在城市污水处理过程中，往往会产生大量的污泥，包括初沉池污泥、二沉池剩余污泥及消化污泥，其体积约占总处理水量的0.3%～0.5%。这些污泥含水量高达95%～99%，因此必须进行脱水处理，以减少污泥的质量和体积，为后续处理处置打下良好基础。污泥脱水的关键是改善其脱水性能，通常采用投加絮凝剂对污泥进行调理。本文拟采用一种无机絮凝剂聚合硫酸铁（PFS），和三种有机絮凝剂：丙烯酸钠-丙烯酸酰胺共聚物、异丁烯酸-甲基丙烯酸共聚物以及阳离子聚丙烯酰胺（PAM）对城市污水处理厂所产生的污泥进行絮凝脱水研究，以确定较佳的絮凝剂投加量，并对影响絮凝脱水过程的因素进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 污泥来源

本试验污泥分别取自郑州市城市污水处理厂二沉池剩余污泥、消化污泥以及初沉池和浓缩剩余污泥的混合污泥。其中剩余污泥首先在实验室进行自由沉降2h，取下层浓缩污泥作为试验污泥样品。试验泥样保存在4℃冰箱中，试验过程中，泥温保持在13℃，pH=6.8。

1.2 试验药剂

试验用絮凝剂如下表所示：

1.3 试验过程

1.3.1 初步筛选试验

分别取100mL污泥放入6个250mL烧杯中，加入不同剂量的絮凝剂，并用玻璃棒进行搅拌，先快速搅拌10～15次，然后慢速搅拌35～40次，静置10min后倒入布氏漏斗中进行过滤，记录滤液达到15mL所需的时间。采用不同的絮凝剂重复上述步骤，对絮凝剂进行初步筛选，并确定每种絮凝剂的投加量范围。

1.3.2 较佳絮凝剂的确定

准备100mL的待测泥样，分别按照不同投加量加入各种絮凝剂，测试污泥比阻值。根据实验结果，结合经济分析，确定较佳的絮凝剂及投加量。

1.3.3 污泥脱水影响因素试验

采用较佳的絮凝剂及投加量，并选择不同的过滤压力、pH值和搅拌速度，通过测试污泥比阻，探讨不同操作条件对污泥絮凝脱水性能的影响。

1.4 测试项目和方法

污泥比阻（r）反应了单位重量的污泥在一定压力下过滤时，单位过滤面积上滤饼单位干重所具有的阻力，通常用来衡量污泥脱水性能的好坏及难易程度。本试验采用自制的污泥比阻测试装置。

取100mL污泥倒入比阻测定装置的布氏漏斗中（事先铺一张直径略小于漏斗内径的滤纸，其面积测得为0.0079㎡，周边用水湿润），依靠重力过滤约1min（记录量筒中的滤液量，在分析时减去此值），然后在0.05MPa真空度下进行定压抽滤，每间隔10s记录不同抽滤时间t时的滤液体积V值，等滤速减慢后，每隔30s或60s记录滤液体积，直至滤饼破裂，真空度破坏或持续过滤20min结束。理论上讲，t/V与V成直线关系，其斜率就是比阻公式r=2bPA²/μC中的系数b；布氏漏斗的内底面积即为过滤面积A；抽滤结束后将布氏漏斗中滤纸上所截留下来的滤饼烘干，所得干物重量与抽滤液总重量之比就是C；再用黏度计测定滤出液的黏滞度μ，根据公式计算出污泥的比阻值。

2 结果与讨论

2.1 絮凝剂的初步筛选

在污泥中加入不同的絮凝剂，并进行过滤，从过滤结果可以看出：使用任意一种絮凝剂，过滤时间均随着絮凝剂投加量的增加呈现先降低后上升的趋势，过滤时间的波谷出现在絮凝剂投加比为3%～5%的区域附近。同时，试验结果表明，异丁烯酸-甲基丙烯酸共聚物过滤时间明显较长，而其余三种絮凝剂过滤时间较短，且比较接近。因此，选择此三种絮凝剂用于下一步实验。

2.2 较佳絮凝剂的确定

2.2.1 原污泥比阻试验

首先对各种原污泥进行空白试验，测得各原污泥的比阻值为：浓缩污泥r=31.995×10¹²m/kg；浓缩混合污泥r=39.396×10¹²m/kg；消化污泥r=44.253×10¹²m/kg。

一般来说，比阻＜1××10¹¹m/kg的污泥易于脱水，大于1×10¹³m/kg的污泥难以脱水。因此可以看出，本试验的原污泥均为不易脱水污泥，需要投加絮凝剂进行化学调节。

2.2.2 絮凝剂对污泥比阻的影响

向浓缩污泥、浓缩混合污泥、消化污泥三种污泥中依次投加PFS、PAM以及丙烯酸钠-丙烯酸酰胺共聚物三种絮凝剂，进行污泥比阻的测试，确定每种污泥所使用的不同絮凝剂的较佳投加量。

从测试结果可以看出，随着PFS投加量的增加，污泥比阻值先降低后升高。PFS是一种多羟基、多核络合体的阳离子型无机高分子絮凝剂。PFS可以与水以任意比例快速混合，在其水溶液中含有大量[Fe₂(OH)₃]³⁺、[Fe₂(H₂O)₆]³⁺、[Fe₃(OH)₃]⁶⁺等聚合体络合离子，这些正离子能够吸附于胶体颗粒及悬浮物表面，中和其表面负电荷，降低污泥颗粒的ζ电位，使污泥胶体颗粒由原来的相互排斥变成相互吸引，促使胶体颗粒凝聚。但是，超过较佳投加剂量后，污泥颗粒带上正电荷，ζ电位上升，污泥颗粒重新相互排斥，污泥脱水性能降低。

采用PAM也有一个较佳投加量，超过此值则絮凝效果下降。PAM是一种高效的有机高分子絮凝剂。在絮凝过程中，当高分子浓度较低时，吸附在颗粒表面上的高分子长链可能同时吸附在另一个颗粒的表面，通过架桥方式将两个或更多的微粒连在一起，从而导致絮凝。本试验采用的PAM为阳离子型，在起吸附架桥作用的同时，还可对带电荷的污泥胶体颗粒产生电中和作用，获得更好的絮凝效果。但是如果投加过量，溶液中高分子浓度过高，使颗粒表面完全被所吸附的高分子覆盖，架桥作用大大减弱，而且过量的阳离子会使污泥颗粒又带上了正电荷，重新相互排斥，絮凝效果快速下降。

投加丙烯酸钠-丙烯酸酰胺共聚物絮凝剂，随着投加量的增加，其比阻值变化也具有先降低后升高的特征。丙烯酸钠-丙烯酸酰胺是日本生产的一种新型共聚性有机高分子絮凝剂，其分子量达到900万左右，通过吸附架桥作用使污泥胶粒得以絮凝。

对这三种絮凝剂的较佳投加量及所得到的污泥比阻值进行比较，结果见下表：

综合分析结果显示，在同等真空度条件下，浓缩污泥和混合污泥消耗各种絮凝剂用量较少，消化污泥消耗药剂较多。一般认为，有机污泥的絮凝剂的用量由两部分构成，一部分是固体组成需要量，它取决于湿污泥中挥发性固体的含量；另一部分则是液体组成需要量，它取决于污泥中所溶解的生化产物。生污泥经厌氧消化后，其挥发性固体的含量虽然有所降低，但是在甲烷发酵期，会同时生成钙、镁、铵的碳酸盐，使消耗于液相组分的絮凝剂增加。因此，对于消化污泥来说，直接投加絮凝剂是不经济的，可 行洗涤处理，降低碱度，同时洗去部分颗粒很小，表面积很大的胶体颗粒，从而节省絮凝剂的用量。

2.2.3 经济指标分析

絮凝剂的价格和投加量与污泥处理费用密切相关，因此选择一种絮凝效果好，且价格低廉的絮凝剂可以有效减少污水处理厂的运行费用。以浓缩污泥为例，根据这三种絮凝剂目前的市场价格进行经济分析，如下表所示：

通过比较可知，处理1t干泥PFS的费用较低，但是PFS投加量很大，给后续处理处置造成一定困难。而且在试验中可以看出，PFS形成的絮体较小，并不适合实际机械脱水使用；PAM是目前常用的、效果也比较好的有机高分子絮凝剂，在降低污泥比阻、提高脱水性能方面具有用量少、效果好等优点；丙烯酸钠-丙烯酸酰胺共聚物是日本生产的一种新型的共聚性有机高分子絮凝剂，其脱水效果较好，但是成本较高，且需要进口。因此，根据技术经济比较，确定PAM为较佳絮凝剂，其较佳投加量为2.45kg/t干泥。

2.3 污泥脱水影响因素试验

目前，在一些中小型污水处理厂，一般直接对剩余污泥进行机械脱水。因此本试验以浓缩污泥为试验对象，对污泥脱水的工艺条件进行研究。在试验过程中，每100mL污泥中加入6mL聚丙烯酰胺（0.1%）。

2.3.1 过滤压力对污泥比阻的影响

一般随着过滤压力的升高，过滤速度加快。浓缩污泥的比阻随着过滤压力而变化，由比阻的测试和计算方法可知，污泥比阻与过滤压力成正比。随着过滤压力的增加，污泥比阻持续增大，虽然此时过滤速度加快，但是由于压力过大，过滤介质容易堵塞，过滤速度提高不大。因此，在实际中，应根据不同的情况，通过实验选择适当的过滤压力。

2.3.2 pH值对污泥比阻的影响

溶液pH的改变，影响污泥胶体颗粒及絮凝剂的电离度，从而影响分子链的伸展程度、溶解度以及基因的结合能力，因此体系的pH对絮凝效果有着明显的影响。pH在6～8范围内，污泥比阻值较小，脱水性能较佳。实验测得浓缩污泥的pH在7左右，因此在脱水时，不需要投加助凝剂调节pH值，可直接进行脱水处理。

2.3.3 搅拌速度对污泥比阻的影响

当污泥中加入絮凝剂后，快速搅拌15s，使药剂迅速均匀分散到水中，然后再慢速搅拌15min，促使颗粒碰撞凝聚，测试其比阻值。

絮凝是一个复杂的化学动力学过程，搅拌速度对絮凝效果有较大的影响。如果搅拌不充分，则絮凝剂和污泥不能进行充分混合，从而影响絮凝效果；如果搅拌太过强烈，又会把已经形成的絮体打碎，也对絮凝过程不利。在实际应用中，应通过实验来确定较佳的搅拌条件，并进口将经过化学调理的污泥进行脱水处理。

3 结论

（1）本试验对浓缩污泥、混合污泥及消化污泥分别投加4种絮凝剂进行絮凝脱水处理，以污泥比阻为指标，通过对不同絮凝剂的较佳投加量以及经济分析，确定聚丙烯酰胺为较佳絮凝剂，其较佳投加量为2.45kg/t干泥。

（2）从絮凝剂用量上来看，浓缩污泥所需的絮凝剂量较少，消化污泥所需絮凝剂量较大。

（3）随着过滤压力的升高，污泥的过滤速度加快，但是污泥的比阻值上升，脱水性能下降，过滤压力对污泥比阻影响较大。

（4）污泥pH值在6～8范围内时，其脱水性能较佳。

（5）搅拌速度对污泥絮凝反应有较大影响，太快或者太慢对于絮凝过程都是不利的，应通过实验确定较佳的搅拌条件。