(唐建國、吳煒、周振、張顯忠、吳志超)

摘要

污泥機械脫水是污泥實現減量的重要環節，其關鍵在于污泥調理方式的選擇和脫水機選型。當前常用的化學調理和污泥機械脫水機型的選擇存在四方面的問題：

 

一是化學調理藥劑類型的選用；

二是投加藥劑投加量；

三是脫水機機型選擇；

四是衡量污泥脫水性能主要指標比阻（SRF）和毛細吸水時間（CST）的測定尚缺少標準與規范的約束。

 

通過一系列對比試驗解決上述問題，為設計和實際運行提供有效支撐。

 

1存在問題

 

污泥脫水實現體積減量是污泥處理處置的關鍵。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的結合力，如果沒有預先的處理，即通過化學、物理或者熱工方法進行預處理，則絕大多數的污泥的脫水是非常困難的，污泥脫水前預處理就是污泥調理。化學調理因其工藝簡單、適用廣泛，成為最普遍的調理工藝。

 

實現污泥有效脫水的關鍵在于污泥調理方法、藥劑選擇、藥劑用量和相適應的脫水機類型選擇。對于包括調理在內的整個污泥脫水過程來說，污泥性質、污泥調理、機械脫水方式是相互影響、相互關聯的；而化學調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（機械脫水設備的出水）的品質，從而影響脫水污泥的后續處理、處置及污泥水的處理。國內已有實際案例證明，由于在調理時投加了較多的化學藥劑，導致污泥水的堿度大幅度降低，給處理帶來困難。所以選擇調理方法、調理藥劑、投加量和脫水機時，不但要充分考慮污泥的性質，還要充分考慮脫水后污泥的后續處理、處置及污泥水的處理及整個系統（過程）的投資和成本費用。

 

但是，目前對化學調理和污泥機械脫水機型的選擇是盲目進行的，主要體現在：

 

一是化學調理藥劑類型的選用沒有與泥性是否得到有效改善結合起來，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合起來，藥劑投加量確定是盲目的；

三是脫水機選擇沒有與污泥泥性特別是化學調理后的泥性變化情況結合起來，脫水機機型選擇是盲目的。

 

衡量污泥脫水性能的指標主要有比阻（SRF）和毛細吸水時間（CST）。污泥經調理后泥性會發生很大變化，SRF和CST也會發生變化。另外，目前尚缺乏標準化操作流程，所有的相關脫水性能指標的測定尚缺少標準與規范的約束。

 

針對上述問題，筆者結合多座污水處理廠改造和新建工程設計的需要，開展了污泥脫水性能的系統研究。

 

2定義與測定方法

 

2.1 SRF

 

SRF是指單位質量的污泥在一定壓力下過濾時，在單位過濾面積上產生的阻力，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，對帶式脫水機和板框壓濾機這類以過濾為主要脫水方式的脫水機有比較好的指示作用。但是，比阻的測定工作量大，操作復雜，人為影響因素大，重復性差等。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，污泥過濾時間（TTF）也能較好地表征污泥脫水性，它是指濾液體積達到污泥體積一半時所需的過濾時間，可以從SRF的操作過程中獲得，與SRF有一定的相關性。

 

2.2 CST

 

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間。毛細吸水時間越長，脫水性能越差，它是表征離心脫水效果的指標。一般毛細吸水時間小于20 s，則脫水性能較好。

 

多數污泥比阻和毛細吸水時間也有較好的相關性，反映的脫水性能變化規律往往能達到一致。

 

3材料與方法

3.1試驗污泥來源與性質

 

試驗污泥來自上海4座污水處理主體工藝各異的城鎮污水處理廠，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污泥脫水性能測定試驗

 

由于化學調理后污泥形成絮團，泥水分層明顯，呈非均質化狀態，給比阻和毛細水時間測定帶來很大的影響。因此，本文提出調理后污泥高速攪拌再進行測定的方法，并進行了攪拌與不攪拌兩種情況下比阻、過濾時間、毛細吸水時間和粒徑指標間的相關分析，以確定該方法的有效性和可靠性。試驗證明，加藥調理污泥進行攪拌預處理后的數據可靠性更高，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后采用六聯攪拌機攪拌。調理條件為在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在500 r/min下攪拌2 min，隨后測定相應的污泥比阻、毛細吸水時間和粒徑。

 

3.3分析方法

 

MLSS和含水率的測定采用國家標準方法。

 

pH采用HQ30d多參數測定儀(Hach，美國)測定。污泥比阻測定采用章非娟和徐竟成報道的方法。TTF可在比阻測定過程獲得。CST采用304M測試儀（Triton，美國）測定。粒徑采用SALD-2201激光衍射式粒度分布測量儀（Shimadzu，日本）。污泥粘度采用DV-I型旋轉粘度計（Brookfield，美國）測定。總有機碳（TOC）采用Multi N/C3100（Analytikjena，德國）測定。

4結果分析與討論

 

4.1調理藥劑類型影響分析

 

試驗選取了7種不同結構、相對分子質量和陽離子度的聚丙烯酰胺PAM藥劑（表2中a~g），研究對污泥脫水性能的影響。在藥劑參數對比的基礎上，又對各廠目前使用的藥劑strong、strong、h3和h4進行了對比。

 

調理后污泥脫水性能指標變化見圖1。

 

A污水處理廠各種藥劑調理后污泥脫水性能指標變化詳見圖1a。采用大相對分子質量支鏈藥劑a、c和線性藥劑d調理后污泥，其比阻明顯小于小分子質量支鏈藥劑b，也較中等相對分子質量線性藥劑e、f、g小；但是采用小相對分子質量支鏈藥劑b調理后污泥，其毛細吸水時間最小，支鏈藥劑a、b、c對毛細吸水時間的改善均優于線性藥劑d、e、f、g；各類藥劑調理后污泥的粒徑明顯增大，其中以線性大相對分子質量的藥劑d最為明顯；陽離子度對污泥脫水性能指標影響不明顯，但是線性低陽離子度的藥劑e，對脫水性能改善效果最差。該廠目前采用的是中相對分子質量支鏈藥劑strong，在相同投加量下，其調理污泥比阻為對比藥劑中最低，毛細吸水時間高于其他對比支鏈藥劑，粒徑為次優。該廠目前采用離心脫水機，以毛細吸水時間衡量，建議可采用藥劑b。

 

B污水處理廠各種藥劑調理后污泥脫水性能指標變化詳見圖1b。采用小相對分子質量支鏈藥劑b調理后污泥，其比阻明顯小于大相對分子質量支鏈藥劑a、c和線性藥劑d、e、f、g；支鏈藥劑對毛細吸水時間的改善效果明顯好于線性藥劑；高陽離子度支鏈藥劑c對比阻改善效果較差；大相對分子質量線性低陽離子度藥劑d對比阻和毛細吸水時間的改善效果優于其他線性藥劑；中陽離子度線性藥劑e對比阻和毛細吸水時間的改善效果均最差；除藥劑e外，經調理后，污泥粒徑均得到明顯增加。目前該廠采用中相對分子質量支鏈高陽離子度藥劑strong，在相同投加量下，相比其比阻、毛細吸水的改善效果最好，且調理后粒徑增加也較高，該廠采用離心脫水機，以毛細吸水時間衡量，選用藥劑strong是合適的。

 

C污水處理廠各種藥劑調理后污泥脫水性能指標變化詳見圖1c。采用小相對分子質量支鏈藥劑b調理后污泥，其比阻明顯小于大相對分子質量支鏈藥劑a、c；除線性藥劑f外，其余線性藥劑對比阻改善效果均較好；相比較，大相對分子質量支鏈藥劑c與中相對分子質量線性藥劑g對毛細吸水時間改善效果最好，且該藥劑調理后的污泥粒徑也得到明顯增加；該廠在用藥劑h3為大相對分子質量支鏈中陽離子度，調理后污泥比阻較低，但毛細吸水時間在對比藥劑中最高，污泥粒徑最小；該廠采用帶式脫水機，以比阻衡量，宜采用相對分子質量中陽離子度藥劑，建議采用藥劑b。

 

D污水處理廠各種藥劑調理后污泥脫水性能指標變化詳見圖1 d。3種支鏈藥劑對比阻的改善效果接近，相對藥劑b稍好；大相對分子質量低陽離子度線性藥劑d對比阻的改善效果大相對分子質量高陽離子度支鏈藥劑c對毛細吸水時間改善效果優于其他支鏈藥劑；中相對分子質量高陽離子度線性藥劑f對毛細吸水時間改善好于其他線性藥劑；該廠目前采用小相對分子質量高陽離子度支鏈藥劑h4，在相同投加量下，其比阻和毛細吸水時間均優于其他藥劑，且污泥粒徑最高；該廠采用帶式脫水機，以比阻衡量，故該廠現采用的藥劑h4是合適的。

 

上述試驗可見，現有污泥脫水和投運前的污泥脫水設施，有針對性地開展調理藥劑選擇試驗，對選擇適合污泥性質和脫水機的調理藥劑具有重要意義。

 

4.2調理藥劑投加量的影響分析

 

在藥劑選擇試驗的基礎上，可進行選用藥劑的最佳投加量試驗。本文現對4座廠在用藥劑的最佳投加量試驗結果分析如下，詳見圖2。

 

A污水處理廠采用藥劑strong，調理后污泥比阻、毛細吸水時間及粒徑變化詳見圖2a。比阻和毛細吸水時間隨著PAM投加量的增加，呈現總體下降的趨勢，在0～2 kgPAM/tDS范圍內下降迅速，后趨于穩定。在投加量分別為4～5 kgPAM/tDS時，污泥比阻和毛細吸水時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，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理后，其比阻、毛細吸水時間及粒徑對應在某投加量時達到最佳，與最佳值相對應的投加量情況見表3。

 

高PAM投加量下CST和粒徑值趨于穩定，而污泥比阻卻有所回升。這是由于部分PAM殘留于調理污泥上清液中，在過濾時富集于濾紙表面造成過濾阻力增加，但是實際脫水機所用濾網孔徑要大于實驗室所用濾紙，因此在高投加量下比阻測定是有誤差的。

 

4.3泥性對脫水機選擇的影響分析

 

除了污泥調理方法外，污泥脫水的關鍵還在于脫水機類型的選擇。而脫水機選型同樣與泥性以及調理后泥性改善情況密切相關。從帶式脫水機、板框壓濾機和離心機的工作原理看，污泥比阻和毛細吸水時間分別是衡量其選型的指標。

 

污泥比阻表征了污泥中水分在真空或者壓力狀態下通過多孔介質的阻力。比阻測定過程包括過濾和壓濾兩個階段，與真空過濾脫水過程基本相近，因此比阻能非常準確地反映污泥的真空過濾脫水性能，也能比較準確地反映出污泥的壓濾脫水性能（如帶式脫水機和板框脫水機）。若調理后污泥比阻較毛細吸水時間有較好的改善，且小于9.8×1012 m/kg時，則應選用帶式脫水機或板框壓濾式脫水機。C和D污水處理廠經調理后，其比阻接近1012 m/kg，所以采用帶式脫水機是合適的。

 

污泥與濾紙接觸時，在毛細管的作用下，水分在濾紙上滲透1 cm長度所需的時間稱為毛細吸水時間。因此，CST可視為脫水時間，并以秒計［11］。相較于SRF，CST可以較好地反映污泥離心脫水的性能。若調理后的污泥CST較SRF有較好的改善，且低于20 s時，則應選用離心脫水機。A廠和B廠經調理后，其毛細吸水時間均低于10 s，兩廠采用離心機是合適的。

 

4.4泥性測定分析存在問題探討

 

污泥經PAM調理后會形成較大的不規整絮體，泥水分層速度快，難以均勻混合。這造成調理污泥在泥性測定時誤差很大。針對該問題，本文提出了調理污泥高速攪拌后再泥性表征的方法。污泥調理后在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。加藥攪拌對污泥脫水性能的影響情況，見圖3。

 

未經攪拌的調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，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，污泥比阻小于易脫水值3.9×1012 m/kg。數據波動很大，變化趨勢與污泥調理的實際規律并不吻合，說明污泥特性表征誤差較大。高速攪拌后，調理污泥比阻呈遞減趨勢，投加量超過1.5 kgPAM/tDS后趨于穩定，比阻值小于易脫水值，見圖3a。

 

未經攪拌的調理污泥CST值波動明顯，測定誤差較大，而攪拌后調理污泥CST值呈現遞減趨勢，數據波動較小，見圖3b。

 

攪拌預處理前后污泥脫水指標間的相關分析詳見表4。未經攪拌的調理污泥各項指標間沒有顯著相關性。高速攪拌后，污泥SRF、CST、過濾時TTF和粒徑間的相關性顯著提高，污泥比阻、TTF與粒徑在p<0.01水平上顯著相關。此外，未經攪拌的調理污泥SRF與粒徑正相關，這與實際情況不符；而攪拌后污泥SRF與粒徑顯著負相關，與實際情況吻合。根據上述分析可知，調理污泥的攪拌預處理能夠提高測定結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，因為CST測定結果受污泥含水率的影響非常大。

 

對于離心脫水過程，近年來研究表明可壓縮性能和改進離心指數（MCI）是更具有應用前景的指標。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，進而反映脫水設備對所實施的固液分離過程的影響。作為一個新型泥性表征指標，MCI還需要進一步評估其用于污泥脫水性能的可靠性。

 

5結論

 

（1）在確定污泥調理藥劑和投加量之前，進行藥劑選擇和相應的最佳投加量試驗對提高脫水效果，降低運行費用無疑都是有益的，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結果對脫水機型的選擇無疑也是有益的，可以有效避免設計選型的盲目性。

（3）調理后污泥高速攪拌預處理后再進行泥性測定更能反映實際規律，測定結果的可靠性和精確性更高，這也說明調理過程中藥劑與污泥進行充分混合是必要的。

（4）化學調理是污泥脫水前調理的重要預處理過程，其調理有效性直接影響著污泥的脫水效率，所以應加強相關污泥脫水性能指標、規范的測定方法研究。