聚丙烯酰胺影响共厌氧消化污泥脱水性能研究：城市污水处理厂污泥的脱水性能较差，导致处 理处置费用较高。厌氧消化是污泥处理的最有效方 法之一，它能有效杀灭病原菌、减少挥发性有机物、 减少臭气并回收沼气能源[|’2]。厌氧消化后污泥的 脱水性能对其后续处理处置有很大影响。一些研究 表明，厌氧消化能改善污泥的脱水性能；而另一些研 究则表明，厌氧消化会破坏污泥的脱水性能[3“]，聚 丙烯酰胺（PAM)是广泛用于提高污泥脱水性能的 絮凝剂，在污泥厌氧消化前加人化学絮凝剂可以提 髙沉淀性能[5]757。在机械脱水过程中，PAM在泥饼 中的典型质量浓度为2. 5〜5. 0 g/kg(以干污泥 计)w。含PAM的污泥在厌氧消化过程中，PAM 也参与该过程。
尽管PAM在污泥中的含量较低，但其作用很 重要。PAM在厌氧消化过程中产生的中间产物和 最终产物以及残留的PAM性质会对厌氧消化运行 及消化后污泥的脱水性能产生影响。PAM在厌氧 条件下可作为氮源被部分降解或被彻底降解[7’8]。 而文献[9,10]表明，PAM是髙分子聚合物，在厌氧 条件下很难降解，即使降解为丙烯酰胺单体或丙烯 酸，对反应仍有很大的毒性。CHU等[5]757~4研究了 添加PAM为40 g/kg(以总固体(TS)计，下同）的污 泥的厌氧消化过程，得出由于絮凝后污泥颗粒尺寸 较大，降低了反应有效颗粒的表面积,增加了质子传 质阻力，抑制了酶水解反应，最终使反应的产气率降 低。CAMPOS等⑴」研究了用PAM脱水后的猪粪 废水厌氧消化的可行性，结果表明，当PAM在415 g/kg以下时，没有表现出PAM的反应毒性，但是出 现了间接抑制反应的现象。这些研究表明，有关含 PAM污泥厌氧消化的结论并不一致。
近年来，污泥共厌氧消化成为研究的热点。共 厌氧消化具有增加处理有机负荷、稀释潜在有毒物 质、增加产气量等优势[12’13]。利用酒精糟液作为 共厌氧底物在高温下降解含油废水,酒精糟液的降
解可促进含油废水的降解[14]。PAM的存在对污 泥的厌氧消化有重要影响，但有关其对厌氧消化后 污泥脱水性能影响的研究资料很有限，更没有 PAM作为絮凝剂对污泥和酒精糟液在不同温度下 共厌氧消化后污泥脱水性能影响的研究报道。笔 者研究了污泥中添加不同量PAM(0、10、20 g/kg)，在35、45、55 X：下对污泥和酒精糟液共厌 氧消化后污泥脱水性能的影响，以期为污泥的厌氧 消化处理提供参考依据。
1材料与方法
1.1试验材料
污泥取自南阳市污水处理厂，污泥取回后自然 沉淀12〜16 h，浓缩并在4 ’C下保存使用;酒精糟液 取自南阳天冠乙醇集团；种子污泥为高温厌氧污泥； PAM属于阳离子型絮凝剂，分子量为800万〜 1 200万，离子度为50〜60。材料性质见表1。
1.2试验装置
共厌氧消化在扰动式厌氧反应器(总容积25 L， 有效容积20 L,共3套）中进行。每个厌氧反应器有 2个共轴的内外圆柱体组成，有3个口（分别为进料 口、出料口和气体收集口）。进料口与蠕动泵相连， 气体收集口与湿式气体流量计相连，中间接有NaCl 饱和溶液的缓冲瓶。加热由恒温热水器和水泵系统 控制，反应温度分别设定为35、45、55 X：。搅拌由电 机带动搅拌棒完成。
1.3 试验过程
试验开始在每个厌氧反应器内加人20 L种子 污泥，从第2天开始进料并排出等量的厌氧污泥。
共厌氧消化进料分3个阶段完成。第1阶段进 料为污泥和酒精糟液混合泥，两者体积比为3 : 1， 进料速度为〇. 8 L/d，污泥有机负荷（以VS计）为 0.749 kgAm3 • d)，污泥停留时间（SRT)为25 d，此 阶段运行50 d，然后在试验结束前连续测定6次污 泥性质，测定项目包括pH、电导率、氧化还原电位、 粘度。同时，进行污泥自然沉淀试验、污泥比阻试 验、离心沉淀试验和Zeta电位试验。
第2阶段到第3阶段是在第1阶段的基础上， 其他共厌氧消化条件不变，在污泥和酒精糟液混合 泥进料底物中添加PAM，使PAM在污泥中的质量 浓度分别为1〇、2〇 g/kg,共同进行厌氧消化反应。 反应运行稳定后对厌氧消化后的污泥进行测定，测 定项目同第1阶段。
1.4分析方法
COD:重铬酸钾法；总氣：比色法；总磷：钥酸铵 比色法;pH:PH-3C酸度计；电导率：EC215电导率 测定仪(意大利HANAN);氧化还原电位：HI98120 笔式氧化还原电位测定仪(意大利HANAN);粘度： NDJ-1型旋转式粘度仪;平均粒径：LS130激光衍射 粒径分析仪(美国Coulter)。
自然沉淀试验：混合均勻的污泥倒人1〇〇 mL 量筒内静止重力沉淀24 h，记录量筒中的上清液高 度，上清液与污泥总体积之比表示自然沉淀百分数。
污泥比阻试验:采用文献[15]测定方法，主要使 用仪器为NDJ-1型旋转式粘度仪。
离心沉淀试验：离心速度3 000 r/inin，离心时 间3 min,记录上清液与污泥总体积之比表示离心沉 淀百分数，
Zeta电位试验:采用Zeta电位仪测定。
2结果与讨论
2.1不同厌氧消化条件下污泥的性质
从表2可以看出，3种温度下厌氧消化的污泥 pH均在正常厌氧范围内（6〜8)，在同一温度下，随 着PAM添加量的增加，pH平均值总体呈下降 趋势。
表1材料性质
Table 1 Characteristics of materials
污泥酒精槽液种子污泥
麥奴平均值范围平均值范闱平均值范围
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
挥发性固体（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 •
随着PAM添加量的增加，3种温度下产气率和 电导率平均值总体也呈下降趋势,55 'C下的电导率 和产气率总体要大于35、45 X：下的电导率和产气 率。当PAM添加量>10 g/kg时，厌氧消化的产气率
表2不同厌氧消化条件下污泥的性质
Table 2 Properties of digested sludge under different aerobic digestion conditions
厌氧温度
/'CPAM
/(g • kg_l)PH产气率u/* d_1)氧化还原电位/mV电导率/(mS • cm_ 1 >粘度/( mPa •
平均值范围平均值m平均值hm平均值范围平均值范围
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计，
明显下降，这与其他文献报道不同。文献[5]报道， 当PAM添加童超过15 g/kg时，厌氧消化受到影 响，产气率明显下降。
在每个温度条件下，对产气率和PAM添加量 进行线性回归。结果表明，产气率的下降与PAM 添加量增加呈线性关系，相关系数（尺）分别为 — 0.932(35 •〇、_0.933(45 •(：)、一 0.912(55 ‘C)。
随着PAM添加量的增加，3种温度下的氧化还 原电位下降都不太明显。随着PAM添加量的增 加，35 ‘C下的污泥粘度有明显的下降趋势，而55 ’C 下的污泥粘度有明显上升趋势。高温比低温厌氧消 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，高温对PAM的降解程度 比低温要大一些，而研究结果却表明高温下污泥的 粘度反而增加。因此，可以认为污泥粘度的变化不 仅与PAM浓度有关，而且可能与PAM的分子重排 有关。
2.2 污泥的脱水性能
2.2.1污泥的自然沉淀百分数
自然沉淀百分数增大表明沉淀性能变好，也意 味着污泥脱水性能变好。图1显示了没有添加和添
加不同量PAM的污泥在3种温度下共厌氧消化后 24 h的自然沉淀百分数。
由图1可见，当PAM添加量为0 g/kg时，55 ’C厌氧消化后污泥的自然沉淀百分数最大，为 42.1%;35 ’C厌氧消化后污泥的自然沉淀百分数最 小，为17.4%。随着PAM添加量的增加，不同温度 厌氧消化后污泥的自然沉淀百分数的变化趋势不 同。35 ‘C厌氧消化后污泥的自然沉淀百分数随着 PAM添加量的增加逐渐增大，当PAM添加量为20 g/kg时，污泥的自然沉淀百分数增大到48. 6%。55 ‘C厌氧消化后污泥的自然沉淀百分数随着PAM添 加量的增加逐渐减小，当PAM添加量增加到20 g/kg时，污泥的自然沉淀百分数减小至27. 4%。而 45 ‘C厌氧消化后污泥的自然沉淀百分数随着PAM 添加量的增加而缓慢增大。
2.2.2污泥的比阻
污泥比阻越小，则其脱水性能越好。图2显示 了没有添加和添加不同量PAM的污泥在3种温度 下共厌氧消化后的污泥比阻。
X：厌氧消化后污泥的比阻最小，为0.5X1012 m/kg， 35 'C厌氧消化后污泥的比阻最大，为16. 7X1012 m/kg，45 X：厌氧消化后污泥的比阻为5. 8X1012 m/kg。随着PAM添加量增加，不同温度厌氧消化 后污泥比阻的变化趋势不同。35 ‘C厌氧消化后污 泥的比阻随着PAM添加量增加逐渐减小，当PAM 添加量为20 g/kg时，污泥的比阻减小到0.1 X1012 m/kg,表明污泥的脱水性能变好;55 _C厌氧消化后 污泥的比阻随着PAM添加量增加逐渐增大，当 PAM添加量增加到20 g/kg时，污泥的比阻增大到 14.7X1012 m/kg，表明污泥的脱水性能变差；45 C 厌氧消化后污泥比阻随着PAM添加量增加逐渐减 小，污泥的脱水性能逐渐变好。
2.2.3污泥的离心沉淀百分数
离心沉淀百分数增大表明沉淀性能变好，意味 着污泥脱水性能变好。图3显示了没有添加和添加 不同量PAM的污泥在3种温度下共厌氧消化后的 离心沉淀百分数。
由图3可见，当PAM添加量为0 g/kg时，55 •C厌氧消化后污泥的离心沉淀百分数最大，为 69%，35 X：厌氧消化后污泥的离心沉淀百分数最 小，为52%，45 •(：厌氧消化后污泥的离心沉淀百分 数为64%。随着PAM添加量增加，不同温度厌氧 消化后污泥的离心沉淀百分数变化趋势不同。35 •C厌氧消化后污泥的离心沉淀百分数随着PAM添 加量增加逐渐增大，当PAM添加量增加到20 g/kg 时，污泥的离心沉淀百分数增大到77%,表明污泥 脱水性能变好;55 ’C厌氧消化后污泥的离心沉淀百 分数随着PAM添加量增加逐渐减小，污泥的离心 沉淀百分数减小到54%,表明污泥脱水性能变差; 45 C厌氧消化后污泥的离心沉淀百分数随着PAM 添加量增加稍有增大。
2.2.4污泥的Zeta电位
图4显示了没有添加和添加不同量PAM的污 • 82 •
泥在3种温度下共厌氧消化后的Zeta电位。当 PAM添加量为〇g/kg时，55 'C厌氧消化后污泥的 Zeta电位最大，为一12. 4 mV,35 •(：厌氧消化后污 泥的Zeta电位最小，为一24. 6 mV，45 X：厌氧消化 后污泥的Zeta电位为一17. 5 mV。
丨〇 ^ —■一 35—A- 45 t—參一55
0 10 20
PAM 添加置/(g-k^)
图4 PAM添加置对污泥Zeta电位的彩响
Fig. 4 Effect of PAM dosage on Zeta potential of anaerobic sludge
随着PAM添加量的增加，不同温度厌氧消化 后污泥的Zeta电位变化趋势不同。35 C厌氧消化 后污泥的Zeta电位随着PAM添加量的增加逐渐 增大，当PAM添加量增加到20 g/kg时，污泥的Ze¬ta 电位增大到 6. 7 mV。 55 C 厌氧消化后污泥的 Zeta电位随着PAM添加量的增加先减小，然后再 缓慢增大。45 ’C厌氧消化后污泥的Zeta电位随着 PAM添加量的增加缓慢增大。文献[5]研究表明， 含有絮凝剂的污泥厌氧消化后的Zeta电位在一18 〜一22 mV。本研究含絮凝剂的污泥厌氧消化后污 泥的Zeta电位在一24. 6〜6. 7 mV,与他们的研究 结果有一定偏离，可能是由于研究对象和添加的 PAM的量及反应条件不一样所致。
2.2.5污泥的平均粒径
图5显示了没有添加和添加不同量PAM的污 泥在3种温度下共厌氧消化后的平均粒径。当 PAM添加量为Og/kg时，55 X：厌氧消化后污泥平 均粒径最大，为498.2 ^1^35 X：厌氧消化后污泥平 均粒径最小，为36. 7^〇1。随着PAM添加量增加， 35 ‘C下厌氧消化后污泥平均粒径逐渐增大，当 PAM添加量增加到20 g/kg时，污泥平均粒径增大 到208.6 fxm;而55 C厌氧消化后污泥平均粒径逐 渐减小，当PAM添加量增加到20 g/kg时，污泥平 均粒径减小为106. 8 Mm;45 C厌氧消化后污泥平 均粒径逐渐减小。
°0to20
PAM添加i：/(g. kg—1)
00 5 PAM添加最对污泥平均粒径的彩响
Fig, 5 Effect of PAM dosage on mean particle size of anaerobic sludge
以上说明添加PAM后对污泥颗粒尺寸大小有 明显影响，主要是PAM降解中间产物及残留PAM 性质的影响。研究表明，污泥呈现松散的结构是由 于丝状菌造成的，经过30 d的厌氧消化，污泥的部 分絮状结构被破坏，当PAM添加量为15 g/kg时， 污泥厌氧消化后不但颗粒尺寸增大，而且结构更 紧密。
2.3 污泥脱水机制分析
文献[3,4,20]报道，污泥厌氧消化后脱水性能 变差，而当污泥与酒精糟液共厌氧体积比为3 * 1, 总体积为400 mL,在55 I：厌氧消化后污泥的脱水 性能得到明显改善，但在35、45 ‘C厌氧消化后污泥 的脱水性能并不理想，可能是髙温条件下对污泥与 酒精糟液混合底质降解程度大，对污泥的胞外聚合 物的降解和破坏程度也大，从而使其脱水性能改善。
当絮凝剂PAM添加到厌氧体系中后，正常的 厌氧消化反应必然要受到PAM及PAM降解中间 产物和最终产物性质的影响。PAM作为高分子聚 合材料，有着极强的生物抗性，即使是已经被降解为 小分子的PAM依然有这一特性。在厌氧条件下， PAM的部分降解会伴随着整个厌氧过程，在限氮 (氮质量浓度为〇. 2 g/L)条件下，降解PAM的生物 酶相对产量较高，使PAM的降解率最大；在氮浓度 相对较髙（氮质量浓度为〇. 3 g/L)时，氮已经对菌 体不构成限制或构成不完全限制，催化降解PAM 的生物酶产量已经相对下降，表现为PAM降解率 的下降本研究中厌氧底物的氮质最浓度远大 于0. 3 g/L(污泥总氮为1. 42 g/L,酒精糟液总氮为 1.75 g/L,再加上添加的PAM水解产生的氮，使底 物中氮的含量更高），导致PAM降解率下降。
当PAM添加量增大到20 g/kg时，PAM部分 被降解现象更为明显，尤其是在35 ‘C条件下的厌氧 消化，没有降解的PAM仍然具有PAM的原有特 性，比如增粘作用。从粘度数据（见表2)可以看出， 当PAM添加量为20 g/kg时，厌氧消化后污泥在3 种温度下粘度不同，35 _(：下的粘度最小，55 ’C下的 粘度最大，此时脱水性能最好的是35 ’C下厌氧消化 的污泥，脱水性能最差的是55 'C下厌氧消化的污 泥。这说明PAM的厌氧降解十分复杂，污泥粘度 与PAM的厌氧降解产物没有明显的相关性。
由于影响污泥脱水性能的因素较多，污泥的脱 水性能指标有许多，如污泥的含水率、污泥胞外聚合 酶含量、污泥颗粒大小等都会影响污泥的脱水性能， 因此对特定的污泥来说可能评价脱水性能的指标有 所不同。例如有人研究了酶处理后厌氧污泥的脱水 性能评价时认为，用毛细吸水时间比污泥比阻更为 准确，同时认为并不是所有的脱水指标都能准确评 价特定污泥的脱水性能。表3列出了污泥自然沉淀 百分数与其他参数的相关系数。
表3污泥自然沉淀百分数与其他参数在 不同温度下的相关系数
Table 3 Correlation between settling percent and other parameters
参数35 C45 C55 'C
离心沉淀0分数0.930,990. 98
污泥比阻0.950. 550. 97
Zeta电位0.990.970. 15
粘度-0. 82-0.950. 20
平均粒径0.970,900. 93
•由表3可以看出，污泥自然沉淀百分数与其他 参数在不同温度下有不同的相关系数。自然沉淀百 分数是表示污泥脱水性能最直观的指标，因此可以 污泥自然沉淀百分数为基础去衡量其他脱水性能指 标来评价污泥的脱水性能。
自然沉淀百分数在3种温度下与离心沉淀百分 数相关系数均不小于〇. 93,相关性很好；而其在45 下与污泥比阻的相关系数（0.55)、在55 X：下与 Zeta电位的相关系数（0. 15)、在55 ‘C下与粘度的 相关系数（0. 20)均较小，相关性很差；3种温度下， 自然沉淀百分数与平均粒径的相关系数分别为 0.97、0. 90、0. 93,具有很好的相关性。这种相关系 数的差别可能是由于PAM在厌氧消化的不同阶段 所具有不同的作用引起的。
因此，3种温度下添加PAM厌氧消化后的污泥 脱水性能用自然沉淀百分数和离心沉淀百分数去评 价较为合适r污泥脱水性能的变化主要是由于污泥
颗粒尺寸变化所致，这与文献[22,23]的研究结果基 本一致。
3结论
(1)高分子PAM添加在污泥与酒精糟液共厌 氧消化体系中，在3种温度下厌氧消化后用不同的 脱水性能参数表达时并不一致，3种温度下添加 PAM厌氧消化后的污泥脱水性能用自然沉淀百分 数和离心沉淀百分数去评价较为合适。
(2)污泥脱水性能的变化主要是由于污泥颗粒 尺寸变化所致。
(3)当PAM添加量为0〜20 g/kg时，随着 PAM添加量的增加，55 ‘C下厌氧消化后污泥的脱 水性能逐渐变差，35 X：下厌氧消化后污泥的脱水性 能逐渐变好。
⑷当PAM添加量为20 g/kg时，35 •(：下厌氧 消化的污泥脱水性能最好，55 'C下厌氧消化的污泥 脱水性能最差。
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