赫俊国1,庞鹤亮1,张立洲1,郑砚石1,刘甜甜1,张杰1,2
(1.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院,150090 哈尔滨; 2.城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学),150090 哈尔滨)
摘要:
为解决污泥减量化处理过程中药耗或能耗过高、污泥量增加等问题，提出利用污泥自身胞外聚合物（EPS）产生的自絮凝调理来促进其脱水性能，通过正交实验和单因素实验考察污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间对污泥自絮凝特性的影响，分析污泥毛细吸水时间（tCST）、污泥容积指数（SVI）、污泥粒径和Zeta电位的变化规律.结果表明，自絮凝可增大污泥粒径，提高污泥疏水性，减少絮体表面Zeta电位的影响，从而改善污泥脱水性能和沉降性能.在最佳参数（污泥质量浓度18 g·L-1、搅拌强度200 r/min、搅拌时间3.5 min）条件下，自絮凝后污泥体积平均粒径增加11.4%，Zeta电位升高19.0%，tCST降低17.1%，SVI降低8.1%，效果显著.所考察的因素对自絮凝作用的影响程度依次为：污泥质量浓度>搅拌时间>搅拌强度.较高的污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间均有利于提高自絮凝效果，而当污泥质量浓度、搅拌强度或搅拌时间大于最佳参数时，自絮凝效果则逐渐减弱.研究成果提供了利用污泥自身特性进行调理的新思路，可为优化污泥调理方式、降低调理药耗和减少污泥产量提供技术支持.
关键词: 剩余污泥 自絮凝 脱水性能 沉降性能 粒径 Zeta电位
DOI：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.005
分类号:X705
文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金 (51278143)； 国家重大科技专项 (2014ZX07202-011).
Analysis of characteristics and key factors of excess sludge self-flocculation
HE Junguo1, PANG Heliang1, ZHANG Lizhou1, ZHENG Yanshi1, LIU Tiantian1, ZHANG Jie1,2
(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China; 2.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment（Harbin Institute of Technology）,150090 Harbin, China)
Abstract:
To solve the existing problems, such as sludge volume increasing, high consumption of chemical reagent and energy during the sludge treatment and disposal, a sludge conditioning method, called self-flocculation, was proposed. This approach enhanced the dewatering efficiency of sludge via the utilization of the self-flocculation function of the extracellular polymeric substance (EPS). By orthogonal and single factor experiments, the impacts of sludge concentration, stirring intensity and stirring time on the sludge self-flocculation were investigated. Meanwhile, the corresponding variation of the capillary suction time (tCST), sludge volume index (SVI), particle size and Zeta potential were also analyzed. Experimental results indicated that self-flocculation could enlarge the particle size of sludge and decrease the effect of flocs Zeta potential. Therefore, hydrophobicity, dewaterability and settleability of sludge were improved. Under the optimal self-flocculation conditions (sludge concentration, 18 g/L, stirring intensity, 200 r/min, stirring time, 3.5 min), the particle size and Zeta potential of the sludge increased 11.4% and 19%, respectively, while the tCST and SVI could be respectively reduced by 17.1% and 8.1%. In addition, the significant effects of operational parameters on self-flocculation showed a decreased trend of sludge concentration > stirring intensity > stirring time. A higher sludge concentration, stirring intensity and stirring time was beneficial to the sludge self-flocculation. However, once each of the three parameters was higher than that at the optimal condition, sludge self-flocculation would weaken gradually. This study provided a new approach for sludge conditioning by using the sludge self-characteristics.
Key words: excess sludge self-flocculation dewaterability settleability particle size Zeta potential
赫俊国, 庞鹤亮, 张立洲, 郑砚石, 刘甜甜, 张杰. 剩余污泥自絮凝特性及关键影响因素作用分析[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2016, 48(2): 27-32. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.005.
HE Junguo, PANG Heliang, ZHANG Lizhou, ZHENG Yanshi, LIU Tiantian, ZHANG Jie. Analysis of characteristics and key factors of excess sludge self-flocculation[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 48(2): 27-32. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.005.
基金项目 国家自然科学基金（51278143）；国家重大科技专项（2014ZX07202-011） 作者简介 赫俊国(1970-), 男, 教授, 博士生导师;
张杰(1938-), 男, 博士生导师, 中国工程院院士 通信作者 赫俊国, junguohe263.net 文章历史 收稿日期: 2015-09-16
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剩余污泥自絮凝特性及关键影响因素作用分析
赫俊国1
, 庞鹤亮1, 张立洲1, 郑砚石1, 刘甜甜1, 张杰1,2 1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院, 150090 哈尔滨;
2. 城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学), 150090 哈尔滨
收稿日期: 2015-09-16
基金项目: 国家自然科学基金（51278143）；国家重大科技专项（2014ZX07202-011）
作者简介: 赫俊国(1970-), 男, 教授, 博士生导师;
张杰(1938-), 男, 博士生导师, 中国工程院院士
通信作者: 赫俊国, junguohe263.net
摘要: 为解决污泥减量化处理过程中药耗或能耗过高、污泥量增加等问题，提出利用污泥自身胞外聚合物（EPS）产生的自絮凝调理来促进其脱水性能，通过正交实验和单因素实验考察污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间对污泥自絮凝特性的影响，分析污泥毛细吸水时间（tCST）、污泥容积指数（SVI）、污泥粒径和Zeta电位的变化规律.结果表明，自絮凝可增大污泥粒径，提高污泥疏水性，减少絮体表面Zeta电位的影响，从而改善污泥脱水性能和沉降性能.在最佳参数（污泥质量浓度18 g·L-1、搅拌强度200 r/min、搅拌时间3.5 min）条件下，自絮凝后污泥体积平均粒径增加11.4%，Zeta电位升高19.0%，tCST降低17.1%，SVI降低8.1%，效果显著.所考察的因素对自絮凝作用的影响程度依次为：污泥质量浓度>搅拌时间>搅拌强度.较高的污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间均有利于提高自絮凝效果，而当污泥质量浓度、搅拌强度或搅拌时间大于最佳参数时，自絮凝效果则逐渐减弱.研究成果提供了利用污泥自身特性进行调理的新思路，可为优化污泥调理方式、降低调理药耗和减少污泥产量提供技术支持.
关键词: 剩余污泥 自絮凝 脱水性能 沉降性能 粒径 Zeta电位
Analysis of characteristics and key factors of excess sludge self-flocculation
HE Junguo1
, PANG Heliang1, ZHANG Lizhou1, ZHENG Yanshi1, LIU Tiantian1, ZHANG Jie1,2 1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China;
2. State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment(Harbin Institute of Technology), 150090 Harbin, China
Abstract: To solve the existing problems, such as sludge volume increasing, high consumption of chemical reagent and energy during the sludge treatment and disposal, a sludge conditioning method, called self-flocculation, was proposed. This approach enhanced the dewatering efficiency of sludge via the utilization of the self-flocculation function of the extracellular polymeric substance (EPS). By orthogonal and single factor experiments, the impacts of sludge concentration, stirring intensity and stirring time on the sludge self-flocculation were investigated. Meanwhile, the corresponding variation of the capillary suction time (tCST), sludge volume index (SVI), particle size and Zeta potential were also analyzed. Experimental results indicated that self-flocculation could enlarge the particle size of sludge and decrease the effect of flocs Zeta potential. Therefore, hydrophobicity, dewaterability and settleability of sludge were improved. Under the optimal self-flocculation conditions (sludge concentration, 18 g/L, stirring intensity, 200 r/min, stirring time, 3.5 min), the particle size and Zeta potential of the sludge increased 11.4% and 19%, respectively, while the tCST and SVI could be respectively reduced by 17.1% and 8.1%. In addition, the significant effects of operational parameters on self-flocculation showed a decreased trend of sludge concentration > stirring intensity > stirring time. A higher sludge concentration, stirring intensity and stirring time was beneficial to the sludge self-flocculation. However, once each of the three parameters was higher than that at the optimal condition, sludge self-flocculation would weaken gradually. This study provided a new approach for sludge conditioning by using the sludge self-characteristics.
Keywords: excess sludge self-flocculation dewaterability settleability particle size Zeta potential
剩余污泥是活性污泥法处理污水的副产物，具有组分复杂、性质易变、处理处置困难等特点，极易造成二次污染[1-2].脱水减容是剩余污泥处理处置的关键步骤，然而剩余污泥受“粘胶相区”的影响，高效脱水困难[3].研究表明，对剩余污泥调理后再进行脱水能够提高脱水效率[4-5].目前常用的调理方法主要有化学调理和物理调理[6-8].Lee等[9-11]分别采用高分子聚合电解质、微波辐射和冻融方法调理污泥，发现污泥脱水性能均明显改善；Shi等[12]考察了Fe2+和过硫酸盐对污泥的调理效果，发现两者的协同作用可以通过改善絮体骨架结构从而提高污泥脱水性能；Yuan等[13]则发现电化学与表面活性剂联用对污泥的调理效果优于单独调理.化学调理是目前普遍采用的调理方法，但其存在药耗高、污泥产量增大等弊端[14].传统的物理调理则存在能耗高、成本昂贵、对设备和操作要求高等弊端，目前难以大范围推广.因此，如何降低污泥调理药耗和能耗，并最大限度减少污泥增量是目前污泥调理所面临的重要问题.
近年来，有研究学者提取污泥中微生物分泌的胞外物质进行培养、富集，制成生物絮凝剂对污泥进行调理，取得了良好的效果，但成本高昂[15-16].而直接利用污泥自身胞外聚合物(EPS)在调理过程中发挥生物絮凝作用的自絮凝现象的研究未见相关报道[17].在前期研究工作中发现，通过对污泥搅拌能够促进污泥发挥自絮凝作用，在一定程度上改善污泥脱水性能，该过程的机理、控制、优化均有待深入研究.本研究以剩余污泥为研究对象，探究污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间对污泥自絮凝特性的影响，考察自絮凝过程中污泥脱水性能和絮体理化性质的变化规律，确定自絮凝主要影响因素及最佳参数，分析污泥自絮凝作用机理，以期提出一种低成本、环境友好的新型污泥调理方法，为减少污泥调理药耗和能耗，降低污泥处理处置成本，实现污泥高效调理和脱水提供技术支持.
1 实验 1.1 实验污泥原始污泥取自哈尔滨市文昌污水厂二沉池剩余污泥.污泥取回后储存在冰箱(4 ℃)中保存，使用前在室温下静沉8 h，去除部分上清液后作为实验污泥待用.原始污泥基本指标如表 1所示.
表 1
表 1 原始污泥基本指标 
表 1 原始污泥基本指标
1.2 检测指标及分析方法污泥含水率和MLSS采用重量法测定[18]；污泥容积指数SVI(sludge volume index)采用标准方法测定[18]；污泥毛细吸水时间tCST(capillary suction time)采用CST测定仪(Triton 304M，英国)测定，漏斗采用18 mm圆槽漏斗，滤纸采用Whatman17#层析滤纸[19]；污泥Zeta电位采用Zeta电位测定仪(Malvern Zetasizer Nano ZS90，英国)测定；污泥粒径以体积平均粒径表征，采用激光粒度分析仪(Malvern Mastersizer 2000，英国)测定.
以tCST表征污泥脱水性能[20]，以SVI表征污泥沉降性能，以污泥粒径和Zeta电位分析污泥絮体理化性质[21-24].全部指标均在取样后10 min内进行测定.各指标均测3组平行样，取平均值为最终结果.
1.3 实验方法通过正交实验和单因素实验的方法考察剩余污泥自絮凝特性.全部实验采用烧杯搅拌实验进行，通过六联搅拌机(MY3000-6M，武汉梅宇仪器设备有限公司)完成.
1.3.1 正交实验污泥自絮凝特性的影响因素主要包括污泥性质和搅拌参数.在前期预实验中发现，污泥质量浓度对自絮凝效果具有显著影响，而搅拌参数主要包括搅拌强度和搅拌时间.因此，在控制pH等其他污泥性质不变的情况下，以tCST变化率为评价指标，选择污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间3个因素，每个因素选取5个水平，采用正交设计表L25(56)设计实验[25].各因素设计水平如表 2所示，实验计划如表 3所示.
表 2
表 2 正交实验因素水平表 
表 2 正交实验因素水平表
表 3
表 3 正交实验设计参数及直观分析结果 
表 3 正交实验设计参数及直观分析结果
取1 L不同质量浓度的实验污泥置于1 L的圆形烧杯中，按表 3中实验计划进行搅拌.搅拌后从同一高度的取样口处取10 mL污泥样品，测定污泥tCST，计算tCST变化率，即自絮凝后与自絮凝前tCST差值与自絮凝前tCST的比值，并对结果进行均值分析和极差分析，确定最佳自絮凝参数范围，分析各因素对tCST影响的显著程度.
1.3.2 单因素实验在正交实验的基础上，通过单因素实验考察各因素对污泥自絮凝效果的影响.在控制其余因素为正交实验确定的最佳参数的条件下，分别考察污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间中单一因素变化时，自絮凝后污泥脱水性能、沉降性能和理化性质指标的变化规律，分析作用机理，并确定实验条件下的自絮凝最佳参数.
取1 L实验污泥置于1 L的圆形烧杯中，按相应的实验计划进行搅拌.搅拌后从同一高度的取样口处取3组10 mL污泥样品，测定污泥tCST、粒径和Zeta电位，取一组250 mL污泥样品，测定污泥SVI.
2 结果与分析 2.1 自絮凝影响因素分析及最佳参数范围确定根据设计的正交实验，考察不同参数下自絮凝后污泥tCST变化率，并将实验数据进行直观分析，计算各因素均值(即各因素同一水平的结果之和的平均值)，以及极差(即各因素最大均值与最小均值之差)[25]，结果如表 3所示.
由表 3可以看出，不同参数条件下，自絮凝后污泥tCST变化率在-17%~14%内变化.tCST变化率为负值时表明自絮凝后tCST降低，污泥脱水性能改善，且其越低，脱水性能改善程度越大; 而tCST变化率为正值时表明自絮凝后tCST升高，污泥脱水性能恶化.分析可知，污泥在搅拌过程中发生了自絮凝作用，使tCST降低，脱水性能改善[16].然而，在一定参数条件下，自絮凝也可能导致污泥tCST升高，脱水性能恶化.因此，选择合理的参数是实现自絮凝良好效果的关键.
由表 3中极差分析知，各因素对自絮凝影响的显著程度依次为：污泥质量浓度＞搅拌时间＞搅拌强度，其中污泥质量浓度对自絮凝效果的影响最大，搅拌时间和搅拌强度次之，且显著程度相近.由表 3中均值分析知，正交实验确定的最佳参数组合：污泥质量浓度20 g·L-1、搅拌强度250 r/min、搅拌时间4 min，说明自絮凝最佳参数在该参数附近，需通过单因素实验进一步确定.
2.2 污泥质量浓度对自絮凝效果的影响为研究污泥质量浓度对自絮凝效果的影响，在正交实验确定的最佳污泥质量浓度20 g·L-1附近选取16、18、20、22、24 g·L-1 5个污泥质量浓度进行分析，考察在搅拌强度250 r/min和搅拌时间4 min的条件下，不同质量浓度污泥经自絮凝后tCST、SVI、粒径、Zeta电位的变化，结果如图 1所示.
Figure 1
图 1 不同质量浓度污泥经自絮凝后各指标的变化 由图 1可以看出，不同质量浓度的污泥经自絮凝后tCST和SVI均降低，脱水性能和沉降性能改善，污泥粒径和Zeta电位则不同程度升高.研究表明，一般情况下，污泥粒径增大有利于脱水性能改善[26].根据DLVO理论，Zeta电位的升高能够减弱污泥絮体与水的极性作用，增强污泥疏水性，使絮体内的部分结合水转化为自由水，从而改善污泥脱水性能[22].因此，污泥粒径和Zeta电位升高表明污泥絮体性质改善，有利于脱水性能的提高.分析可知，自絮凝对污泥絮体具有絮凝聚集作用，能够增大污泥粒径，并在此过程中打破原有污泥稳定体系，使污泥Zeta电位升高，改善絮体理化性质和水分分布，提高污泥疏水性，从而改善污泥脱水性能和沉降性能[17, 27].
随着污泥质量浓度增大，自絮凝后污泥tCST降低率、SVI降低率和Zeta电位升高率均呈先升高后波动降低趋势，污泥粒径增大率则始终呈不断增大趋势.当污泥质量浓度为18 g·L-1时，自絮凝后污泥tCST降低率最高为14%，SVI降低率最高为6.8%，Zeta电位升高率最高为18.8%.当污泥质量浓度为24 g·L-1时，污泥粒径增大率最高为8%.分析可知，当污泥质量浓度小于18 g·L-1时，较大的污泥质量浓度能够促进自絮凝发挥作用，有利于污泥絮体间的絮凝聚集，增大污泥粒径和Zeta电位，改善污泥脱水性能和沉降性能；当污泥质量浓度大于18 g·L-1时，过高的污泥质量浓度仍有利于絮体间絮凝聚集和粒径增大，但形成的絮体结构松散，理化性质逐渐恶化，导致脱水性能和沉降性能改善程度逐渐降低.因此，实验条件下自絮凝最佳污泥质量浓度为18 g·L-1.
对图 1中数据进行分析可知，自絮凝过程中，污泥质量浓度对tCST和Zeta电位影响较大，两者变化率在5.1%~18.8%内；对SVI和粒径的影响较小，两者变化率在-2%~8%内.
2.3 搅拌参数对自絮凝效果的影响为研究搅拌参数对污泥自絮凝效果的影响，选择搅拌时间和搅拌强度为分析目标，考察污泥经不同搅拌时间和不同搅拌强度的自絮凝后tCST、SVI、粒径、Zeta电位的变化.在污泥质量浓度18 g·L-1和搅拌强度250 r/min的条件下，在正交实验确定的最佳搅拌时间4 min附近选取3、3.5、4、4.5、5、5.5 min 6个搅拌时间进行分析，结果如图 2所示.在污泥质量浓度18 g·L-1和搅拌时间4 min的条件下，在正交实验确定的最佳搅拌强度250 r/min附近选取100、150、200、250、300、350 r/min 6个搅拌强度进行分析，结果如图 3所示.
Figure 2
图 2 不同搅拌时间下污泥自絮凝后各指标的变化 Figure 3
图 3 不同搅拌强度下污泥自絮凝后各指标的变化 由图 2可以看出，污泥经自絮凝后tCST由原泥31.6 s降至26.3~28.8 s，降低率为8.7%~16.6%；SVI由原泥55.15 mL·g-1降至50.92~52.17 mL·g-1，降低率为5.4%~7.7%；污泥粒径由原泥78.56 μm变至77.51~86.43 μm，增大率为-1.3%~10%，其中搅拌时间大于5 min时，自絮凝后污泥粒径小于原泥粒径；Zeta电位由原泥-13.4 mV升高至-11.8~-10.9 mV，升高率为12.2%~18.9%.
如图 3所示，污泥经自絮凝后tCST由原泥32.5 s降至26.9~29.8 s，降低率为8.2%~17.1%；SVI由原泥57.26 mL·g-1降至52.62~53.93 mL·g-1，降低率为5.8%~8.1%；污泥粒径由原泥75.15 μm增大至77.6~83.7 μm，增大率为3.3%~11.4%；Zeta电位由原泥-13.1 mV升高至-11.7~-10.6 mV，升高率为10.6%~19%.
由图 2和图 3分析可知，自絮凝能够增大污泥粒径，改善絮体理化性质，进而改善污泥脱水性能和沉降性能，说明自絮凝确实对污泥絮体具有絮凝聚集作用.该结果验证了2.2中的分析结论.随着搅拌时间延长和搅拌强度增大，自絮凝后污泥tCST、SVI呈先降低后升高的趋势，Zeta电位和污泥粒径呈先升高后降低的趋势，各指标均在搅拌时间为3.5 min和搅拌强度为200 r/min处出现转折.分析可知，当搅拌时间小于3.5 min或搅拌强度小于200 r/min时，污泥自絮凝效果随搅拌时间延长或搅拌强度增大而提高，较长的搅拌时间和较大的搅拌强度均有利于自絮凝发挥作用，促进污泥絮体间的絮凝聚集，改善污泥脱水性能和沉降性能；而当搅拌时间大于3.5 min或搅拌强度大于200 r/min时，自絮凝效果随搅拌时间延长或搅拌强度增大而逐渐减弱，过长的搅拌时间和过大的搅拌强度均会使通过自絮凝形成的絮体被打散，导致污泥粒径逐渐减小，絮体结构遭到破坏，理化性质和水分分布逐渐恶化，进而导致污泥脱水性能和沉降性能改善程度逐渐降低[10, 28].因此，剩余污泥自絮凝最佳参数为：污泥质量浓度18 g·L-1，搅拌强度200 r/min，搅拌时间3.5 min.
同时，对图 2和图 3中各指标数据进行分析可知，污泥自絮凝过程中，搅拌时间和搅拌强度均对tCST和Zeta电位影响较大，对SVI和污泥粒径的影响则较小.
2.4 经济性分析含水率为98%浓缩后污泥的tCST一般为30~34 s，一般认为，tCST低于20 s时即为易脱水污泥[14, 29]，因此，在污泥处理过程中需通过调理将tCST降低约40%.由本文实验结果可知，在最佳自絮凝参数条件下，自絮凝后污泥tCST降低率可达17.1%.理论计算可知，对自絮凝后的污泥进行化学调理，可降低投药量约42%，若以FeCl3(投药量以0.07~0.1 g/g干污泥计)和生石灰(投药量以0.2~0.25 g/g干污泥计)调理为例[14]，含水率为80%的污泥产量以4 000万t/a计，可降低FeCl3药耗23.2~33.6万t/a，降低生石灰投药耗67.2~84万t/a，减少污泥产量453.6~588万t/a(含水率以80%计)，经济效益和社会效益显著.
3 结论1) 剩余污泥可以通过自絮凝进行调理，实验条件下确定的自絮凝最佳参数为：污泥质量浓度18 g·L-1、搅拌强度200 r/min、搅拌时间3.5 min，tCST降低率可达17.1%，SVI降低率可达8.1%，脱水性能和沉降性能均有所改善.
2) 污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间均可影响自絮凝效果，各因素对自絮凝效果影响的显著程度依次为：污泥质量浓度＞搅拌时间＞搅拌强度，其中搅拌强度和搅拌时间的显著程度相近.
3) 较高的污泥质量浓度、搅拌强度和搅拌时间均有利于提高污泥自絮凝效果，但当污泥质量浓度大于18 g·L-1、搅拌时间大于3.5 min或搅拌强度大于200 r/min时，自絮凝效果逐渐减弱.
4) 自絮凝对污泥絮体具有絮凝聚集作用，可增大污泥粒径，改善污泥Zeta电位，进而打破原有污泥稳定体系，改善絮体内部水分分布和污泥疏水性，从而提高污泥脱水性能和沉降性能.
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