我国污泥年产量(以含水率80%计)在2010年已超过2000万t，预计2020年将超过6000万t。“十二五”期间，我国将新增污水处理能力9000万m3/d，按照污水处理量运行负荷率75%，污泥(含水率80%)产量为6t污泥/104m3污水计算，“十二五”期间新增污泥产量为4.05×104t/d。然而产量如此巨大的污泥得到有效处理处置的比例却不高。据统计，不能安全有效进行污泥脱水处置占到总量的70%。原因之一就是污泥含水率高，直接影响了后续的污泥处置工艺及处置效果，污泥深度脱水/干化的必要性和污泥脱水药剂的重要性不言而喻。
本文尝试用几种常用的污泥脱水药剂，如工业石灰，粉煤灰、硅藻土、飞灰和十二烷基磺酸钠，并与石灰进行了比较，试图从中找出效率更高的药剂或者药剂组合，这些药剂是污水处理或者污泥处理中使用过的药剂，能够改善污泥脱水性能。
1材料与方法
1.1实验样品与装置
实验所用污泥为北京某污水处理厂(倒置A2/O工艺)带式压滤脱水污泥，含水率为(82±1)%，污泥中可挥发性固体(VSS)占为干基质量的52.5%，污泥干基中总碳(TC)含量为385.4mg/g，同时测得污泥pH值为6.90。药剂石灰和十二烷基磺酸钠是购买的分析纯试剂。工业石灰、粉煤灰和焚烧飞灰分别取自生产石灰的工厂、发电厂和生活垃圾焚烧厂。TC检测所使用的仪器为JENAmultiN/C2100SandYENAHT1300Solidmodule;pH值检测使用MettlerToledo实验室pH计;。污泥与药剂搅拌混合均匀，搅拌装置的性能参数为：功率200W，最大转数能到2000r/min，最小转数为60r/min，搅拌桨(犁刀)长是3cm，与搅拌中心轴成45°角，图1为搅拌装置示意图。
污泥与药剂的混合在该装置的搅拌下混合较为均匀，通过体视显微镜(上海XYH-3B)拍摄原污泥(图左)表面的照片以及添加石灰并搅拌后的污泥(石灰添加量为5%，图右)，如图2所示。
1.2实验内容与方法
脱水污泥药剂调理实验分为单独投加实验和复合投加实验，单独投加实验是复合投加实验的基础，通过单独投加实验的结果来设计复合投加实验。
1.2.1含水率的检测方法
根据CJ/T221-2005《城市污水处理厂污泥检验方法》，首先称得瓷坩埚的质量为M1;接着称取样品(原污泥或者调理实验产物)质量为M2(包括瓷坩埚质量);随后放入烘箱在105℃下烘干12h(恒重)，取出烘干后的样品至于干燥器中冷却至常温(约30min)，之后称得质量M3(包括瓷坩埚质量)。计算含水率w(%)，如公式(1)：
1.2.2污泥药剂调理深度脱水的单独投加实验
实验中每次称取200g脱水污泥，单独添加的药剂包括石灰、工业石灰、粉煤灰、硅藻土、十二烷基磺酸钠、飞灰，另外，每种药剂的投加剂量为原污泥质量的5%、10%、15%、20%、25%和30%(十二烷基磺酸钠除外)。搅拌转数为(180±20)r/min，搅拌时间为4min。并且每个条件下做3个平行样。最后实验结果取其平均值。
1.2.3污泥药剂调理深度脱水的复合投加实验
根据单独投加的实验结果，石灰的深度脱水效果最好。为了研究药剂之间是否会有相互作用，进而增强或削弱脱水效果，尤其是CaO这种成分与其他药剂混合的情况，所以本研究中采用石灰与其他药剂进行复配。设计了复合投加实验。添加的复合药剂包括石灰+粉煤灰，石灰+硅藻土。
称取的脱水污泥同样也是200g，具体实验中的药剂复合的方法如表1所示。同样，每个操作条件下做3个平行样。
2结果与讨论
2.1污泥药剂调理深度脱水的单独投加
污泥药剂调理深度脱水的效果主要是通过加入前后污泥的含水率的变化来体现。
污泥深度脱水药剂单独投加实验的结果如图3所示。对于所有的药剂，随着加入量的增加含水率都会下降，这主要是因为污泥中固体干基的增加，而石灰、工业石灰的效果明显优于其他的药剂。
因为做实验的污泥起始含水率不同(同一种添加剂添加实验使用的是同一批次的污泥)，本研究采用“归一法”来分析处理数据，比较添加单位质量的不同添加剂条件下污泥的失水质量。“归一法”计算公式如公式(2)所示：
在投加药剂的过程中，石灰和工业石灰放热明显，石灰的深度脱水效果优于工业石灰。XRD分析显示工业石灰中除了CaO以外还含有CaCO3、Ca2SiO4等成分，工业石灰厂家提供资料显示是CaO的纯度是80%以上。分析放热的可能原因：一是CaO溶解于水放出的热量，二是CaO与水反应生成Ca(OH)2的反应热，这两部分热量可以蒸发掉小部分水。同时，因为与CaO反应生成Ca(OH)2而消耗了部分水，这大概是石灰和工业石灰能深度脱水的主要原因。
由表2可知，粉煤灰对污泥的深度脱水效果次于石灰和工业石灰。单位质量添加剂所减少的水分在添加量为5%和10%时要明显优于十二烷基磺酸钠(SDS)、硅藻土和飞灰，而添加量在15%～30%时效果则并不十分明显。总的来说，粉煤灰的深度脱水效果要略优于硅藻土、十二烷基磺酸钠(SDS)以及飞灰。
硅藻土和十二烷基磺酸钠没有观察到发热现象，而且十二烷基磺酸钠的表面活性剂和发泡剂的性质使得搅拌混合的污泥不易烘干，烘干时间明显高于其他的添加剂，20%添加量的污泥烘干时间长达16h，也会不利于后续的堆置干化处理方法。硅藻土致使污泥汗水率降低的原因只有固体基质增加，因此，硅藻土单独添加可作为参比实验，研究污泥固体基质增加这一影响因素。
飞灰的含水率为9.5%。所以在污泥的深度脱水实验中效果最差。在表3中的表现为，飞灰“归一法”比值为负值，可见飞灰的投加是在增加深度脱水系统中的水，这主要是因为飞灰中含有氯化盐等强吸水性物质，这使具有飞灰具有较强的吸水性。
污泥中固体物质的增加、外部水与药剂反应生成结合水、反应热释放引起水分的蒸发，这三者应该是这些药剂调理深度脱水最为重要的3个因素。深度脱水效果较好的药剂依次是石灰、工业石灰、粉煤灰。从经济成本来说，粉煤灰最便宜，甚至还不需要付款，因而后续的复合添加实验中重点考虑。硅藻土则是作为参比实验而进入后续的复合添加实验。
2.2污泥药剂调理深度脱水的复合投加单独投加实验中石灰、工业石灰、粉煤灰的深度
脱水效果较好。在复合投加的实验中，考虑到研究的是工业石灰的主要成分CaO对深度脱水的影响，所以选择复配的方式：石灰+粉煤灰、石灰+硅藻土。由单独投加实验可知硅藻土调理剂对含水率降低影像因素只有固体质量的增加，所以设置石灰+硅藻土的实验作为石灰+粉煤灰的参比实验。每个实验条件下的3次平行实验结果取平均值，得到结果如图4所示。
由图4可知，石灰与粉煤灰的复合投加并没有协同优化的作用。石灰和粉煤灰的复合投加实验中，深度脱水效果最好的是25%石灰+5%粉煤灰，20%石灰+10%粉煤灰，10%石灰+20%粉煤灰。其混合后污泥含水率都能到60%以下。而且用粉煤灰替代部分石灰，有一定的经济性，具有实际意义和可操作性。
将复合投加实验数据用“归一法”进行处理得到表3。
比较表3的“归一法”数值，横向为粉煤灰的投加，投加比例逐渐增加，纵向为石灰的投加，投加比例逐渐增加。当石灰的投加比例一定时(横向比较)，即随着粉煤灰的投加增加，单位质量复合添加剂对于含水率下降的贡献越来越小;在粉煤灰的投加比例一定时(纵向比较)，即随着石灰投加量的增加，单位质量复合添加剂对于含水率下降的贡献有增大的趋势。即粉煤灰的添加降低了石灰的脱水效率，而石灰的添加却增加了粉煤灰的脱水效率。而且，当添加量相同时，复合添加的效果总是介于单独投加同等添加量的石灰和粉煤灰之间。与单独投加相比较的话，工业石灰的效果与“石灰+5%粉煤灰”或者“石灰+10%粉煤灰”效果相近。
2.3添加剂对于产物pH值的影响
根据CJ/T221-2005《城市污水处理厂污泥检验方法》测得深度脱水污泥样品(干化后)的pH值，原污泥的pH值为6.92，粉煤灰的pH值为13.0，其他样品pH值如图5所示。
由图5可知，5%的石灰或者工业石灰的添加剂量就已经使得深度脱水污泥的产物达到了较高的pH值，随后pH值随着添加量的增加缓慢升高。5%的石灰添加量使得深度脱水污泥的pH值升至12.25，并且随着石灰的增加pH值不断提高，30%添加量的情况下，pH值为12.69。
而工业石灰的pH值与石灰接近，但均略小于同等添加剂量下石灰深度脱水污泥的pH值。添加石灰与工业石灰导致较高的pH值主要原因如下式所示：
粉煤灰深度脱水污泥的pH值随着添加剂量的增加而增加，这是因为粉煤灰虽然也含有CaO、Al2O3等碱性成分，但还是以SiO2含量居多，碱性不及石灰和工业石灰。本研究中，5%添加量时，混合后污泥的pH值为8.93;15%的添加剂量，pH值为10.89;30%的添加剂量，pH值为12.32。十二烷基磺酸钠对于污泥的pH值影响不大，pH值的变化范围是7.00至7.34之间。飞灰深度脱水污泥的pH值变化不大，略有上升，变化范围是7.29至8.30。而硅藻土对于污泥pH值的影响最小，15%的添加剂量对污泥pH值基本无影响，5%、10%的硅藻土添加剂量会使pH值略有下降，而20%、25%的硅藻土添加剂量会使pH值略有升高。
3结论与展望
(1)污泥药剂调理深度脱水的单独投加实验中，深度脱水效果较好的依次是石灰、工业石灰、粉煤灰、硅藻土、十二烷基磺酸钠、飞灰。且当石灰的投加量为25%，搅拌4min后，污泥的含水率能降到60%以下;要达到同样的效果，工业石灰的投加量需要增加到30%。石灰、工业石灰和粉煤灰的发热效果依次减弱。
(2)在复合药剂调理深度脱水实验中，25%石灰+5%粉煤灰，20%石灰+10%粉煤灰，10%石灰+20%粉煤灰的深度脱水效果最好，经过4min搅拌混合后都能到60%以下。这为在实际生产中粉煤灰取代一定量的工业石灰提供了依据。
(3)单独投加时随着投加量的增加，单位质量添加剂对于含水率下降的贡献越来越小。复合投加时，粉煤灰的添加量一定时，随着石灰投加量的增加，单位质量复合添加剂对于含水率下降的贡献越来越大。
(4)5%的石灰或者工业石灰的添加剂量就使污泥pH值达到12.25，粉煤灰的添加越大，则污泥的pH越高;硅藻土、十二烷基磺酸钠和飞灰的添加对污泥pH值影响相对较小。
原标题：市政污泥深度脱水药剂优化研究
