式中：r——污泥比阻，m/kg;

　　t——过滤时间，s;

　　P——过滤压强，Pa;

　　A——过滤面积，m2;

　　V——滤液体积，m3;

　　μ——滤液的动力黏滞度，Pa·s;

　　ω——滤过单位体积的滤液在过滤介质上截留的固体质量，kg/m3;

　　b ——公式中t/V-V直线的斜率。

　　取100 mL污泥倒入实验装置的布氏漏斗中，在重力作用下过滤1 min(记录量筒中的滤液量，在分析时减去此值)，随后在0.05 MPa真空度下进行定压抽滤，每隔10 s记录不同抽滤时间t时的滤液体积V，等滤速减慢后，每隔30 s或60 s记录滤液体积，直到真空度破坏或过滤时间达到20 min时结束〔9〕。

　　1.3.2 COD的测定

　　采用《快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)测定经过不同用量的PCDMC在不同条件下调质后的浓缩污泥上清液的COD。

　　1.3.3 Zeta电位的测定

　　将经过不同用量的PCDMC调质后的浓缩污泥放置在Metrohm 905 Titrando电位滴定仪的测试槽中，自动检测经调质后的浓缩污泥的Zeta电位。

　　2 结果与讨论 

    2.1 絮凝剂投加量对污泥脱水性能的影响

　　每次测定前，将活性污泥沉淀30 min后去掉上清液，在室温下搅拌均匀。随后分别倒入9个100 mL的量筒中，并依次加入质量浓度为1 g/L的PCDMC溶液1、2、3、4、5、6、7、8、9 mL，快速搅拌30 s后再低速搅拌2 min。进行污泥上清液COD及污泥比阻的测定，结果见图 2。

                                                                 图 1 PCDMC的制备原理
    由图 2可知，随着PCDMC投加量的增加，污泥上清液COD和污泥比阻均呈现先降低后升高的趋势。PCDMC的投加量在1～4 mL时，所形成的污泥絮体大而紧密，污泥上清液COD和污泥比阻迅速降低。这是由于PCDMC水溶液中含有大量的阳离子聚合体络合离子，这些阳离子能够吸附难以沉淀的污泥胶体颗粒，中和胶体表面的负电荷，降低污泥胶粒的Zeta电位，使胶体脱稳，胶体颗粒相互吸引，从而凝聚沉淀;PCDMC的投加量在4～7 mL时，污泥比阻降低幅度很小且污泥上清液的COD开始缓慢上升。其原因在于，随着PCDMC投加量的增加，污泥的黏度也会不断增大，不利于污泥絮体的沉降;PCDMC的投加量在7 mL以上时，污泥比阻开始升高。这是由于加入药剂过量，PCDMC水溶液中的阳离子将污泥颗粒表面所带的负电荷中和完全后，污泥颗粒将带上正电荷，Zeta电位上升，胶体重新稳定，污泥的脱水性能降低〔10〕。因此，结合不同投加量下的试验现象及上清液COD，PCDMC的最优投加量为4 mL。
　　
       
    2.2 搅拌速度对絮凝剂脱水性能的影响

　　搅拌速度也是影响絮凝剂脱水性能的重要因素之一。搅拌速度过低，絮凝剂与污泥不能充分混合，絮凝效果不明显;搅拌速度过高，会打散污泥絮体，降低絮凝剂的网捕作用。实验考察当PCDMC溶液质量浓度为1 g/L，投加量为4 mL时，100 mL浓缩污泥分别在40、80、120、160、200 r/min下搅拌10 min后再静置5 min的污泥上清液COD及污泥比阻，结果见图 3。

　　实验结果显示，随着搅拌速度的增大，污泥絮体也不断增大，但搅拌速度高于120 r/min时，污泥溶液中开始出现较大絮体，但随后又被打散，污泥上清液COD和污泥比阻降低幅度非常小，当搅拌速度高于160 r/min时，污泥上清液COD和污泥比阻已不再降低，并均出现缓慢升高的趋势。因此，考虑搅拌速度对PCDMC脱水性能的影响以及工厂动力消耗，PCDMC的最优搅拌速度为120 r/min。在120r/min下，污泥絮团大而结实，能够充分发挥絮凝剂的吸附架桥和网捕作用。

　　2.3 温度对絮凝剂脱水性能的影响

　　实验温度分别选定为5、12、20、40 ℃，模拟四季变化〔11〕。当PCDMC溶液质量浓度为1 g/L，投加量为4 mL时，测定的污泥上清液COD及污泥比阻变化如图 4所示。

　　2.4 污泥pH对絮凝剂脱水性能的影响

　　pH对胶体或颗粒表面电荷的Zeta电位有较大影响，是絮凝过程中的重要影响因素之一〔13〕。调节污泥原液的pH，研究不同pH条件下，PCDMC对污泥脱水性能的影响。当PCDMC溶液质量浓度为1 g/L，投加量为4 mL时，污泥溶液pH分别在5、6、7、8、9、10时的污泥上清液COD及污泥比阻变化如图 5所示。

　　由图 5可知，污泥的酸碱度会影响PCDMC对污泥的脱水性能。当污泥pH在6～7的弱酸环境下时，投加PCDMC会出现大而密实的絮团，絮凝效果良好。这是由于，H+的加入能中和污泥胶粒表面的负电荷，有效降低胶粒的Zeta电位，同时双电层压缩，扩散层变薄，胶粒间相互吸引碰撞而脱稳;当污泥pH<6时，污泥比阻有明显增大的趋势。其原因在于，过多的H+会建立正电荷的斥力体系，使得悬浮的胶粒重新稳定;当pH>7时，污泥中加入了过量的OH-，增大了污泥颗粒上携带的负电荷量，胶体颗粒间排斥力增大，污泥脱水性能降低。综上所述，PCDMC适合在6～7的弱酸或中性环境下使用。

　　3 PCDMC与CPAM絮凝效果对比

　　为了对新型生物质絮凝剂PCDMC的絮凝效果进行检验，笔者选用与其相对分子质量相当的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)进行应用对比研究。将PCDMC与CPAM均配制成1 g/L的溶液在最佳条件下分别对100 mL浓缩污泥进行调理，其结果见表 1。

    由表 1可知，在最佳条件下，PCDMC对浓缩污泥的调理效果与CPAM的调理效果相当，尤其在SS去除率上高于CPAM，且PCDMC用量更少。考虑到PCDMC絮凝剂是从废弃皮胶原改性而来，因而合成成本更低，生物亲和力优良，在污泥调理方面拥有更为优秀的经济及环境效益。

　　4 PCDMC对污泥脱水机理探讨

    4.1 污泥中水分的存在形式及去除方法

　　污泥中的水分以游离水、毛细水和内部水3种形式存在。其中游离水存在于污泥颗粒间隙中，约占污泥水分的70%左右。这部分水一般借助外力对污泥进行压缩可以与泥粒分离;毛细水存在于污泥颗粒间的毛细管中，约占污泥水分的20%左右。这部分水可通过施加离心力、负压强等物理方法分离出来;内部水是指黏附于污泥颗粒表面的附着水和存在于其内部(包括生物细胞内)的内部水，约占污泥中水分的10%左右。其中附着水可采用投加絮凝剂或混凝剂方法，通过絮凝作用而排出，而存在于微生物细胞内的内部水则只有通过干化才能分离，但也不能完全分离〔14, 15〕。目前，污水处理厂内，经絮凝后的污泥通过带式压滤机的挤压，可以使滤饼含水率降至80%以下。

　　4.2 PCDMC絮凝机理探讨

　　通过使用PCDMC对污水处理厂活性污泥的调质以及对PCDMC结构的分析，PCDMC的絮凝机理主要以吸附电中和与吸附架桥为主，双电层压缩及网捕作用为辅。首先，PCDMC是通过对胶原蛋白多肽链接枝改性制备而来，胶原蛋白多肽链上含有大量的—COO、—NH—等活性基团，同时又通过加成反应在—NH—上接枝阳离子基团，使得PCDMC的溶液拥有较强的阳离子性。为进一步分析PCDMC的絮凝机理，研究了PCDMC投加量与污泥溶液Zeta电位的关系，结果见图 6。

　　5 结论

　　(1)PCDMC对污泥的絮凝脱水效果与其投加量、搅拌速度、污泥温度和污泥酸碱度等有关。PCDMC优化后的絮凝工艺参数为：处理100 mL浓缩污泥，需投加质量浓度为1 g/L的PCDMC 4 mL，搅拌速度为120 r/min，最适pH为6～7，絮凝温度5～40 ℃。

　　(2)在最优条件下，同等相对分子质量下的PCDMC与CPAM絮凝效果相当，经PCDMC调质，可使污泥含水率由98.72%降低至75.63%，污泥上清液COD由347.2 mg/L降低至104.3 mg/L，污泥比阻由2.174×1013 m/kg降低至5.273×1011 m/kg。PCDMC显示出优秀的絮凝效果，且因为PCDMC具有生物质材料属性，可生物降解性良好，具有“以废治污”的效果，拥有着广阔的市场前景。