福建九龍江流域給水廠污泥脫水性能的試驗(yàn)研究
摘要：根據(jù)九龍江流域給水廠污泥的顆粒性質(zhì)，進(jìn)行絮凝、污泥比阻和過(guò)濾試驗(yàn)， 研究 污泥的脫水性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)投加聚丙烯酰胺可以降低污泥比阻，改善脫水性能。其中陰離子型聚丙烯酰胺對(duì)該地區(qū)水廠污泥的調(diào)理效果較好，PAM投加范圍以低于0.5‰為佳，不僅可以降低運(yùn)行成本，而且在改善污泥的脫水性能及上清液水質(zhì)的回用效果上，均可以達(dá)到最佳的狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：給水廠污泥 脫水性能 比阻 聚丙烯酰胺
0 前言
給水廠污泥主要來(lái)自沉淀池排泥水和濾池反沖洗水，與污水處理廠污泥存在較大的不同。從其產(chǎn)生的過(guò)程可看出，給水廠污泥主要由原水中的懸浮物、膠體物質(zhì)、有機(jī)物、微生物以及生產(chǎn)過(guò)程中加入的混凝藥劑等組成。較污水污泥，其有機(jī)物和病原微生物等有害物質(zhì)含量較低，但含泥量較高。不同地域，不同的原水水源，不同的生產(chǎn)工藝和不同的操作管理水平，其給水廠污泥的性質(zhì)存在較大的差異。一般來(lái)說(shuō)，南方的給水廠原水由于含藻類、腐殖質(zhì)較多，因此污泥中有機(jī)物含量較北方水廠的污泥含量高，以水庫(kù)水作水源的給水廠污泥中有機(jī)物含量也較河流水源的給水廠污泥高[1]。因此，為了掌握一定水域給水廠污泥的脫水性能必須進(jìn)行具體的試驗(yàn)研究。
聚丙烯酰胺(PAM)可以作為污泥處理的調(diào)理劑，以改善污泥的脫水性能，Novak J. T. 和King P. H.早在20世紀(jì)70年代就發(fā)現(xiàn)PAM可以改善給水廠污泥的過(guò)濾性能[2,3]。Stefan J. L進(jìn)一步研究了PAM改善污泥脫水性能的機(jī)理[4]。本文即針對(duì)福建九龍江流域給水廠污泥處理與回用的需要，選用5種不同品牌的聚丙烯酰胺(見(jiàn)表1)，進(jìn)行污泥濃縮脫水性能的比較研究，以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。
表1 試驗(yàn)用PAM產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)| 編號(hào) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| PAM品牌 | MLT22S | AN910PWG | A778 | SA-140 | FA920PWG |
| 類型 | + | - | - | - | O |
| 產(chǎn)地 | 英聯(lián)膠 | 法國(guó)SNF | 大慶 | 上海創(chuàng)新 | 法國(guó)SNF |
| 固含量(%) | 91.3 | 87.1 | 89.2 | 88.16 | 88.76 |
| 特性粘數(shù)(dL/g) | 9.1 | 19.47 | 17.38 | 16.4 | 12.85 |
| 相對(duì)分子質(zhì)量(x104) | 390.4 | 1423.6 | 1500 | 1216.5 | 855.0 |
| 單體含量(%) | 0.012 | 0.013 | 0.0036 | 0.003 | 0.009 |
| 溶解時(shí)間(分) | 91 | 51 | 22 | 60 | 88 |
| 水解度(%) | - | 20.5 | 33.37 | 23.1 | 13.7 |
| 粘度(mPa.s) | 10.08 | 21.63 | - | 21.36 | 7.38 |
試驗(yàn)在某水廠進(jìn)行，原水來(lái)自九龍江，水質(zhì)達(dá)到地面水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。濁度為2.6～182 NTU，平均26.6 NTU。冬春季節(jié)約有近三個(gè)月的時(shí)間，原水濁度在20 NTU以下。水廠排泥水沉降污泥中約占76%質(zhì)量的顆粒粒徑小廠4 μm，分布在粘粒(粒徑小于5 μm)范圍，污泥有機(jī)物組分達(dá)到22.6%，含有較高的腐殖質(zhì)和藻類。污泥顆粒具體性質(zhì)見(jiàn)表2和表3。
表2 給水廠排泥水污泥顆粒粒徑分布| 粒徑范圍(μm) | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%) |
| <0.2 | 5.7 |
| <0.4 | 21.1 |
| <0.7 | 39.7 |
| <1.0 | 48.7 |
| <2.0 | 65.0 |
| <4.0 | 76.0 |
| <7.0 | 84.2 |
| <10.0 | 89.2 |
| <12.0 | 91.4 |
| <15.0 | 94.6 |
| <20.0 | 96.8 |
| <25.0 | 100.0 |
| 分析 組分 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%) |
| 燒灼減量 | 22.6 |
| SiO2 | 37.97 |
| Al2O3 | 24.47 |
| Fe2O3 | 7.54 |
| CaO | 0.89 |
| MgO | 1.38 |
| Na2O | 0.24 |
| K2O | 0.81 |
| MnO | 0.92 |
| TiO2 | 1.2 |
| SO42- | 0.16 |
1 絮凝澄清效能研究
1.1 試驗(yàn) 方法 和步驟
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 應(yīng)用 絮凝試驗(yàn)進(jìn)行定性和定量分析，分別在投加率相同和不同的條件下，比較各種PAM的絮凝效果及上清液水質(zhì)狀況，目的是確定PAM對(duì)該流域污泥的適用性，為下一步研究污泥的脫水性能篩選效果最佳的PAM品牌。
PAM工作液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2‰，試驗(yàn)用污泥含固率為3%，體積為250 ml，評(píng)價(jià)參數(shù)為絮凝礬花質(zhì)量，上清液濁度、色度和CODMn。
1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
1.2.1 絮凝礬花質(zhì)量比較
不同品牌PAM的絮凝污泥礬花質(zhì)量比較見(jiàn)表4。
表4 不同PAM的絮凝礬花質(zhì)量情況| 投加率(‰) | 1#(+) | 2#(-) | 3#(-) | 4#(-) | 5#(O) |
| 0.533 | D | D+ | D | D- | D- |
| 1.067 | B | A | A | D | D- |
| 1.600 | B | B | A | B | D- |
| 2.133 | C | D+ | C | B | D |
| 2.667 | C | D+ | C | B | D |
| 3.200 | C | D+ | D | D+ | D+ |
試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)絮凝礬花效果，1#陽(yáng)離子型和2#，3#陰離子型PAM投加率有一個(gè)最佳等當(dāng)點(diǎn)。當(dāng)投加率在1.067%。～1.600%。之間時(shí)，絮凝礬花效果最好。這是因?yàn)橥都勇侍停芤褐猩煺沟腜AM分子鏈太少，形成吸附架橋的機(jī)會(huì)減少，因此絮凝礬花效果差;反之投加率太高，溶液中PAM分子濃度增加，其分子鏈粘連吸附的顆粒少，分子鏈上其余伸展部分最終還會(huì)被原先的顆粒吸附，PAM不能起架橋作用，顆粒又處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在直觀上是絮凝礬花效果差，若投加量繼續(xù)增加，液體中伸展的PAM分子鏈互相吸附，出現(xiàn)沉淀物卷掃現(xiàn)象。
1#，2#和3#絮凝劑形成的礬花顆粒粗大、結(jié)實(shí)，而5#在投加率為1.067%。～1.600%。時(shí)也未形成污泥礬花，待投加率提高到3.200%。時(shí)才呈現(xiàn)出細(xì)小的礬花。這說(shuō)明5#非離子型PAM對(duì)該給水廠污泥的調(diào)理效果較差，而1#陽(yáng)離子型和2#，3#陰離子型效果均較好。
1.2.2 上清液余濁比較
PAM投加率和上清液余濁的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。
由圖1可以看出，5種品牌PAM在低投加率時(shí)余濁均較低，1#～4#余濁隨著投加率的增加而上升，5#余濁略有降低。且當(dāng)投加率為0.533%。時(shí)，1#和2#上清液余濁較低，但隨著投加率的增加，上清液余濁上升，且高于其它3種產(chǎn)品。
圖1 不同品牌PAM投加率與上清液余濁的關(guān)系曲線
1.2.3 上清液色度比較
PAM投加率和上清液色度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，隨著投加率的增加，除5#外其余4種PAM上清液色度均有不同程度的增加，但當(dāng)投加率增加到一定程度(如2.133‰)，上清液色度不再有較大的變化。說(shuō)明這五種PAM脫色性能差異不大。在投加率小于1.600‰時(shí)，1#，2#，3#的色度較低。對(duì)比圖1和圖2還可以看出，不同品牌PAM的上清液余濁與色度隨投加率的增加而變化的曲線類似，說(shuō)明二者具有一定的相關(guān)性。
圖2 不同品牌PAM的投加率與亡清液色度的關(guān)系曲線
1.2.4 上清液CODMn比較
圖3是PAM投加率和上清液CODM。的關(guān)系曲線，說(shuō)明隨投加率的增加，上清液CODM。的變化不大。
根據(jù)上述研究結(jié)果，可以認(rèn)為：2#和3#PAM較好，1#次之，從絮凝礬花的形成情況來(lái)看，最佳投佳率為1.067‰～1.600‰;但從降低上清液余濁和色度的角度，投加率為0.533‰時(shí)較好。
2 比阻和過(guò)濾試驗(yàn)
2.1 比阻試驗(yàn)
目的是測(cè)定污泥的比阻值， 研究 污泥的脫水性能，判定各種類型PAM改善污泥脫水性能的優(yōu)劣，并確定最佳的污泥調(diào)配絮凝劑及其投量。
圖3 不同品牌PAM的投加率與上清液CODMn的關(guān)系曲線
2.1.1 試驗(yàn) 方法 和步驟
參照 文獻(xiàn) [5]提供的方法進(jìn)行污泥比阻測(cè)定。
將待試驗(yàn)的污泥樣品倒入已裝好濾紙的布氏漏斗內(nèi)，在恒定真空度P=0.03 MPa下進(jìn)行抽濾，每隔15 s記錄濾液體積數(shù)量直至濾餅產(chǎn)生裂縫，真空破壞，并測(cè)定濾液溫度、泥餅干重，按照比阻公式 計(jì)算 污泥比阻。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)離心脫水機(jī)進(jìn)泥含固率要求一般不低于3%，因此試驗(yàn)用污泥含固率為3%。
2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)測(cè)定的污泥比阻結(jié)果得到如圖4所示的關(guān) 系曲線。可以看出，這5種PAM均在投加率較小 的情況下，即可降低污泥的比阻，對(duì)其脫水性能有較 大的改善。
圖4 PAM投加率與污泥比阻的關(guān)系曲線
由圖4可以看出，投加2#和4#的情況下，污泥比阻隨PAM投加量的增加而逐步降低。但是投加1#，3#和5#的污泥，當(dāng)投加率為0.2‰～0.5‰范圍時(shí)，污泥比阻隨投加率的增加而明顯下降，投加率在0.5‰時(shí)污泥比阻值達(dá)到最低;再隨著投加率增加，污泥比阻有上升的趨勢(shì)。1#，3#和5#比阻曲線出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能有兩個(gè)：一是當(dāng)投加過(guò)量的PAM后，多余的PAM長(zhǎng)鏈分子與污泥顆粒吸附架橋，形成結(jié)構(gòu)更加緊密的絮體結(jié)構(gòu)，并包卷一部分水分，使水分不易透過(guò);另一種可能是溶解的PAM多余的分子黏附在濾紙上，阻塞濾孔，使水分難以被抽濾。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下結(jié)論，2社，3釁兩種PAM降低污泥比阻的效果最好，當(dāng)投加率在0.5‰～0.60‰時(shí)比阻最低。
2.2 過(guò)濾性能
2.2.1 試驗(yàn)方法與步驟
所采用的試驗(yàn)方法和儀器與污泥比阻測(cè)定的相近。試驗(yàn)用污泥含固率同樣為3%。
污泥在固定的負(fù)壓下抽濾一定時(shí)間，記錄濾液隨時(shí)間的變化量，根據(jù)抽濾固定時(shí)間后濾液體積以及濾后濾餅的含固率，來(lái)比較各種污泥過(guò)濾性能，進(jìn)一步判定PAM改善污泥脫水性能的優(yōu)劣。
2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出PAM不同投加率時(shí)污泥抽濾泥餅的含固率(見(jiàn)表5)，同時(shí)得到PAM不同投加率時(shí)污泥過(guò)濾曲線。圖5和圖6分別是投加率為0.2‰和0.4‰時(shí)的污泥過(guò)濾曲線。
表5 PAM不同投加率時(shí)污泥抽濾泥餅的含固率| 投加率(‰) | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# |
| 0.2 | 28.43 | 18.17 | 24.67 | 25.57 | 25.51 |
| 0.3 | 28.54 | 27.18 | 25.62 | 24.95 | 23.23 |
| 0.4 | 25.67 | 26.24 | 24.04 | 25.42 | 25.87 |
| 0.5 | 26.60 | 21.46 | 21.45 | 25.10 | 22.56 |
| 0.6 | 24.78 | 15.00 | 5.72 | 21.90 | 24.85 |
圖5 PAM投加率為0.20‰時(shí)污泥過(guò)濾曲線
根據(jù)得到的污泥過(guò)濾曲線，可以得到如下結(jié)論：
污泥的過(guò)濾速度均隨過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，5種品牌的PAM，在其投加率不同時(shí)，對(duì)污泥的過(guò)濾效果的 影響 也不一樣。
當(dāng)投加率較低時(shí)，1#，2#和3#的過(guò)濾性能較好(相同時(shí)間內(nèi)，最終過(guò)濾的水量最多)，4#和5#效果較差;隨著投加率的增加，5種PAM的過(guò)濾性能均有所改善;但投加率≥0.4‰后，1#，2#和3#的過(guò)濾性能開(kāi)始變差，4#和5#的過(guò)濾性能隨投加率的增加而越來(lái)越好。
圖6 PAM投加率為0.4‰時(shí)污泥過(guò)濾曲線
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，1#，2#和3#的最佳投加率均為0.3%o，4#的最佳投加率為0.6‰，5#的投加率為0.5‰～0.6‰。
1#，2#和3#三種PAM在較低的投量下對(duì)污泥過(guò)濾性能的改善效果較好，在 經(jīng)濟(jì) 上具有優(yōu)勢(shì)。而5#只有當(dāng)投加率相對(duì)較高(達(dá)0.6‰)時(shí)，才發(fā)揮一定的效果，說(shuō)明非離子型PAM不適用于該污泥。上述結(jié)果與絮凝試驗(yàn)、污泥比阻試驗(yàn)結(jié)論基本一致。
根據(jù)表5中所列抽濾泥餅的含固率，可以看出當(dāng)污泥的過(guò)濾性能較好時(shí)，濾餅的含固率也較高。
3 結(jié)論
(1)該水廠生產(chǎn)廢水中污泥顆粒76%為粘粒，污泥中有機(jī)物組分達(dá)到22.6%。適當(dāng)投加聚丙烯酰胺可以降低污泥比阻，改善脫水性能。
(2)5種PAM均有一定的除濁、脫色及去除CODM。的效果;效果較好的為1#，2#和3# PAM。
(3)當(dāng)投加率為1‰～1.6‰時(shí)，2#和3#PAM絮凝礬花相對(duì)較好，1#次之;但當(dāng)投加率為0.5‰時(shí)上清液余濁和色度較低。
(4)5種PAM在較低的投加率時(shí)均可較大幅度地降低污泥的比阻，改善污泥的過(guò)濾性能，相對(duì)而言2#和3#PAM效果更好，1#次之。經(jīng)2#和3#調(diào)理的污泥，當(dāng)投加率為0.50‰～0.60‰時(shí)，污泥的比阻最低;當(dāng)投加率在0.3‰時(shí)，污泥過(guò)濾性能最好。
(5)綜合絮凝試驗(yàn)、比阻和過(guò)濾試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選的PAM及最佳投加率范圍，并考慮陽(yáng)離子型PAM價(jià)格較高的因素，應(yīng)優(yōu)先選擇2#和3#陰離子型PAM，其投加率建議以低于0.50‰為佳，不僅可以降低運(yùn)行成本，而且在改善污泥的脫水性能及上清液水質(zhì)的回用效果上，均可以達(dá)到最佳的狀態(tài)。
文中數(shù)據(jù)來(lái)自廈門市杏林水廠污泥試驗(yàn)。
參考 文獻(xiàn)
1 金儒霖，劉水齡.污泥處置.第一版.北京： 中國(guó) 建筑 工業(yè) 出版社，1982
2 Novak J T， Mark Landford. The use of polymers for improving chemical sludge dewatering on sand bed. AWWA, 1977, 69(2), 106-109
3 King P H et al. Treatment of waste sludge from water purification p1ant. Bull. 52. Virginia Water Resources Res Ctr, VPI, Blacksburg，Va. 1972
4 Stefan J L, Rudolf K, Hermann H H. Mechanisms of floc formation in sludge conditioning with polymers. Wat Sci Tech, 1994, 30(8), 129-138
5 章非娟，等.水污染控制工程實(shí)驗(yàn).北京：高等 教育 出版社，1989
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