李建芳，凌雪峰，劉 鑫

（1.北京化工大學(xué)，中國(guó)石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京 100013；2.北京淼贏環(huán)境科技有限公司，北京 100028）

我國(guó)北方地區(qū)的污水處理廠，其污泥脫水性能呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性。從污泥性質(zhì)的角度而言，冬季低溫條件下由于污泥活性降低和表觀產(chǎn)率系數(shù)提高，使得污泥有機(jī)成份比例上升。如常見的A/O、A2/O 工藝[1,2]，污泥 VSS/SS 值夏季一般為 0.60 左右，冬季可高達(dá)0.75。低溫條件下，污泥具有更高的親水性，胞外分泌物含有更多的粘性物質(zhì)，污泥難于壓縮、沉降[3]。另外，冬季低溫也使得污泥的粘度提高，不利于泥水分離。有研究表明低溫（5±2）℃和常溫（20±1）℃運(yùn)行的活性污泥系統(tǒng)的污泥指數(shù)分別為 250和65 mL/g，污泥比阻分別為 2.19×1012和1.42×1012cm /g[4]。

目前污水處理廠廣泛采用絮凝劑和污泥反應(yīng)的單元投加工藝。單元投加工藝下，污泥脫水工藝冬季運(yùn)行效率低下，脫水設(shè)備的處理能力大幅度降低，泥餅含固率和固體回收率下降。如果能在絮凝劑投加之前，用高效調(diào)理劑和污泥預(yù)先進(jìn)行反應(yīng)以改善污泥性質(zhì)，從而形成“調(diào)理劑/絮凝劑”的新型雙元投加工藝，將為改善冬季污泥脫水效率低下的現(xiàn)狀提供一種解決方案[5,6]。

1 材料和方法

1.1 污泥來(lái)源和性質(zhì)

污泥樣品采自北方某污水處理廠剩余污泥儲(chǔ)池。該廠采用AO除磷工藝，日均處理水量11萬(wàn)m3，剩余污泥含固率為0.95%。剩余污泥進(jìn)入濃縮脫水一體機(jī)之前進(jìn)入污泥儲(chǔ)池，為防止磷的釋放，儲(chǔ)池內(nèi)進(jìn)行曝氣。

1.2 試驗(yàn)藥劑

絮凝劑：普立清（Praestol）655BC－S，為帶式壓濾機(jī)專用陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺干粉絮凝劑，分子量為800萬(wàn)Da左右。

調(diào)理劑：主要成分為小分子量陽(yáng)離子型聚合電解質(zhì)，分子量為1萬(wàn)Da左右，產(chǎn)品形態(tài)為水溶液，有效成分含量為40%。調(diào)理劑與污泥的作用機(jī)理在于“選擇效應(yīng)”，即優(yōu)先吸附和絮聚污泥中的絮凝劑，捕捉效率較低的細(xì)小組分如胞外多糖、蛋白膠體、細(xì)小菌膠團(tuán)[7]。通過(guò)調(diào)理劑作用之后，污泥的粒徑分布趨向均勻，絮體具有更好的強(qiáng)度，有利于脫水過(guò)程中保持良好的排水通道[7]。

其中調(diào)理劑、絮凝劑的投配率均指活性物質(zhì)的投配率而非產(chǎn)品的投配率，DS表示剩余污泥中固體的含量。

1.3 污泥動(dòng)態(tài)濾水和壓濾脫水過(guò)程模擬

污泥動(dòng)態(tài)濾水過(guò)程模擬：過(guò)濾介質(zhì)采用415 μm不銹鋼網(wǎng)。取600 mL污泥，加入到反應(yīng)罐中，加入調(diào)理劑或絮凝劑，勻速攪拌一定時(shí)間。而后過(guò)濾網(wǎng)開關(guān)閥通過(guò)程序控制自動(dòng)打開，污泥絮團(tuán)中泥水通過(guò)不銹鋼網(wǎng)進(jìn)行分離。程序?qū)V出水重量進(jìn)行在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)濾水曲線，濾水總質(zhì)量達(dá)到550 g或?yàn)V水時(shí)間達(dá)到40 s，分離過(guò)程結(jié)束。

污泥壓濾脫水過(guò)程模擬：取2.0 L攪拌均勻的污泥，依次加入一定量的污泥調(diào)理劑和絮凝劑，傾倒混合均勻，形成穩(wěn)定絮團(tuán)之后迅速倒入模擬機(jī)測(cè)試杯。開啟模擬機(jī)，記錄10 min的濾液體積及總濾液量，待壓濾結(jié)束后，測(cè)量濾液中的懸浮固體量、泥餅干度、泥餅厚度，計(jì)算固體回收率。

1.4 試驗(yàn)儀器

粘度測(cè)定：Bookfield 03粘度計(jì)；含固率測(cè)定：Satorius水分測(cè)定儀MA 45。

2 結(jié)果與討論

2.1 單元投加工藝

如圖 1，在 4～6 kg/tDS 的投配率范圍內(nèi)，泥水分離速率與絮凝劑投配率成正比，如再提高投配率至7 kg/tDS，分離速率反而略有下降，這表明單元投加工藝絮凝劑的最佳投配率為6 kg/tDS。

圖1 不同絮凝劑投配率下污泥的動(dòng)態(tài)濾水曲線Fig.1 Curve of Sludge Dynamic Filtration under Different Flocculant Dosage Ratio

2.2 雙元投加工藝

2.2.1 雙元投加工藝對(duì)動(dòng)態(tài)濾水過(guò)程的影響

設(shè)計(jì)的“調(diào)理劑/絮凝劑”雙元投加工藝中，調(diào)理劑以1.5 kg/tDS的投配率和污泥預(yù)先反應(yīng)45 min，然后加入投配率為4或6 kg/tDS的絮凝劑，對(duì)比單元投加工藝的濾水曲線，如圖2所示。由圖2可知相對(duì)于只投加4 kg/tDS絮凝劑，預(yù)先投加調(diào)理劑能顯著提高污泥絮團(tuán)的濾水速度，即使與單元投加工藝中的最佳絮凝劑投配比6 kg/tDS絮凝劑的動(dòng)態(tài)濾水曲線比較，仍然可以看出“調(diào)理劑/絮凝劑”雙元投加工藝的濾水速率更快。

圖2 雙元投加工藝的污泥動(dòng)態(tài)濾水曲線Fig.2 Curve of Sludge Dynamic Filtration under Dual Dosing Processes

“1.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”濾水曲線中初始最大濾水速率比“1.5 kg調(diào)理劑+4 kg/tDS絮凝劑”顯著降低，甚至比“6 kg/tDS絮凝劑”的單元投加方案還低。這顯示雙元投加工藝調(diào)理劑和絮凝劑投配率分配比例可以進(jìn)行優(yōu)化以得到最佳的泥水分離速率。

2.2.2 雙元投加工藝對(duì)污泥壓濾過(guò)程的影響

與“6 kg/tDS絮凝劑”相比，“1.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”雙元投加方案對(duì)污泥壓濾脫水過(guò)程有顯著的改善，固體回收率從89.2%提高到98.9%，泥餅含固率從15.6%提高到16.9%。另外試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用雙元投加工藝壓濾得到的泥餅厚度較單元投加工藝略有增加。

冬季污泥脫水，由于污泥脫水性能下降，絮團(tuán)抗壓性較差，表現(xiàn)為壓濾脫水機(jī)工作過(guò)程中常出現(xiàn)“跑泥”現(xiàn)象。污泥調(diào)理劑的使用能有效提高絮團(tuán)強(qiáng)度，減少壓濾段的“跑泥”現(xiàn)象，從而提高壓濾機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的污泥處理能力。

2.3 雙元投加工藝的優(yōu)化

2.3.1 調(diào)理劑反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化

雙元投加工藝與傳統(tǒng)單元投加工藝的差別主要在于調(diào)理劑的投加。根據(jù)污泥脫水工藝流程，調(diào)理劑的投加可以考慮兩種可能的方式。一是投加在污泥調(diào)節(jié)池（污泥儲(chǔ)池），其中有攪拌器可保證調(diào)理劑和污泥的均勻混合和反應(yīng)，工藝正常運(yùn)行時(shí)其污泥停留時(shí)間一般為1 h左右；二是直接投加在污泥螺桿泵進(jìn)口端，利用螺桿泵本身的轉(zhuǎn)子對(duì)調(diào)理劑和污泥進(jìn)行混合，該種方式污泥管路反應(yīng)時(shí)間很短，一般在30 s以內(nèi)。

分別設(shè)定調(diào)理劑反應(yīng)時(shí)間為45和0.25 min，按“1.5 kg調(diào)理劑+4 kg/tDS絮凝劑”和“1.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”兩種投加方案進(jìn)行試驗(yàn)，其濾水曲線如圖3所示。“1.5 kg調(diào)理劑+4 kg/tDS絮凝劑”和“1.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”兩種投加方案中，在45 min的反應(yīng)時(shí)間時(shí)的濾水速率均比其在0.25 min反應(yīng)時(shí)間時(shí)的濾水速率顯著提高，可見充足的反應(yīng)時(shí)間對(duì)濾水速率的重要性。反應(yīng)時(shí)間為0.25 min時(shí)，“1.5 kg調(diào)理劑+4 kg/tDS 絮凝劑”的雙元方案僅比“4 kg/tDS絮凝劑”的單元方案濾水速率略有提高，而進(jìn)一步提高絮凝劑的投配率至6 kg/tDS時(shí)，雙元方案對(duì)濾水速率甚至有不可忽視的負(fù)面影響。

調(diào)理劑反應(yīng)時(shí)間還對(duì)壓濾效果有明顯的影響。單元投加工藝下，污泥泥餅含固率約15.6%、固體回收率約89.2%。雙元投加工藝“1.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”方案下，反應(yīng)時(shí)間為45 min時(shí)泥餅含固率提高至16.9%，固體回收率提高至98.9%；而0.25 min的快速反應(yīng)則在泥餅含固率指標(biāo)上沒有改善，固體回收率略有提高為93.2%。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)濾水速率的影響Fig.3 Influence of Sludge Dynamic Filtration with Reaction time

2.3.2 調(diào)理劑/絮凝劑投配率的優(yōu)化

圖4為調(diào)理劑/絮凝劑投配率的優(yōu)化曲線。

圖4 調(diào)理劑/絮凝劑投配率的優(yōu)化Fig.4 Optimization of Conditioner/Flocculant Dosage Ratio

由2.1節(jié)得到絮凝劑的單元投加工藝最佳絮凝劑投配率為6 kg/tDS。試驗(yàn)設(shè)計(jì)雙元投加工藝中總的藥劑投配率為6 kg/tDS，分別改變調(diào)理劑和絮凝劑的投加比例，通過(guò)濾水性能優(yōu)化雙元投加工藝的投配率。

由圖4可知調(diào)理劑的投配率在0～3 kg/tDS的范圍內(nèi)，最佳的濾水曲線對(duì)應(yīng)于調(diào)理劑的投配率為1 kg/tDS。但隨著調(diào)理劑繼續(xù)提高投配率，濾水速率相應(yīng)下降。調(diào)理劑投配率大于2 kg/tDS時(shí)，濾水速率與不投加調(diào)理劑時(shí)相比已顯現(xiàn)不出優(yōu)勢(shì)。調(diào)理劑/絮凝劑的最佳投配率比例為“1 kg調(diào)理劑+5 kg/tDS絮凝劑”。

2.4 雙元投加工藝在實(shí)際污泥脫水工藝中的試驗(yàn)

2011 年冬季，在北方某污水處理廠進(jìn)行了雙元投加工藝的實(shí)際運(yùn)行考查。該廠脫水設(shè)備為3臺(tái)帶式濃縮脫水一體機(jī)，濃縮段帶速比例為50%，壓濾段帶速比例為85%，濾帶張力為3.5×105Pa。

2.4.1 單元投加工藝運(yùn)行結(jié)果

正常的運(yùn)行條件下，冬季需排放的剩余污泥（以絕干污泥計(jì)）應(yīng)為28 t/d。進(jìn)入到12月份，曝氣池水溫很快降低到13℃，污泥脫水性能惡化，帶機(jī)處理能力從45 m3/h逐步下降到28 m3/h。同期監(jiān)測(cè)了污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）值，如圖5所示。CST值與帶機(jī)處理能力有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。按進(jìn)泥含固率1%計(jì)，則脫水機(jī)房每小時(shí)最大污泥干固處理能力為20.2 t/d，僅為工藝設(shè)計(jì)要求的72%。同時(shí)，“跑泥”和“粘帶”現(xiàn)象嚴(yán)重，固體回收率低下。因此剩余污泥來(lái)不及排放，并在系統(tǒng)中累積，造成曝氣池污泥濃度居高不下，對(duì)水區(qū)指標(biāo)（如除磷效率等）容易造成不利影響。

圖5 帶機(jī)處理能力和CST隨水溫的變化Fig.5 Change of Belt Machine Operation Capacity and CST with Water Temperature

2.4.2 雙元投加工藝運(yùn)行結(jié)果

調(diào)理劑投加點(diǎn)為污泥儲(chǔ)池，投配率為1 kg/tDS，絮凝劑投配率為5 kg/tDS。三臺(tái)帶機(jī)平均最大污泥處理流量為33.6 m3/h，處理能力提高20%，如表1所示。

表1 單元投加工藝和雙元投加工藝下帶機(jī)的運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operation Parameter of Belt Machine wnder Single and Dual Dosing Processes

嘗試將加藥點(diǎn)設(shè)置于螺桿泵的吸口端，利用螺桿泵轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動(dòng)和管道內(nèi)湍動(dòng)作為泥藥混合動(dòng)力，平均反應(yīng)時(shí)間約為15 s。結(jié)果表明污泥在平板濃縮段濾水速度下降，濃縮段跑泥嚴(yán)重，無(wú)法提高帶機(jī)處理能力。足夠反應(yīng)時(shí)間的必要性在生產(chǎn)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)剩余污泥進(jìn)行機(jī)械濃縮和壓濾脫水的過(guò)程模擬，表明在投加絮凝劑前預(yù)先投加污泥調(diào)理劑的雙元投加工藝能顯著提高污泥的重力濾水速率，提高壓濾過(guò)程固體回收率及泥餅含固率。

（2）雙元投加工藝要求調(diào)理劑與污泥有足夠的接觸時(shí)間?！?.5 kg調(diào)理劑+4 kg/tDS絮凝劑”和“1.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”兩種投加方案在45 min的反應(yīng)時(shí)間時(shí)的濾水速率均比其在0.25 min對(duì)應(yīng)的濾水速率要顯著提高。“1.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”方案下，45 min的反應(yīng)時(shí)間明顯將泥餅含固率從15.7%提高至16.9%、固體回收率從89.2%提高至98.2%；而0.25 min的快速反應(yīng)則在泥餅含固率指標(biāo)上沒有改善，固體回收率略有提高，僅為93.2%。

（3）調(diào)理劑/絮凝劑的最佳投配率比例為“1 kg調(diào)理劑+5 kg/tDS絮凝劑”。調(diào)理劑投配率大于2 kg/tDS時(shí)，其濾水速率與不投加調(diào)理劑時(shí)相比顯然沒有優(yōu)勢(shì)。

（4）按最佳投配率比例的調(diào)理劑/絮凝劑雙元投加工藝應(yīng)用于中國(guó)北方某污水處理廠的污泥脫水實(shí)踐，三臺(tái)帶機(jī)平均最大污泥處理流量為33.6 m3/h，處理能力提高20%。同時(shí)，帶機(jī)平均固體回收率從84%提高至91%。

［1］高陸令.江邊污水處理廠二期擴(kuò)建及升級(jí)改造工程設(shè)計(jì)方案[J].凈水技術(shù),2012,31(2):88-93.

［2］寇青青,朱世云,覃宇,等.臭氧氧化聯(lián)合A/A/O工藝污泥減量的可行性[J].凈水技術(shù),2012,31(4):102-104,133.

［3］ Mikkelsen L H,Keiding K.Physico-chemical characteristics of full scale sewage sludges with implications to dewatering[J].Water Res.,2002,36(10):2451-2462.

［4］吳成強(qiáng),楊金翠,楊敏,等.運(yùn)行溫度對(duì)活性污泥特性的影響[J].中國(guó)給水排水,2003,19(9):5-7.

［5］李欣,蔡偉民.污泥調(diào)理劑與有機(jī)高分子絮凝劑聯(lián)合作用對(duì)污泥脫水性能影響的研究[J].凈水技術(shù),2009,28(3):40-44.

［6］ Ayol A,Dentel S K,Filibeli A.Dual Polymer Conditioning of Water Treatment Residuals[J].Journal of environmental engineering,2005,131(8):1132-1138.

［7］Wu C C,Wu J J.Effect of charge neutralization on the dewatering performance of alum sludge by polymer conditioning[J].Water Sci.Technol.,2001,44(10):315-319.