污泥調(diào)理對給水污泥脫水性能的影響
行業(yè)動態(tài)
給水廠污泥由沉淀池排泥水和濾池反沖洗水組成，其水量一般約占給水廠總凈水量的4%～7%。未經(jīng)處理的給水污泥如果直接排放會影響河流流動和航運安全，造成水體的污染，也造成水資源和污泥資源的巨大浪費。
給水污泥含水率高，給其處理和處置帶來很多困難，因此必須對污泥進行脫水調(diào)理，以達到減量的目的。污泥顆粒與表面的水合層形成穩(wěn)定的膠體懸浮液，膠粒與水的親和力很強，導(dǎo)致污泥中固體和水的分離難度增大。為解決上述問題，必須對污泥進行一定的調(diào)理，改善污泥的脫水性能。
雖然國內(nèi)外對給水污泥的特性以及脫水性能已經(jīng)有了不少研究，但是仍不夠成熟、全面，未能形成有效的理論體系及應(yīng)用指導(dǎo)。因此，對給水污泥特性和污泥調(diào)理的細致研究仍需繼續(xù)進行。本次調(diào)研選擇南通某水廠和大慶某水廠的污泥，通過對2種污泥特性的測定和比較分析，探索給水污泥組成、理化性質(zhì)與污泥脫水性能之間的關(guān)系，探究藥劑調(diào)理對污泥理化性質(zhì)及脫水性能的影響，明確不同藥劑對不同來源污泥的調(diào)理效果，以期為水廠減少污泥的排放量提供指導(dǎo)。
1 實驗方法及儀器
1.1 水廠污泥采集
取樣點均為污泥濃縮池，取樣量為每一個點25～50L。采樣瓶為充分清洗、烘干的塑料瓶。水樣在4℃冷藏運輸、保存。
1.2 污泥脫水性能測定
1.2.1 污泥比阻
污泥比阻是評判污泥脫水性能的一個重要指標(biāo)，污泥比阻越小，過濾性能越好，脫水越容易進行。一般認為，污泥比阻在10×108～100×108s2/g之間時，污泥較難過濾。污泥比阻在5×108～9×108s2/g之間時，污泥過濾性能居中，污泥比阻小于4×108s2/g時較易過濾。
1.2.2 污泥沉降比和CST
取一定體積的污泥混合液置于量筒中，靜置30min后測定污泥層與污泥混合液的體積比，即為污泥沉降比；毛細吸水時間（CST）采用Triton公司TYPE304B便攜式CST測定儀測定。
1.3 污泥有機成分測定
1.3.1 固體有機物含量
將105℃烘干后的污泥固體置于馬弗爐中（600℃）加熱12h后計算固體中有機物的質(zhì)量分數(shù)；有機物質(zhì)量分數(shù)（%）=1-（W3-W1）/（W2-W1）。其中：W1為坩堝的質(zhì)量；W2為坩堝+污泥固體的質(zhì)量；W3為坩堝+殘渣的質(zhì)量。
1.3.2 溶解性有機物含量
上清液過0.45μm膜后，經(jīng)Hach DRB200型COD消解儀消解后在DR2800型分光光度計上測定COD；TOC采用Torch燃燒自動進樣分析儀（Teledyne Tekmar，USA）測定。
1.3.3 三維熒光分析
三維熒光光譜可以被劃分為5個區(qū)域，各自代表酪氨酸類蛋白、色氨酸類蛋白、類腐殖質(zhì)、富里酸類和溶解性微生物代謝產(chǎn)物類物質(zhì)（SMP）。三維熒光光譜采用熒光光度計（Hitachi F-7000）測定。發(fā)射波長為220～550nm，激發(fā)波長為200～400nm，波長間距為10nm。掃描速度為12000nm/min。
1.4 其他指標(biāo)
污泥粒徑采用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer2000）測定；Zeta電位采用馬爾文公司的Zetasizer2000測定。
1.5 調(diào)理實驗
污泥混合液的體積為200mL，混凝劑選用液態(tài)聚合氯化鋁PAC(Al2O3質(zhì)量分數(shù)為10%），高效聚合氯化鋁HPAC（Al2O3質(zhì)量分數(shù)為10%）及陰離子型聚丙烯酰胺PAM（分子質(zhì)量1200萬～1500萬Da）。PAC和HPAC的投加量分別為1.5、1.8、2.1、2.4、2.7和3.0g/L。PAM投加量分別為0.0123、0.025、0.05、0.1、0.15和0.2g/L。在六聯(lián)攪拌器上設(shè)定程序進行混凝實驗，混凝攪拌程序為：250r/min攪拌30s，200r/min攪拌90s，40r/min攪拌10min，沉淀30min。
1.6 混凝劑Ferron表征
根據(jù)混凝劑與Ferron反應(yīng)的動力學(xué)差異可將鋁形態(tài)分為3種：短時間內(nèi)立刻反應(yīng)的是Ala，隨后較長時間反應(yīng)的是Alb，不反應(yīng)的是Alc。
樣品鋁形態(tài)分析方法：移取5.5mL比色液置于25mL比色管中，加入純水至刻度，用微量注射器將40μL樣品注入比色液中，即刻即時，混合后迅速移入1cm比色皿中，在366nm處測定樣品的吸光度，記錄自加樣后1和120min時的吸光度值。1min內(nèi)反應(yīng)的是Ala，1～120min內(nèi)反應(yīng)的是Alb，剩余的是Alc。實驗結(jié)果表明：PAC中的3種鋁形態(tài)比例分別為31.14%，25.34%以及33.52%，HPAC中的3種鋁形態(tài)比例分別為27.94%、43.92%和28.14%。
2 結(jié)果與討論
2.1 污泥特性數(shù)據(jù)對比
指標(biāo) | 南通某水廠 | 大慶某水廠 |
含水率（%） | 96.96 | 98.56 |
粒徑（μm） | 15.29 | 18.95 |
Zeta電位（mV） | 17.60 | 2.00 |
污泥比阻（s2/g） | 2.31×108 | 32.90×108 |
沉降比（%） | 24.70 | 98.50 |
CST（s) | 59.40 | 91.50 |
由上表的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，2種污泥的粒徑差別較??；Zeta電位具有較大差異，大慶某水廠污泥Zeta電位較低，接近于0mV，南通某水廠污泥的Zeta電位則較高，達到17.60mV。南通水廠污泥的過濾性能明顯高于大慶水廠；在自然沉降條件下，大慶某水廠污泥的沉降性能明顯低于南通某水廠污泥；CST的數(shù)據(jù)表明南通污泥CST值較小，較易脫水。綜合分析污泥比阻、沉降比和毛細吸水時間的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)南通水廠污泥的過濾脫水性能明顯優(yōu)于大慶水廠污泥。
2.2 有機物對脫水性能的影響
有研究指出，排泥水中固體以無機成分為主，有機物含量較少，通常占總固體的15%～25%。而大慶水廠污泥的總有機物含量接近于15%，南通水廠污泥有機物含量低于10%。數(shù)據(jù)表明，這2個水廠的污泥上清液COD、TOC差異非常小，說明這2種污泥中可溶性有機物含量相當(dāng)，因此大慶水廠污泥中的不溶性大分子有機物的含量明顯大于南通水廠污泥。先前的研究表明，不溶性大分子有機物中，有很多親水類有機物，其表面帶有親水基團，還有一些多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其孔隙中吸附了大量的水分子，這些有機物親水保水的性質(zhì)直接制約著污泥的脫水性，成為污泥脫水的極大障礙。
2 種污泥上清液的三維熒光結(jié)果表明，南通水廠和大慶水廠污泥中有機物的種類基本一致，主要成分都是腐殖酸類物質(zhì)?，F(xiàn)有的研究指出，蛋白質(zhì)的保水特性使得污泥脫水過程難以實現(xiàn)，實驗中選擇的2種污泥樣品中蛋白質(zhì)含量較低，因此不是影響這2種污泥脫水性能的主要因素。2種污泥中可溶性有機物均主要由腐殖酸組成，且大慶水廠污泥中的腐殖酸含量相對南通水廠污泥較多。腐殖酸具有親水性，是一種親水膠體，多孔結(jié)構(gòu)，吸水能力強，故其濃度的高低必然會對污泥的調(diào)理過程產(chǎn)生影響。
綜上分析，與南通水廠污泥相比，大慶水廠污泥的脫水性能較差，分析原因在于大慶水廠污泥中不溶性大分子有機物和腐殖酸含量較多。具有親水特性的不溶性大分子有機物和腐殖酸是影響這兩種污泥脫水性能的主要因素。
2.3 混凝劑調(diào)理對污泥特性的影響
2.3.1 南通某水廠污泥調(diào)理實驗結(jié)果與分析
使用PAC和HPAC對南通某水廠污泥進行調(diào)理后，剩余TOC含量可分別降至0.8mg/L和2.9mg/L左右；使用PAM對其進行調(diào)理時，剩余TOC含量隨著PAM投加量的增加而不斷升高，當(dāng)PAM投加量達到0.2g/L時，剩余TOC含量超過調(diào)理前TOC，分析原因在于體系中存在的過量PAM會導(dǎo)致有機物含量上升。雖然在達到相同調(diào)理效果，即污泥比阻相近時，PAC的投加量是PAM的十幾倍，但在使用PAM對污泥進行調(diào)理的過程中應(yīng)注意，投加過量的PAM不僅浪費藥劑，還會導(dǎo)致體系TOC的上升，故在調(diào)理過程中要注意藥劑的投加量。
經(jīng)過這3種混凝劑的調(diào)理，污泥的過濾性及沉降性都得到不同程度的改善。隨著PAC、HPAC和PAM投加量的增加，污泥比阻呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且在整個投加量范圍內(nèi)，三者對比阻的影響比較一致，調(diào)理效果相當(dāng)。對于污泥沉降比的改善而言，PAC的調(diào)理效果弱。分析原因在于在相同的投加量下，HPAC比PAC具有更強的電中和能力。由于南通污泥的Zeta電位為+17.6mV，此時加入陰離子型的PAM可以中和污泥顆粒表面的正電荷，有效地對污泥進行調(diào)理。
經(jīng)過PAC、HPAC和PAM調(diào)理后，污泥的毛細吸水時間分別由調(diào)理前的59.4s降至9s、2.5s和7s，表明經(jīng)過這3種混凝劑的調(diào)理，污泥脫水性能得到了很大幅度的提升。與污泥沉降比調(diào)理結(jié)果類似，使用PAC進行調(diào)理后的污泥具有較高的毛細吸水時間。且在整個投加量范圍內(nèi)，HPAC均表現(xiàn)出較優(yōu)的調(diào)理效果，分析原因在于HPAC中Alb含量較高，故其具有較高的電中和能力，在相同的投加量條件下具有較高的調(diào)理效果。
污泥調(diào)理實驗的結(jié)果表明：HPAC對南通水廠的污泥調(diào)理過程具有較優(yōu)的調(diào)理效果，在水廠的實際應(yīng)用中，使用HPAC可以在保證改善脫水性能的基礎(chǔ)上降低成本，且無機混凝劑形成的絮體結(jié)實，易于后續(xù)高壓脫水機械處理。
2.3.2 大慶某水廠污泥調(diào)理實驗結(jié)果與分析
隨著PAC和和HPAC投加量的增加，剩余TOC含量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。而經(jīng)PAM調(diào)理后，剩余TOC含量在整個投加量范圍內(nèi)均大于原始TOC，說明PAM對降低該污泥上清液的TOC含量沒有效果，且過量的PAM殘留會造成體系TOC含量的上升。實驗結(jié)果表明：對于大慶某水廠污泥，PAC對于TOC具有較優(yōu)的去除效果，HPAC次之，PAM沒有去除效果，甚至?xí)黾覶OC。
該水廠污泥調(diào)理前的污泥比阻為32.9×108s2/g，過濾性能較差，隨著3種藥劑投加量的增加，過濾性能不斷提高。相比之下，PAM改善其脫水性能較為理想，使得比阻可降至13×108s2/g左右，HPAC次之，PAC調(diào)理效果較弱。調(diào)理劑對污泥沉降比和毛細吸水時間的改善效果極其相似。在PAC和HPAC的整個投加量范圍內(nèi)，污泥沉降比和毛細吸水時間均沒有明顯降低的趨勢，調(diào)理效果不佳；PAM投加量在小于0.1g/L時，調(diào)理效果與PAC、HPAC相差無幾，當(dāng)其投加量增加到0.15g/L時，污泥沉降比下降較為明顯，調(diào)理效果顯著提升。
調(diào)理實驗效果表明，對于該水廠污泥，PAC與HPAC在提高污泥脫水性能方面效果欠佳，而使用陰離子型PAM雖然會增加體系中TOC含量，但可以使得污泥的過濾脫水性能得到提高。分析原因在于該污泥的Zeta電位處于0mV左右，膠體顆粒間的排斥勢能小，使用PAM進行調(diào)理時，其較強的吸附架橋能力也能夠有效地使污泥顆粒凝聚沉降。在實際應(yīng)用中應(yīng)注意的是PAM形成的絮體大但松散，需配合低壓脫水機械進行脫水。
3 結(jié)論
給水廠污泥含水率較高，如果直接排放會對環(huán)境造成較大的壓力。本實驗對2種不同來源的給水廠污泥進行特性測定及調(diào)理實驗，分析并得到如下結(jié)論：
（1）污泥固體以無機成分為主，有機物含量較少，屬于典型的無機污泥。2種污泥的粒徑相差較小，而Zeta電位差異很大。污泥比阻、污泥沉降比、毛細吸水時間的數(shù)據(jù)均能反映出南通水廠污泥的脫水性能遠遠大于大慶水廠污泥。
（2）有機物對于這2種污泥的影響主要體現(xiàn)在親水性有機物對污泥脫水性能的影像上，親水性有機物的保水特性增加了污泥固液分離的難度。與南通水廠污泥相比，大慶水廠污泥中含有較多的不溶性大分子有機物和腐殖酸，其脫水性能較差。
（3）南通水廠污泥中有機物含量較低且過濾、脫水性能良好，經(jīng)過HPAC調(diào)理后剩余TOC含量較高，但可以獲得較優(yōu)的混凝脫水效果；PAM在去除TOC和改善污泥脫水性能兩個方面效果較好，且投加量較低。
（4）對于大慶水廠污泥而言，污泥中親水性有機物較多，脫水性能較差，PAC和HPAC在提高污泥脫水性能方面效果欠佳，而使用陰離子型PAM雖然會增加體系中TOC含量，但可以使得污泥的過濾脫水性能提升幅度更大，具有較為明顯的優(yōu)勢。
