含磷废水化学污泥的脱水研究

杨 威，宋国平，关洪亮，何东升

(1 武汉工程大学，湖北 武汉 430205；2 孝感市生态环境局应城分局，湖北 孝感 432400)

随着磷化工产业的飞速发展，污水量急剧增加，污泥作为污水处理的副产物，其排放量大幅增加[1]。污泥量增加会引发土地占用、环境二次污染、生态污染等问题[2]，快速有效地处理处置污泥成为人们关注的焦点，污泥脱水作为污泥处理中的重要环节，是实现污泥稳定化、减量化和无害化的重要措施。现行污泥脱水方式效果不理想，产生高昂的处理费用[3]，对污泥进行高效脱水一直是实际应用中的难点。有研究表明[4]，对污泥进行预处理可有效提高后续污泥脱水的效果，因此对污泥脱水的预处理方式进行研究十分必要。

污泥脱水的预处理方法可以分为物理方法、化学方法和生物方法三大类。物理方法通过改变其物理性质来对污泥进行处理，具有清洁高效的特点，如热处理、超声处理、微波处理、冷冻融化等，但通常能耗较高，在实际应用中较难操作；化学方法通过投加化学药剂来对污泥进行处理，是最常见的一类污泥脱水预处理方法，具有操作简单、效果明显的特点，如酸碱调理法、絮凝沉淀法、氧化法等；生物方法具有成本低、环境友好的特点，但该方法容易受到外界环境的影响，不能处理含对微生物有害成分的污泥，如微生物絮凝剂法、生物沥浸法等。

本研究的目的在于得到一种实际的含磷废水化学污泥脱水的方法，能够达到有效降低污泥含水率的目的。处理后的污泥的含水率能够达到相应资源化利用的标准，对环境和生态的影响降低，并具有一定的环境和经济效益。

1 污泥性质

1.1 污泥来源及性质

本研究中的污泥来源于湖北某磷化工企业含磷废水处理过程中产生的化学污泥。该污泥经企业机械脱水，测得其含水率约65.37%，pH为9.58。

1.2 污泥矿物组成

将污泥置于105 ℃烘箱中烘干，研磨成粉末后，采用X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)对其主要成分进行分析，谱图如图1所示，分析谱图可知该污泥的主要成分为磷灰石和磷石膏。

图1 污泥的XRD分析谱图Fig.1 XRD analysis spectrum of sludge

1.3 污泥化学组成

将污泥置于105 ℃烘箱中烘干，研磨后，采用X射线荧光光谱(X-Ray Fluorescent，XRF)对污泥的化学组成进行分析，化学组成如表 1所示。

表1 污泥成分分析表布Table 1 Composition analysis of sludge

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

2.1.1 试剂

阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)：用于配制0.1% CPAM溶液；聚丙烯酰胺(PAM)：用于配制0.1% PAM溶液；H2SO4、NaOH，均为分析纯。

2.1.2 仪器

060S有超声波清洗机；XMA-2000电热鼓风干燥箱； pHS-3CpH计；BSA124S分析天平；85-2A双数显恒温磁力搅拌器。

2.2 试验方法

本研究依据污泥的性质分别选取了调节污泥pH值、CPAM、PAM、超声四种方法对污泥进行预处理。

2.2.1 pH

以NaOH和H2SO4调节污泥的pH值为3～11，探究不同pH对污泥含水率和污泥沉降性能的影响。

2.2.2 CPAM

向污泥中投加0.5～5 mL 0.1% CPAM溶液，探究CPAM的投加量对污泥含水率和污泥沉降性能的影响；以NaOH和H2SO4调节污泥的pH值为3～11，探究CPAM对不同pH污泥含水率和污泥沉降性能的影响。

2.2.3 PAM

向污泥中投加0.1～0.5 mL 0.1% PAM溶液，探究PAM的投加量对污泥含水率和污泥沉降性能的影响；以NaOH和H2SO4调节污泥的pH值为3～11，探究PAM对不同pH污泥含水率和污泥沉降性能的影响。

2.2.4 超声

用超声处理污泥，探究不同超声时间对污泥含水率和污泥沉降性能的影响。

2.3 测定方法

2.3.1 含水率测定

本研究采用重量法测定污泥的含水率。将调理后的污泥置于布氏漏斗中抽滤15 min，得到污泥样品，取烘干至恒重的坩埚，称量其质量为m1，将污泥样品放入坩埚后，称量总质量为m2，再将装入污泥样品后的坩埚放入105 ℃的烘箱中，烘干至恒重，测得质量为m3。根据下列公式计算可以得到污泥样品的含水率：

2.3.2 污泥沉降性能

用量筒量取100 mL调理后的污泥将其沉降1 h，过程中记录不同时间下的污泥体积，该体积占混合液总体积的百分比即为SV值。绘制沉降时间-SV曲线，比较不同调理条件下的污泥沉降性能。

3 结果与讨论

3.1 烘干时间

本试验通过测定不同烘干时间下的污泥的含水率以探究其烘干至恒重的时间，得到如图2所示结果。据图分析，可知当烘干时间为6 h以上时，污泥含水率约为62.07%，基本不变，因此本研究中测定污泥的含水率为将污泥置于烘箱中烘干6 h以上的结果。

图2 烘干时间对污泥含水率的影响Fig.2 The effect of drying time on the moisture content of sludge

3.2 pH对污泥脱水的影响

通过调节污泥的pH值为2.99、5.06、7.02、9.03、11.04后测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，探究pH对污泥脱水效果和沉降性能的影响，结果如图3和图4所示。据图3分析，pH为7.02时，污泥脱水后的含水率最低，为60.51%，pH降低或升高都会增高污泥脱水后的含水率， pH为2.99和11.04时，污泥脱水后的含水率分别为63.71%和62.30%，因此中性条件下污泥的脱水效果最好。据图4分析，随着pH增大，污泥的沉降性能越来越差，因此酸性条件更有利于改善污泥的沉降性能。

图3 pH对污泥含水率的影响Fig.3 The influence of pH on the moisture content of sludge

图4 pH对污泥沉降性能的影响Fig.4 The influence of pH on the sedimentation performance of sludge

3.3 CPAM对污泥脱水的影响

本试验向污泥中投加CPAM进行预处理，测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，探究CPAM投加量和pH对污泥脱水效果和沉降性能的影响。

3.3.1 CPAM投加量的影响

通过调节CPAM的投加量为1、2、3、4、5 mL后测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，结果如图5和图6所示。据图5分析，随着CPAM投加量的增加，污泥脱水后的含水率先下降后上升，当投加量为2 mL时，污泥含水率最低，为60.12%。据图6分析，随着CPAM投加量的增加，污泥沉降速度越来越快，污泥的沉降性能越来越好，但沉降1 h后污泥的SV值随着CPAM投加量的增加先减小后增加，在CPAM投加量为3 mL时最小，为 27.60%，说明沉降后污泥体积受CPAM投加量的影响。

图5 0.1%CPAM投加量对含水率的影响Fig.5 The influence of 0.1% CPAM dosage on water content

3.3.2 pH对CPAM处理污泥的影响

控制CPAM的投加量为2 mL，调节pH为3.07、5.05、7.05、9.02、11.03，探究CPAM对不同pH污泥含水率和污泥沉降性能的影响，结果如图 7和图8所示。据图7分析，随着pH降低，污泥脱水后的含水率先基本不变后增大，pH≥7时，污泥脱水后的含水率基本不变，约60%；pH<7时，污泥脱水后的含水率较高，说明酸性条件不利于污泥的脱水。据图8分析，随着pH降低，污泥的沉降速度变快，说明酸性条件下污泥的沉降性能更好。

图8 pH对CPAM处理污泥沉降性能的影响Fig.8 The effect of pH on the sedimentation performance of sludge treated by CPAM

据上述试验分析，用CPAM对污泥进行预处理的最佳反应条件是pH≥7，投加量为2 mL，此时，污泥脱水后的含水率为60%。

3.4 PAM对污泥脱水的影响

本试验向污泥中投加PAM进行预处理，测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，探究PAM投加量和pH对污泥脱水效果和沉降性能的影响。

3.4.1 PAM投加量的影响

通过调节PAM的投加量为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL后测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，结果如图9和图10所示。据图9分析，随着PAM投加量的增加，污泥脱水后的含水率先下降后上升，投加量为0.2 mL时，污泥含水率最低，为59.8%。据图10分析，随PAM投加量的增加，其沉降速度越来越快，沉降1 h后污泥的SV值随着PAM投加量的增加先增加后减少，在PAM投加量为0.4 mL时最大，为 34.04%，在PAM投加量为0.5 mL时最小，为28.95%，说明沉降后污泥体积受PAM投加量的影响。

图9 0.1%PAM投加量对污泥含水率的影响Fig.9 The influence of 0.1% PAM dosage on the moisture content of sludge

图10 0.1%PAM投加量对污泥沉降性能的影响Fig.10 The influence of 0.1% PAM dosage on sludge sedimentation performance

3.4.2 pH对PAM处理污泥的影响

控制PAM的投加量为0.2 mL，调节pH值为3.02、5.03、6.97、9.07、11.04后测定污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，结果如图11和图12所示。据图11分析，pH为6.97时，污泥脱水后的含水率最低，为58.46%，pH降低或升高都会增高污泥脱水后的含水率，pH为3.02和11.04时，污泥脱水后的含水率分别为61.44%和60.26%，因此中性条件下PAM预处理污泥的脱水效果最好。据图12分析，pH对PAM处理污泥的沉降速度影响不大，仅pH值为3.02时污泥沉降1 h后的SV值较高，为32.99%，其余pH值条件下污泥沉降1 h后的SV值均小于30%，说明不同pH对污泥沉降性能影响不大。

图11 pH对PAM处理污泥含水率的影响Fig.11 The influence of pH on the moisture content of sludge treated by PAM

图12 pH对PAM处理污泥沉降性能的影响Fig.12 The effect of pH on the sedimentation performance of PAM treatment sludge

据上述试验分析，投加PAM对污泥进行预处理后脱水的最佳反应条件是pH=7，投加量为0.2 mL，此条件下污泥脱水后的含水率可达到58.46%。

3.5 超声对污泥脱水的影响

调节超声时间为20、40、60、80、100、120 s测定其污泥沉降性能和脱水后污泥的含水率，结果如图13和图14所示。据图13分析，随着超声时间的增加，污泥脱水后的含水率先减小后增加，在超声时间为60s时，污泥脱水后的含水率最低，为57.55%，时间缩短或加长都会增高污泥脱水后的含水率，超声时间为20 s和120 s时，污泥脱水后的含水率分别为59.68%和58.54%，据图14分析，不同超声时间的污泥的沉降性能相差不大，但超声处理后的污泥的沉降性能整体较差，污泥沉降1 h后的SV值还处于90%左右。

图13 超声对污泥含水率的影响Fig.13 The effect of ultrasound on the moisture content of sludge

图14 超声对污泥沉降性能的影响Fig.14 The effect of ultrasound on sludge sedimentation performance

3.6 各预处理方法对污泥脱水效果的对比

比较上述不同预处理方法在各自最佳条件下处理污泥后污泥的沉降性能和污泥脱水后的含水率，结果如表2、图15和 图16所示。据结果分析，这四种方法对污泥的脱水效果均有影响，超声处理后的污泥的脱水效果最好，含水率为57.55%；其次为PAM预处理，含水率为58.46%；再次为CPAM预处理，含水率为60%；直接调pH的方法最差，含水率为60.51%。四种预处理方法对于污泥沉降性能的影响不一致，其沉降性能由好到坏依次是经PAM处理的污泥、经CPAM处理的污泥、仅调节pH的污泥、经超声处理的污泥，其中，只有超声调理后的污泥的沉降性能比原始污泥差。

图15 不同预处理方法处理的污泥含水率对比图Fig.15 Comparison of water content of sludge treated by different pretreatment methods

图16 不同预处理方法处理的污泥沉降性能对比图Fig.16 Comparison of sludge settlement performance treated by different pretreatment methods

表2 不同预处理方法对污泥脱水效果对比表 Table 2 Comparison table of the effect of different pretreatment methods on sludge dewatering

4 结 论

本研究对比了四种不同的预处理方法对于污泥性能的影响，选取了污泥脱水后的含水率和污泥沉降性能来进行对比。

(1)用酸碱调理法对污泥进行预处理的最佳条件为pH=7.02，此时污泥脱水后的含水率为60.51%；投加0.1% CPAM对污泥进行预处理的最佳反应条件是pH≥7，投加量为2 mL，此时污泥脱水后的含水率为60%；投加0.1%PAM对污泥进行预处理的最佳反应条件是pH=7，投加量为0.2 mL，此条件下污泥脱水后的含水率为58.46%；用超声波对污泥进行预处理的最佳处理时长为60 s，此时污泥脱水后的含水率为57.55%。

(2)对污泥进行预处理后污泥的沉降性能由好到坏依次是经PAM调理的污泥、经CPAM调理的污泥、仅调节pH的污泥、超声调理后的污泥，其中，只有超声调理后的污泥的沉降性能比原始污泥差。

(3)研究表明，若仅考虑污泥脱水后的含水率，超声对污泥进行预处理效果最佳；若同时考虑污泥的沉降性能和污泥脱水后的含水率， PAM对污泥进行预处理的效果最好。

(4)本研究仅采取单一方法对污泥进行预处理，后续可探究多种方法相结合对污泥进行预处理，以期达到更佳的处理效果。