城市污水處理廠污泥脫水性能研究
技術(shù)支持
在城市污水處理過程中，往往會產(chǎn)生大量的污泥，包括初沉池污泥、二沉池剩余污泥及消化污泥，其體積約占總處理水量的0.3%～0.5%。這些污泥含水量高達95%～99%，因此必須進行脫水處理，以減少污泥的質(zhì)量和體積，為后續(xù)處理處置打下良好基礎(chǔ)。污泥脫水的關(guān)鍵是改善其脫水性能，通常采用投加絮凝劑對污泥進行調(diào)理。本文擬采用一種無機絮凝劑聚合硫酸鐵（PFS），和三種有機絮凝劑：丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物、異丁烯酸-甲基丙烯酸共聚物以及陽離子聚丙烯酰胺（PAM）對城市污水處理廠所產(chǎn)生的污泥進行絮凝脫水研究，以確定較佳的絮凝劑投加量，并對影響絮凝脫水過程的因素進行了探討。
1 材料與方法
1.1 污泥來源
本試驗污泥分別取自鄭州市城市污水處理廠二沉池剩余污泥、消化污泥以及初沉池和濃縮剩余污泥的混合污泥。其中剩余污泥首先在實驗室進行自由沉降2h，取下層濃縮污泥作為試驗污泥樣品。試驗?zāi)鄻颖４嬖?℃冰箱中，試驗過程中，泥溫保持在13℃，pH=6.8。
1.2 試驗藥劑
試驗用絮凝劑如下表所示：
名稱 | 外觀 | 分子量 | 純度 | 產(chǎn)地 | 配制濃度（%） |
聚合硫酸鐵（PFS） | 淡赤色乳液體 | 工業(yè)純 | 日本 | 20 | |
淡黃色乳液體 | 約900萬 | 工業(yè)純 | 日本 | 0.1 | |
異丁烯酸-甲基丙烯酸共聚物 | 淡黃色乳液體 | 約800萬 | 工業(yè)純 | 日本 | 0.1 |
陽離子聚丙烯酰胺（PAM） | 白色粉末 | 約400萬 | 工業(yè)純 | 鄭州 | 0.1 |
1.3 試驗過程
1.3.1 初步篩選試驗
分別取100mL污泥放入6個250mL燒杯中，加入不同劑量的絮凝劑，并用玻璃棒進行攪拌，先快速攪拌10～15次，然后慢速攪拌35～40次，靜置10min后倒入布氏漏斗中進行過濾，記錄濾液達到15mL所需的時間。采用不同的絮凝劑重復上述步驟，對絮凝劑進行初步篩選，并確定每種絮凝劑的投加量范圍。
1.3.2 較佳絮凝劑的確定
準備100mL的待測泥樣，分別按照不同投加量加入各種絮凝劑，測試污泥比阻值。根據(jù)實驗結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟分析，確定較佳的絮凝劑及投加量。
1.3.3 污泥脫水影響因素試驗
采用較佳的絮凝劑及投加量，并選擇不同的過濾壓力、pH值和攪拌速度，通過測試污泥比阻，探討不同操作條件對污泥絮凝脫水性能的影響。
1.4 測試項目和方法
污泥比阻（r）反應(yīng)了單位重量的污泥在一定壓力下過濾時，單位過濾面積上濾餅單位干重所具有的阻力，通常用來衡量污泥脫水性能的好壞及難易程度。本試驗采用自制的污泥比阻測試裝置。
取100mL污泥倒入比阻測定裝置的布氏漏斗中（事先鋪一張直徑略小于漏斗內(nèi)徑的濾紙，其面積測得為0.0079㎡，周邊用水濕潤），依靠重力過濾約1min（記錄量筒中的濾液量，在分析時減去此值），然后在0.05MPa真空度下進行定壓抽濾，每間隔10s記錄不同抽濾時間t時的濾液體積V值，等濾速減慢后，每隔30s或60s記錄濾液體積，直至濾餅破裂，真空度破壞或持續(xù)過濾20min結(jié)束。理論上講，t/V與V成直線關(guān)系，其斜率就是比阻公式r=2bPA2/μC中的系數(shù)b；布氏漏斗的內(nèi)底面積即為過濾面積A；抽濾結(jié)束后將布氏漏斗中濾紙上所截留下來的濾餅烘干，所得干物重量與抽濾液總重量之比就是C；再用黏度計測定濾出液的黏滯度μ，根據(jù)公式計算出污泥的比阻值。
2 結(jié)果與討論
2.1 絮凝劑的初步篩選
在污泥中加入不同的絮凝劑，并進行過濾，從過濾結(jié)果可以看出：使用任意一種絮凝劑，過濾時間均隨著絮凝劑投加量的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，過濾時間的波谷出現(xiàn)在絮凝劑投加比為3%～5%的區(qū)域附近。同時，試驗結(jié)果表明，異丁烯酸-甲基丙烯酸共聚物過濾時間明顯較長，而其余三種絮凝劑過濾時間較短，且比較接近。因此，選擇此三種絮凝劑用于下一步實驗。
2.2 較佳絮凝劑的確定
2.2.1 原污泥比阻試驗
首先對各種原污泥進行空白試驗，測得各原污泥的比阻值為：濃縮污泥r=31.995×1012m/kg；濃縮混合污泥r=39.396×1012m/kg；消化污泥r=44.253×1012m/kg。
一般來說，比阻＜1××1011m/kg的污泥易于脫水，大于1×1013m/kg的污泥難以脫水。因此可以看出，本試驗的原污泥均為不易脫水污泥，需要投加絮凝劑進行化學調(diào)節(jié)。
2.2.2 絮凝劑對污泥比阻的影響
向濃縮污泥、濃縮混合污泥、消化污泥三種污泥中依次投加PFS、PAM以及丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物三種絮凝劑，進行污泥比阻的測試，確定每種污泥所使用的不同絮凝劑的較佳投加量。
從測試結(jié)果可以看出，隨著PFS投加量的增加，污泥比阻值先降低后升高。PFS是一種多羥基、多核絡(luò)合體的陽離子型無機高分子絮凝劑。PFS可以與水以任意比例快速混合，在其水溶液中含有大量[Fe2(OH)3]3+、[Fe2(H2O)6]3+、[Fe3(OH)3]6+等聚合體絡(luò)合離子，這些正離子能夠吸附于膠體顆粒及懸浮物表面，中和其表面負電荷，降低污泥顆粒的ζ電位，使污泥膠體顆粒由原來的相互排斥變成相互吸引，促使膠體顆粒凝聚。但是，超過較佳投加劑量后，污泥顆粒帶上正電荷，ζ電位上升，污泥顆粒重新相互排斥，污泥脫水性能降低。
采用PAM也有一個較佳投加量，超過此值則絮凝效果下降。PAM是一種高效的有機高分子絮凝劑。在絮凝過程中，當高分子濃度較低時，吸附在顆粒表面上的高分子長鏈可能同時吸附在另一個顆粒的表面，通過架橋方式將兩個或更多的微粒連在一起，從而導致絮凝。本試驗采用的PAM為陽離子型，在起吸附架橋作用的同時，還可對帶電荷的污泥膠體顆粒產(chǎn)生電中和作用，獲得更好的絮凝效果。但是如果投加過量，溶液中高分子濃度過高，使顆粒表面完全被所吸附的高分子覆蓋，架橋作用大大減弱，而且過量的陽離子會使污泥顆粒又帶上了正電荷，重新相互排斥，絮凝效果快速下降。
投加丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物絮凝劑，隨著投加量的增加，其比阻值變化也具有先降低后升高的特征。丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺是日本生產(chǎn)的一種新型共聚性有機高分子絮凝劑，其分子量達到900萬左右，通過吸附架橋作用使污泥膠粒得以絮凝。
對這三種絮凝劑的較佳投加量及所得到的污泥比阻值進行比較，結(jié)果見下表：
項目 | PFS | PAM | 丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺 | |||
較佳投加量 (kg/t干泥) | 比阻 (1012m/kg） | 較佳投加量 (kg/t干泥) | 比阻 (1012m/kg） | 較佳投加量 (kg/t干泥) | 比阻 (1012m/kg） | |
濃縮污泥 | 40.8 | 2.204 | 2.45 | 1.908 | 2.04 | 2.547 |
混合污泥 | 52 | 1.092 | 2.89 | 2.215 | 2.31 | 2.529 |
消化污泥 | 50.8 | 1.706 | 3.6 | 1.324 | 3.18 | 1.274 |
綜合分析結(jié)果顯示，在同等真空度條件下，濃縮污泥和混合污泥消耗各種絮凝劑用量較少，消化污泥消耗藥劑較多。一般認為，有機污泥的絮凝劑的用量由兩部分構(gòu)成，一部分是固體組成需要量，它取決于濕污泥中揮發(fā)性固體的含量；另一部分則是液體組成需要量，它取決于污泥中所溶解的生化產(chǎn)物。生污泥經(jīng)厭氧消化后，其揮發(fā)性固體的含量雖然有所降低，但是在甲烷發(fā)酵期，會同時生成鈣、鎂、銨的碳酸鹽，使消耗于液相組分的絮凝劑增加。因此，對于消化污泥來說，直接投加絮凝劑是不經(jīng)濟的，可 行洗滌處理，降低堿度，同時洗去部分顆粒很小，表面積很大的膠體顆粒，從而節(jié)省絮凝劑的用量。
2.2.3 經(jīng)濟指標分析
絮凝劑的價格和投加量與污泥處理費用密切相關(guān)，因此選擇一種絮凝效果好，且價格低廉的絮凝劑可以有效減少污水處理廠的運行費用。以濃縮污泥為例，根據(jù)這三種絮凝劑目前的市場價格進行經(jīng)濟分析，如下表所示：
絮凝劑 | 單價（元/t） | 較佳投加量（kg/t） | 處理1t干泥費用（元） | 脫水效果（比阻/1012m/kg） |
PFS | 1800 | 40.8 | 74.3 | 2.204 |
PAM | 40000 | 2.45 | 98 | 1.908 |
丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物 | 60000 | 2.04 | 122.4 | 2.547 |
通過比較可知，處理1t干泥PFS的費用較低，但是PFS投加量很大，給后續(xù)處理處置造成一定困難。而且在試驗中可以看出，PFS形成的絮體較小，并不適合實際機械脫水使用；PAM是目前常用的、效果也比較好的有機高分子絮凝劑，在降低污泥比阻、提高脫水性能方面具有用量少、效果好等優(yōu)點；丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物是日本生產(chǎn)的一種新型的共聚性有機高分子絮凝劑，其脫水效果較好，但是成本較高，且需要進口。因此，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟比較，確定PAM為較佳絮凝劑，其較佳投加量為2.45kg/t干泥。
2.3 污泥脫水影響因素試驗
目前，在一些中小型污水處理廠，一般直接對剩余污泥進行機械脫水。因此本試驗以濃縮污泥為試驗對象，對污泥脫水的工藝條件進行研究。在試驗過程中，每100mL污泥中加入6mL聚丙烯酰胺（0.1%）。
2.3.1 過濾壓力對污泥比阻的影響
一般隨著過濾壓力的升高，過濾速度加快。濃縮污泥的比阻隨著過濾壓力而變化，由比阻的測試和計算方法可知，污泥比阻與過濾壓力成正比。隨著過濾壓力的增加，污泥比阻持續(xù)增大，雖然此時過濾速度加快，但是由于壓力過大，過濾介質(zhì)容易堵塞，過濾速度提高不大。因此，在實際中，應(yīng)根據(jù)不同的情況，通過實驗選擇適當?shù)倪^濾壓力。
2.3.2 pH值對污泥比阻的影響
溶液pH的改變，影響污泥膠體顆粒及絮凝劑的電離度，從而影響分子鏈的伸展程度、溶解度以及基因的結(jié)合能力，因此體系的pH對絮凝效果有著明顯的影響。pH在6～8范圍內(nèi)，污泥比阻值較小，脫水性能較佳。實驗測得濃縮污泥的pH在7左右，因此在脫水時，不需要投加助凝劑調(diào)節(jié)pH值，可直接進行脫水處理。
2.3.3 攪拌速度對污泥比阻的影響
當污泥中加入絮凝劑后，快速攪拌15s，使藥劑迅速均勻分散到水中，然后再慢速攪拌15min，促使顆粒碰撞凝聚，測試其比阻值。
絮凝是一個復雜的化學動力學過程，攪拌速度對絮凝效果有較大的影響。如果攪拌不充分，則絮凝劑和污泥不能進行充分混合，從而影響絮凝效果；如果攪拌太過強烈，又會把已經(jīng)形成的絮體打碎，也對絮凝過程不利。在實際應(yīng)用中，應(yīng)通過實驗來確定較佳的攪拌條件，并進口將經(jīng)過化學調(diào)理的污泥進行脫水處理。
3 結(jié)論
（1）本試驗對濃縮污泥、混合污泥及消化污泥分別投加4種絮凝劑進行絮凝脫水處理，以污泥比阻為指標，通過對不同絮凝劑的較佳投加量以及經(jīng)濟分析，確定聚丙烯酰胺為較佳絮凝劑，其較佳投加量為2.45kg/t干泥。
（2）從絮凝劑用量上來看，濃縮污泥所需的絮凝劑量較少，消化污泥所需絮凝劑量較大。
（3）隨著過濾壓力的升高，污泥的過濾速度加快，但是污泥的比阻值上升，脫水性能下降，過濾壓力對污泥比阻影響較大。
（4）污泥pH值在6～8范圍內(nèi)時，其脫水性能較佳。
（5）攪拌速度對污泥絮凝反應(yīng)有較大影響，太快或者太慢對于絮凝過程都是不利的，應(yīng)通過實驗確定較佳的攪拌條件。
