CPAM及與無(wú)機(jī)混凝劑聯(lián)用對(duì)污泥脫水的改善*

董 岳 韓曉剛 劉 燁 蔣曉春 莊子康 朱思凱 陸永生

(1.南京水務(wù)集團(tuán)有限公司, 南京 210000； 2.常州市清流水處理劑有限公司, 江蘇 常州 213144；3.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海 200444)

CPAM及與無(wú)機(jī)混凝劑聯(lián)用對(duì)污泥脫水的改善*

董 岳1韓曉剛2劉 燁2蔣曉春2莊子康3朱思凱3陸永生3

(1.南京水務(wù)集團(tuán)有限公司, 南京 210000； 2.常州市清流水處理劑有限公司, 江蘇 常州 213144；3.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海 200444)

以南京地區(qū)某城鎮(zhèn)污水處理廠剩余污泥為處理對(duì)象，通過測(cè)定污泥含水率、過濾性能、污泥比阻及沉降性能等，研究投加不同劑量陽(yáng)離子聚丙烯酰胺CPAM，及聚合氯化鋁PAC或聚合硫酸鐵PFS與CPAM聯(lián)用條件下，實(shí)現(xiàn)改善污泥脫水性能的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)投加CPAM污泥脫水性能得到明顯改善，投加量為10 mg/L，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.387×109s2/g；污泥含水率自98.13%降至82.55%；投加30.8mg/LPAC+ 10mg/LCPAM或40.2mg/LPFS+ 10mg/LCPAM，污泥比阻分別降至0.261×109s2/g、0.269×10s2/g，污泥含水率分別降至80.63%和79.71%。

污泥脫水；陽(yáng)離子聚丙烯酰胺；無(wú)機(jī)混凝劑；含水率；污泥比阻

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，隨之而來(lái)的是城市用水量增長(zhǎng)迅猛，城市污水處理廠運(yùn)行負(fù)荷不斷增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全國(guó)污水處理廠達(dá)到3 622座，廢水處理量達(dá)1.53億m3/d。處理污水的同時(shí)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，產(chǎn)量約為處理水體積的0.15%～1%。若任意排放不加處理的污泥，則會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[1]。因此污水處理過程中產(chǎn)生的高含水率剩余污泥，需要盡可能地脫去水份，得到含固率高的泥餅，這對(duì)后續(xù)的運(yùn)輸及處理處置具有重要意義。由于污泥就其本性而言屬于較難脫水的物質(zhì)，實(shí)踐中常通過投加化學(xué)藥劑來(lái)改善污泥的脫水性能[2]。目前污泥脫水困難已經(jīng)成為污泥處理與處置的瓶頸問題。現(xiàn)有的研究主要集中于調(diào)理方案的比選及優(yōu)化配方[3-4]。本文通過投加陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺CPAM，及聚合氯化鋁PAC或聚合硫酸鐵PFS與CPAM聯(lián)用，進(jìn)行污泥脫水性能的改善；并通過比較污泥處理前后的含水率、污泥比阻、過濾速度和沉降性能的變化，得到污泥調(diào)質(zhì)過程的最佳操作條件，為實(shí)際工程應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)?zāi)鄻?/p>

本試驗(yàn)所采用泥樣取自南京某污水處理廠二沉池剩余污泥，其含水率97.3%～98.1%，污泥比阻0.68～0.83×109s2/g，pH介于6.85～7.12范圍。為了避免污泥理化性質(zhì)隨時(shí)間的變化而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，所有試驗(yàn)均在兩天內(nèi)完成。

1.2 藥劑

試驗(yàn)過程選用的干粉型陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺CPAM，分子量1 200萬(wàn)，陽(yáng)離子度20%，污泥調(diào)質(zhì)試驗(yàn)過程中配制濃度為0.1 g/L。聚合硫酸鐵PFS(有效Fe含量11.0%，ρ20℃=1.46g/cm3)、聚合氯化鋁(有效Al2O3含量10.0%，ρ20℃=1.23g/cm3)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 污泥調(diào)質(zhì)試驗(yàn)

采用ZR4-6六聯(lián)攪拌機(jī)進(jìn)行污泥調(diào)質(zhì)試驗(yàn)，取500mL混合均勻的污泥于杯中，啟動(dòng)攪拌機(jī)，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)迅速加入一定量的濃度為0.1g/LCPAM，反應(yīng)初期以200r/min快速攪拌2min，隨后以50r/min慢速攪拌10min，最后靜置30min。

CPAM及PFS、PAC組合試驗(yàn)過程中，調(diào)整投加藥劑的濃度及投加量，參照上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 泥餅含水率的測(cè)定

采用布氏漏斗進(jìn)行抽濾，在0.04Mpa的壓力下抽濾3min，取下濕污泥及濾紙，通過MA-35快速水分測(cè)定儀測(cè)定污泥含水率。

1.3.3 過濾速度及污泥比阻的測(cè)定

取60mm中速濾紙若干，將濾紙潤(rùn)濕后放入布氏漏斗，漏斗下接100mL量筒，將加藥后混合均勻的污泥倒入布氏漏斗，重力過濾1min，記下濾液量后，在0.04Mpa抽濾3min，每隔10s(濾速減慢后每隔30s)，記下計(jì)量筒內(nèi)相應(yīng)的濾液體積。

μ—濾出液的動(dòng)力粘度，N·s/m2；

P—過濾壓力，N/m2，即為真空表的讀數(shù)；

A—過濾面積，m2，即以布氏漏斗內(nèi)徑為直徑的圓的面積；

b—比阻測(cè)定中的斜率，由坐標(biāo)值可以計(jì)算出，s/m6；

c—單位體積濾出液所得濾餅干重，kg/ m3，即抽濾后的泥餅干重。

1.3.4 污泥沉降性能測(cè)定

將處理后的污泥混合均勻，取100 mL倒入100 mL量筒中，攪拌均勻后，靜置，每隔一段時(shí)間記錄固液分界線讀數(shù)，并將空白樣(原污泥)作為對(duì)照。

2 結(jié)果與討論

絮凝劑能改善污泥脫水性能，在于改變污泥顆粒結(jié)構(gòu)，破壞膠體穩(wěn)定性。一些呈線型結(jié)構(gòu)的絮凝劑在濃度較低時(shí)，吸附在顆粒表面上的高分子長(zhǎng)鏈可以同時(shí)吸附在另一顆粒的表面上，通過“架橋”方式將兩個(gè)或更多的顆粒連在一起，使顆粒逐漸結(jié)大，從而導(dǎo)致絮凝[5]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)投加CPAM，PAC或PFS與CPAM組合方式對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì)，其含水率、1 min濾液量和污泥比阻的變化如圖1所示。

2.1 含水率

污泥含水率是表征污泥脫水性能的主要指標(biāo)之一，如圖1-A所示，使用CPAM后泥餅經(jīng)過抽濾后含水率隨其投加量的增加而持續(xù)減小。投加10 mg/L時(shí)，污泥含水率為82.55%，較原污泥經(jīng)抽濾后含水率84.85%，降幅為2.7%。雖然隨著CPAM投加量的增加，污泥含水率下降，但CPAM價(jià)格相對(duì)較貴，投加過多CPAM勢(shì)必造成投加性價(jià)比大幅下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，投加CPAM 10 mg/L已經(jīng)對(duì)污泥含水率有了很大的改善，考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，所以單純?cè)黾覥PAM投加量，降低污泥含水率的意義不大。因此，結(jié)合后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果，如污泥比阻等因素，確定CPAM 10 mg/L為適宜投加量。

圖1 不同投加組合處理后污泥特性變化

PAC與CPAM聯(lián)用使污泥含水率有明顯下降，投加15.4 mg/L PAC+10 mg/L CPAM時(shí)，污泥含水率降至81.35%，原污泥經(jīng)抽濾后含水率為84.29%，降幅為3.6%，高于單一投加10 mg/L CPAM時(shí)的降幅。當(dāng)投加量為76.9 mg/L PAC+10 mg/L CPAM時(shí)，含水率最低為78.99%，降幅為6.4%。

PFS與CPAM聯(lián)用同樣使污泥含水率下降趨勢(shì)明顯，投加20.1 mg/L PFS+ 10 mg/L CPAM時(shí)，污泥含水率降至81.15%，降幅為3%，也高于單一投加10 mg/L CPAM時(shí)的降幅。當(dāng)投加量為80.5 mg/L PFS+10 mg/L CPAM時(shí)含水率最低為78.60%，降幅為6%。

由圖1-A可以看出，混合投加15.4 mg/L PAC+10 mg/L CPAM和20.1 mg/L PFS+ 10 mg/L CPAM，與單獨(dú)CPAM投加量20～30 mg/L時(shí)，含水率差異不大。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，本實(shí)驗(yàn)所用CPAM售價(jià)約38 000元/噸、PAC約660元/噸、PFS約500元/噸。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，PAC或PFS與CPAM聯(lián)用在保證污泥脫水性能得到明顯改善的前提下，實(shí)現(xiàn)了污泥處理成本的有效控制。

2.2 過濾性能

為適應(yīng)實(shí)際工程應(yīng)用需要，試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用重力過濾1 min得到的濾液量來(lái)考察污泥的過濾性能。3種投加方式得到的濾液量如圖1-B所示，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其基本趨勢(shì)表現(xiàn)為投加量越大，得到的濾液量越多；但是單獨(dú)投加CPAM得到的濾液量比PAC或PFS聯(lián)用后的濾液量多。原細(xì)小的污泥顆粒相互凝結(jié)為體積較大的顆粒，顆粒之間空隙變大，污泥整體變得疏松，這樣有利于脫除污泥中的間隙水和游離水，再經(jīng)過加壓抽濾后，污泥表面吸附水、內(nèi)部結(jié)合水和毛細(xì)管結(jié)合水也可得到部分脫除。單獨(dú)投加CPAM時(shí)污泥形成的絮體密實(shí)，在重力過濾時(shí)下層液體能很快排出，濾液量多；PAC或PFS與CPAM聯(lián)用調(diào)理后的污泥形成的濾餅更易通過濾液，含水率和污泥比阻更低。

2.3 污泥比阻

污泥比阻是表示污泥脫水性能的綜合指標(biāo)，污泥比阻愈大，脫水性能愈差，反之，則脫水性能愈好。比阻r >1.0 ×109s2/g 時(shí)為不易脫水的污泥，比阻r位于(0.5～0.9) ×109s2/g 時(shí)為脫水性能中等的污泥，比阻r < 0.5×109s2/g 時(shí)為較易脫水的污泥。添加絮凝劑可以改善污泥的脫水性質(zhì)，使污泥的比阻減小。

污泥比阻結(jié)果如圖1-C所示，原污泥比阻為0.680×109s2/g，經(jīng)過投加CPAM、PAC或PFS與CPAM組合后，污泥比阻呈先下降再緩慢上升的趨勢(shì)。投加10mg/LCPAM時(shí)，污泥比阻最低為0.387×109s2/g。觀察PAC或PFS與CPAM聯(lián)用得到的污泥比阻情況，可以發(fā)現(xiàn)，投加30.8mg/LPAC+ 10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.261×109s2/g；投加40.2mg/LPFS+ 10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.269×109s2/g；這種PAC或PFS引入的投加方式有助于污泥比阻的降低，且形成的泥餅含固率較高，污泥的脫水性能得到顯著改善。

2.4 沉降性能

從圖2可以看到原污泥的沉降性能較差，沉降1h污泥體積為95mL。在投加CPAM后，污泥沉降性能明顯改善，并且隨著投加量的增大，沉降性能越理想。當(dāng)CPAM投加量為40mg/L時(shí)，污泥體積最小，沉降1h污泥體積為60mL。CPAM投加量為10mg/L時(shí)，沉降1h污泥體積為91mL，降幅為4.21%。投加PAC+CPAM組合后的污泥沉降性能如圖3所示，投加15.4mg/LPAC+10mg/LCPAM時(shí)，沉降1h污泥體積為96mL，降幅為1.03%。投加PFS+CPAM組合后的污泥沉降性能如圖4所示，投加20.1mg/LPFS+ 10mg/LCPAM時(shí)，沉降1h污泥體積為96mL，降幅為1.03%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，PAC或PFS與CPAM聯(lián)用后，污泥沉降性能不如單獨(dú)投加CPAM，這與之前含水率與污泥比阻的趨勢(shì)不符。王鑫[11]研究認(rèn)為沉降是一種污泥絮體利用自身重力克服浮力排開下層液體的過程，而真空抽濾是一種污泥中的液體通過不斷密實(shí)的濾餅，克服濾餅的阻力的過程。前者效果好壞在于絮體的密度等，后者效果好壞在于濾餅的形成快慢以及濾餅對(duì)濾液的阻力。污泥中的水分劃分為自由水、間隙水、吸附水和結(jié)合水4種形態(tài)，但這種劃分目前沒有定量測(cè)定的方法，因此在大多數(shù)對(duì)水分的定量測(cè)定中，簡(jiǎn)單地將污泥中的水分劃分為自由水和束縛水[12]。因此，單獨(dú)投加CPAM時(shí)污泥的絮體更加密實(shí)，在沉降過程中容易把下層的液體排出，污泥中的自由水更容易脫除；故PAC或PFS與CPAM聯(lián)用調(diào)理后的污泥脫水性能得到改善，更多的束縛水在抽濾過程中得到部分脫除。

圖2 不同CPAM投加量的污泥沉降性能

圖3 投加PAC+10 mg/L CPAM后污泥沉降性能

圖4 投加PFS+10 mg/L CPAM后污泥沉降性能

3 結(jié)論

(1) 選用陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺CPAM作為污泥調(diào)理劑，城市污水處理廠剩余污泥的含水率、污泥比阻及沉降性能均得到不同程度的改善。結(jié)合其處理污泥后的各項(xiàng)指標(biāo)以及成本因素，故選10mg/LCPAM為最佳投加量。

(2) 固定CPAM投加量為10mg/L，選用不同投加量的PAC、PFS與CPAM聯(lián)用，對(duì)比最終的含水率和污泥比阻，聯(lián)用的效果要優(yōu)于單獨(dú)投加CPAM。投加30.8mg/LPAC+10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.261×109s2/g，污泥含水率自98.13%降至80.63%；投加40.2mg/LPFS+10mg/LCPAM，污泥比阻自0.680×109s2/g降至0.269×109s2/g；污泥含水率自98.13%降至79.71%。

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Experiment on improving sludge dewatering ability using CPAM and CPAM coupled with inorganic coagulant

Dong Yue1, Han Xiaogang2, Jiang Xiaochun2, Zhuang Zikang3, Zhu Sikai3, Lu Yongsheng3

(1.Nanjing Water Group Co., LTD, Nanjing 210000; 2.Changzhou Qingliu Water Treatment Chemicals Co., LTD; 3.School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai, 200444)

the cationoid polyacrylamide (CPAM) and CPAM coupled with inorganic coagulants were investigated for using as agents to improve sludge dewatering ability from wastewater treatment plant (WWTP) of Nanjing area. The key parameters influencing the dewater ability of sludge conditioned, including the water content, filtration time, sedimentation and specific resistance were systematically evaluated. The experimental results showed that the dewatering performance of sludge was improved significantly when 10 mg/L CPAM alone was added into the sludge, and the specific resistance of sludge can be reduced from 0.680 109s2/g to 0.387 109s2/g, the sludge water content can be reduced from 98.13% to 82.55%. When dosage of PAC 30.8 mg/L, or dosage of PFS 40.2 mg/L coupled with 10 mg/L CPAM were used,the specific resistance s of sludge were 0.261×109s2/g and 0.269×109s2/g, the sludge water contents were 80.63% and 79.71% respectively.

sludge dewatering ability; cationoid polyacrylamide; inorganic coagulant; water content; specific resistance of sludge

* 南京水務(wù)集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目(201405010031)

2015-05-02； 2015-05-19修回

董岳，男，1983年生，碩士，工程師，研究方向：水污染控制及凈化技術(shù)。Email：fc107214@126.com

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