聚丙烯酰胺影響共厭氧消化汙泥脫水性能研究：城市汙水處理廠汙泥的脫水性能較差，導致處 理處置費用較高。厭氧消化是汙泥處理的最有效方 法之一，它能有效殺滅病原菌、減少揮發性有機物、 減少臭氣並回收沼氣能源[|’2]。厭氧消化後汙泥的 脫水性能對其後續處理處置有很大影響。一些研究 表明，厭氧消化能改善汙泥的脫水性能；而另一些研 究則表明，厭氧消化會破壞汙泥的脫水性能[3“]，聚 丙烯酰胺（PAM)是廣泛用於提高汙泥脫水性能的 絮凝劑，在汙泥厭氧消化前加人化學絮凝劑可以提 髙沉澱性能[5]757。在機械脫水過程中，PAM在泥餅 中的典型質量濃度為2. 5〜5. 0 g/kg(以幹汙泥 計)w。含PAM的汙泥在厭氧消化過程中，PAM 也參與該過程。
盡管PAM在汙泥中的含量較低，但其作用很 重要。PAM在厭氧消化過程中產生的中間產物和 最終產物以及殘留的PAM性質會對厭氧消化運行 及消化後汙泥的脫水性能產生影響。PAM在厭氧 條件下可作為氮源被部分降解或被徹底降解[7’8]。 而文獻[9,10]表明，PAM是髙分子聚合物，在厭氧 條件下很難降解，即使降解為丙烯酰胺單體或丙烯 酸，對反應仍有很大的毒性。CHU等[5]757~4研究了 添加PAM為40 g/kg(以總固體(TS)計，下同）的汙 泥的厭氧消化過程，得出由於絮凝後汙泥顆粒尺寸 較大，降低了反應有效顆粒的表麵積,增加了質子傳 質阻力，抑製了酶水解反應，最終使反應的產氣率降 低。CAMPOS等⑴」研究了用PAM脫水後的豬糞 廢水厭氧消化的可行性，結果表明，當PAM在415 g/kg以下時，沒有表現出PAM的反應毒性，但是出 現了間接抑製反應的現象。這些研究表明，有關含 PAM汙泥厭氧消化的結論並不一致。
近年來，汙泥共厭氧消化成為研究的熱點。共 厭氧消化具有增加處理有機負荷、稀釋潛在有毒物 質、增加產氣量等優勢[12’13]。利用酒精糟液作為 共厭氧底物在高溫下降解含油廢水,酒精糟液的降
解可促進含油廢水的降解[14]。PAM的存在對汙 泥的厭氧消化有重要影響，但有關其對厭氧消化後 汙泥脫水性能影響的研究資料很有限，更沒有 PAM作為絮凝劑對汙泥和酒精糟液在不同溫度下 共厭氧消化後汙泥脫水性能影響的研究報道。筆 者研究了汙泥中添加不同量PAM(0、10、20 g/kg)，在35、45、55 X：下對汙泥和酒精糟液共厭 氧消化後汙泥脫水性能的影響，以期為汙泥的厭氧 消化處理提供參考依據。
1材料與方法
1.1試驗材料
汙泥取自南陽市汙水處理廠，汙泥取回後自然 沉澱12〜16 h，濃縮並在4 ’C下保存使用;酒精糟液 取自南陽天冠乙醇集團；種子汙泥為高溫厭氧汙泥； PAM屬於陽離子型絮凝劑，分子量為800萬〜 1 200萬，離子度為50〜60。材料性質見表1。
1.2試驗裝置
共厭氧消化在擾動式厭氧反應器(總容積25 L， 有效容積20 L,共3套）中進行。每個厭氧反應器有 2個共軸的內外圓柱體組成，有3個口（分別為進料 口、出料口和氣體收集口）。進料口與蠕動泵相連， 氣體收集口與濕式氣體流量計相連，中間接有NaCl 飽和溶液的緩衝瓶。加熱由恒溫熱水器和水泵係統 控製，反應溫度分別設定為35、45、55 X：。攪拌由電 機帶動攪拌棒完成。
1.3 試驗過程
試驗開始在每個厭氧反應器內加人20 L種子 汙泥，從第2天開始進料並排出等量的厭氧汙泥。
共厭氧消化進料分3個階段完成。第1階段進 料為汙泥和酒精糟液混合泥，兩者體積比為3 : 1， 進料速度為〇. 8 L/d，汙泥有機負荷（以VS計）為 0.749 kgAm3 • d)，汙泥停留時間（SRT)為25 d，此 階段運行50 d，然後在試驗結束前連續測定6次汙 泥性質，測定項目包括pH、電導率、氧化還原電位、 粘度。同時，進行汙泥自然沉澱試驗、汙泥比阻試 驗、離心沉澱試驗和Zeta電位試驗。
第2階段到第3階段是在第1階段的基礎上， 其他共厭氧消化條件不變，在汙泥和酒精糟液混合 泥進料底物中添加PAM，使PAM在汙泥中的質量 濃度分別為1〇、2〇 g/kg,共同進行厭氧消化反應。 反應運行穩定後對厭氧消化後的汙泥進行測定，測 定項目同第1階段。
1.4分析方法
COD:重鉻酸鉀法；總氣：比色法；總磷：鑰酸銨 比色法;pH:PH-3C酸度計；電導率：EC215電導率 測定儀(意大利HANAN);氧化還原電位：HI98120 筆式氧化還原電位測定儀(意大利HANAN);粘度： NDJ-1型旋轉式粘度儀;平均粒徑：LS130激光衍射 粒徑分析儀(美國Coulter)。
自然沉澱試驗：混合均勻的汙泥倒人1〇〇 mL 量筒內靜止重力沉澱24 h，記錄量筒中的上清液高 度，上清液與汙泥總體積之比表示自然沉澱百分數。
汙泥比阻試驗:采用文獻[15]測定方法，主要使 用儀器為NDJ-1型旋轉式粘度儀。
離心沉澱試驗：離心速度3 000 r/inin，離心時 間3 min,記錄上清液與汙泥總體積之比表示離心沉 澱百分數，
Zeta電位試驗:采用Zeta電位儀測定。
2結果與討論
2.1不同厭氧消化條件下汙泥的性質
從表2可以看出，3種溫度下厭氧消化的汙泥 pH均在正常厭氧範圍內（6〜8)，在同一溫度下，隨 著PAM添加量的增加，pH平均值總體呈下降 趨勢。
表1材料性質
Table 1 Characteristics of materials
汙泥酒精槽液種子汙泥
麥奴平均值範圍平均值範闈平均值範圍
pH6. 626. 32 〜6. 824.043. 82 〜4. 187.867. 63 〜7. 93
COD/(g * L1)28, 6026,21〜29.8340.7035. 31〜41，4630.6728. 42〜31. 75
TS/(g- L-1)22. 3421.77〜23.0938. 4035. 75〜43.1160.6354.33〜66.86
揮發性固體（vs) /(g- L-')14. 7513. 03 〜17. 8430.6427. 36〜31. 7530. 3724.37〜35. 21
TN/(g* L l)1.421.32 〜1.831.751.64 〜1.901.521.36 〜1.78
TP,' (g • I，丨）0. 150. 12 〜0. 180. 220. 19 〜0.260. 460.34 〜0.57
• 80 •
隨著PAM添加量的增加，3種溫度下產氣率和 電導率平均值總體也呈下降趨勢,55 'C下的電導率 和產氣率總體要大於35、45 X：下的電導率和產氣 率。當PAM添加量>10 g/kg時，厭氧消化的產氣率
表2不同厭氧消化條件下汙泥的性質
Table 2 Properties of digested sludge under different aerobic digestion conditions
厭氧溫度
/'CPAM
/(g • kg_l)PH產氣率u/* d_1)氧化還原電位/mV電導率/(mS • cm_ 1 >粘度/( mPa •
平均值範圍平均值m平均值hm平均值範圍平均值範圍
07. 177. 10〜7. 210.3000. 281 〜0. 325290286〜30410,39,7 〜10,5195188〜199
3S107. 107. 02〜7.190. 1210• 119 〜0.127244241〜2496.46.1 〜6-7155145〜162
206. 966. 86 〜7. 070.0860,083 〜0.089246241〜2485.65.2 〜5.87563 〜69
07. 267. 20〜7. 310.3380.330 〜0.341302297〜30611.211.0 〜11. 7140132〜147
45107.347_ 31 〜7. 390. 1300• 124 〜0. 139284280〜2897.37.0 〜7.913S143〜158
207.217. 18〜7. 320.0890.083 〜0.092282276〜2866.76. 1 〜6. 910582 〜91
07.397.24-7.470.4160. 410〜0. 422301294〜30710.810,4 〜11.6150144〜158
55107,367. 30〜7, 510.1400• 132 〜0■ 144297287〜3057.57.4〜7.7235220〜245
207.297. 11 〜7. 360. 1060. 102 〜0. 108294290-3067.67.4 〜7.9255186〜215
注以每克vs計，
明顯下降，這與其他文獻報道不同。文獻[5]報道， 當PAM添加童超過15 g/kg時，厭氧消化受到影 響，產氣率明顯下降。
在每個溫度條件下，對產氣率和PAM添加量 進行線性回歸。結果表明，產氣率的下降與PAM 添加量增加呈線性關係，相關係數（尺）分別為 — 0.932(35 •〇、_0.933(45 •(：)、一 0.912(55 ‘C)。
隨著PAM添加量的增加，3種溫度下的氧化還 原電位下降都不太明顯。隨著PAM添加量的增 加，35 ‘C下的汙泥粘度有明顯的下降趨勢，而55 ’C 下的汙泥粘度有明顯上升趨勢。高溫比低溫厭氧消 化效率高^"7]，粘度的下降可以表明PAM被降解 的程度[|8’19]。一般而言，高溫對PAM的降解程度 比低溫要大一些，而研究結果卻表明高溫下汙泥的 粘度反而增加。因此，可以認為汙泥粘度的變化不 僅與PAM濃度有關，而且可能與PAM的分子重排 有關。
2.2 汙泥的脫水性能
2.2.1汙泥的自然沉澱百分數
自然沉澱百分數增大表明沉澱性能變好，也意 味著汙泥脫水性能變好。圖1顯示了沒有添加和添
加不同量PAM的汙泥在3種溫度下共厭氧消化後 24 h的自然沉澱百分數。
由圖1可見，當PAM添加量為0 g/kg時，55 ’C厭氧消化後汙泥的自然沉澱百分數最大，為 42.1%;35 ’C厭氧消化後汙泥的自然沉澱百分數最 小，為17.4%。隨著PAM添加量的增加，不同溫度 厭氧消化後汙泥的自然沉澱百分數的變化趨勢不 同。35 ‘C厭氧消化後汙泥的自然沉澱百分數隨著 PAM添加量的增加逐漸增大，當PAM添加量為20 g/kg時，汙泥的自然沉澱百分數增大到48. 6%。55 ‘C厭氧消化後汙泥的自然沉澱百分數隨著PAM添 加量的增加逐漸減小，當PAM添加量增加到20 g/kg時，汙泥的自然沉澱百分數減小至27. 4%。而 45 ‘C厭氧消化後汙泥的自然沉澱百分數隨著PAM 添加量的增加而緩慢增大。
2.2.2汙泥的比阻
汙泥比阻越小，則其脫水性能越好。圖2顯示 了沒有添加和添加不同量PAM的汙泥在3種溫度 下共厭氧消化後的汙泥比阻。
X：厭氧消化後汙泥的比阻最小，為0.5X1012 m/kg， 35 'C厭氧消化後汙泥的比阻最大，為16. 7X1012 m/kg，45 X：厭氧消化後汙泥的比阻為5. 8X1012 m/kg。隨著PAM添加量增加，不同溫度厭氧消化 後汙泥比阻的變化趨勢不同。35 ‘C厭氧消化後汙 泥的比阻隨著PAM添加量增加逐漸減小，當PAM 添加量為20 g/kg時，汙泥的比阻減小到0.1 X1012 m/kg,表明汙泥的脫水性能變好;55 _C厭氧消化後 汙泥的比阻隨著PAM添加量增加逐漸增大，當 PAM添加量增加到20 g/kg時，汙泥的比阻增大到 14.7X1012 m/kg，表明汙泥的脫水性能變差；45 C 厭氧消化後汙泥比阻隨著PAM添加量增加逐漸減 小，汙泥的脫水性能逐漸變好。
2.2.3汙泥的離心沉澱百分數
離心沉澱百分數增大表明沉澱性能變好，意味 著汙泥脫水性能變好。圖3顯示了沒有添加和添加 不同量PAM的汙泥在3種溫度下共厭氧消化後的 離心沉澱百分數。
由圖3可見，當PAM添加量為0 g/kg時，55 •C厭氧消化後汙泥的離心沉澱百分數最大，為 69%，35 X：厭氧消化後汙泥的離心沉澱百分數最 小，為52%，45 •(：厭氧消化後汙泥的離心沉澱百分 數為64%。隨著PAM添加量增加，不同溫度厭氧 消化後汙泥的離心沉澱百分數變化趨勢不同。35 •C厭氧消化後汙泥的離心沉澱百分數隨著PAM添 加量增加逐漸增大，當PAM添加量增加到20 g/kg 時，汙泥的離心沉澱百分數增大到77%,表明汙泥 脫水性能變好;55 ’C厭氧消化後汙泥的離心沉澱百 分數隨著PAM添加量增加逐漸減小，汙泥的離心 沉澱百分數減小到54%,表明汙泥脫水性能變差; 45 C厭氧消化後汙泥的離心沉澱百分數隨著PAM 添加量增加稍有增大。
2.2.4汙泥的Zeta電位
圖4顯示了沒有添加和添加不同量PAM的汙 • 82 •
泥在3種溫度下共厭氧消化後的Zeta電位。當 PAM添加量為〇g/kg時，55 'C厭氧消化後汙泥的 Zeta電位最大，為一12. 4 mV,35 •(：厭氧消化後汙 泥的Zeta電位最小，為一24. 6 mV，45 X：厭氧消化 後汙泥的Zeta電位為一17. 5 mV。
丨〇 ^ —■一 35—A- 45 t—參一55
0 10 20
PAM 添加置/(g-k^)
圖4 PAM添加置對汙泥Zeta電位的彩響
Fig. 4 Effect of PAM dosage on Zeta potential of anaerobic sludge
隨著PAM添加量的增加，不同溫度厭氧消化 後汙泥的Zeta電位變化趨勢不同。35 C厭氧消化 後汙泥的Zeta電位隨著PAM添加量的增加逐漸 增大，當PAM添加量增加到20 g/kg時，汙泥的Ze¬ta 電位增大到 6. 7 mV。 55 C 厭氧消化後汙泥的 Zeta電位隨著PAM添加量的增加先減小，然後再 緩慢增大。45 ’C厭氧消化後汙泥的Zeta電位隨著 PAM添加量的增加緩慢增大。文獻[5]研究表明， 含有絮凝劑的汙泥厭氧消化後的Zeta電位在一18 〜一22 mV。本研究含絮凝劑的汙泥厭氧消化後汙 泥的Zeta電位在一24. 6〜6. 7 mV,與他們的研究 結果有一定偏離，可能是由於研究對象和添加的 PAM的量及反應條件不一樣所致。
2.2.5汙泥的平均粒徑
圖5顯示了沒有添加和添加不同量PAM的汙 泥在3種溫度下共厭氧消化後的平均粒徑。當 PAM添加量為Og/kg時，55 X：厭氧消化後汙泥平 均粒徑最大，為498.2 ^1^35 X：厭氧消化後汙泥平 均粒徑最小，為36. 7^〇1。隨著PAM添加量增加， 35 ‘C下厭氧消化後汙泥平均粒徑逐漸增大，當 PAM添加量增加到20 g/kg時，汙泥平均粒徑增大 到208.6 fxm;而55 C厭氧消化後汙泥平均粒徑逐 漸減小，當PAM添加量增加到20 g/kg時，汙泥平 均粒徑減小為106. 8 Mm;45 C厭氧消化後汙泥平 均粒徑逐漸減小。
°0to20
PAM添加i：/(g. kg—1)
00 5 PAM添加最對汙泥平均粒徑的彩響
Fig, 5 Effect of PAM dosage on mean particle size of anaerobic sludge
以上說明添加PAM後對汙泥顆粒尺寸大小有 明顯影響，主要是PAM降解中間產物及殘留PAM 性質的影響。研究表明，汙泥呈現鬆散的結構是由 於絲狀菌造成的，經過30 d的厭氧消化，汙泥的部 分絮狀結構被破壞，當PAM添加量為15 g/kg時， 汙泥厭氧消化後不但顆粒尺寸增大，而且結構更 緊密。
2.3 汙泥脫水機製分析
文獻[3,4,20]報道，汙泥厭氧消化後脫水性能 變差，而當汙泥與酒精糟液共厭氧體積比為3 * 1, 總體積為400 mL,在55 I：厭氧消化後汙泥的脫水 性能得到明顯改善，但在35、45 ‘C厭氧消化後汙泥 的脫水性能並不理想，可能是髙溫條件下對汙泥與 酒精糟液混合底質降解程度大，對汙泥的胞外聚合 物的降解和破壞程度也大，從而使其脫水性能改善。
當絮凝劑PAM添加到厭氧體係中後，正常的 厭氧消化反應必然要受到PAM及PAM降解中間 產物和最終產物性質的影響。PAM作為高分子聚 合材料，有著極強的生物抗性，即使是已經被降解為 小分子的PAM依然有這一特性。在厭氧條件下， PAM的部分降解會伴隨著整個厭氧過程，在限氮 (氮質量濃度為〇. 2 g/L)條件下，降解PAM的生物 酶相對產量較高，使PAM的降解率最大；在氮濃度 相對較髙（氮質量濃度為〇. 3 g/L)時，氮已經對菌 體不構成限製或構成不完全限製，催化降解PAM 的生物酶產量已經相對下降，表現為PAM降解率 的下降本研究中厭氧底物的氮質最濃度遠大 於0. 3 g/L(汙泥總氮為1. 42 g/L,酒精糟液總氮為 1.75 g/L,再加上添加的PAM水解產生的氮，使底 物中氮的含量更高），導致PAM降解率下降。
當PAM添加量增大到20 g/kg時，PAM部分 被降解現象更為明顯，尤其是在35 ‘C條件下的厭氧 消化，沒有降解的PAM仍然具有PAM的原有特 性，比如增粘作用。從粘度數據（見表2)可以看出， 當PAM添加量為20 g/kg時，厭氧消化後汙泥在3 種溫度下粘度不同，35 _(：下的粘度最小，55 ’C下的 粘度最大，此時脫水性能最好的是35 ’C下厭氧消化 的汙泥，脫水性能最差的是55 'C下厭氧消化的汙 泥。這說明PAM的厭氧降解十分複雜，汙泥粘度 與PAM的厭氧降解產物沒有明顯的相關性。
由於影響汙泥脫水性能的因素較多，汙泥的脫 水性能指標有許多，如汙泥的含水率、汙泥胞外聚合 酶含量、汙泥顆粒大小等都會影響汙泥的脫水性能， 因此對特定的汙泥來說可能評價脫水性能的指標有 所不同。例如有人研究了酶處理後厭氧汙泥的脫水 性能評價時認為，用毛細吸水時間比汙泥比阻更為 準確，同時認為並不是所有的脫水指標都能準確評 價特定汙泥的脫水性能。表3列出了汙泥自然沉澱 百分數與其他參數的相關係數。
表3汙泥自然沉澱百分數與其他參數在 不同溫度下的相關係數
Table 3 Correlation between settling percent and other parameters
參數35 C45 C55 'C
離心沉澱0分數0.930,990. 98
汙泥比阻0.950. 550. 97
Zeta電位0.990.970. 15
粘度-0. 82-0.950. 20
平均粒徑0.970,900. 93
•由表3可以看出，汙泥自然沉澱百分數與其他 參數在不同溫度下有不同的相關係數。自然沉澱百 分數是表示汙泥脫水性能最直觀的指標，因此可以 汙泥自然沉澱百分數為基礎去衡量其他脫水性能指 標來評價汙泥的脫水性能。
自然沉澱百分數在3種溫度下與離心沉澱百分 數相關係數均不小於〇. 93,相關性很好；而其在45 下與汙泥比阻的相關係數（0.55)、在55 X：下與 Zeta電位的相關係數（0. 15)、在55 ‘C下與粘度的 相關係數（0. 20)均較小，相關性很差；3種溫度下， 自然沉澱百分數與平均粒徑的相關係數分別為 0.97、0. 90、0. 93,具有很好的相關性。這種相關係 數的差別可能是由於PAM在厭氧消化的不同階段 所具有不同的作用引起的。
因此，3種溫度下添加PAM厭氧消化後的汙泥 脫水性能用自然沉澱百分數和離心沉澱百分數去評 價較為合適r汙泥脫水性能的變化主要是由於汙泥
顆粒尺寸變化所致，這與文獻[22,23]的研究結果基 本一致。
3結論
(1)高分子PAM添加在汙泥與酒精糟液共厭 氧消化體係中，在3種溫度下厭氧消化後用不同的 脫水性能參數表達時並不一致，3種溫度下添加 PAM厭氧消化後的汙泥脫水性能用自然沉澱百分 數和離心沉澱百分數去評價較為合適。
(2)汙泥脫水性能的變化主要是由於汙泥顆粒 尺寸變化所致。
(3)當PAM添加量為0〜20 g/kg時，隨著 PAM添加量的增加，55 ‘C下厭氧消化後汙泥的脫 水性能逐漸變差，35 X：下厭氧消化後汙泥的脫水性 能逐漸變好。
⑷當PAM添加量為20 g/kg時，35 •(：下厭氧 消化的汙泥脫水性能最好，55 'C下厭氧消化的汙泥 脫水性能最差。
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