超聲波聯(lián)合PAM對(duì)污泥脫水性能的影響

胡東東， 俞志敏， 易允燕

(1.合肥學(xué)院生物與環(huán)境系;2.合肥環(huán)境工程研究院， 合肥 230022)

污泥處置是城市污水處理工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，污泥的數(shù)量日益增加?；钚晕勰嘀饕再|(zhì)是污泥顆粒小、有機(jī)質(zhì)含量高、含水率高等［1］，而污泥處理與處置難點(diǎn)就在于其含水率高，不方便運(yùn)輸及后續(xù)處置，因此降低污泥含水率是污泥后續(xù)處理的保證。污泥進(jìn)行脫水前都需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，目前主要調(diào)理方式有化學(xué)調(diào)理、物理調(diào)理、生物調(diào)理及聯(lián)合調(diào)理［2］，其中，化學(xué)調(diào)理應(yīng)用最廣泛，但絮凝劑的使用會(huì)增加污泥產(chǎn)生量，成本較高且可能產(chǎn)生二次污染［3］。聯(lián)合調(diào)理是指兩種或兩種以上調(diào)理技術(shù)聯(lián)合處理污泥，基于單獨(dú)的化學(xué)或物理調(diào)理有著一定的缺陷，近年來(lái)聯(lián)合調(diào)理技術(shù)也得到了一定的發(fā)展，聯(lián)合調(diào)理比單一的調(diào)理方法更能提高脫水性能并且有可能減少絮凝劑投加量降低成本。楊國(guó)友和石林等［4］采用生石灰與微波協(xié)同作用，對(duì)廣州市獵德污水廠濃縮污泥脫水的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，單獨(dú)投加生石灰，加入量為40 g/L時(shí)，污泥比阻由原來(lái)的4.72×1013m/kg降至1.9×1012m/kg，降低了約96%;單獨(dú)使用微波調(diào)理污泥，在800 W功率微波下輻射100 s可使污泥比阻由原來(lái)的4.72×1013m/kg降至 1.28 ×1013m/kg，降低了約72.9%;將經(jīng)投加4 g生石灰調(diào)理的100 mL污泥在功率800 W的微波下輻射100 s，污泥比阻進(jìn)一步降低至0.98×1011m/kg，降低了約99.8%，比單獨(dú)投加生石灰提高了約3.8%，生石灰與微波協(xié)同作用可以強(qiáng)化污泥脫水，并在提高污泥脫水性能的同時(shí)減少了絮凝劑生石灰的用量。

本文研究了PAM絮凝劑的投加量和濃度以及超聲波輻射時(shí)間對(duì)污泥性質(zhì)的影響，最后通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了超聲波與絮凝劑聯(lián)合調(diào)理的最適合的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本實(shí)驗(yàn)是以合肥市經(jīng)開(kāi)區(qū)污水處理廠二沉池剩余污泥作為研究對(duì)象，其主要指標(biāo)為:含水率98.5%、SV3097%、pH=6.8。主要實(shí)驗(yàn)材料與儀器有陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺(PAM)、NDJ－5S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(上海越平科學(xué)儀器有限公司)、KH5200E型超聲波清洗器(昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司)、污泥比阻測(cè)定裝置等。

1.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.1 污泥沉降比(SV30)

取100 mL污泥于量筒中，經(jīng)過(guò)30 min記錄其沉降體積，以此來(lái)判定污泥沉降性能。

1.2.2 污泥抽濾后含水率C(%)

污泥抽濾后含水率是污泥脫水性能的一個(gè)重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)抽濾的真空壓力為0.05 Mpa，抽濾時(shí)間為30 min，抽濾后的濕污泥在105℃溫度下恒溫干燥8 h以上，最后由公式(1)計(jì)算含水率［5］。

式中:W1:烘干濾紙質(zhì)量;

W2:濕污泥質(zhì)量;

W3:干污泥質(zhì)量。

1.2.3 污泥比阻計(jì)算公式［6］

式中:r:比阻，s2/g;

P:過(guò)濾時(shí)的壓強(qiáng)降，g/cm2;

μ:濾液黏度，g/cm·s;

A:過(guò)濾面積，cm2;

ω:過(guò)濾時(shí)單位體積濾液在過(guò)濾介質(zhì)上截留的干固體質(zhì)量，g/mL;

b:恒定過(guò)濾壓力下t/V與V所得直線的斜率。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波時(shí)間對(duì)污泥性質(zhì)的影響

采用超聲波清洗器對(duì)盛有150 mL的污泥進(jìn)行調(diào)理［7］，調(diào)理時(shí)間分別為 10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s。從圖1可以看出，在時(shí)間為20 s時(shí)污泥比阻達(dá)到最小值0.68×109s2/g，污泥脫水性能最好，但當(dāng)處理時(shí)間超過(guò)20 s時(shí)，若再增加處理時(shí)間，污泥脫水性能變化不大，由此可以看出，短時(shí)間的超聲波處理對(duì)污泥脫水性能有利，但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥被“破碎”成細(xì)小的顆粒，比表面積增大，與水的結(jié)合程度加強(qiáng)，導(dǎo)致脫水性能變差。由表1可知，經(jīng)超聲波處理后的污泥含水率、SV30、黏度都相應(yīng)降低，污泥脫水性能得到改善。

圖1 超聲波處理對(duì)污泥比阻的影響

表1 超聲波處理后污泥性質(zhì)參數(shù)

2.2 PAM絮凝劑投加量和濃度對(duì)污泥性質(zhì)的影響

圖2 不同濃度下PAM投加量對(duì)污泥比阻的影響

污泥中加入 0.05%、0.1%、0.15%PAM，再以45 r/min慢速攪拌 2 min［8］，使污泥的絮凝反應(yīng)充分。由圖2可以看出，在PAM絮凝劑投加量相同而濃度不同的情況下污泥比阻值各不相同，但變化趨勢(shì)都是在一定投加量范圍下比阻值隨投加量的增加而減小，污泥脫水性能得到改善，如若繼續(xù)增加投加量，即3種濃度投加量分別超過(guò)80 mg/L、100 mg/L、100 mg/L時(shí)，比阻值不會(huì)繼續(xù)下降反而逐漸增大，導(dǎo)致污泥脫水性能變差。最后得出結(jié)論:3種濃度分別在投加量為80 mg/L、100 mg/L、100 mg/L情況下達(dá)到最小值，分別為 0.67 ×109、0.32 ×109、0.5×109s2/g，污泥脫水得到明顯改善。

2.3 超聲波與PAM聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥性質(zhì)的影響

2.3.1 調(diào)理順序的確定

實(shí)驗(yàn)研究了超聲波調(diào)理和投加絮凝劑調(diào)理先后順序?qū)ξ勰嗝撍阅艿挠绊?，其衡量指?biāo)為污泥比阻值。第1組先進(jìn)行絮凝劑調(diào)理后再進(jìn)行超聲波調(diào)理，第2組先進(jìn)行超聲波調(diào)理后再進(jìn)行投加化學(xué)絮凝劑，其他實(shí)驗(yàn)條件均相同。由表2可知，不同的調(diào)理順序?qū)ξ勰嗝撍阅艿挠绊懶Ч煌?jīng)第2組實(shí)驗(yàn)處理后的污泥比阻值小于第1組，即脫水性能得到了更好的改善，主要原因是先投加絮凝劑再進(jìn)行超聲波調(diào)理，污泥的絮凝體結(jié)構(gòu)會(huì)被超聲波作用破壞，導(dǎo)致污泥整體脫水性能變差;而經(jīng)超聲波先處理后，在一定程度上能夠破壞污泥形成的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使得菌膠團(tuán)內(nèi)部包含的水釋放出來(lái)，同時(shí)保持較大的污泥顆粒，而且促進(jìn)了絮凝階段的吸附架橋作用和電中和作用，進(jìn)一步改善了污泥的脫水性能［9］。由此得出結(jié)論:用超聲波與PAM聯(lián)合調(diào)理時(shí)，最佳的調(diào)理順序?yàn)橄冗M(jìn)行超聲波調(diào)理后再投加絮凝劑。

表2 聯(lián)合調(diào)理順序?qū)ξ勰嘈再|(zhì)的影響

2.3.2 聯(lián)合調(diào)理最佳工藝條件的確定

由于聯(lián)合調(diào)理實(shí)驗(yàn)的影響因素很多，為了避免增加研究的工作量，通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)初步確定各因素的條件，用污泥比阻值作為污泥脫水性能的指標(biāo)，考察超聲波處理時(shí)間，PAM投加量以及其濃度3個(gè)因素對(duì)污泥脫水性能的影響。實(shí)驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表3。由表4中結(jié)果可知:(1)影響污泥脫水性能因素的主次關(guān)系為:PAM濃度＞投加量＞時(shí)間;(2)第2組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果最好，其比阻值最低為0.263×109s2/g。通過(guò)計(jì)算和分析得出的最適合的工藝條件為:時(shí)間20 s、PAM投加量為100 mg/L、濃度為0.15%。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，追加兩組實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)果，通過(guò)表5得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出與正交實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果基本一致。

表3 正交試驗(yàn)因素與水平

表4 正交試驗(yàn)

表5 不同濃度對(duì)污泥比阻的影響

3 結(jié)論

(1)單獨(dú)使用超聲波對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理有利于脫水性能的改善，最佳調(diào)理時(shí)間為20 s。

(2)單獨(dú)化學(xué)絮凝劑調(diào)理對(duì)污泥調(diào)理在不同濃度下最佳投加量不同且對(duì)污泥脫水性能改善的程度也不同。其中當(dāng)絮凝劑濃度為0.1%，投加量為100 mg/L時(shí)效果最好，污泥比阻降至最低為0.32 ×109s2/g。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了超聲波與絮凝劑聯(lián)合調(diào)理時(shí)，調(diào)理順序?yàn)橄瘸暡ê笸都踊瘜W(xué)絮凝劑，最佳的聯(lián)合調(diào)理?xiàng)l件為:先經(jīng)超聲波調(diào)理20 s，然后添加濃度為0.15%，投加量為100 mg/L的PAM絮凝劑。超聲波、化學(xué)絮凝劑聯(lián)合調(diào)理與單獨(dú)采用超聲波或化學(xué)絮凝劑調(diào)理相比，對(duì)改善污泥脫水性能的影響更大。

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