福建九龍江流域給水廠污泥脫水性能的試驗研究
摘要：根據九龍江流域給水廠污泥的顆粒性質，進行絮凝、污泥比阻和過濾試驗， 研究 污泥的脫水性能。試驗結果表明，適當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該地區水廠污泥的調理效果較好，PAM投加范圍以低于0.5‰為佳，不僅可以降低運行成本，而且在改善污泥的脫水性能及上清液水質的回用效果上，均可以達到最佳的狀態。
關鍵詞：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。從其產生的過程可看出，給水廠污泥主要由原水中的懸浮物、膠體物質、有機物、微生物以及生產過程中加入的混凝藥劑等組成。較污水污泥，其有機物和病原微生物等有害物質含量較低，但含泥量較高。不同地域，不同的原水水源，不同的生產工藝和不同的操作管理水平，其給水廠污泥的性質存在較大的差異。一般來說，南方的給水廠原水由于含藻類、腐殖質較多，因此污泥中有機物含量較北方水廠的污泥含量高，以水庫水作水源的給水廠污泥中有機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行具體的試驗研究。
聚丙烯酰胺(PAM)可以作為污泥處理的調理劑，以改善污泥的脫水性能，Novak J. T. 和King P. H.早在20世紀70年代就發現PAM可以改善給水廠污泥的過濾性能[2,3]。Stefan J. L進一步研究了PAM改善污泥脫水性能的機理[4]。本文即針對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(見表1)，進行污泥濃縮脫水性能的比較研究，以指導生產實踐。
表1 試驗用PAM產品測試數據| 編號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| PAM品牌 | MLT22S | AN910PWG | A778 | SA-140 | FA920PWG |
| 類型 | + | - | - | - | O |
| 產地 | 英聯膠 | 法國SNF | 大慶 | 上海創新 | 法國SNF |
| 固含量(%) | 91.3 | 87.1 | 89.2 | 88.16 | 88.76 |
| 特性粘數(dL/g) | 9.1 | 19.47 | 17.38 | 16.4 | 12.85 |
| 相對分子質量(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 |
試驗在某水廠進行，原水來自九龍江，水質達到地面水Ⅱ類水質標準。濁度為2.6～182 NTU，平均26.6 NTU。冬春季節約有近三個月的時間，原水濁度在20 NTU以下。水廠排泥水沉降污泥中約占76%質量的顆粒粒徑小廠4 μm，分布在粘粒(粒徑小于5 μm)范圍，污泥有機物組分達到22.6%，含有較高的腐殖質和藻類。污泥顆粒具體性質見表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) | 質量分數(%) |
| <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 | 質量分數(%) |
| 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 方法 和步驟
在實驗室內 應用 絮凝試驗進行定性和定量分析，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狀況，目的是確定PAM對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工作液質量分數為2‰，試驗用污泥含固率為3%，體積為250 ml，評價參數為絮凝礬花質量，上清液濁度、色度和CODMn。
1.2 試驗結果及分析
1.2.1 絮凝礬花質量比較
不同品牌PAM的絮凝污泥礬花質量比較見表4。
表4 不同PAM的絮凝礬花質量情況| 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+ |
試驗結果表明，根據絮凝礬花效果，1#陽離子型和2#，3#陰離子型PAM投加率有一個最佳等當點。當投加率在1.067%。～1.600%。之間時，絮凝礬花效果最好。這是因為投加率太低，溶液中伸展的PAM分子鏈太少，形成吸附架橋的機會減少，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被原先的顆粒吸附，PAM不能起架橋作用，顆粒又處于穩定狀態，因此在直觀上是絮凝礬花效果差，若投加量繼續增加，液體中伸展的PAM分子鏈互相吸附，出現沉淀物卷掃現象。
1#，2#和3#絮凝劑形成的礬花顆粒粗大、結實，而5#在投加率為1.067%。～1.600%。時也未形成污泥礬花，待投加率提高到3.200%。時才呈現出細小的礬花。這說明5#非離子型PAM對該給水廠污泥的調理效果較差，而1#陽離子型和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系曲線見圖1。
由圖1可以看出，5種品牌PAM在低投加率時余濁均較低，1#～4#余濁隨著投加率的增加而上升，5#余濁略有降低。且當投加率為0.533%。時，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種產品。
圖1 不同品牌PAM投加率與上清液余濁的關系曲線
1.2.3 上清液色度比較
PAM投加率和上清液色度的關系曲線見圖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。說明這五種PAM脫色性能差異不大。在投加率小于1.600‰時，1#，2#，3#的色度較低。對比圖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，說明二者具有一定的相關性。
圖2 不同品牌PAM的投加率與亡清液色度的關系曲線
1.2.4 上清液CODMn比較
圖3是PAM投加率和上清液CODM。的關系曲線，說明隨投加率的增加，上清液CODM。的變化不大。
根據上述研究結果，可以認為：2#和3#PAM較好，1#次之，從絮凝礬花的形成情況來看，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‰時較好。
2 比阻和過濾試驗
2.1 比阻試驗
目的是測定污泥的比阻值， 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劣，并確定最佳的污泥調配絮凝劑及其投量。
圖3 不同品牌PAM的投加率與上清液CODMn的關系曲線
2.1.1 試驗 方法 和步驟
參照 文獻 [5]提供的方法進行污泥比阻測定。
將待試驗的污泥樣品倒入已裝好濾紙的布氏漏斗內，在恒定真空度P=0.03 MPa下進行抽濾，每隔15 s記錄濾液體積數量直至濾餅產生裂縫，真空破壞，并測定濾液溫度、泥餅干重，按照比阻公式 計算 污泥比阻。根據實際生產離心脫水機進泥含固率要求一般不低于3%，因此試驗用污泥含固率為3%。
2.1.2 試驗結果
根據測定的污泥比阻結果得到如圖4所示的關 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，對其脫水性能有較 大的改善。
圖4 PAM投加率與污泥比阻的關系曲線
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，當投加率為0.2‰～0.5‰范圍時，污泥比阻隨投加率的增加而明顯下降，投加率在0.5‰時污泥比阻值達到最低;再隨著投加率增加，污泥比阻有上升的趨勢。1#，3#和5#比阻曲線出現這種現象的原因可能有兩個：一是當投加過量的PAM后，多余的PAM長鏈分子與污泥顆粒吸附架橋，形成結構更加緊密的絮體結構，并包卷一部分水分，使水分不易透過;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。
根據試驗結果，可以得出如下結論，2社，3釁兩種PAM降低污泥比阻的效果最好，當投加率在0.5‰～0.60‰時比阻最低。
2.2 過濾性能
2.2.1 試驗方法與步驟
所采用的試驗方法和儀器與污泥比阻測定的相近。試驗用污泥含固率同樣為3%。
污泥在固定的負壓下抽濾一定時間，記錄濾液隨時間的變化量，根據抽濾固定時間后濾液體積以及濾后濾餅的含固率，來比較各種污泥過濾性能，進一步判定PAM改善污泥脫水性能的優劣。
2.2.2 試驗結果與討論
根據試驗結果得出PAM不同投加率時污泥抽濾泥餅的含固率(見表5)，同時得到PAM不同投加率時污泥過濾曲線。圖5和圖6分別是投加率為0.2‰和0.4‰時的污泥過濾曲線。
表5 PAM不同投加率時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‰時污泥過濾曲線
根據得到的污泥過濾曲線，可以得到如下結論：
污泥的過濾速度均隨過濾時間的延長而逐漸降低，5種品牌的PAM，在其投加率不同時，對污泥的過濾效果的 影響 也不一樣。
當投加率較低時，1#，2#和3#的過濾性能較好(相同時間內，最終過濾的水量最多)，4#和5#效果較差;隨著投加率的增加，5種PAM的過濾性能均有所改善;但投加率≥0.4‰后，1#，2#和3#的過濾性能開始變差，4#和5#的過濾性能隨投加率的增加而越來越好。
圖6 PAM投加率為0.4‰時污泥過濾曲線
根據試驗結果，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在較低的投量下對污泥過濾性能的改善效果較好，在 經濟 上具有優勢。而5#只有當投加率相對較高(達0.6‰)時，才發揮一定的效果，說明非離子型PAM不適用于該污泥。上述結果與絮凝試驗、污泥比阻試驗結論基本一致。
根據表5中所列抽濾泥餅的含固率，可以看出當污泥的過濾性能較好時，濾餅的含固率也較高。
3 結論
(1)該水廠生產廢水中污泥顆粒76%為粘粒，污泥中有機物組分達到22.6%。適當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)當投加率為1‰～1.6‰時，2#和3#PAM絮凝礬花相對較好，1#次之;但當投加率為0.5‰時上清液余濁和色度較低。
(4)5種PAM在較低的投加率時均可較大幅度地降低污泥的比阻，改善污泥的過濾性能，相對而言2#和3#PAM效果更好，1#次之。經2#和3#調理的污泥，當投加率為0.50‰～0.60‰時，污泥的比阻最低;當投加率在0.3‰時，污泥過濾性能最好。
(5)綜合絮凝試驗、比阻和過濾試驗結果優選的PAM及最佳投加率范圍，并考慮陽離子型PAM價格較高的因素，應優先選擇2#和3#陰離子型PAM，其投加率建議以低于0.50‰為佳，不僅可以降低運行成本，而且在改善污泥的脫水性能及上清液水質的回用效果上，均可以達到最佳的狀態。
文中數據來自廈門市杏林水廠污泥試驗。
參考 文獻
1 金儒霖，劉水齡.污泥處置.第一版.北京： 中國 建筑 工業 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.水污染控制工程實驗.北京：高等 教育 出版社，1989
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