污泥機(jī)械脫水是污泥實(shí)現(xiàn)減量的重要環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵在于污泥調(diào)理方式的選擇和脫水機(jī)選型。當(dāng)前常用的化學(xué)調(diào)理和污泥機(jī)械脫水機(jī)型的選擇存在四方面的問題：一是化學(xué)調(diào)理藥劑類型的選用;二是投加藥劑投加量;三是脫水機(jī)機(jī)型選擇;四是衡量污泥脫水性能主要指標(biāo)比阻(SRF)和毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)的測(cè)定尚缺少標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的約束。通過一系列對(duì)比試驗(yàn)解決上述問題，為設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行提供有效支撐。
1存在問題
污泥脫水實(shí)現(xiàn)體積減量是污泥處理處置的關(guān)鍵。由于污水處理過程中得到的污泥具有高親水性，污泥水與污泥固體顆粒間有很強(qiáng)的結(jié)合力，如果沒有預(yù)先的處理，即通過化學(xué)、物理或者熱工方法進(jìn)行預(yù)處理，則絕大多數(shù)的污泥的脫水是非常困難的，污泥脫水前預(yù)處理就是污泥調(diào)理?；瘜W(xué)調(diào)理因其工藝簡(jiǎn)單、適用廣泛，成為最普遍的調(diào)理工藝。
實(shí)現(xiàn)污泥有效脫水的關(guān)鍵在于污泥調(diào)理方法、藥劑選擇、藥劑用量和相適應(yīng)的脫水機(jī)類型選擇。對(duì)于包括調(diào)理在內(nèi)的整個(gè)污泥脫水過程來說，污泥性質(zhì)、污泥調(diào)理、機(jī)械脫水方式是相互影響、相互關(guān)聯(lián)的;而化學(xué)調(diào)理藥劑的類型和投加量又直接影響著脫水后污泥和污泥水(機(jī)械脫水設(shè)備的出水)的品質(zhì)，從而影響脫水污泥的后續(xù)處理、處置及污泥水的處理。國(guó)內(nèi)已有實(shí)際案例證明，由于在調(diào)理時(shí)投加了較多的化學(xué)藥劑，導(dǎo)致污泥水的堿度大幅度降低，給處理帶來困難。所以選擇調(diào)理方法、調(diào)理藥劑、投加量和脫水機(jī)時(shí)，不但要充分考慮污泥的性質(zhì)，還要充分考慮脫水后污泥的后續(xù)處理、處置及污泥水的處理及整個(gè)系統(tǒng)(過程)的投資和成本費(fèi)用。
但是，目前對(duì)化學(xué)調(diào)理和污泥機(jī)械脫水機(jī)型的選擇是盲目進(jìn)行的，主要體現(xiàn)在：一是化學(xué)調(diào)理藥劑類型的選用沒有與泥性是否得到有效改善結(jié)合起來，藥劑類型選擇是盲目的;二是藥劑投加量沒有與泥性改善的最佳效果結(jié)合起來，藥劑投加量確定是盲目的;三是脫水機(jī)選擇沒有與污泥泥性特別是化學(xué)調(diào)理后的泥性變化情況結(jié)合起來，脫水機(jī)機(jī)型選擇是盲目的。
衡量污泥脫水性能的指標(biāo)主要有比阻(SRF)和毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)。污泥經(jīng)調(diào)理后泥性會(huì)發(fā)生很大變化，SRF和CST也會(huì)發(fā)生變化。另外，目前尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，所有的相關(guān)脫水性能指標(biāo)的測(cè)定尚缺少標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的約束。
針對(duì)上述問題，筆者結(jié)合多座污水處理廠改造和新建工程設(shè)計(jì)的需要，開展了污泥脫水性能的系統(tǒng)研究。
2定義與測(cè)定方法
2.1SRF
SRF是指單位質(zhì)量的污泥在一定壓力下過濾時(shí)，在單位過濾面積上產(chǎn)生的阻力，即單位過濾面積上，單位干重濾餅所具有的阻力。污泥比阻越大，過濾性能越差。比阻是表示污泥過濾特性的綜合性指標(biāo)，對(duì)帶式脫水機(jī)和板框壓濾機(jī)這類以過濾為主要脫水方式的脫水機(jī)有比較好的指示作用。但是，比阻的測(cè)定工作量大，操作復(fù)雜，人為影響因素大，重復(fù)性差等。一般比阻低于9.8×1012 m/kg則可視為有較好的脫水性能，比如新鮮的初沉污泥，其比阻為1011～1013 m/kg，新鮮的剩余污泥為1012～1013m/kg，消化良好的污泥為1010～1011 m/kg。
另外，污泥過濾時(shí)間(TTF)也能較好地表征污泥脫水性，它是指濾液體積達(dá)到污泥體積一半時(shí)所需的過濾時(shí)間，可以從SRF的操作過程中獲得，與SRF有一定的相關(guān)性。
2.2CST
CST是指未脫水污泥在吸水濾紙上滲透一定距離所需要的時(shí)間。毛細(xì)吸水時(shí)間越長(zhǎng)，脫水性能越差，它是表征離心脫水效果的指標(biāo)。一般毛細(xì)吸水時(shí)間小于20 s，則脫水性能較好。
多數(shù)污泥比阻和毛細(xì)吸水時(shí)間也有較好的相關(guān)性，反映的脫水性能變化規(guī)律往往能達(dá)到一致。
3材料與方法
3.1試驗(yàn)污泥來源與性質(zhì)
試驗(yàn)污泥來自上海4座污水處理主體工藝各異的城鎮(zhèn)污水處理廠，其污水處理工藝和污泥特性見表1。其中，D污水處理廠是二沉池的剩余污泥，其余3座污水處理廠均是污泥重力濃縮后污泥。
3.2污泥脫水性能測(cè)定試驗(yàn)
由于化學(xué)調(diào)理后污泥形成絮團(tuán)，泥水分層明顯，呈非均質(zhì)化狀態(tài)，給比阻和毛細(xì)水時(shí)間測(cè)定帶來很大的影響。因此，本文提出調(diào)理后污泥高速攪拌再進(jìn)行測(cè)定的方法，并進(jìn)行了攪拌與不攪拌兩種情況下比阻、過濾時(shí)間、毛細(xì)吸水時(shí)間和粒徑指標(biāo)間的相關(guān)分析，以確定該方法的有效性和可靠性。試驗(yàn)證明，加藥調(diào)理污泥進(jìn)行攪拌預(yù)處理后的數(shù)據(jù)可靠性更高，精確度更高。
取某污水處理廠剩余污泥400 mL或濃縮污泥樣品置于容器中攪拌混合均勻后，加入不同種類或不同投加量的PAM后采用六聯(lián)攪拌機(jī)攪拌。調(diào)理?xiàng)l件為在200 r/min下攪拌30 s，然后在60 r/min下攪拌10 min。靜置10 min后污泥采用高速攪拌機(jī)在500 r/min下攪拌2 min，隨后測(cè)定相應(yīng)的污泥比阻、毛細(xì)吸水時(shí)間和粒徑。
3.3分析方法
MLSS和含水率的測(cè)定采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。
pH采用HQ30d多參數(shù)測(cè)定儀(Hach，美國(guó))測(cè)定。污泥比阻測(cè)定采用章非娟和徐竟成報(bào)道的方法。TTF可在比阻測(cè)定過程獲得。CST采用304M測(cè)試儀(Triton，美國(guó))測(cè)定。粒徑采用SALD-2201激光衍射式粒度分布測(cè)量?jī)x(Shimadzu，日本)。污泥粘度采用DV-I 型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(Brookfield，美國(guó))測(cè)定?？傆袡C(jī)碳(TOC)采用Multi N/C3100(Analytikjena，德國(guó))測(cè)定。
4結(jié)果分析與討論
4.1調(diào)理藥劑類型影響分析
試驗(yàn)選取了7種不同結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量和陽離子度的聚丙烯酰胺PAM藥劑(表2中a~g)，研究對(duì)污泥脫水性能的影響。在藥劑參數(shù)對(duì)比的基礎(chǔ)上，又對(duì)各廠目前使用的藥劑h1、h2、h3和h4進(jìn)行了對(duì)比。
調(diào)理后污泥脫水性能指標(biāo)變化見圖1。
A污水處理廠各種藥劑調(diào)理后污泥脫水性能指標(biāo)變化詳見圖1a。采用大相對(duì)分子質(zhì)量支鏈藥劑a、c和線性藥劑d調(diào)理后污泥，其比阻明顯小于小分子質(zhì)量支鏈藥劑b，也較中等相對(duì)分子質(zhì)量線性藥劑e、f、g小;但是采用小相對(duì)分子質(zhì)量支鏈藥劑b調(diào)理后污泥，其毛細(xì)吸水時(shí)間最小，支鏈藥劑a、b、c對(duì)毛細(xì)吸水時(shí)間的改善均優(yōu)于線性藥劑d、e、f、g;各類藥劑調(diào)理后污泥的粒徑明顯增大，其中以線性大相對(duì)分子質(zhì)量的藥劑d最為明顯;陽離子度對(duì)污泥脫水性能指標(biāo)影響不明顯，但是線性低陽離子度的藥劑e，對(duì)脫水性能改善效果最差。該廠目前采用的是中相對(duì)分子質(zhì)量支鏈藥劑h1，在相同投加量下，其調(diào)理污泥比阻為對(duì)比藥劑中最低，毛細(xì)吸水時(shí)間高于其他對(duì)比支鏈藥劑，粒徑為次優(yōu)。該廠目前采用離心脫水機(jī)，以毛細(xì)吸水時(shí)間衡量，建議可采用藥劑b。
B污水處理廠各種藥劑調(diào)理后污泥脫水性能指標(biāo)變化詳見圖1b。采用小相對(duì)分子質(zhì)量支鏈藥劑b調(diào)理后污泥，其比阻明顯小于大相對(duì)分子質(zhì)量支鏈藥劑a、c和線性藥劑d、e、f、g;支鏈藥劑對(duì)毛細(xì)吸水時(shí)間的改善效果明顯好于線性藥劑;高陽離子度支鏈藥劑c對(duì)比阻改善效果較差;大相對(duì)分子質(zhì)量線性低陽離子度藥劑d對(duì)比阻和毛細(xì)吸水時(shí)間的改善效果優(yōu)于其他線性藥劑;中陽離子度線性藥劑e對(duì)比阻和毛細(xì)吸水時(shí)間的改善效果均最差;除藥劑e外，經(jīng)調(diào)理后，污泥粒徑均得到明顯增加。目前該廠采用中相對(duì)分子質(zhì)量支鏈高陽離子度藥劑h2，在相同投加量下，相比其比阻、毛細(xì)吸水的改善效果最好，且調(diào)理后粒徑增加也較高，該廠采用離心脫水機(jī)，以毛細(xì)吸水時(shí)間衡量，選用藥劑h2是合適的。
C污水處理廠各種藥劑調(diào)理后污泥脫水性能指標(biāo)變化詳見圖1c。采用小相對(duì)分子質(zhì)量支鏈藥劑b調(diào)理后污泥，其比阻明顯小于大相對(duì)分子質(zhì)量支鏈藥劑a、c;除線性藥劑f外，其余線性藥劑對(duì)比阻改善效果均較好;相比較，大相對(duì)分子質(zhì)量支鏈藥劑c與中相對(duì)分子質(zhì)量線性藥劑g對(duì)毛細(xì)吸水時(shí)間改善效果最好，且該藥劑調(diào)理后的污泥粒徑也得到明顯增加;該廠在用藥劑h3為大相對(duì)分子質(zhì)量支鏈中陽離子度，調(diào)理后污泥比阻較低，但毛細(xì)吸水時(shí)間在對(duì)比藥劑中最高，污泥粒徑最小;該廠采用帶式脫水機(jī)，以比阻衡量，宜采用相對(duì)分子質(zhì)量中陽離子度藥劑，建議采用藥劑b。
D污水處理廠各種藥劑調(diào)理后污泥脫水性能指標(biāo)變化詳見圖1 d。3種支鏈藥劑對(duì)比阻的改善效果接近，相對(duì)藥劑b稍好;大相對(duì)分子質(zhì)量低陽離子度線性藥劑d對(duì)比阻的改善效果大相對(duì)分子質(zhì)量高陽離子度支鏈藥劑c對(duì)毛細(xì)吸水時(shí)間改善效果優(yōu)于其他支鏈藥劑;中相對(duì)分子質(zhì)量高陽離子度線性藥劑f對(duì)毛細(xì)吸水時(shí)間改善好于其他線性藥劑;該廠目前采用小相對(duì)分子質(zhì)量高陽離子度支鏈藥劑h4，在相同投加量下，其比阻和毛細(xì)吸水時(shí)間均優(yōu)于其他藥劑，且污泥粒徑最高;該廠采用帶式脫水機(jī)，以比阻衡量，故該廠現(xiàn)采用的藥劑h4是合適的。
上述試驗(yàn)可見，現(xiàn)有污泥脫水和投運(yùn)前的污泥脫水設(shè)施，有針對(duì)性地開展調(diào)理藥劑選擇試驗(yàn)，對(duì)選擇適合污泥性質(zhì)和脫水機(jī)的調(diào)理藥劑具有重要意義。
4.2調(diào)理藥劑投加量的影響分析
在藥劑選擇試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行選用藥劑的最佳投加量試驗(yàn)。本文現(xiàn)對(duì)4座廠在用藥劑的最佳投加量試驗(yàn)結(jié)果分析如下，詳見圖2。
A污水處理廠采用藥劑h1，調(diào)理后污泥比阻、毛細(xì)吸水時(shí)間及粒徑變化詳見圖2a。比阻和毛細(xì)吸水時(shí)間隨著PAM投加量的增加，呈現(xiàn)總體下降的趨勢(shì)，在0～2 kgPAM/tDS范圍內(nèi)下降迅速，后趨于穩(wěn)定。在投加量分別為4～5 kgPAM/tDS時(shí)，污泥比阻和毛細(xì)吸水時(shí)間開始維持在較低水平，分別為(0.21～0.23)×1012 m/kg和9.5～9.7 s，證明污泥脫水性能得到較好改善。粒徑隨著PAM投加量的增加呈上升趨勢(shì)，在投加量大于5 kgPAM/tDS后趨于不變。
除在變化范圍和變化幅度不同外，其余各廠的采用在用藥劑調(diào)理后，其比阻、毛細(xì)吸水時(shí)間及粒徑對(duì)應(yīng)在某投加量時(shí)達(dá)到最佳，與最佳值相對(duì)應(yīng)的投加量情況見表3。
高PAM投加量下CST和粒徑值趨于穩(wěn)定，而污泥比阻卻有所回升。這是由于部分PAM殘留于調(diào)理污泥上清液中，在過濾時(shí)富集于濾紙表面造成過濾阻力增加，但是實(shí)際脫水機(jī)所用濾網(wǎng)孔徑要大于實(shí)驗(yàn)室所用濾紙，因此在高投加量下比阻測(cè)定是有誤差的。
4.3泥性對(duì)脫水機(jī)選擇的影響分析
除了污泥調(diào)理方法外，污泥脫水的關(guān)鍵還在于脫水機(jī)類型的選擇。而脫水機(jī)選型同樣與泥性以及調(diào)理后泥性改善情況密切相關(guān)。從帶式脫水機(jī)、板框壓濾機(jī)和離心機(jī)的工作原理看，污泥比阻和毛細(xì)吸水時(shí)間分別是衡量其選型的指標(biāo)。
污泥比阻表征了污泥中水分在真空或者壓力狀態(tài)下通過多孔介質(zhì)的阻力。比阻測(cè)定過程包括過濾和壓濾兩個(gè)階段，與真空過濾脫水過程基本相近，因此比阻能非常準(zhǔn)確地反映污泥的真空過濾脫水性能，也能比較準(zhǔn)確地反映出污泥的壓濾脫水性能(如帶式脫水機(jī)和板框脫水機(jī))。若調(diào)理后污泥比阻較毛細(xì)吸水時(shí)間有較好的改善，且小于9.8×1012 m/kg時(shí)，則應(yīng)選用帶式脫水機(jī)或板框壓濾式脫水機(jī)。C和D污水處理廠經(jīng)調(diào)理后，其比阻接近1012 m/kg，所以采用帶式脫水機(jī)是合適的。
污泥與濾紙接觸時(shí)，在毛細(xì)管的作用下，水分在濾紙上滲透1 cm長(zhǎng)度所需的時(shí)間稱為毛細(xì)吸水時(shí)間。因此，CST可視為脫水時(shí)間，并以秒計(jì)[11]。相較于SRF，CST可以較好地反映污泥離心脫水的性能。若調(diào)理后的污泥CST較SRF有較好的改善，且低于20 s時(shí)，則應(yīng)選用離心脫水機(jī)。A廠和B廠經(jīng)調(diào)理后，其毛細(xì)吸水時(shí)間均低于10 s，兩廠采用離心機(jī)是合適的。
4.4泥性測(cè)定分析存在問題探討
污泥經(jīng)PAM調(diào)理后會(huì)形成較大的不規(guī)整絮體，泥水分層速度快，難以均勻混合。這造成調(diào)理污泥在泥性測(cè)定時(shí)誤差很大。針對(duì)該問題，本文提出了調(diào)理污泥高速攪拌后再泥性表征的方法。污泥調(diào)理后在500 r/min下高速攪拌2 min以打散大尺度絮體，形成均一的污泥混合液。加藥攪拌對(duì)污泥脫水性能的影響情況，見圖3。
未經(jīng)攪拌的調(diào)理污泥比阻隨著投加量的增加先升后降。在1～2 kg PAM/tDS范圍內(nèi)，污泥比阻大于脫水臨界值(9.8×1012 m/kg)，隨后快速下降，大于2.5 kgPAM/tDS時(shí)，污泥比阻小于易脫水值3.9×1012 m/kg。數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，變化趨勢(shì)與污泥調(diào)理的實(shí)際規(guī)律并不吻合，說明污泥特性表征誤差較大。高速攪拌后，調(diào)理污泥比阻呈遞減趨勢(shì)，投加量超過1.5 kgPAM/tDS后趨于穩(wěn)定，比阻值小于易脫水值，見圖3a。
未經(jīng)攪拌的調(diào)理污泥CST值波動(dòng)明顯，測(cè)定誤差較大，而攪拌后調(diào)理污泥CST值呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，見圖3b。
攪拌預(yù)處理前后污泥脫水指標(biāo)間的相關(guān)分析詳見表4。未經(jīng)攪拌的調(diào)理污泥各項(xiàng)指標(biāo)間沒有顯著相關(guān)性。高速攪拌后，污泥SRF、CST、過濾時(shí)TTF和粒徑間的相關(guān)性顯著提高，污泥比阻、TTF與粒徑在p<0.01水平上顯著相關(guān)。此外，未經(jīng)攪拌的調(diào)理污泥SRF與粒徑正相關(guān)，這與實(shí)際情況不符;而攪拌后污泥SRF與粒徑顯著負(fù)相關(guān)，與實(shí)際情況吻合。根據(jù)上述分析可知，調(diào)理污泥的攪拌預(yù)處理能夠提高測(cè)定結(jié)果的可靠性和精確性。
CST適用于所有的污泥脫水過程，但要求泥樣與待脫水污泥的含水率完全一致，因?yàn)镃ST測(cè)定結(jié)果受污泥含水率的影響非常大。
對(duì)于離心脫水過程，近年來研究表明可壓縮性能和改進(jìn)離心指數(shù)(MCI)是更具有應(yīng)用前景的指標(biāo)。特別是MCI，能夠定量離心脫水過程中施加于污泥表面的壓力，進(jìn)而反映脫水設(shè)備對(duì)所實(shí)施的固液分離過程的影響。作為一個(gè)新型泥性表征指標(biāo)，MCI還需要進(jìn)一步評(píng)估其用于污泥脫水性能的可靠性。
5結(jié)論
(1)在確定污泥調(diào)理藥劑和投加量之前，進(jìn)行藥劑選擇和相應(yīng)的最佳投加量試驗(yàn)對(duì)提高脫水效果，降低運(yùn)行費(fèi)用無疑都是有益的，可以有效避免藥劑選擇和投加量確定的盲目性。
(2)藥劑選型和最佳投加量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)脫水機(jī)型的選擇無疑也是有益的，可以有效避免設(shè)計(jì)選型的盲目性。
(3)調(diào)理后污泥高速攪拌預(yù)處理后再進(jìn)行泥性測(cè)定更能反映實(shí)際規(guī)律，測(cè)定結(jié)果的可靠性和精確性更高，這也說明調(diào)理過程中藥劑與污泥進(jìn)行充分混合是必要的。
(4)化學(xué)調(diào)理是污泥脫水前調(diào)理的重要預(yù)處理過程，其調(diào)理有效性直接影響著污泥的脫水效率，所以應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)污泥脫水性能指標(biāo)、規(guī)范的測(cè)定方法研究。
來源:給水排水 作者:唐建國(guó)等
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