有機(jī)高分子絮凝劑對(duì)污泥脫水性能的改善研究*

韓曉剛 張 冬 劉 燁 蔣曉春 陸永生 莊子康 劉 群

(1.常州市清流水處理劑有限公司，江蘇 常州 213144;2.南京水務(wù)集團(tuán)有限公司，南京 210000;3.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200444;4.杭州市余杭區(qū)環(huán)境保護(hù)局，杭州 311100)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市人口增長(zhǎng)使污水排放量大幅增加，污水處理過(guò)程中的污泥產(chǎn)生量隨之大幅提高。一般地，污泥處理處置費(fèi)用約占污水處理廠全部建設(shè)費(fèi)用的20%～50%，甚至高達(dá)70%[1]，并且污泥經(jīng)濃縮、消化后尚有約95% ～97%的含水量[2]。因此，污泥脫水處理已成為污泥減量化及與后續(xù)處理的必需環(huán)節(jié)[3]。目前提高污泥脫水效果的手段主要有化學(xué)法、物理法[4－5]、生物法[6]等。相比較而言，化學(xué)調(diào)理法簡(jiǎn)單易行，在污泥中加入化學(xué)藥劑(混凝劑、助凝劑等)[7]，使顆粒凝聚，從而達(dá)到改善污泥脫水性能目的。已有的研究實(shí)踐證明:無(wú)機(jī)絮凝劑存在絮凝效果差，投加量大等缺點(diǎn)[8]，有機(jī)高分子絮凝劑的吸附架橋作用使污泥顆粒快速形成絮團(tuán)，易于分離[9]。本研究通過(guò)對(duì)8種高分子有機(jī)絮凝劑的污泥脫水效果的比較，從適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需要的角度，主要考察污泥含水率、污泥沉降、污泥過(guò)濾性能及污泥絮體結(jié)構(gòu)的變化等，從而篩選確定最佳絮凝劑及其投加條件，旨在為城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理提供高效、經(jīng)濟(jì)的污泥脫水性能工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 污泥來(lái)源及性質(zhì)

試驗(yàn)所采用污泥樣品取自南京地區(qū)某污水處理廠二沉池剩余污泥，其含水率98% ～99%，平均粒徑大于 120 μm，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)間的變化而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，所有實(shí)驗(yàn)均在2 d內(nèi)完成。

1.2 藥劑及儀器

試驗(yàn)過(guò)程選用的干粉型陽(yáng)離子型有機(jī)高分子絮凝劑由常州清流水處理劑有限公司提供，污泥調(diào)質(zhì)試驗(yàn)過(guò)程中配制濃度為0.1 g/L。各種絮凝劑其他物料性質(zhì)如表1所示。

表1 有機(jī)高分子絮凝劑物料特性表

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)實(shí)驗(yàn)，取500 mL混合均勻的污泥于反應(yīng)容器中，啟動(dòng)攪拌機(jī)，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)迅速加入適量的有機(jī)高分子絮凝劑(濃度為0.1 g/L)，先以200 r/min快速攪拌2 min，隨后50 r/min慢速攪拌10 min，靜置。

1.3.2 污泥沉降性能的測(cè)定

取經(jīng)不同絮凝劑處理后充分混合的污泥100 mL倒入100 mL量筒中，攪拌均勻后，靜置，每隔一段時(shí)間記錄固液界面讀數(shù)，并將空白樣(原污泥)作為對(duì)照。

1.3.3 過(guò)濾速度的測(cè)定

取布氏漏斗和Ф90 mm中速濾紙若干，將濾紙潤(rùn)濕后放入布氏漏斗，漏斗下接100 mL量筒。將經(jīng)不同絮凝劑處理后混合均勻的污泥倒入布氏漏斗，有濾液流下時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄得到的15 mL濾液體積數(shù)時(shí)的過(guò)濾時(shí)間，并將空白樣(原污泥)作為對(duì)照。

1.3.4 泥餅含水率的測(cè)定

將一定量混合均勻的污泥倒入布氏漏斗，維持真空泵0.04 Mpa壓力下抽濾4 min，抽濾結(jié)束后取下濕污泥及濾紙，利用MA－35快速水分測(cè)定儀測(cè)定污泥含水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH、水力條件、過(guò)濾壓力的選擇

污泥脫水試驗(yàn)過(guò)程中，pH、水力條件和過(guò)濾壓力也會(huì)影響最終處置污泥的含水率。污泥體系pH的改變，影響污泥膠體顆粒及絮凝劑的電離度，從而影響絮凝劑分子鏈的伸展程度、溶解度等[10]。高健磊等[11]研究發(fā)現(xiàn)pH在6～8范圍內(nèi)，污泥比阻值最小，脫水性能最佳。本次試驗(yàn)的污泥經(jīng)有機(jī)絮凝劑調(diào)質(zhì)后，體系pH值在7.01～7.07之間，處于最佳脫水性能所屬pH范圍之內(nèi)。

絮凝是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，攪拌速度對(duì)絮凝效果有較大的影響[11]。本試驗(yàn)先以200 r/min快速攪拌2 min，隨后50 r/min慢速攪拌10 min的方式，避免攪拌強(qiáng)度不足，絮凝劑和污泥不能充分混合，絮體形成不充分，絮凝效果不佳的現(xiàn)象;同時(shí)也避免了攪拌太過(guò)強(qiáng)烈，會(huì)破壞絮體的可能。

過(guò)濾壓力不宜過(guò)大，壓力過(guò)大會(huì)堵塞過(guò)濾設(shè)備。涂玉等[12]研究發(fā)現(xiàn)，污泥比阻隨過(guò)濾壓力升高而增大，真空過(guò)濾壓力在0.04 MPa最佳。萬(wàn)耀強(qiáng)等[13]認(rèn)為真空過(guò)濾壓力在0.04～0.06 MPa之間比較合適。本次試驗(yàn)采用的真空過(guò)濾壓力為0.04 MPa，滿(mǎn)足常規(guī)過(guò)濾壓力的要求。

2.2 絮凝劑的篩選

試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用表1所示8種高分子有機(jī)絮凝劑在常溫下進(jìn)行污泥調(diào)質(zhì)試驗(yàn)，固定投加量50 mg/L，通過(guò)其污泥脫水效果的比較，從而確定適合的污泥脫水絮凝劑。

污泥經(jīng)不同高分子有機(jī)絮凝劑處理，經(jīng)抽濾后的含水率變化如圖1所示，其中G0為原污泥未經(jīng)絮凝處理、真空抽濾后的含水率。由于污泥顆粒一般帶負(fù)電，且與表面附著水結(jié)合成凝膠體，當(dāng)污泥中引入大量陽(yáng)離子型有機(jī)絮凝劑時(shí)，正離子就會(huì)涌入凝膠體的擴(kuò)散層甚至吸附層，從而使擴(kuò)散層及吸附層中的正離子濃度增加，擴(kuò)散層變薄，從而使膠核表面的負(fù)電性降低;由于雙電層被壓縮，顆粒間的靜電斥力隨即降低，當(dāng)吸附層以至擴(kuò)散層完全消失時(shí)，膠粒間的靜電斥力消失，使得膠粒發(fā)生聚集，污泥顆粒結(jié)構(gòu)破壞膠體穩(wěn)定性，對(duì)已脫穩(wěn)顆粒起吸附架橋作用，絮體快速增長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)固液分離[9，14]。結(jié)果表明:投加不同絮凝劑后，污泥的脫水性能得到明顯的改善，絮凝劑G2脫水效果最佳，含水率從最初的98.58%降至70.90%，與經(jīng)相同操作條件下的未投加絮凝劑的污泥含水率相比，降幅增加7.16%。

圖1 污泥經(jīng)不同絮凝劑處理后的含水率變化

污泥經(jīng)絮凝劑處理后，污泥表面附著水可轉(zhuǎn)化為游離水，并在重力沉降作用下實(shí)現(xiàn)固液分離，因此，污泥的沉降性能常用作衡量絮凝劑性能的指標(biāo)[15]。經(jīng)絮凝處理后的污泥沉降性能試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，未投加絮凝劑的原污泥在重力作用下呈緩慢下降的趨勢(shì);而投加絮凝劑后的污泥在沉降前5 min內(nèi)呈快速下降趨勢(shì)，沉降20 min后固液界面基本保持穩(wěn)定;沉降60 min后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)G5、G6、G8處理后的污泥沉降效果反而比原污泥的差，G3、G4處理后的污泥沉降效果與原污泥基本持平，G1、G2、G7的處理效果較為明顯，其中G2處理后污泥的固液界面高度最低，沉降性能最好。究其原因，絮凝劑的吸附架橋作用使污泥小絮體間的空隙擠壓合并，其中間隙水、毛細(xì)結(jié)合水和游離水能夠迅速的脫離出來(lái)，絮體相互結(jié)合形成更大的絮團(tuán);而不同的絮凝劑作用效果不同，在吸附架橋過(guò)程中形成的大絮團(tuán)存在鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得部分游離水再次被包裹在污泥絮團(tuán)內(nèi)，從而造成沉降效果不佳。

圖2 污泥經(jīng)不同絮凝劑處理后的沉降性能變化趨勢(shì)

因此，綜合考慮含水率及沉降性能等因素，G2可應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥調(diào)理，從而實(shí)現(xiàn)改善污泥脫水性能的目的。

2.3 最佳投加量的確定

絮凝劑投加量是影響污泥脫水的重要因素之一。投加量過(guò)小，污泥脫水性能得不到有效的改善;投加量過(guò)大，由于形成的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)較為疏松，部分游離水被包裹，脫水效果反而變差;此外，絮凝劑過(guò)量將引起污泥粘度增加，影響后續(xù)工序中的泥餅的剝離[11]。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)保持原污泥pH值條件下，依次投加10、20、40、60 mg/L 絮凝劑 G2，考慮實(shí)際生產(chǎn)需要，通過(guò)考察污泥含水率、沉降性能、過(guò)濾時(shí)間等因素確定最佳投加量。

污泥經(jīng)G2不同投加量處理，經(jīng)真空抽濾后含水率變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，污泥含水率隨投加量的增加呈明顯的遞減趨勢(shì)。未經(jīng)絮凝劑處理的污泥含水率為77.33%，G2投加10 mg/L后污泥含水率降為73.75%;再增加G2投加量，其污泥含水率降幅不大，當(dāng)投加量達(dá)到20、30 mg/L時(shí)，污泥含水率分別為71.88%、71.46%，兩者相差不大?？紤]到有機(jī)高分子絮凝劑的價(jià)格相對(duì)昂貴，G2投加量20 mg/L已經(jīng)對(duì)污泥含水率有了較大的改善，基于經(jīng)濟(jì)成本因素，再增加投加量，意義不大。

圖3 不同G2投加量的污泥含水率的變化情況

污泥經(jīng)G2不同投加量處理后沉降60 min，其固液界面變化如圖4所示。與絮凝劑篩選沉降性能試驗(yàn)類(lèi)似，未投加絮凝劑的原污泥沉降高度在重力作用下呈緩慢下降的趨勢(shì);而投加絮凝劑的污泥沉降呈快速下降趨勢(shì)，在前5 min內(nèi)基本完成沉降，之后的55 min內(nèi)污泥沉降高度變化幅度微小。投加量10 mg/L時(shí)，沉降60 min時(shí)，其固液界面讀數(shù)較原污泥高;投加量增至20 mg/L時(shí)，60 min污泥沉降高度為24 mL，與原污泥基本持平。總體上，絮凝劑投加量越多，最終固液界面讀數(shù)越低。由此說(shuō)明，投加適量的有機(jī)高分子絮凝劑能快速實(shí)現(xiàn)泥水分離。

圖4 不同G2投加量條件下的污泥沉降趨勢(shì)

污泥的比阻與濾液的體積的平方成反比[12]，同樣得到一定量的濾液體積，其相應(yīng)的過(guò)濾時(shí)間越短，污泥比阻越小，說(shuō)明絮凝劑脫水效果越好。實(shí)際污泥處理處置過(guò)程中，在相同的過(guò)濾條件下，可以直觀地通過(guò)污泥過(guò)濾時(shí)間進(jìn)行污泥脫水效果的判斷。經(jīng)不同絮凝劑處理后的污泥重力過(guò)濾，得到15 mL濾液所需時(shí)間如圖5所示。

圖5 不同G2投加量條件下的污泥過(guò)濾時(shí)間

由圖5可見(jiàn)，污泥過(guò)濾時(shí)間呈先下降后上升的趨勢(shì)。原污泥過(guò)濾時(shí)間為40 s，當(dāng)G2投加量增至20 mg/L時(shí)，過(guò)濾時(shí)間最短為30 s，說(shuō)明污泥中的表面結(jié)合水因?yàn)樾躞w形態(tài)改變，膠體脫穩(wěn)，從而得到有效的分離。雖然G2投加量的增加促使污泥含水率降低，但過(guò)多的絮凝劑使污泥水分和絮體發(fā)生粘連，依靠重力分離時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效分離，需通過(guò)施加外部壓力脫除，其相應(yīng)的污泥過(guò)濾時(shí)間增加。

綜合考慮投加絮凝劑后污泥的沉降、過(guò)濾性能及含水率等技術(shù)指標(biāo)，又兼顧有機(jī)高分子絮凝劑價(jià)格因素，投加過(guò)多的絮凝劑會(huì)使性?xún)r(jià)比下降，因此G2最佳投加量選用20 mg/L。

3 結(jié)論

(1)不同陽(yáng)離子度的有機(jī)高分子絮凝劑作為污泥調(diào)理劑使用，經(jīng)絮凝處理后，城市污水處理廠剩余污泥的含水率及沉降性能均得到不同程度的改善。

(2)通過(guò)污泥脫水性能的考察，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，原污泥經(jīng)有機(jī)高分子絮凝劑G2調(diào)理，在G2最佳投加量為20 mg/L時(shí)，5 min內(nèi)基本完成污泥沉降，其污泥過(guò)濾時(shí)間30 s，含水率由98.58%降至71.88%。

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