及处置成本等方面都具有重大意义。

絮凝剂通过吸附架桥电中和等作用，使污泥絮凝形成大块絮体，脱水性能得到改善。超声波具有促进污泥减量[1]，提高厌氧消化效率及改善脱水性能和沉降性能等作用，超声波和PAM 联合调理对污泥脱水性能的影响有更加积极的作用，胡东东等[2]研究了超声波调理联合PAM 对污泥脱水性能的影响，实验结果表明，超声波、化学絮凝剂联合调理与单独采用超声波或化学絮凝剂调理相比，对改善污泥脱水性能的影响更大。本文以我厂剩余污泥为研究对象，以真空抽滤时间为参考指标，研究了污泥在PAM 和超声联合作用下的脱水性能，通过正交试验得到复合处理下的最优工艺条件。并进行全面实验加以验证，为后期的实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本实验剩余污泥来源于眉山市第二污水处理厂二沉池污泥，污泥含水率约为99.5%，SV30 为95.3%，真空抽滤脱水时间约为75 s。主要实验药剂为阳离子型聚丙烯酰胺（PAM），相对分子量1 200 万，阳离子度50%。

1.2 实验仪器

本实验超声设备为定制超声波处理器，主要使用参数为超声频率20 kHz，功率400 W。GM-0.5A 隔膜真空泵，主要参数为抽气速度30 L/Min，极限压力0.08 MPa。直径为Φ9 cm 的中速定性滤纸，以及量筒、烧杯、移液管等玻璃仪器。

1.3 实验方法

首先，选用L9（33）正交表，以PAM 投加浓度、超声时间及声能密度为考察因素，真空抽滤时间作为考察指标。

其次，配制浓度分别为0.5‰、0.8‰、1.0‰、1.2‰和1.5‰的PAM 溶液。

再次，按照表1 中水平数进行超声和加药处理，真空抽滤时，当滤液为滴落状态，且滴落速度为5 s/次时，记录抽滤时间。每个水平条件进行3 组平行实验。

表1 正交试验结果

最后，根据正交试验结论得出优化参数，对优化工艺进行放大验证实验，进行全面实验。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果分析

表1 为正交试验水平设计和实验结果，由表1可知：影响污泥抽滤时间的主次关系为超声时间大于声能密度大于试剂浓度。最适合的工艺参数为超声时间80 s，声能密度0.024 W/mL，PAM 浓度0.8‰。为了进一步验证实验数据准确性，放大优化参数进行全面实验。

2.2 絮凝剂浓度对抽滤时间的影响

图1 为真空抽滤时间随PAM 浓度的变化趋势图。由图1 可以看出，在各条件下，随着PAM 投加浓度增大，污泥真空抽滤时间均呈现先减小后增大的趋势。当絮凝剂浓度为0.8‰时，真空抽滤时间最短，抽滤效率最高，污泥脱水效果最好。

图1 抽滤时间随PAM 浓度变化趋势

2.3 抽滤时间随超声时间和声能密度的变化关系

图2 为真空抽滤时间随超声时间的变化图。从图2 可知，在30~180 s 的范围内，污泥经过超声预处理后，脱水效果优于未经超声处理的污泥，说明利用超声对污泥进行预处理有助于污泥脱水。随着超声时间的增加，抽滤时间表现出先降低后增加的趋势，在超声时间为80 s 时，抽滤效果最佳。

图3 为声能密度对抽滤时间的影响图。根据图3可以得出，声能密度从0.012 W/mL 增大到0.024 W/mL时，抽滤时间减少，污泥脱水效果变优，当进一步将声能密度增强到0.036 W/mL 时，抽滤时间增加，脱水效果变差。

2.4 实验结论分析

2.4.1 PAM 在污泥脱水中的作用

PAM 在污泥脱水中主要发挥电中和作用和吸附架桥作用。污泥的絮凝和脱水性能主要受到胞外聚合物（EPS）的影响，EPS 中含有脂类、蛋白质等疏水基团，使污泥表面呈局部疏水性，当加入一定量的阳离子型絮凝剂后，阳离子与EPS 中蛋白质上的负官能团结合，污泥的负电荷被中和，污泥颗粒之间的排斥阻力被降低，增强絮凝效果的同时，又增强了污泥的疏水性能[3]。另一方面，根据DCB 理论[4]，二价阳离子和EPS 的带负电荷的功能基团发生架桥作用，促使胞外基质和微生物聚集和稳定，因此可以促进生物絮凝的形成。

再根据絮凝剂的去水化作用[5]，适当絮凝剂能够将亲水胶体转变为憎水胶体，有助于污泥脱水。但是当絮凝剂投加过量时，一方面会对微生物分泌EPS 产生抑制作用，另一方面，由于PAM 溶液浓度过大，增大了水体黏度，导致PAM 的长链无法展开，过量的正电荷造成颗粒间的排斥作用，造成污泥脱水困难。

2.4.2 超声在污泥脱水中的作用

当对污泥进行短暂且较低能量的超声作用时，超声波的空化作用可以产生很大的流体剪切力，能够将污泥的流变性能改变，同时还能破坏菌胶团的结构[6]。另外，根据殷绚等[7-8]的研究也表明，在超声波的混凝作用和EPS 共同影响下，污泥的脱水性能得到改善。由于污泥菌胶团块外层的吸附力较弱，将超声波作用于污泥时，污泥的颗粒与介质一起振动产生碰撞结合，污泥外层的结合水被释放转化为自由水。当超声时间进一步增加，或者超声能量增大时，正是由于污泥菌胶团块吸附力较弱，菌胶团很容易被破坏，被振荡成为更细小的颗粒，污泥比表面积增加，反而又会吸附更多的结合水，从而使污泥脱水困难。并且由于超声时间过长，EPS 中带负电荷的功能基团占比增加，絮凝效果变差。

2.4.3 超声波联合PAM 对污泥脱水的影响

PAM 对污泥的吸附作用主要来源于高分子的长链状态，当其长链在泥水体系中展开后，具有很大的比表面积，可以充分吸附污泥带有负电荷的污泥，形成较大的絮体。但由于污泥浓度高，菌胶团的亲水性阻碍了PAM 长链在泥水中的延展，不利于絮凝。若用一定强度的超声波对污泥进行预处理，一方面能够有效地改变污泥的流变性能，减小污泥黏度，同时还能破坏菌胶团对结合水的吸附力，提高高分子絮凝剂长链在泥水中的延展性，增加PAM 的吸附效果。另一方面由于菌胶团大小、污泥颗粒性状均为不规则状态，高分子长链在对以上物质进行吸附时，吸附力不同，这种差异性导致很大一部分污泥不能被絮凝剂吸附。经一定强度的超声波处理后，污泥的性状被改变，具有相似性，絮凝效果增强。此外，超声波的剪切作用还能增加污泥中能被絮凝剂吸附的相对点位，增强絮凝效果[9-10]。

3 结论

1）一定量的PAM 对污泥脱水效果有正向促进作用。针对本批次实验药剂，当PAM 投加量为0.8‰时，污泥抽滤效果最佳，此时脱水性能最好。随着絮凝剂投加量进一步增加，污泥脱水性能反而变差，主要是受到絮凝剂的电中和作用和吸附架桥作用的影响。

2）声能密度和超声时间对污泥脱水性能均有很大影响。当超声时间在80 s，声能密度在0.024 W/mL 时，抽滤效果最佳，过长的超声时间和较大的超声能量都会过分破坏污泥的状态，使污泥吸附更多结合水，降低脱水性能。

3）超声和PAM 协同作用能更有效地降低污泥脱水性能。一定强度的超声作用能改变污泥的性状和水体黏度，促进絮凝剂高分子长链在污泥水中的延展和对污泥颗粒的吸附，增强脱水效果。

4 前景及展望

随着城市化进程的快速发展，污泥产量日益增加，对污泥的处理和处置要求也必将更加严格。大量实验证明，超声波联合絮凝剂提高污泥脱水性能相比单一的絮凝剂调理更有优势，污泥的含水率降低会极大地减少后期的运输和处置成本，从而提高经济收益。结合本次实验结果显示，超声在该阶段的研究应用具有广阔前景，在节约污水处理厂运行成本方面有较高经济价值，在污泥稳定无害化运输处置方面可以起到积极作用。本实验在实验室范围内实现了利用超声波和PAM 联合调理来提高我厂污泥的脱水性能，确定了最优的调理参数，为我厂后期超声波的现场应用提供了有效的数据支持。同时，超声波还具有改善污泥性质等作用，这也为我们后期的研究提供了方向。