由于各化工企业污水成分复杂，杂质较多，经生化处理后的污泥中常含有废水中的化学成分，具有含水率高及难以脱水的特点。污泥含水率高不仅会使污泥的处置费用大大增加，而且在很大程度上会增加运输成本^〔1〕。目前，降低污泥含水率最常用的方法是先预调理后机械脱水。

聚丙烯酰胺（PAM）是最常用的有机絮凝剂，其中阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）可与带负电的污泥颗粒发生电性中和、吸附架桥及卷扫网捕作用，使污泥絮体迅速脱稳，泥水快速分离^〔2〕，是污水厂常用的污泥调理剂。此外，国内外对污泥联合调理的研究逐渐深入，研究表明，无机絮凝剂-有机絮凝剂协同作用有时能够取得更好的脱水效果。

污泥脱水性能好坏常用污泥脱水速率和脱水程度来评价。污泥脱水速率常采用污泥比阻（SRF）和毛细吸水时间（CST）来表征，脱水程度则选用含水率来表征^〔3-4〕。污泥沉降性能与离心脱水效果之间存在一定的相关性，因此测定污泥沉降性能对选择机械脱水的方式具有参考意义^〔5〕。王洪杰等^〔6〕的研究表明，不同剪切时间下污泥的粒度分布等几何特征将发生变化，进而改变污泥的脱水性能。但目前学者们对剪切时间与污泥脱水性能关系的研究较少。

另外，目前国内市场上的优质CPAM主要依赖于进口，价格偏高，因此选择合适的CPAM对降低污水厂运行成本至关重要。综上，本研究以上海某污水厂剩余污泥为研究对象，通过测定污泥CST、沉降性能、含水率等参数研究了3种不同相对分子质量的CPAM对污泥的脱水性能，并考察了剪切时间对污泥脱水性能的影响。此外，FeCl₃可通过与污泥颗粒产生电性中和作用，协助CPAM使污泥脱稳，进一步提高污泥脱水性能或减少CPAM的投加量，故本研究考察了CPAM与FeCl₃联用对污泥的脱水性能。

原污泥取自污水厂二沉池和气浮池混合剩余污泥，污泥基本性质如表1所示。

实验用调理剂参数见表2。

（1）CPAM调理污泥。取一定量质量分数为0.1%的CPAM溶液（采用脱盐水配制）加入至一定量的污泥中，采用磁力搅拌器（IKA@ big squid white型）以400 r/min快速搅拌1 min，再以100 r/min慢速搅拌2 min，将污泥搅拌均匀。

（2）CPAM联合FeCl₃调理污泥。取一定量质量分数为0.1%的FeCl₃溶液（采用脱盐水配制）加入至一定量的污泥中，采用磁力搅拌器以300 r/min快速搅拌1 min，然后加入一定量0.1%的CPAM溶液调理污泥。

（1）污泥CST。CST采用304 B CST测定仪（Triton电子有限公司）测定。

（2）污泥沉降性能。将1 000 mL调理好并混合均匀的污泥加入到1 000 mL量筒中，静置30 min，每隔5 min记录沉降污泥的体积读数。以原污泥作为空白对照。

（3）滤饼含水率。滤饼含水率采用HB43-S Halogen型含水率仪（梅特勒-托利多）测定。

（4）污泥上清液浊度。上清液浊度采用2100AN台式浊度仪（哈西）测定。

（5）剪切时间对污泥脱水性能的影响。将配制好并混合均匀的污泥加入到317型标准污泥剪切力测试搅拌器（Triton电子有限公司）中，高速搅拌（1 000 r/min）一定时间，然后使用CST测定仪测定污泥的CST，分析不同搅拌时间下CST的变化。

CST可视为以秒来记录的“脱水时间”^〔7〕，一般CST越小，污泥脱水速率越快。相比于SRF，CST测定方法更简单，操作更快捷。图1为不同CPAM调理下污泥CST的变化。

由图1可知，原污泥的CST为28.3 s，随CPAM投加量的增加，CST呈迅速减小后逐渐上升的变化趋势。在30 mg/L的CPAM调理下，CST最小，污泥脱水速率最快；此投加量下，3种CPAM中，CPAM-B的调理效果最好。在一定范围内随CPAM投加量的增大，电性中和及架桥作用逐渐发挥作用，污泥脱水速率逐渐加快，污泥脱水性能得到明显改善^〔8〕。但当CPAM过量时，过量的CPAM会使得部分自由水再次被污泥包裹，污泥黏度也增加；CPAM相对分子质量越大，包裹作用越强，黏度增加越快。

污泥的沉降性能可用来评价污泥固液分离的难易程度^〔9〕。SV₅和SV₃₀是絮体沉降5 min和30 min时污泥絮体所占的体积比，可分别评价污泥的沉降速度和沉降效果。图2是CPAM调理下SV₅随CPAM投加量的变化，图3为CPAM调理下SV₃₀随CPAM投加量的变化。

由图2可以看出，原污泥的SV₅为0.990，随CPAM投加量的增加，污泥的SV₅呈先减小后增大的变化趋势。在30 mg/L的CPAM调理下，SV₅最小，污泥的沉降速率最快；此投加量下，3种CPAM中，CPAM-B调理下污泥沉降速度最快。

由图3可知，原污泥SV₃₀为0.955，沉降效果很差。随CPAM投加量的增加，SV₃₀呈先减小后增大的变化趋势。在20 mg/L的CPAM调理下，SV₃₀最小，污泥的沉降效果最好；此投加量下，3种CPAM中，CPAM-B调理下污泥沉降效果最好。张硕峰^〔10〕认为，污泥沉降效果的好坏通常取决于污泥絮体的视密度，视密度越大，污泥絮体沉降效果普遍越好。可以看出，一定范围内随CPAM投加量的增加，污泥视密度逐渐增大，沉降效果逐渐变好。但CPAM过量会使得污泥絮体重新包裹部分游离水，同时污泥表面带上正电荷，胶粒之间再次相互排斥，污泥絮体结构松散，密度变小，沉降性能下降。

实验结果表明，污泥达到最佳沉降效果、最快沉降速度及最佳脱水速率所需要的CPAM量并不相同。王鑫^〔11〕研究认为产生这种现象的原因是沉降效果的优劣取决于絮体的视密度，沉降速度的大小取决于污泥絮体形成的快慢，而脱水速率的快慢主要与滤饼形成的快慢以及滤饼对滤液的阻力有关。实验结果说明，在20 mg/L CPAM调理下污泥更加密实；在30 mg/L CPAM调理下，污泥能够快速絮凝成团，形成的滤饼更易通过滤液。

表3为不同CPAM调理下污泥滤饼含水率的变化。

由表3可以看出，原污泥滤饼含水率为83.36%，数值较高。随CPAM投加量的增加，污泥滤饼含水率逐渐降低，当CPAM投加量为30~40 mg/L时，污泥脱水程度最高；继续增大CPAM投加量，污泥滤饼含水率反而上升。与30 mg/L的CPAM相比，40 mg/L的CPAM调理下的污泥含水率略低，但相差不大。考虑经济成本，CPAM最适宜投加量为30 mg/L。此投加量下，3种CPAM中，CPAM-B调理下污泥的脱水程度最高。

污泥上清液浊度能反映CPAM对污泥的吸附混凝程度^〔12〕。表4为不同CPAM调理下污泥上清液浊度的变化。

由表4可知，原污泥上清液浊度为16 NTU。当CPAM投加量＜10 mg/L时，上清液浊度随CPAM投加量的增加迅速下降，说明污泥中的悬浮颗粒在架桥吸附及网捕作用下被大量捕获，絮凝效果得到大幅度提升。当CPAM投加量＞40 mg/L，上清液浊度开始增加，说明当CPAM过量时，正电荷过量，吸附架桥作用受阻，使得污泥颗粒继续悬浮在上清液中，浊度上升，从负面影响了絮凝效果^〔12〕。3种CPAM调理下，污泥上清液浊度相差不大。

由CPAM调理下污泥脱水性能的变化得到，CPAM-B的调理效果优于CPAM-A与CPAM-C，故选择CPAM-B为对象研究剪切时间对污泥脱水性能的影响。

本研究采用高速搅拌模拟一定强度的剪切力，通过测定不同剪切时间下污泥CST的变化，评价剪切时间对脱水性能的影响^〔13〕，如图4所示。

由图4可知，当CPAM投加量≤30 mg/L时，随剪切时间的增加，CST缓慢上升，脱水性能略有下降。当CPAM投加量＞30 mg/L时，随剪切时间的增加，CST先减小后缓慢增大，CST由减小至增大的转折点处，污泥脱水性能最好。产生这种现象的原因可能是无剪切力作用下，CPAM投加量＞30 mg/L时已过量，过量的CPAM使得污泥絮体包裹部分游离水，絮体体积变大，脱水性能下降。但随剪切时间的增加，污泥絮体体积逐渐减小，部分游离水得到释放，脱水性能得到改善。当继续增加剪切时间时，絮体体积继续减小，脱水性能开始下降。说明剪切时间对污泥脱水性能的影响较大，故可以通过测定随剪切时间增加CST由减小至增大的转折点的方法，确定某剪切时间（停留时间）所对应的最适宜CPAM投加量。

在CPAM-B投加量为30 mg/L的条件下，考察在CPAM-B与FeCl₃联合调理下污泥CST及含水率的变化，结果如图5所示。

由图5可知，当FeCl₃投加量为20 mg/L时，污泥的CST与含水率都降低到最低水平。此时，与30 mg/L的CPAM-B单独调理相比，污泥的CST由8.4 s降至7.6 s，含水率由76.29%降至74.98%，即污泥的脱水速率与脱水深度都得到了一定的提升。实验结果表明，在提高污泥脱水性能方面，CPAM-B与FeCl₃联用优于CPAM-B单独使用。

（1）在CPAM调理下污水厂剩余污泥的脱水性能得到极大改善。由污泥的沉降性能、脱水速率及含水率等指标判断，3种CPAM中，相对分子质量为8×10⁶的CPAM-B调理效果优于相对分子质量分别为4×10⁶、12×10⁶的CPAM-A与CPAM-C，CPAM-B最适宜投加量为30 mg/L。

（2）剪切时间对污泥脱水性能的影响研究结果表明，当剪切时间较长时，可以通过测定CST由减小至增大的转折点的方法，确定某剪切时间（停留时间）所对应的最适宜CPAM投加量。

（3）CPAM-B与FeCl₃联用对污泥的调理效果优于单独使用CPAM-B。

本研究为污水厂选择合适的污泥脱水药剂及药剂投加量提供了系统有效的污泥脱水性能评价体系，对污水厂的实际污泥处理有重要的参考意义。