北京市第九自來(lái)水廠污泥脫水試驗(yàn)研究
技術(shù)支持
自來(lái)水廠產(chǎn)生的廢水主要來(lái)自沉淀池或澄清池的排泥水和濾池的反沖洗水。生產(chǎn)廢水經(jīng)過(guò)濃縮池處理后產(chǎn)生的污泥，如直接進(jìn)行脫水處理，其脫水效果很差，須進(jìn)行各種調(diào)理過(guò)程。污泥調(diào)理的方法較多，大體可以分為兩大類：化學(xué)調(diào)理和物理調(diào)理。加藥調(diào)理主要有石灰處理、酸處理、堿處理、高分子絮凝劑和無(wú)機(jī)混凝劑處理等；不加藥處理包括熱處理、冷凍處理等技術(shù)，而混凝劑調(diào)理為較常用的污泥脫水前處理技術(shù)。
北京市第九自來(lái)水廠每天產(chǎn)生的含水率為98%～99%的濃縮污泥約1000t。污泥脫水采用離心方式，為了達(dá)到較好的泥水分離效果，污泥調(diào)理過(guò)程中投加了大量的PAM，但是脫水效率依然較低，泥餅含水率約為80%。由于脫濾液的水質(zhì)較差，而且受到高濃度PAM的污染，所以無(wú)法回用，只能直接排放，不僅浪費(fèi)大量的水資源，并且嚴(yán)重污染了周圍河道。因此，本研究擬采用隔膜壓濾技術(shù)，并篩選出與其相適宜的污泥調(diào)理技術(shù)： ，實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水，在污泥脫水過(guò)程中削減污泥量；第二，清液回用。隔膜壓濾機(jī)過(guò)濾壓力高，可以選用致密的濾布，通過(guò)濾布截留和濾餅層過(guò)濾，獲得清澈的濾液。因此，在保證污泥高效脫水的基礎(chǔ)上，達(dá)到回用污泥脫水清液的目的，從而實(shí)現(xiàn)水廠排泥水零排放。
1 試驗(yàn)部分
1.1 水廠污泥基本情況介紹
第九自來(lái)水廠每天產(chǎn)生的含水率為98%～99%的濃縮污泥約1000t。污泥中主要成分為氫氧化鋁、氫氧化鐵、PAM和少量有機(jī)質(zhì)。污泥密度為1g/cm3。小試污泥除PAC與石灰復(fù)配試驗(yàn)含水率為97.77%外，其他各組試驗(yàn)污泥原始含水率均為98.4%。
1.2 污泥調(diào)理藥劑
3種無(wú)機(jī)混凝劑（氯化鐵、PAC和石灰）、1種有機(jī)混凝劑（PAM）。其中，氯化鐵和PAC均為液體藥劑，其質(zhì)量濃度和氧化鋁含量分別為38%和10%。
1.3 污泥調(diào)理和脫水試驗(yàn)
1.3.1 小試
（1）污泥調(diào)理過(guò)程。
取500mL污泥置于1000mL塑料燒杯中。開(kāi)啟攪拌裝置（ZR4-6混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)），在快攪速度為200r/min的條件下加入不同比例的氯化鐵、PAC和石灰等藥劑，30s后降速至100r/min攪拌2min，然后進(jìn)行SRF測(cè)定實(shí)驗(yàn)。對(duì)于復(fù)配實(shí)驗(yàn)，按按照試驗(yàn)配比投加氯化鐵和PAC，然后加入石灰，繼續(xù)攪拌，直至大部分氫氧化鈣溶解。
（2）SRF的測(cè)定。
SRF試驗(yàn)的操作如下：取待測(cè)污泥樣品100mL于量筒中，在恒定氣壓P=0.9MPa的條件下過(guò)濾（Jk-0.3型），每隔10s記錄一次濾液體積，直到漏斗中濾餅層出現(xiàn)裂縫為止，停止抽濾，利用差量法測(cè)定濾餅含水率，然后進(jìn)行污泥比阻測(cè)定。
1.3.2 中試
（1）中試裝置。
選用小型隔膜壓濾機(jī)及其配套設(shè)備，主要有空壓機(jī)（可提供壓力為8kg）、高壓清洗機(jī)、調(diào)理罐（配有可調(diào)速攪拌機(jī)）和氣動(dòng)隔膜泵。壓濾面積約為4.5㎡，濾室總?cè)萘考s為0.12m3，濾布孔徑為5μm。濾板材質(zhì)為增強(qiáng)聚丙烯，規(guī)格為0.8m×0.8m×0.03m。
（2）污泥的調(diào)理。
每次向污泥調(diào)理罐中裝入1t濃縮污泥。然后在攪拌條件下，按照一定量加入氯化鐵、PAC、石灰或者復(fù)配藥劑，持續(xù)攪拌5min開(kāi)始進(jìn)料。
（3）壓濾操作過(guò)程。
開(kāi)啟液壓裝置，將濾板壓緊，壓力為22～27kg保壓。整個(gè)壓濾過(guò)程包括注滿、低壓（0～8kg）壓濾和高壓（15～16kg）壓榨三步，每次進(jìn)料量為0.5～0.6t。其中注滿時(shí)間約為5min，低壓壓濾持續(xù)80min，高壓壓榨維持20min。退去液壓，打開(kāi)濾板。
2 結(jié)果和討論
2.1 小試結(jié)果
2.1.1 單一藥劑投加對(duì)Zeta電位的影響
原始Zeta電位為-22.27mV。隨著氯化鐵投加量的增加，Zeta電位逐漸上升。當(dāng)氯化鐵和PAC投加量分別為0.24,0.15g/L時(shí)，Zeta電位出現(xiàn)0點(diǎn)。可以看出，PAC的電中和能力略高于氯化鐵。
2.1.2 單一藥劑投加對(duì)Zeta電位和污泥比阻的影響
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室小試結(jié)果顯示，PAM投加后形成絮體較大，但是由于其絮體強(qiáng)度不高，而且黏性較強(qiáng)，在高壓條件下容易變形堵塞濾孔，從而并沒(méi)有有效改善污泥的高壓壓濾脫水性能。這說(shuō)明單獨(dú)使用PAM作為隔膜壓榨的調(diào)理藥劑是不可行的。
隨著氯化鐵投加量的增加，SRF先降低后升高，在0.39g/L時(shí)，SRF出現(xiàn)極小值為9.3×1011m/kg，而此時(shí)污泥的Zeta電位為22.83mV。污泥脫水性的改善：一方面依靠無(wú)機(jī)混凝劑的電中和作用實(shí)現(xiàn)絮凝；另一方面污泥中存在混凝處理過(guò)程中投加的PAM和本身含有的黏性膠體顆粒物，使得污泥的黏性較高，投加無(wú)機(jī)混凝劑不但可以依靠形成的水解產(chǎn)物與PAM和黏性膠體物質(zhì)結(jié)合降低污泥的黏度，還可以提高污泥的絮體強(qiáng)度，減小其不可壓縮性來(lái)提高污泥脫水性。和氯化鐵的結(jié)果一致，隨著PAC的投加量逐漸增加，SRF先減小后增加，在0.32g/L時(shí)，SRF出現(xiàn)極小值為7.3×1011m/kg，該值小于投加氯化鐵的極小值。這可能是由于與PAC相比，氯化鐵具有更強(qiáng)的電中和能力，絮凝效果更好，所以效果優(yōu)于氯化鐵。然而，當(dāng)兩種混凝投加量繼續(xù)增加后，污泥脫水性能惡化，這因?yàn)檫^(guò)剩電荷導(dǎo)致污泥絮凝效果變差，小顆粒物質(zhì)增加。
污泥比阻的下降與石灰的投加量的增加呈線性關(guān)系，說(shuō)明氫氧化鈣的投加明顯改善了污泥的過(guò)濾性能，加快了污泥過(guò)濾速率。這主要是由于石灰投加后可以起到一定絮凝架橋作用，另一方面可以支撐污泥絮體，從而形成多孔結(jié)構(gòu)，減小濾餅層對(duì)水流的阻力，使得污泥排水能力提升。
2.1.3 復(fù)配投加對(duì)污泥脫水性的影響
從氯化鐵和PAC與石灰復(fù)配的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在單獨(dú)使用氯化鐵之后污泥比阻降低時(shí)，繼續(xù)投加石灰可以進(jìn)一步降低污泥比阻，而且從感官來(lái)看，污泥的黏性明顯降低，泥餅和濾布的剝離效果較好。這可能是由于污泥首先通過(guò)氯化鐵的電中和作用實(shí)現(xiàn)凝聚，同時(shí)水解產(chǎn)生的沉淀使得污泥的黏性降低，再加入石灰可以起到骨架支撐作用，進(jìn)一步減小污泥的不可壓縮性，使得污泥的脫水性進(jìn)一步得到改善。同時(shí)投加0.32g/L的PAC和0.64g/L石灰可明顯提高污泥的過(guò)濾性能，其效果優(yōu)于先投加0.39g/L氯化鐵之后再加入等量石灰的效果。因?yàn)镻AC改善污泥脫水性是不僅通過(guò)電中和絮凝作用，而且還通過(guò)吸附架橋來(lái)增強(qiáng)污泥絮體強(qiáng)度，并減小污泥黏性。
2.1.4 小試總結(jié)
按照污泥比阻SRF的大小將污泥分為三類：9.9×1011m/kg以上屬于難脫水污泥，3.9×1011～9.9×1011m/kg屬于中等可脫水污泥，3.9×1011m/kg以下屬于易脫水污泥。原始污泥的SRF為2.8×1012m/kg，屬難脫水污泥。單獨(dú)投加氯化鐵和PAC改善污泥的脫水性有限，在較優(yōu)投加量條件下，只可將污泥轉(zhuǎn)化為中等可脫水污泥，通過(guò)與石灰的復(fù)配投加后可將污泥轉(zhuǎn)化為易脫水污泥。
2.2 中試試驗(yàn)結(jié)果
2.2.1 污泥脫水效果
單獨(dú)投加氯化鐵、PAC和石灰均可以實(shí)現(xiàn)有效脫水（污泥不會(huì)堵塞濾布）。單獨(dú)投加氯化鐵和PAC后污泥含水率較高，接近70%，二者分別與石灰復(fù)配后可有效降低污泥含水率，采用0.39g/L氯化鐵和0.32g/L PAC分別與0.64g/L石灰復(fù)配調(diào)理后，污泥含水率可降至60%左右。
2.2.2 水質(zhì)情況
對(duì)于所有中試試驗(yàn)，除起始5min內(nèi)，污泥清液濁度達(dá)7NTU以外，5min后壓濾全程清液濁度均＜0.2NTU。從濁度來(lái)看，板框壓濾出水完全可以達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)壓濾過(guò)程可分為三個(gè)階段：充滿階段、濾餅層形成階段和壓緊階段。板框壓濾的充滿階段是依靠濾布來(lái)截留污泥固體，必然會(huì)導(dǎo)致一些固體顆粒無(wú)法截留，使得出水濁度偏高。5min后，污泥充滿濾室，會(huì)在濾布表面形成濾餅層，此時(shí)過(guò)濾方式發(fā)生轉(zhuǎn)化，由原來(lái)的依靠濾布截留轉(zhuǎn)化為憑借濾餅層過(guò)濾，從而濁度下降。
3 經(jīng)濟(jì)分析
采用離心機(jī)脫水后污泥含水率為80%，九廠每天產(chǎn)生含水80%的離心脫水污泥約90t，則年產(chǎn)生量為16425t。如采用板框壓濾機(jī)脫水后污泥含水率降至60%，意味著污泥量削減50%左右。若填埋處置的成本為300元（包含運(yùn)費(fèi)），一年節(jié)省污泥處置成本為900多萬(wàn)。同時(shí)，隔膜壓濾清液可以實(shí)現(xiàn)回用，從而可節(jié)約大量水資源。
4 結(jié)論
本文結(jié)合使用高壓脫水技術(shù)及其適宜的污泥前調(diào)理過(guò)程對(duì)實(shí)現(xiàn)自來(lái)水廠污泥減量化和清液回用的可行性和效率進(jìn)行研究，結(jié)論如下：
（1）氯化鐵、PAC、石灰及其復(fù)配調(diào)理均可降低SRF。單獨(dú)投加氯化鐵和PAC調(diào)理的效果有限，只能將難脫水的原始污泥轉(zhuǎn)變?yōu)橹械瓤擅撍勰啵鴨为?dú)使用石灰會(huì)導(dǎo)致脫水后絕干污泥量過(guò)大，故PAC和氯化鐵與石灰復(fù)配投加可更加高效地降低污泥比阻。
（2）中試結(jié)果顯示原始污泥脫水性較差，直接壓濾會(huì)堵塞濾布。氯化鐵、PAC、石灰及其復(fù)配進(jìn)行調(diào)理，均可實(shí)現(xiàn)污泥的有效脫水。但單獨(dú)投加氯化鐵或PAC后，脫水后的污泥含水率偏高，二者與石灰復(fù)配投加調(diào)理可進(jìn)一步降低污泥含水率。
（3）在所有中試試驗(yàn)組中，除起始5min內(nèi)，污泥清液濁度達(dá)到7NTU以外，5min后壓濾全程清液濁度均＜0.2NTU。因此，隔膜清液可回用至飲用水處理過(guò)程中。
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