調(diào)理劑/絮凝劑雙元投加工藝對污泥脫水性能的優(yōu)化

李建芳，凌雪峰，劉 鑫

（1.北京化工大學(xué)，中國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 污泥來源和性質(zhì)

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

1.2 試驗藥劑

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

調(diào)理劑：主要成分為小分子量陽離子型聚合電解質(zhì)，分子量為1萬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，捕捉效率較低的細小組分如胞外多糖、蛋白膠體、細小菌膠團[7]。通過調(diào)理劑作用之后，污泥的粒徑分布趨向均勻，絮體具有更好的強度，有利于脫水過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 污泥動態(tài)濾水和壓濾脫水過程模擬

污泥動態(tài)濾水過程模擬：過濾介質(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，勻速攪拌一定時間。而后過濾網(wǎng)開關(guān)閥通過程序控制自動打開，污泥絮團中泥水通過不銹鋼網(wǎng)進行分離。程序?qū)V出水重量進行在線檢測，實時繪制動態(tài)濾水曲線，濾水總質(zhì)量達到550 g或濾水時間達到40 s，分離過程結(jié)束。

污泥壓濾脫水過程模擬：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)定絮團之后迅速倒入模擬機測試杯。開啟模擬機，記錄10 min的濾液體積及總濾液量，待壓濾結(jié)束后，測量濾液中的懸浮固體量、泥餅干度、泥餅厚度，計算固體回收率。

1.4 試驗儀器

粘度測定：Bookfield 03粘度計；含固率測定：Satorius水分測定儀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 雙元投加工藝對動態(tài)濾水過程的影響

設(shè)計的“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，對比單元投加工藝的濾水曲線，如圖2所示。由圖2可知相對于只投加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 雙元投加工藝對污泥壓濾過程的影響

與“6 kg/tDS絮凝劑”相比，“1.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”雙元投加方案對污泥壓濾脫水過程有顯著的改善，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%。另外試驗過程中還發(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，絮團抗壓性較差，表現(xiàn)為壓濾脫水機工作過程中常出現(xiàn)“跑泥”現(xiàn)象。污泥調(diào)理劑的使用能有效提高絮團強度，減少壓濾段的“跑泥”現(xiàn)象，從而提高壓濾機單位時間內(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)，工藝正常運行時其污泥停留時間一般為1 h左右；二是直接投加在污泥螺桿泵進口端，利用螺桿泵本身的轉(zhuǎn)子對調(diào)理劑和污泥進行混合，該種方式污泥管路反應(yīng)時間很短，一般在30 s以內(nèi)。

分別設(shè)定調(diào)理劑反應(yīng)時間為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”兩種投加方案進行試驗，其濾水曲線如圖3所示?！?.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)時間時的濾水速率均比其在0.25 min反應(yīng)時間時的濾水速率顯著提高，可見充足的反應(yīng)時間對濾水速率的重要性。反應(yīng)時間為0.25 min時，“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，而進一步提高絮凝劑的投配率至6 kg/tDS時，雙元方案對濾水速率甚至有不可忽視的負面影響。

調(diào)理劑反應(yīng)時間還對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)時間為45 min時泥餅含固率提高至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上沒有改善，固體回收率略有提高為93.2%。

圖3 反應(yīng)時間對濾水速率的影響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。試驗設(shè)計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，濾水速率與不投加調(diào)理劑時相比已顯現(xiàn)不出優(yōu)勢。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 雙元投加工藝在實際污泥脫水工藝中的試驗

2011 年冬季，在北方某污水處理廠進行了雙元投加工藝的實際運行考查。該廠脫水設(shè)備為3臺帶式濃縮脫水一體機，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 單元投加工藝運行結(jié)果

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

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

2.4.2 雙元投加工藝運行結(jié)果

調(diào)理劑投加點為污泥儲池，投配率為1 kg/tDS，絮凝劑投配率為5 kg/tDS。三臺帶機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的運行參數(shù)Tab.1 Operation Parameter of Belt Machine wnder Single and Dual Dosing Processes

嘗試將加藥點設(shè)置于螺桿泵的吸口端，利用螺桿泵轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動和管道內(nèi)湍動作為泥藥混合動力，平均反應(yīng)時間約為15 s。結(jié)果表明污泥在平板濃縮段濾水速度下降，濃縮段跑泥嚴重，無法提高帶機處理能力。足夠反應(yīng)時間的必要性在生產(chǎn)試驗中得到驗證。

3 結(jié)論

（1）通過對剩余污泥進行機械濃縮和壓濾脫水的過程模擬，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)時間時的濾水速率均比其在0.25 min對應(yīng)的濾水速率要顯著提高?！?.5 kg調(diào)理劑+6 kg/tDS絮凝劑”方案下，45 min的反應(yīng)時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，其濾水速率與不投加調(diào)理劑時相比顯然沒有優(yōu)勢。

（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)用于中國北方某污水處理廠的污泥脫水實踐，三臺帶機平均最大污泥處理流量為33.6 m3/h，處理能力提高20%。同時，帶機平均固體回收率從84%提高至91%。

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