市政与环境工程 | 更新时间：2023-11-25 | 壳聚糖与硅藻土调理市政污泥 Performante of chitosan and diatomite recuperate municipal

量取100 mL污泥于200 mL烧杯中加入调理试剂，在室温条件下，置于搅拌器下以恒定的转速搅拌以混合均匀，充分反应后进行布氏抽滤脱水实验。单因素试验条件见表 4、5。

4  壳聚糖调理污泥试验条件

用量(干污泥质量比)/(mg·g-1)	搅拌强度(转速)/(r·min-1)	反应时间/s
1	30	30
2.5	60	60
5	120	150
6.5	150	240
10		300

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5  硅藻土调理污泥试验条件

用量(干污泥质量比)/(g·g-1)	搅拌强度(转速)/(r·min-1)	反应时间/s
0.1	60	30
0.25	90	90
0.5	120	150
0.75	150	240
1.0		300

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采用指标分析法，污泥脱水性能的表征指标种类繁多，根据方静雨等^[13]综合分析研究，污泥比阻与毛细吸水时间(CST) 呈正相关，没必要同时测定，因此, 试验主要分析污泥比阻下降率(相对原污泥)，再衡量脱水率、泥饼含水率、过滤时间等指标，综合考虑污泥的脱水性能。

1) 污泥比阻测定  采用布氏抽滤法测定，根据过滤基本原理Carman公式推导得到比阻计算公式

式中:P为过滤压力，mPa；A为过滤面积，m²；μ为滤液的动力粘滞度，mPa·s；ω为滤过单位体积的滤液在过滤介质上截流的固体重量，kg/m³；b为Carman公式中t/V~V的直线斜率；t为过滤时间，s；V为滤液体积，m³。

2) 泥饼含水率测定  采用重量法测定：取部分污泥置于蒸发皿中，于烘箱内105 ℃恒温烘干至恒重，放入干燥器中冷却后称重，根据式(2) 计算结果。

式中：m₁为空蒸发皿质量，g；m₂为湿泥及蒸发皿质量，g；m₃为干泥及蒸发皿质量, g。

3) 脱水率测定  采用式(3) 计算^[14]。

式中:m_F为滤液质量，kg；m_W为添加调理试剂所含水分质量，kg；m_s为污泥总质量，kg；m_DS为干污泥质量，kg。

4) 过滤时间测定  污泥抽滤一定体积所需时间，试验根据单次抽滤污泥量(100 mL) 取50 mL。

采用浓度为1 g/L的壳聚糖溶液，投加用量按表 4选取，对供试污泥进行调理，搅拌强度选取150 r/min，反应5 min。观察污泥体系表象，随着壳聚糖在污泥中混匀，悬浮的污泥逐渐絮凝，最后整个体系中都存在细小的絮体矾花。污泥比阻随壳聚糖投加量的变化情况如图 1所示。

1  CTS用量对SRF的影响

 

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由图 1可知，整体来看，随着壳聚糖用量的加大，污泥比阻不断减小，在0~5 mg/g的范围内急剧下降，5~6.5 mg/g范围内下降的比率趋于平缓，6.5 mg/g之后再加大壳聚糖用量，污泥比阻有所回升。为了分析出现拐点的原因，试验进一步探究壳聚糖用量对泥饼含水率和过滤时间的影响，其变化规律如图 2所示。

2  CTS用量对FCM及TTF的影响

 

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由图 2可知，当壳聚糖用量超过5 mg/g后，泥饼含水率开始回升，说明此时过滤液所截流的干物质量开始减少；用量超过6.5 mg/g后，过滤时间也出现反弹。分析污泥比阻公式可知，比阻值与过滤液所截流的干物质量反相关，与过滤时间正相关，因而壳聚糖用量过高时污泥比阻下降率出现回升。通过本研究可确定壳聚糖最佳用量为5 mg/g。

投加浓度为1 g/L的壳聚糖溶液5 mL，搅拌强度稳定在150 r/min，对供试污泥进行调理，观察污泥体系表象，不同反应时间下，都存在细小絮体矾花，但矾花团规模有一定差别。污泥脱水性能随反应时间的变化情况如图 3所示。

3  反应时间对SRF、FCM、TTF的影响

 

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由图 3可以看出，改变反应时间对污泥比阻的影响比较小，反应时间为150 s时污泥比阻下降率相对最优为77.07%；泥饼含水率和过滤时间的变化波动比较大，当反应时间为60 s与150 s时，泥饼含水率接近85%，而从过滤时间来看反应150 s时污泥脱水性能有绝对优势。因此，壳聚糖调理污泥最佳反应时间为150 s。

投加浓度为1 g/L的壳聚糖溶液5 mL，固定反应时间150 s，对供试污泥进行调理，调理之后抽滤之前，观察到污泥体系中的絮体矾花形状大小有所不同，总体表现为强度越大矾花越小，图 4是污泥比阻随搅拌强度的变化情况。

4  搅拌强度对SRF的影响

 

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分析搅拌强度改善污泥脱水效果的规律，可以看到污泥比阻随着搅拌强度的提升，呈现出明显的下降趋势。因此，本研究确定壳聚糖调理污泥最佳搅拌强度为30 r/min。

壳聚糖改善污泥脱水性能的能力，主要与自身带有羟基和氨基活性基团的长链结构有关^[15]。壳聚糖的弱阳离子性与负电位的原污泥体系静电中和使得污泥颗粒脱稳，释放水分子，其吸附架桥作用使污泥凝聚成更大的絮体，从而使抽滤脱水变得更容易。同样的壳聚糖用量下，需要一定的反应时间让絮体凝聚，同时限于壳聚糖作为弱阳离子调理剂，与污泥形成的絮体强度不高，因此高强度搅拌会打散絮体矾花，使得污泥脱水性能变差。

由此，本研究确定壳聚糖调理污泥的最佳条件是投加5 mg/g在30 r/min的转速下搅拌反应150 s，污泥比阻下降率为92.80%。

在探究硅藻土调理污泥的影响因素过程中，发现反应时间及搅拌强度几乎无影响，主要作用变量是投加剂量，图 5是污泥脱水性能随硅藻土投加量(干污泥质量比) 的变化情况。

5  DE用量对SRF及DR的影响

 

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从图 5中可以看出，随着硅藻土用量不断增加，污泥比阻不断下降，而下降的速度在0.5 g/g前后有明显的差距，如果考虑经济因素应用到实际生产，应采用0.5 g/g的硅藻土用量。同时有研究认为，污泥比阻不适用于有大量的调理剂投加到污泥中的情况，此时污泥固体浓度产生了较大影响^[16]。若仅用比阻来评价污泥脱水性能的改善程度会存在偏差，因此本研究还采用脱水率来评价污泥的过滤脱水性能。脱水率的变化整体表现为先上升后下降，其峰值出现在0.5 g/g。因此，综合考虑，硅藻土用量相对干污泥质量比最佳条件应为0.5 g/g。

由于硅藻土自身无定形的SiO₂特殊多孔结构，具有巨大的比表面积^[17]，在污泥调理中以吸附作用为主，吸附需要一定时间但并不对过滤产生关键性影响，且在调理过程中并不产生如壳聚糖调理时的絮体矾花，这与试验观察表象保持一致，搅拌并不会阻碍吸附作用，因而反应时间及搅拌强度对硅藻土调理污泥几乎没有影响。

硅藻土对污泥的吸附作用，对原污泥体系难脱水的稳定性是一种破坏，因此加大其用量可以降低污泥比阻，但当过量的硅藻土进入污泥后，会吸附更多水分，因此造成脱水率的反弹。

联合使用调理试剂，除了考虑单独试剂本身最佳作用条件外，由于不同的调理剂存在不同的结构和作用方式，联合使用时，不同的试剂投加顺序可能会导致不同的调理结果。因此，考察了壳聚糖与硅藻土联合调理时，投加顺序的影响。两者联合使用，存在3种不同的工序：a) 先投加壳聚糖搅拌混匀后再投加硅藻土搅拌混匀；b) 先投加硅藻土搅拌混匀再投加壳聚糖搅拌混匀；c) 壳聚糖和硅藻土同时投加到污泥中再进行搅拌混匀。

污泥采用5 mg/g壳聚糖与0.5 g/g硅藻土联合调理后，3种投加方式所得的调理结果见表 6。

6  联合调理不同工序下的污泥脱水性能

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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从表 6可以看出，先投加硅藻土比先投加壳聚糖的污泥比阻下降了23.77%，比一起投加下降了6.89%，脱水率、泥饼含水率及过滤时间皆有不同程度的改善，因此壳聚糖与硅藻土联合调理最佳的投加顺序应是先投加硅藻土再投加壳聚糖，这与陈畅亚的研究^[16]相符合。分析其原因，硅藻土是拥有巨大比表面积的吸附剂，先投加到污泥体系，可以降低体系的稳定性，这种改变更有利于发挥壳聚糖的弱阳离子电位差絮凝效应，同时硅藻土在壳聚糖形成的大污泥絮体中相当于“骨架”作用，上诉的两者协同作用使污泥结构和性质朝有利于脱水的方向变化，整个过程可以看作是对污泥体系的“打乱-重建”的历程。

从调理试验表象观察，投加聚丙烯酰胺比联合投加调理污泥所形成的絮体矾花体积更大，且在搅拌强度150 r/min下反应5 min并不会被打散，调理后污泥体系上清液也更澄清。聚丙烯酰胺调理污泥时，污泥比阻的变化规律如图 6所示。

6  PAM用量对SRF的影响

 

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由图 6可知，随着聚丙烯酰胺投加量的增加，污泥比阻急剧下降，其最佳效果是投加量为3 mg/g时，污泥比阻的下降比为96.02%。与之前研究所得的壳聚糖与硅藻土联合调理的相对最佳效果相比(见表 7)，当先投加0.5 g/g硅藻土再添加5 mg/g壳聚糖反应时，污泥比阻的下降比为95.43%，两者的效果十分接近。而比较脱水率及泥饼含水率，聚比稀酰胺的调理效果不占优势。

7  联合试剂与聚丙烯酰胺调理污泥综合性能比较

调理试剂	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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