福建九龙江流域给水厂污泥脱水性能的试验研究
摘要：根据九龙江流域给水厂污泥的颗粒性质，进行絮凝、污泥比阻和过滤试验， 研究 污泥的脱水性能。试验结果表明，适当投加聚丙烯酰胺可以降低污泥比阻，改善脱水性能。其中阴离子型聚丙烯酰胺对该地区水厂污泥的调理效果较好，PAM投加范围以低于0.5‰为佳，不仅可以降低运行成本，而且在改善污泥的脱水性能及上清液水质的回用效果上，均可以达到最佳的状态。
关键词：给水厂污泥 脱水性能 比阻 聚丙烯酰胺
0 前言
给水厂污泥主要来自沉淀池排泥水和滤池反冲洗水，与污水处理厂污泥存在较大的不同。从其产生的过程可看出，给水厂污泥主要由原水中的悬浮物、胶体物质、有机物、微生物以及生产过程中加入的混凝药剂等组成。较污水污泥，其有机物和病原微生物等有害物质含量较低，但含泥量较高。不同地域，不同的原水水源，不同的生产工艺和不同的操作管理水平，其给水厂污泥的性质存在较大的差异。一般来说，南方的给水厂原水由于含藻类、腐殖质较多，因此污泥中有机物含量较北方水厂的污泥含量高，以水库水作水源的给水厂污泥中有机物含量也较河流水源的给水厂污泥高[1]。因此，为了掌握一定水域给水厂污泥的脱水性能必须进行具体的试验研究。
聚丙烯酰胺(PAM)可以作为污泥处理的调理剂，以改善污泥的脱水性能，Novak J. T. 和King P. H.早在20世纪70年代就发现PAM可以改善给水厂污泥的过滤性能[2,3]。Stefan J. L进一步研究了PAM改善污泥脱水性能的机理[4]。本文即针对福建九龙江流域给水厂污泥处理与回用的需要，选用5种不同品牌的聚丙烯酰胺(见表1)，进行污泥浓缩脱水性能的比较研究，以指导生产实践。
表1 试验用PAM产品测试数据| 编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| PAM品牌 | MLT22S | AN910PWG | A778 | SA-140 | FA920PWG |
| 类型 | + | - | - | - | O |
| 产地 | 英联胶 | 法国SNF | 大庆 | 上海创新 | 法国SNF |
| 固含量(%) | 91.3 | 87.1 | 89.2 | 88.16 | 88.76 |
| 特性粘数(dL/g) | 9.1 | 19.47 | 17.38 | 16.4 | 12.85 |
| 相对分子质量(x104) | 390.4 | 1423.6 | 1500 | 1216.5 | 855.0 |
| 单体含量(%) | 0.012 | 0.013 | 0.0036 | 0.003 | 0.009 |
| 溶解时间(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 |
试验在某水厂进行，原水来自九龙江，水质达到地面水Ⅱ类水质标准。浊度为2.6～182 NTU，平均26.6 NTU。冬春季节约有近三个月的时间，原水浊度在20 NTU以下。水厂排泥水沉降污泥中约占76%质量的颗粒粒径小厂4 μm，分布在粘粒(粒径小于5 μm)范围，污泥有机物组分达到22.6%，含有较高的腐殖质和藻类。污泥颗粒具体性质见表2和表3。
表2 给水厂排泥水污泥颗粒粒径分布| 粒径范围(μm) | 质量分数(%) |
| <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 组分 | 质量分数(%) |
| 烧灼减量 | 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 试验 方法 和步骤
在实验室内 应用 絮凝试验进行定性和定量分析，分别在投加率相同和不同的条件下，比较各种PAM的絮凝效果及上清液水质状况，目的是确定PAM对该流域污泥的适用性，为下一步研究污泥的脱水性能筛选效果最佳的PAM品牌。
PAM工作液质量分数为2‰，试验用污泥含固率为3%，体积为250 ml，评价参数为絮凝矾花质量，上清液浊度、色度和CODMn。
1.2 试验结果及分析
1.2.1 絮凝矾花质量比较
不同品牌PAM的絮凝污泥矾花质量比较见表4。
表4 不同PAM的絮凝矾花质量情况| 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+ |
试验结果表明，根据絮凝矾花效果，1#阳离子型和2#，3#阴离子型PAM投加率有一个最佳等当点。当投加率在1.067%。～1.600%。之间时，絮凝矾花效果最好。这是因为投加率太低，溶液中伸展的PAM分子链太少，形成吸附架桥的机会减少，因此絮凝矾花效果差;反之投加率太高，溶液中PAM分子浓度增加，其分子链粘连吸附的颗粒少，分子链上其余伸展部分最终还会被原先的颗粒吸附，PAM不能起架桥作用，颗粒又处于稳定状态，因此在直观上是絮凝矾花效果差，若投加量继续增加，液体中伸展的PAM分子链互相吸附，出现沉淀物卷扫现象。
1#，2#和3#絮凝剂形成的矾花颗粒粗大、结实，而5#在投加率为1.067%。～1.600%。时也未形成污泥矾花，待投加率提高到3.200%。时才呈现出细小的矾花。这说明5#非离子型PAM对该给水厂污泥的调理效果较差，而1#阳离子型和2#，3#阴离子型效果均较好。
1.2.2 上清液余浊比较
PAM投加率和上清液余浊的关系曲线见图1。
由图1可以看出，5种品牌PAM在低投加率时余浊均较低，1#～4#余浊随着投加率的增加而上升，5#余浊略有降低。且当投加率为0.533%。时，1#和2#上清液余浊较低，但随着投加率的增加，上清液余浊上升，且高于其它3种产品。
图1 不同品牌PAM投加率与上清液余浊的关系曲线
1.2.3 上清液色度比较
PAM投加率和上清液色度的关系曲线见图2。由图2可以看出，随着投加率的增加，除5#外其余4种PAM上清液色度均有不同程度的增加，但当投加率增加到一定程度(如2.133‰)，上清液色度不再有较大的变化。说明这五种PAM脱色性能差异不大。在投加率小于1.600‰时，1#，2#，3#的色度较低。对比图1和图2还可以看出，不同品牌PAM的上清液余浊与色度随投加率的增加而变化的曲线类似，说明二者具有一定的相关性。
图2 不同品牌PAM的投加率与亡清液色度的关系曲线
1.2.4 上清液CODMn比较
图3是PAM投加率和上清液CODM。的关系曲线，说明随投加率的增加，上清液CODM。的变化不大。
根据上述研究结果，可以认为：2#和3#PAM较好，1#次之，从絮凝矾花的形成情况来看，最佳投佳率为1.067‰～1.600‰;但从降低上清液余浊和色度的角度，投加率为0.533‰时较好。
2 比阻和过滤试验
2.1 比阻试验
目的是测定污泥的比阻值， 研究 污泥的脱水性能，判定各种类型PAM改善污泥脱水性能的优劣，并确定最佳的污泥调配絮凝剂及其投量。
图3 不同品牌PAM的投加率与上清液CODMn的关系曲线
2.1.1 试验 方法 和步骤
参照 文献 [5]提供的方法进行污泥比阻测定。
将待试验的污泥样品倒入已装好滤纸的布氏漏斗内，在恒定真空度P=0.03 MPa下进行抽滤，每隔15 s记录滤液体积数量直至滤饼产生裂缝，真空破坏，并测定滤液温度、泥饼干重，按照比阻公式 计算 污泥比阻。根据实际生产离心脱水机进泥含固率要求一般不低于3%，因此试验用污泥含固率为3%。
2.1.2 试验结果
根据测定的污泥比阻结果得到如图4所示的关 系曲线。可以看出，这5种PAM均在投加率较小 的情况下，即可降低污泥的比阻，对其脱水性能有较 大的改善。
图4 PAM投加率与污泥比阻的关系曲线
由图4可以看出，投加2#和4#的情况下，污泥比阻随PAM投加量的增加而逐步降低。但是投加1#，3#和5#的污泥，当投加率为0.2‰～0.5‰范围时，污泥比阻随投加率的增加而明显下降，投加率在0.5‰时污泥比阻值达到最低;再随着投加率增加，污泥比阻有上升的趋势。1#，3#和5#比阻曲线出现这种现象的原因可能有两个：一是当投加过量的PAM后，多余的PAM长链分子与污泥颗粒吸附架桥，形成结构更加紧密的絮体结构，并包卷一部分水分，使水分不易透过;另一种可能是溶解的PAM多余的分子黏附在滤纸上，阻塞滤孔，使水分难以被抽滤。
根据试验结果，可以得出如下结论，2社，3衅两种PAM降低污泥比阻的效果最好，当投加率在0.5‰～0.60‰时比阻最低。
2.2 过滤性能
2.2.1 试验方法与步骤
所采用的试验方法和仪器与污泥比阻测定的相近。试验用污泥含固率同样为3%。
污泥在固定的负压下抽滤一定时间，记录滤液随时间的变化量，根据抽滤固定时间后滤液体积以及滤后滤饼的含固率，来比较各种污泥过滤性能，进一步判定PAM改善污泥脱水性能的优劣。
2.2.2 试验结果与讨论
根据试验结果得出PAM不同投加率时污泥抽滤泥饼的含固率(见表5)，同时得到PAM不同投加率时污泥过滤曲线。图5和图6分别是投加率为0.2‰和0.4‰时的污泥过滤曲线。
表5 PAM不同投加率时污泥抽滤泥饼的含固率| 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 |
图5 PAM投加率为0.20‰时污泥过滤曲线
根据得到的污泥过滤曲线，可以得到如下结论：
污泥的过滤速度均随过滤时间的延长而逐渐降低，5种品牌的PAM，在其投加率不同时，对污泥的过滤效果的 影响 也不一样。
当投加率较低时，1#，2#和3#的过滤性能较好(相同时间内，最终过滤的水量最多)，4#和5#效果较差;随着投加率的增加，5种PAM的过滤性能均有所改善;但投加率≥0.4‰后，1#，2#和3#的过滤性能开始变差，4#和5#的过滤性能随投加率的增加而越来越好。
图6 PAM投加率为0.4‰时污泥过滤曲线
根据试验结果，1#，2#和3#的最佳投加率均为0.3%o，4#的最佳投加率为0.6‰，5#的投加率为0.5‰～0.6‰。
1#，2#和3#三种PAM在较低的投量下对污泥过滤性能的改善效果较好，在 经济 上具有优势。而5#只有当投加率相对较高(达0.6‰)时，才发挥一定的效果，说明非离子型PAM不适用于该污泥。上述结果与絮凝试验、污泥比阻试验结论基本一致。
根据表5中所列抽滤泥饼的含固率，可以看出当污泥的过滤性能较好时，滤饼的含固率也较高。
3 结论
(1)该水厂生产废水中污泥颗粒76%为粘粒，污泥中有机物组分达到22.6%。适当投加聚丙烯酰胺可以降低污泥比阻，改善脱水性能。
(2)5种PAM均有一定的除浊、脱色及去除CODM。的效果;效果较好的为1#，2#和3# PAM。
(3)当投加率为1‰～1.6‰时，2#和3#PAM絮凝矾花相对较好，1#次之;但当投加率为0.5‰时上清液余浊和色度较低。
(4)5种PAM在较低的投加率时均可较大幅度地降低污泥的比阻，改善污泥的过滤性能，相对而言2#和3#PAM效果更好，1#次之。经2#和3#调理的污泥，当投加率为0.50‰～0.60‰时，污泥的比阻最低;当投加率在0.3‰时，污泥过滤性能最好。
(5)综合絮凝试验、比阻和过滤试验结果优选的PAM及最佳投加率范围，并考虑阳离子型PAM价格较高的因素，应优先选择2#和3#阴离子型PAM，其投加率建议以低于0.50‰为佳，不仅可以降低运行成本，而且在改善污泥的脱水性能及上清液水质的回用效果上，均可以达到最佳的状态。
文中数据来自厦门市杏林水厂污泥试验。
参考 文献
1 金儒霖，刘水龄.污泥处置.第一版.北京： 中国 建筑 工业 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.水污染控制工程实验.北京：高等 教育 出版社，1989
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
