利用草木灰分散剩餘(yu) 汙泥中高分子聚丙婦醜(chou) 胺，固體(ti) 廢物在耐熱耐減側(ce) 胞菌和effective microorganisms (EM)複合菌作用下，對剩餘(yu) 汙泥進行生物發酵、深度脫水和除臭等.研究結果表明，資源化利用添加草木灰（草木灰 與(yu) 汙泥體(ti) 積比1:3)可分散絮凝剩餘(yu) 汙泥（水質量分數約為(wei) 80%)中的聚丙烯酰胺，並通過耦合生物發酵 對剩餘(yu) 汙泥進行深度脫水和除臭.處理前後汙泥的pH值由6. 7增至12. 3;汙泥比阻（specific resistance to filtration, SRF)由 1. 41 x 1013 m/kg 降為(wei) 6. 85 x 1011 m/kg;汙泥中水的質量分數由 80. 2% 降至 46. 8% ;草木灰分散汙 泥中聚丙烯酰胺質量分數由4.9 mg/g降為(wei) 0.2 mg/g;臭味強度由5級變為(wei) 1級；糞大腸菌群值由6.9 xio7 MPN/g降為(wei) 0. 08MPN/g,處理後汙泥中的氮、磷（以P2O5計）、鉀（以K2O計）和有機質質量分數分別 為(wei) 3.4%、9.2%、5. 7%和49. 9%.該方法可有效實現對絮凝剩餘(yu) 汙泥的深度脫水，實現汙泥的資源化.
隨著我國城市化進程的加快，城市汙水處理率 逐年提高，汙水處理量越來越大，同時產生了大量 副產物一剩餘汙泥.目前，汙泥的初級脫水普遍 米用加人高分子聚丙稀酰胺（polyacrylamide , PAM)作為絮凝劑，以提高絮凝效果，然後進行機 械壓濾或離心脫水處理，使剩餘汙泥中水的質量分 數（w(H2〇))降至80%左右。這類汙泥再繼續深 度脫水十分困難.2020年，我國城市剩餘汙泥產生 量將達4.4xl07t/年（w(H2O) =80%〇[|].這些未 經深度脫水處理的剩餘汙泥將給生態環境和人類健 康帶來潛在威脅，同時也達不到汙泥衛生填埋處置 (w(H2O) < 60%〇[2]和焚燒處置（w(H2O) < 50%〇[3]的要求.因此，含PAM的剩餘汙泥 (w(H2〇) = 80% )能否實現深度脫水處理已成為困 擾汙水處理廠最嚴峻的現實問題之一[4—5].
剩餘汙泥中存在的高分子PAM，既可起到汙泥 脫水的敏化作用，又可對汙泥穩定起到保護作用. 當汙泥顆粒的吸附麵全部被高分子PAM覆蓋後， PAM的保護作用將起主導，致使絮凝剩餘汙泥有很 好的壓縮性能，阻礙汙泥的深度脫水[6]，也影響後 續生物發酵對有機質的降解效果，以及厭氧消化後 汙泥的脫水性能[7—8].由於PAM的生物抗性較強， 單一用生物發酵的方法，對汙泥中的PAM降解效 果不理想[9—10].如果對含PAM的剩餘汙泥 (一耳0) = 80%)進行深度脫水，必須首先克服 PAM大分子的絮凝作用，使其斷裂為小分子，為後 續汙泥深度脫水處理奠定基礎.
草木灰是一種含鉀高，且偏堿性的廢物，廉價 易得，具有分散PAM、改善汙泥結構、滅活病原微 生物和除臭的功能，適宜作為剩餘汙泥的脫水除臭 劑，與汙泥混合作為土壤修複劑還可以鈍化重金 屬[11].利用堿性物質對汙泥進行發酵、脫水、滅菌 和除臭研究已取得了一定效果[l2—l4].然而，有關利 用草木灰作為分散劑降解PAM，對汙泥堿性發酵, 改善汙泥深度脫水性能，同時滅菌和除臭的研究目 前鮮見報道.
本研究利用草木灰作為分散劑，對剩餘汙泥中 的高分子PAM進行分散斷鏈，降解為小分子化合 物，然後在耐熱耐堿的側胞杆菌和EM菌（effective microorganisms)的作用下，對剩餘汙泥進行生物降 解，達到對汙泥深度脫水、滅菌和除臭的效果.同 時利用熱重分析和電鏡等手段對汙泥脫水特性進行 分析，對汙泥結構進行表征，以期從機理上探討剩 餘汙泥深度脫水、滅菌和除臭的原因；此外，對汙 泥中的營養物成分氮、磷、鉀和有機質含量進行分 析，為汙泥的資源化利用提供基礎數據.
1材料與方法
1. 1試驗材料
所用PAM的剩餘汙泥樣品取自南陽市汙水淨 化中心，w(H2O)約為80%，沉澱過程中加人質量 分數為0.5%的陽離子PAM.草木灰取自南陽市某 生物質發電廠鍋爐灰，原料主要是小麥秸稈.複合 菌主要成分為耐熱耐堿的芽孢杆菌液和EM菌液. 1.2實驗操作
將10 x 103 L剩餘汙泥與3. 3 x 103 L草木灰在
自製的金屬反應倉內充分攪拌混合，密封放置4 h， 然後加人複合菌液80 L，經充分攪拌混勻後常溫密 封發酵48 h.發酵完成後，平鋪汙泥自然晾幹.然 後測定處理後汙泥樣品的pH值、溫度、汙泥比阻 (specific resistance to filtration， SRF)、 PAM 質量分
數、臭味強度、w(H2〇)、病原菌指標、汙泥結構和 熱重變化，並與處理前剩餘汙泥樣品相應指標進行 對比分析.結果由6次平行實驗得出.
1.3分析方法
采用《玻璃電極法》（GB6920—86)測量pH 值；用溫度計測溫；采用布氏漏鬥法測量汙泥比 阻；采用烘幹法測量汙泥中的w(H2〇)；采用澱粉 -碘化隔光度法測量汙泥中w(PAM)；采用《發酵 法》（GB7959—87)測量糞大腸菌群菌值；采用 《三點比較式臭袋法》（GB/T14675—93)測量汙泥 中惡臭；米用電子顯微鏡和Quanta 200型掃描電鏡 (scanning electron microscope， SEM)(荷蘭，FEI 公 司）觀察汙泥結構變化；采用熱重分析儀 (NETZSCH FTA449F3)測量汙泥熱重變化；采用 《半微量開氏法》（NY/T 53—1987)測量汙泥全氮 (totle nitrogen, TN);米用《過硫酸鉀消解磷鉬藍 比色法》（NY/T 88—1988 )測量汙泥全磷（totle phosphorus, TP);采用《氫氧化鈉熔融法》（NY/T 87—1988 )測定汙泥全鉀（totle potassium, TK); 采用《重鉻酸鉀容量法》（NY/T 1121.6—2006) 測定汙泥有機質.
2結果與討論
2.1汙泥的pH值和溫度
對汙泥樣品處理前後的pH值、汙泥比阻、 w(PAM)、w(H2O)、臭味、糞大腸菌群值、TN、 TP (以P2〇5計）、TK和有機質成分指標進行分析, 結果見表1.試驗過程平行操作6次，結果取平 均值.
表1剩餘汙泥處理前後性質變化（n =6)
Table 1 Different characteristics of activated sludge in treatment (n =6)
臭味糞大腸w (有機質）
項目pH值t /SRFX10-"w (H2O)w(PAM)/強度菌群值/w (TN)w (TP)w (TK)
/(in.kg-1 )/%(mg * g-')/級(MPN • g-1)/%/%/%/%
處理前6.5〜28 〜29130 ~79.4 〜4.8 ~55.8 X107 〜5.3〜12.9 〜1.2〜58.7 ~
汙泥6.815980. 65. 28.3 X1075. 813.41.460. 3
均值6.728.514180. 24. 956.9 X1075. 613.11.359. 3
處理後12.2 ~44 〜466.10~46.2 ~0.1〜10.07 ~3. 1〜8.7〜5.6〜48.6 ~
汙泥12.67. 4547.90. 30. 093. 59. 55. 949.3
均值12.345.06. 8546.80. 210. 083. 49. 25. 749.9
從表1可見，處理前剩餘汙泥的pH值為6. 7 , 屬弱酸性，經過草木灰的作用和堿性發酵後，汙泥 的pH值增至12. 3.因為草木灰的主要成分K2O和 K2CO3具有強烈的吸水特性，吸水後其主要成分為 K2CO3*KOH,兩者均為堿性物質.因此，剩餘汙 泥加人草木灰混勻後，汙泥的pH值由中性變為強 堿性，經過添加耐熱耐堿側胞杆菌和EM菌汙泥發 酵後，汙泥的性質變為堿性；另外，由於發酵過程 中發酵產熱，溫度由28. 5丈升至45.0丈；主導發 酵的菌類是耐熱耐堿側胞菌屬，故體係的發酵過程 不會被破壞.鑒於發酵後汙泥屬於偏堿性，因此可 作為酸性土壤的改良劑使用，或是用氨基酸中和後 作為有機肥使用[15].
2.2汙泥比阻
用汙泥比阻評價汙泥的脫水性能時，一般認 為，當汙泥比阻大於4.0 X 10l2m/kg時，汙泥屬 於難脫水汙泥；當汙泥比阻小於1.0 X 10l2m/kg 時，汙泥屬於易脫水汙泥[16].從表1可以看出，經 過該方法處理後，汙泥脫水性能已由難脫水汙泥
(1.41X 1013m/kg)變為易脫水汙泥（6. 85X1011
m/kg),脫水性能顯著改善.
2.3汙泥中的w(H2O)
從表1還可以看出，處理前汙泥的w(H2〇)為 80. 2% ,處理後汙泥的w( H2O)降為46. 8% ,已達 到填埋處置（w(H2O)
汙泥脫水性能改善的主要機理如下：首先，草 木灰與剩餘汙泥混合作用後，草木灰分散並降解高 分子PAM,使大分子的PAM斷裂為小分子結構， 破壞了剩餘汙泥和PAM形成的凝膠結構（結合汙 泥結構電鏡圖可進一步說明），有利於汙泥中自由 水的脫除；其次，草木灰顆粒進人汙泥和微生物細 胞周圍空隙中，改變了汙泥的結構，形成具有多孔 的骨架結構，使汙泥的壓縮性能減小[17-18],利於水 分的脫除[19] ； Luo等[20]研究了製革汙泥焚燒底渣 聯合PAM對汙泥的調理脫水，結果表明，與PAM 單獨脫水相比，汙泥焚燒底渣聯合PAM能夠明顯 提高汙泥的脫水性能，說明底渣在機械脫水過程中 能提供一個相對通透、非壓縮性的汙泥結構.由此 推斷，本研究添加的草木灰在實現對PAM降解的 同時，也能使剩餘汙泥產生一個相對通透非壓縮性 的結構[21];最後，堿性生物發酵使汙泥體係溫度 升至45 〇C，破壞了部分汙泥細胞的細胞膜[12]，同 時降解了胞外聚合物的有機成分，弱化了汙泥顆粒 的水化作用，使汙泥顆粒的水化膜作用減弱，水分 更易從汙泥顆粒形成的堅實骨架結構中逸出，降低 了汙泥的含水率；此外，草木灰吸水性強，通過化 學反應轉移到草木灰當中，也是汙泥含水率下降的 原因之一-.
2.4汙泥中PAM質量分數
由表1可見，處理前剩餘汙泥中的w (PAM)為 4. 9 mg/g，處理後為0. 2 mg/g，該方法對PAM的 降解率為96%，說明對PAM的分散和降解有效， 明顯優於文獻[22]中汙泥高溫堆肥對PAM降解率 (48. 8%)的結果.這是因為PAM有極強的生物抗 性，即使已經降解為小分子PAM,依然有這種特 性[9,23-24]，在草木灰分散汙泥的過程中通過前期加 入草木灰並攪拌混合，對PAM起作用的是機械降 解和化學降解，能同時為後續堿性條件下的生物發 酵協同作用；在生物發酵過程中，添加的EM菌是 一種複合菌，與耐熱耐堿側胞杆菌共同對汙泥中的 PAM和有機質充分進行生物降解，獲得了好的耦合 降解效果.所以，草木灰分散PAM結合堿性條件下 生物發酵的方法是集物理、化學和生物多種作用的 協同降解過程，更有利於PAM和其他有機質的同 時降解[25-26].
2.5汙泥結構
圖1 (a)和（b)分別是汙泥處理前後的結構電 鏡照.在圖1 (a)中，剩餘汙泥含有PAM，絮凝的 汙泥結構明顯是一個絮狀膠凝的大整體，沒有明顯 邊界，說明汙泥顆粒完全被PAM絮凝大分子所包 圍.圖1 (b)是經過草木灰分散和堿性發酵後的汙 泥電鏡圖，可以看出，汙泥絮凝整體的大汙泥絮狀 結構已不存在，結構分散的汙泥顆粒明顯變小並有 明顯的分界，證明了 PAM的大分子已被分散為短 鏈的小分子.結合汙泥比阻和汙泥w(H2〇)數據表 明，此時，汙泥的比阻變小，被PAM絮凝起來的
水分子容易釋放出來，改善了汙泥的脫水性能.
從圖3可見，處理後汙泥的TG曲線有兩個明 顯的失重段，對應DTG曲線上有兩個階段的失重 峰.第1階段是49.42 ~110丈，失重率為39.09% 左右，為汙泥脫除結合態的部分內部吸附水；失重 的第2階段為汙泥熱解的主要階段，溫度範圍為 629〜720丈，為汙泥中有機物的碳化階段，失重 率為9. 07%左右，汙泥最終殘留量為49. 72%，與 處理前失重結果相比，處理後汙泥殘留量增加，原 因是與添加的草木灰有機質含量相對較低有關.與 圖2相比，處理前汙泥脫水起始溫度為74丈，處 理後脫水起始溫度為49. 42丈，失重峰明顯前移, 這一結果與文獻[27]研究結果相似，文獻[27]給 出絮凝剩餘汙泥深度脫水起始溫度也有失重峰明顯 前移現象.失重峰前移說明汙泥中的水分更易被脫 除.處理後汙泥的脫水性能改善，這與上述討論的 汙泥比阻測定數據吻合.
2.7汙泥臭味去除
文獻[13]認為，汙泥中還原性硫化物和氨的釋 放是汙泥臭味的主要來源.當汙泥中加人石灰使汙 泥的pH >12，產生的強堿和釋放出的大量熱量能 夠殺死微生物，抑製還原性硫化物產生，使氨氣釋 放加速，達到除臭效果.從表1可以看出，處理前 汙泥臭味強度為5級，屬人類無法忍受的臭味級 別，處理後汙泥臭味強度降為1級，屬輕微的臭味 級別.草木灰和石灰都屬於堿性物質，草木灰產生 的堿性環境和在堿性發酵過程中放出的熱量能夠殺 死微生物，並抑製還原性硫化物產生.由此推測, 草木灰分散剩餘汙泥結合堿性生物發酵能夠達到抑 製惡臭的目的.
2.8汙泥病原微生物滅活效果
從表1可見，原汙泥中糞大腸菌群值為6. 9 x 107MPN/g，遠高於我國《城鎮汙水處理廠汙泥泥 質》（CJ247—2007)及《糞便無害化衛生標準》 (GB7959—87)規定的0. 01 MPN/g標準值；汙泥處 理後，糞大腸菌群值降至0.08 MPN/g，略高於我 國《城鎮汙水處理廠汙泥泥質》（CJ247—2007)的 規定限值（0.01 MPN/g).表明草木灰分散汙泥後, 在耐熱耐堿側胞杆菌和EM菌作用下進行生物發 酵，可使汙泥的病原菌被滅活.這與汙泥添加石灰 對汙泥病原菌殺滅作用研究結果[14]相近，草木灰 和石灰都屬於堿性物質，兩者產生的堿性環境和發 酵過程中放出的熱能夠殺死病原微生物.
2.9汙泥的營養成分
從表1還可見，處理後汙泥中營養成分氮、 磷、鉀和有機質質量分數分別為3.4%、9.2%、 5. 7%和49. 9%，與處理前結果相比，除鉀質量分 數增加外，氮和磷有機質質量分數降低，其原因是 草木灰含鉀較高，而有機質質量分數較低.
盡管如此，處理後汙泥的營養成分中，氮、磷 和鉀的質量分數仍然達到有機肥料（NY525— 2002)標準對氮、磷、鉀和有機質的要求.本研究 中處理後汙泥的總養分（TN+TP+TK)質量分數 (幹質量）為18. 3%,而標準要求高於4.0%即可； 有機質質量分數為49. 9%,而標準要求大於30% 即可.故該方法對剩餘汙泥處理後可作為有機肥使 用，尤其可以作為酸性土壤的改良劑使用.
結語
利用草木灰物化分散結合生物發酵處理絮凝態 剩餘汙泥，可實現對汙泥的深度脫水和資源化，並 有滅菌除臭的效果.對剩餘汙泥中PAM的降解率為 96%;脫水性能明顯改善；汙泥中水的質量分數由 80. 2%降為46. 8% ;處理後汙泥結構發生改變，絮 凝汙泥大顆粒被分散為小顆粒，DTG曲線失重峰前 移；大腸菌群值由處理前的6. 9 x 107 MPN/g降為 0. 08MPN/g,接近標準要求的0.01 MPN/g;汙泥 的臭味強度由處理前的5級降低到1級；汙泥中總 養分（TN+TP+TK)質量分數（幹質量）為 18.3%,有機質質量分數為48. 9%,可實現汙泥的 資源化利用.
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