根据国家统计局发布的《2013年国民经济和社会发展统计公报》，2013年末城市污水处理厂日处理能力达11 858万m3，城市污水处理率达到84.9%〔1〕。随着污水处理量的不断加大，产生了大量污泥，污泥的处理和处置受到广泛关注〔2〕。污水厂产生的污泥未经深度处理前成分复杂，含有大量重金属、病毒、寄生虫卵等有害物质，含水率一般在95%以上，很容易腐败，易造成二次污染，因此必须对污泥进行无害化、稳定化处理〔3〕。国内外最终处置污泥的方法主要有土地填埋、焚烧、农用等〔4〕，这些污泥最终处置方法都面临如何降低污泥含水率的问题。超声波技术由于具有清洁性、操作简单、可引起空穴效应和机械效应等特性，已在处理剩余污泥中得到应用〔5〕，一般作为污泥预处理手段来提高污泥的脱水性。絮凝剂阳离子瓜尔胶（CGG）是对瓜尔胶进行氨基化阳离子改性得到的一种药剂，目前主要用作增稠剂和调理剂，已有报道其在废水处理领域中作为絮凝剂得到应用。天然改性絮凝剂CGG相对人工合成高分子絮凝剂有着来源广泛、无二次污染、易降解等优点，是环保型絮凝剂，其絮凝机理主要有2个方面〔6〕：一方面是电中和产生的凝聚作用；另一方面是通过悬浮物之间的交联吸附作用。
本研究主要探讨了单独超声波作用、单独改性天然高分子絮凝剂CGG作用、超声波与CGG联合作用、及超声波与复合絮凝剂（CGG+PAM）联合作用对污泥脱水性的影响，旨在探讨超声波与高分子絮凝剂联合作用促进污泥脱水的可行性及最佳参数，从而为超声波和天然改性高分子絮凝剂在污泥处理方面的应用提供参考。
1 试验
1.1 试验材料及仪器
材料：污泥为江门市水质净化厂浓缩污泥，其理化性质：pH为6.86，污泥质量浓度为（49.5±0.3） g/L，含水率为95%左右，毛细吸水时间为470 s，污泥离心含水率为88.3%。污泥取回后，经0.28 mm孔径筛过滤后于4 ℃下贮存待用。阳离子瓜尔胶（C-14-S），工业品，河北天时化工有限公司；聚丙烯酰胺，相对分子质量≥500万，AR，天津市大茂化学试剂厂。
仪器：AnKe DL-5-B离心机，上海安亭科技仪器厂；DAG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精密实验设备有限公司；ZR4-6混凝试验搅拌机，深圳市中润水工业技术发展有限公司；CY-5D型超声波生物促进生长仪，宁波新芝生物科技股份有限公司。
1.2 分析方法
试验采用污泥毛细吸水时间（CST）和污泥离心含水率作为脱水性评价指标。
1.2.1 污泥毛细吸水时间
分别取20 mL污泥加入到直径为20 mm的有机玻璃圆柱中，两块有机玻璃板之间的Whatman色谱纸将从污泥中吸收水分，记录色谱纸湿润半径达到2 cm时所需时间，即为污泥CST〔7〕。
1.2.2 污泥离心含水率
取一定量污泥倒入离心管中，在转速为2 000 r/min下离心30 min，然后将离心管中的泥饼取出，在恒温烘箱内于105 ℃烘干至恒重，冷却，称重，经计算得到滤饼含水率〔8〕。
1.3 絮凝剂污泥调理试验条件
分别取1 L污泥，在相同搅拌速度和时间（先于350 r/min下搅拌60 s，再在60 r/min下搅拌10 min）条件下同时投加药剂进行污泥调理试验。
2 结果与分析
2.1 超声波调理污泥试验
在超声波频率为20 Hz，功率为60 W，处理污泥量为200 mL条件下，考察了超声波作用时间对污泥脱水性的影响，结果如图 1、图 2所示。
图 1 超声波作用时间对污泥CST的影响
图 1 超声波作用时间对污泥CST的影响
从图 1和图 2可以看出，随着超声波作用时间的增加，CST先减小后增大，污泥离心含水率则先减小后增大再减小。当超声波作用时间为20 s时，CST和污泥离心含水率均最小，分别为354 s和86.23%。这是由于短时间的超声波作用破坏了污泥的絮体结构，使得污泥中的水容易释放出来，便于脱水，致使CST和污泥离心含水率较低；长时间的超声波作用，由于超声波的空穴效应和机械效应，使得污泥颗粒过小而不利于脱水，CST和污泥离心含水率升高。本试验确定超声波调理污泥的作用时间为20 s。
2.2 超声波与CGG联合调理污泥
采用超声波与CGG联合作用，先使用超声波调理污泥，再加入CGG进行污泥调理。
2.2.1 联合作用对污泥CST的影响
试验比较了有、无超声波预处理2种情况下，加入不同量的CGG调理污泥后污泥CST的变化情况，结果如图 3所示。
图 3 CGG投加量对污泥CST的影响
由图 3可知，2种情况下污泥的CST均比原污泥有一定程度的降低，并都随着CGG投加量的增加而减小。其中，经超声波预处理的污泥CST整体上比未经超声波预处理时低。未经超声波作用的污泥CST在CGG投加量为900 mg/L时最低，为154 s；经超声波作用后，当CGG投加量＞540 mg/L后，CST介于65～95 s之间，变化较小。未经超声波处理的污泥在CGG投加量为900 mg/L时的CST值与经超声波处理的污泥在CGG投加量为540 mg/L时的CST值相当，这表明超声波与CGG的联合作用可以节省CGG的用量。
2.2.2 联合作用对污泥离心含水率的影响
试验比较了有、无超声波预处理2种情况下，加入不同量的CGG调理污泥后污泥离心含水率的变化情况，结果如表 1所示。
由表 1可知，经超声波预处理的污泥，再加入一定量CGG处理后，污泥离心含水率低于未经超声波处理而直接采用CGG处理的污泥。经超声波预处理的污泥离心含水率随CGG投加量的增加而降低，当CGG投加量＞720 mg/L后，污泥离心含水率的变化趋于平缓，表明达到一定的CGG投加量后，进一步增加CGG投加量对污泥离心含水率的作用效果减小。
2.3 超声波与复合絮凝剂（CGG+PAM）联合调理污泥
PAM具有良好的絮凝性，是目前常用的高分子絮凝剂之一，其在污泥处理中主要通过吸附架桥作用达到絮凝沉淀的效果。试验考察了超声波与CGG+PAM联合作用对污泥脱水性的影响。试验中，首先将污泥进行超声波预处理，再依次加入CGG和PAM。2种药剂的投加量组合及试验结果见表 2。
从表 2可以看出，在复合絮凝剂作用下，经超声波预处理的污泥CST整体上要比未经超声波处理时低，除第1组外，经超声波处理的污泥CST都低于50 s，脱水效果很好。未经超声波处理的污泥CST，在药剂投加量达到一定程度后也会有明显的降低，但远远高于同等药剂量经超声波预处理的污泥CST。这是因为经超声波处理，大的污泥颗粒被击破成小颗粒，小颗粒污泥能更充分地与絮凝剂接触，从而更好地发挥了絮凝剂的絮凝作用，提高了污泥的脱水效果。综合考虑，第4组药剂投加量下的试验效果比较好，此时CST为18 s。污泥未经超声波预处理而只添加不同组合的絮凝剂处理时，污泥离心含水率均高于70%，而经超声波预处理再进行絮凝处理时，污泥离心含水率则大幅度降低，特别是当CGG、PAM投加量分别为300 、120 mg/L时，污泥离心含水率降低至58.8%，说明超声波与复合絮凝剂（CGG+PAM）联合调理污泥大大提高了污泥的脱水性，并且减少了絮凝剂的添加量。。
3 结论
（1）单独超声波处理污泥能够改善污泥的脱水性。当超声频率为20 Hz，功率为60 W时，最佳作用时间为20 s。
（2）采用超声波和CGG联合调理污泥，污泥的脱水性有一定程度的提高。当CGG投加量为900 mg/L时，污泥脱水性较好，CST从原污泥的470 s降到76 s；污泥离心含水率从原污泥的88.3%降低到75.3%。
（3）采用超声波与复合絮凝剂（CGG+PAM）联合调理污泥，污泥的脱水性有了显著提高。当CGG和PAM投加量分别为300 、120 mg/L时，CST为18 s，污泥离心含水率达到58.8%，在提高了污泥脱水性的同时，节省了絮凝剂的使用量。
