生活污水处理过程中产生的大量剩余污泥，颗粒较小，含水率高且脱水性能差，制约着污泥资源化和减量化利用。而化学调理是改善污泥脱水效果应用最广泛的一种手段，其具有操作简便、效果显著的特点。常用的化学调理剂有CaO、聚合氯化铝铁(PAFC)和聚合氯化铝(PAC)等无机混凝剂和PAM等有机高分子混凝剂〔1〕。单一混凝剂调理容易出现投加量过大而使脱水效果下降的现象;而无机混凝剂对过滤速度的提高不如有机混凝剂，但其“骨架”作用却有利于污泥脱水程度的提高〔2〕。因此，2种混凝剂联合调理则成为近年来污泥处理领域的研究热点。另外，因PAM具有生物毒性，难以被生物降解，天然、无毒、易生物降解的高分子絮凝剂壳聚糖(CTS)替代有机合成高分子絮凝剂成为了人们关注的焦点。到目前为止，无机混凝剂与CTS协同作用已在给水净化、海水淡化〔3, 4〕等方面有较多的研究和应用，但在污泥脱水方面的研究还较少。基于此，本研究选取2种无机混凝剂(PAFC、PAC)与CTS联合调理污泥，以期利用壳聚糖的架桥、电中和及螯合作用〔5〕，以及无机混凝剂的“骨架”等作用实现对污泥的高效脱水。
1 材料与方法
1.1 污泥样品
实验所用污泥取自广州市大坦沙污水处理厂浓缩池，该厂处理规模为55万m3/d，采用A2O工艺。实验污泥在分析基本性质后放在4 ℃冰箱中保存，所有污泥均在5 d内使用。污泥的基本性质见表 1。
1.2 实验材料与仪器
实验材料：CTS，脱乙酰度≥90%，实验时用体积分数为1%的乙酸溶液配制成1 g/L的壳聚糖溶液，临用前配制。PAC、PAFC，均为工业级。
实验仪器：ZR4-6型六联混凝搅拌仪，深圳中润水工业技术发展有限公司;比阻装置，自制;WGZ-1型浊度计，上海昕瑞仪器仪表有限公司; Agilent 8453型紫外-可见分光光度计，安捷伦科技有限公司; Nano-2990 Zeta电位分析仪，英国马尔文仪器有限公司; Eye Tech激光粒度粒形分析仪，荷兰安米德有限公司;S-3400N型扫描电子显微镜，日本日立公司。
1.3 污泥调理
取200 mL 污泥于烧杯中，启动混凝搅拌仪，迅速加入混凝剂。先于250 r/min 下快速搅拌30 s，再在80 r/min下慢搅5 min。静置30 min后，测定各项指标。每组实验做3个平行，实验数据取其平均值。混凝剂投加量按干污泥量计。
1.4 分析方法
以污泥比阻(SRF)和滤饼含水率来评价污泥脱水效果，辅以测定滤液中SCOD和EPS(蛋白质和多糖)来研究调理对污泥脱水效果的影响。
污泥比阻的测定：取100 mL污泥倒入布氏漏斗，在恒定气压0.04 MPa下真空抽滤，直至滤饼龟裂，真空度破坏时结束。记录抽滤时间和滤液体积，测定滤饼含水率，计算污泥比阻。滤饼含水率采用重量法测定。
滤液中SCOD、EPS含量的测定：取40 mL污泥，在4 000 r/min的转速下离心30 min后，测定滤液EPS和SCOD含量。SCOD采用标准重铬酸钾法测定;多糖采用蒽酮比色法测定;蛋白质采用考马斯亮蓝法测定。
2 实验结果与讨论
2.1 CTS调理对污泥脱水效果的影响
2.1.1 CTS投加量对污泥脱水效果的影响
取200 mL污泥，采用不同量的CTS对其进行调理，结果见表 2。
从表象观察，随着CTS投加量的增加，所形成的絮体增大，上清液增多;但CTS投加超过一定量后，不但不能使污泥形成絮体，反而使污泥混浊，恶化了脱水效果。因此，控制CTS投加量对提高污泥脱水性能较为重要。由表 2可知，污泥比阻、滤饼含水率以及滤液浊度均随着CTS投加量的增加而先减小后增大。当CTS投加量为3.0 mg/g时，污泥比阻比原泥降低了80.6%，滤饼含水率降至78.37%;当CTS投加量为5.0 mg/g时，污泥比阻和滤饼含水率最低，滤液浊度仅为7.2 NTU，此时污泥的脱水性能最好，抽滤仅需41 s;继续增加CTS投加量，污泥比阻、滤饼含水率均有小幅度上升，这是因为过量的CTS会增加污泥絮体间的黏度〔5〕，阻碍絮凝剂分子的完全伸展，减弱了颗粒间的相互碰撞，使污泥混浊，进而影响污泥胶体颗粒的沉降，导致污泥絮凝脱水效果下降。
2.1.2 CTS投加量对污泥滤液EPS和SCOD的影响
胞外聚合物(EPS)是微生物代谢过程中分泌的包围在细胞壁外的有机大分子物质，包括多糖、蛋白质、少量DNA和脂类等〔6, 7〕，其组成和浓度直接影响着污泥的表面特性、絮凝沉降性和脱水性能。对污泥采用CTS调理后，滤液中EPS和SCOD浓度的变化如图 1所示。
图 1 CTS 调理对滤液EPS和SCOD的影响
从图 1可以看出，污泥滤液EPS中蛋白质和多糖浓度随着CTS投加量的增加呈现先降低后上升的趋势，与污泥比阻的变化趋势一致，说明污泥的脱水性能与污泥中EPS及CTS与EPS的相互作用相关。当CTS投加量为3.0 mg/g时，滤液EPS中蛋白质和多糖质量浓度达到最小，分别为0.14、10.16 μg/mL;继续增加CTS投加量，EPS含量有所上升，相应的污泥脱水性能会有所下降。分析认为，污泥絮体中EPS属于亲水性物质，其通过极性基团吸附水分子，使其表面形成一层水化膜，阻碍颗粒的相互凝结，保持颗粒的稳定性〔8〕。加入CTS后，由于吸附架桥和电中和作用，水化作用及水化膜随之减弱或消失，污泥颗粒脱稳，释放水分子，同时通过絮凝及凝聚作用形成大的絮体，因此，释放到滤液中的EPS含量减少。 CTS投加量增加到一定程度后，继续增加CTS投加量，CTS对蛋白质和多糖的凝集能力减弱，污泥黏度增大，导致混凝作用减弱，滤液EPS含量升高，污泥脱水性变差。
污泥滤液SCOD含量随CTS投加量的增加持续上升，这可能与EPS溶解和CTS本身也会引起水中有机物含量的增多有关。
2.2 无机混凝剂与CTS联合调理对污泥脱水效果的影响
取200 mL污泥，分别采用PAFC、PAC、PAFC+CTS、PAC+CTS对其进行调理，CTS投加量为3.0 mg/g，结果如图 2所示。
图 2 无机混凝剂与CTS联合调理对污泥比阻和滤饼含水率的影响
由图 2可知，对于单独使用无机混凝剂调理，污泥比阻和滤饼含水率随着PAFC、PAC投加量的增加呈现先快速降低，再趋于平稳，后略有上升的趋势。当PAFC、PAC投加量为60 mg/g时，PAFC、PAC调理污泥比阻比原泥分别降低了73.2%和77.2%，滤饼含水率分别为77.6%和77.89%。对于无机混凝剂与CTS联合调理，随着无机混凝剂的增多，污泥比阻无明显变化，滤饼含水率则呈小幅减少再升高的趋势。当PAFC、PAC投加量为60 mg/g，CTS投加量为3.0 mg/g时，PAFC+CTS、PAC+CTS调理污泥比阻比原泥分别降低了87.9%和84.9%，滤饼含水率分别为76.3%和76.9%。可以看出，对于污泥脱水，无机混凝剂与CTS联合调理优于单一混凝剂调理。这是因为无机混凝剂水解生成大量疏水性氢氧化物聚合体，可充分发挥其电中和作用，破坏污泥的稳定性;而后加入CTS，在强化电中和的同时，CTS分子上的氨基可以与污泥中金属离子发生螯合，并充分发挥其立体环式结构及尾式结构的桥连作用，使其分子链在已经脱稳的颗粒物之间架桥，增强凝聚能力〔9〕。无机混凝剂与CTS的协同作用使污泥絮体结构发生明显变化，进而提高了污泥脱水性。
相比于单独使用无机混凝剂调理，采用无机混凝剂与CTS联合调理污泥，要达到相同的脱水效果，无机混凝剂的投加量减少了，减少了剩余污泥的绝干量，也减少了含金属污泥的生成。
2.3 不同调理条件对污泥微观形态的影响
不同调理条件对污泥微观形态的影响见表 3，不同调理条件下污泥絮体形态的变化见图 3
图 3 不同调理条件下污泥絮体形态的变化
由表 3和图 3(a)可知，原泥粒径较小，颗粒排列分散。采用单一PAFC、PAC调理后，污泥平均粒径分别增至18.99、16.81 μm，Zeta电位分别升至-6.06、-5.78 mV(见表 3);调理后絮体呈现较为平坦的均匀的絮状形态，同时也存在孔洞〔如图 3(b)、图 3(c)所示〕，这是因为PAFC、PAC发挥了电中和、吸附架桥的作用。经无机混凝剂调理再投加CTS调理后，污泥平均粒径分别增至59.07、54.69 μm，Zeta电位分别升至-3.20、-3.35 mV(见表 3)，联合调理后污泥粒径明显增大，Zeta电位上升。这是由于CTS可以中和颗粒表面的负电荷，减少污泥颗粒间的排斥力，且其又具有较好的吸附架桥作用，可使已脱稳的颗粒迅速形成大的絮体，絮体呈现出不同特点的聚集形态，并具有起伏不平的链网状结构，比单一无机混凝剂调理时团聚性显著增强，孔洞增大〔如图 3(d)、图 3(e)所示〕，所以联合调理具有更好的脱水效果。此外，由表 3还可以看出，相比PAC+CTS调理，PAFC+CTS调理后形成的絮体粒径更大，Zeta电位也更趋于电中性，脱水效果更好。。
3 结论
(1)单独采用CTS进行污泥调理，当CTS投加量为3.0 mg/g时，CTS的电中和与吸附架桥作用发挥充分，污泥比阻比原泥降低了80.6%，滤饼含水率低至78.37%;当CTS投加量为5.0 mg/g时，污泥比阻和滤饼含水率均为最低，脱水效果最好。
(2)采用CTS进行污泥调理，滤液中EPS含量随着CTS投加量的增加呈先减少后有所上升的趋势，当CTS投加量为3.0 mg/g时，滤液中EPS含量最低;而滤液中SCOD含量则随着CTS投加量的增加而持续升高。
(3)采用无机混凝剂与CTS联合调理污泥，污泥絮体团聚性显著增强，粒径增大，脱水效果明显优于单一无机混凝剂。当无机混凝剂PAFC和PAC投加量分别为60 mg/g ，CTS投加量为3.0 mg/g时，污泥比阻比原泥分别下降了87.90%和84.93%，滤饼含水率降至76.3%和76.9%。其中，PAFC与CTS联合调理污泥形成的絮体更大，Zeta电位也更趋于电中性，效果更佳。
