污泥脫水性能指標(biāo)表征體系的構(gòu)建

周 振, 陳柳宇, 吳 煒, 周傳庭, 唐建國(guó)

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200125)

比阻能綜合反映污泥的脫水性[1-4],但是由于其操作的復(fù)雜性,需要較好的配合和較高的操作熟練度,所以往往導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果重現(xiàn)性不佳[5]。同時(shí),脫水指標(biāo)體系目前缺少標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的約束[6],不同研究之間的可比性較低。導(dǎo)致測(cè)定不準(zhǔn)的關(guān)鍵在于污泥調(diào)理之后,由于過(guò)濾性能過(guò)好,使得污泥水被迅速抽干,這樣得到的比阻值易受外界輕微擾動(dòng)的影響。毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)和濾液過(guò)濾時(shí)間(TTF)同樣也面臨過(guò)濾性能過(guò)好帶來(lái)測(cè)定精度下降的問(wèn)題。為了解決調(diào)理污泥在測(cè)定過(guò)程中過(guò)濾速度過(guò)快導(dǎo)致測(cè)定誤差增加的問(wèn)題,本文針對(duì)調(diào)理污泥泥性特點(diǎn),在藥劑調(diào)理之后對(duì)污泥進(jìn)行高速攪拌的預(yù)處理操作。通過(guò)進(jìn)行高速攪拌以破碎大塊的污泥絮體,同時(shí)對(duì)不同藥劑投加量的調(diào)理污泥進(jìn)行相同轉(zhuǎn)速下的高速攪拌,以確保不同的脫水性能通過(guò)比阻,CST,TTF,粒徑被準(zhǔn)確地反映出來(lái),并設(shè)置了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證高速攪拌預(yù)處理能顯著提高比阻,CST,TTF,粒徑測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性。

1 材料與方法

1.1 污泥來(lái)源

實(shí)驗(yàn)所用的污泥來(lái)自上海市竹園第二污水處理廠,現(xiàn)場(chǎng)取樣后在1 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。該廠主體工藝采用改良型AO法組合工藝,無(wú)初沉池,產(chǎn)生的污泥為二級(jí)污水處理廠的剩余污泥。該廠的處理規(guī)模為30萬(wàn)m3/d,干污泥處理量為33.5 t /d,污泥的基本性質(zhì)如表1所示。其中,MLSS為混合液污泥濃度,SV為污泥沉降比。所用的絮凝劑為粉末聚丙烯酰胺(PAM)。

表1 污泥基本性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

污泥調(diào)理:取250 mL污泥,進(jìn)入一定投加量的PAM溶液后在轉(zhuǎn)速為250 r/min下攪拌30 s,然后在轉(zhuǎn)速為60 r/min下攪拌3 min。調(diào)理后預(yù)處理:將調(diào)理后的污泥在轉(zhuǎn)速為500 r/min下攪拌2 min后測(cè)定比阻、粒徑和CST。實(shí)驗(yàn)溫度為17 ℃。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

污泥在ZR4-6六聯(lián)攪拌器內(nèi)進(jìn)行調(diào)理;比阻和TTF采用TG-250比阻抽濾裝置測(cè)定;CST采用Model 304 M測(cè)定;粒徑測(cè)定采用激光衍射式粒度分布測(cè)量?jī)x(SALD-2201,shimadzu),選擇的粒徑范圍為0.01～1 000μm內(nèi)的概率分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)濾體積對(duì)比阻測(cè)定的影響

過(guò)濾體積會(huì)影響污泥在比阻測(cè)定初始階段的過(guò)濾表現(xiàn),因此許多相關(guān)研究在測(cè)定比阻時(shí)都是采用100 mL的過(guò)濾體積。受布氏漏斗和鋪墊濾紙的尺寸限制,過(guò)濾體積不宜進(jìn)一步增大。本文將分析50 mL和100 mL的過(guò)濾體積對(duì)比阻測(cè)定的影響,并設(shè)定每噸干污泥投加量為0 kg,0.5 kg,1.0 kg,2.0 kg,4.0 kg PAM。濾紙層數(shù)均為1層。不同過(guò)濾體積下污泥的脫水指標(biāo)變化曲線如圖1所示。

圖1 不同過(guò)濾體積下污泥的脫水指標(biāo)變化曲線

由圖1(a)可知:過(guò)濾體積為50 mL時(shí)的比阻值波動(dòng)較大,在每噸干污泥投加量為1.0 kg PAM時(shí)下降到最低值,且在每噸干污泥投加量范圍內(nèi)的比阻值均未下降到脫水臨界值以下,而投加高分子混凝劑PAM會(huì)顯著改善脫水性能,這與理論知識(shí)相悖,且數(shù)據(jù)的總體趨勢(shì)不明顯;而過(guò)濾體積為100 mL時(shí)的比阻值呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),數(shù)據(jù)變化幅度較小,趨勢(shì)顯著,在每噸干污泥投加量大于0.5 kg PAM時(shí),比阻值小于易于脫水值。由圖1(b)可知:過(guò)濾體積為50 mL時(shí)的TTF曲線呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),在每噸干污泥投加量為1.0 kg PAM時(shí)達(dá)到最大值,而污泥的TTF指的是在真空抽濾的條件下,污泥濾液達(dá)到污泥體積一半時(shí)所需時(shí)間,污泥的脫水性能應(yīng)隨著PAM投加量的增加而變佳,即污泥的過(guò)濾速度應(yīng)增加,故TTF曲線總體上應(yīng)有遞減的趨勢(shì),這與50 mL時(shí)的TTF曲線不符;而過(guò)濾體積為100 mL時(shí)的TTF曲線呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì),且趨勢(shì)明顯,與理論情況相符。綜合考慮,過(guò)濾體積為100 mL時(shí)測(cè)定的脫水指標(biāo)相比于50 mL,變化趨勢(shì)更容易觀測(cè),變化幅度更小,更穩(wěn)定,且符合理論變化規(guī)律,精確性、可靠性更高。

隨著投加量的增加,比阻、含水率、CST和TTF值都會(huì)降低,粒徑值會(huì)增大。因此,比阻、含水率、CST和TTF間應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系,而粒徑與其他指標(biāo)之間應(yīng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同過(guò)濾體積下污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性如表2和表3所示。其中,*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。由表2和表3可知:過(guò)濾體積為50 mL時(shí),各指標(biāo)間沒(méi)有顯著相關(guān)性;而將過(guò)濾體積增加至100 mL后,4項(xiàng)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)明顯增加,且TTF和CST與污泥粒徑分別在0.01水平(雙側(cè))、0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表2 過(guò)濾體積為50 mL時(shí)污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性

表3 過(guò)濾體積為100 mL時(shí)污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性

所以綜合比阻值計(jì)算的可靠性、脫水指標(biāo)的整體變化趨勢(shì)以及數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度,可以判定過(guò)濾體積為100 mL時(shí)的數(shù)據(jù)可靠性和精確度更高,對(duì)脫水效果的分析更具有指導(dǎo)意義。

2.2 過(guò)濾阻力對(duì)比阻測(cè)定的影響

設(shè)定每噸干污泥投加量為0 kg,0.5 kg,1.0 kg,2.0 kg,4.0 kg PAM,并在同一投加量下觀察過(guò)濾阻力對(duì)比阻測(cè)定的影響。過(guò)濾阻力的大小會(huì)影響污泥真空過(guò)濾時(shí)濾液下降的流量,進(jìn)而影響比阻值。在全部攪拌的前提下,保持過(guò)濾體積為100 mL,通過(guò)改變?yōu)V紙層數(shù)分別為1層和2層對(duì)比不同過(guò)濾阻力對(duì)脫水指標(biāo)的影響,結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同過(guò)濾阻力下污泥的脫水指標(biāo)變化曲線

由圖2(a)可知:1層濾紙的比阻值總體趨勢(shì)是下降的,在每噸干污泥投加量為0.5 kg PAM時(shí),比阻值小于易于脫水值;2層濾紙的比阻值呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì),同樣是在每噸干污泥投加量為0.5 kg PAM時(shí),比阻值小于易于脫水值;兩組數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較小,變化范圍接近,趨勢(shì)明顯。由圖2(b)可知:1層濾紙時(shí)的TTF曲線呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì),在每噸干污泥投加量為4.0 kg PAM時(shí)達(dá)到最小值;2層濾紙的TTF曲線總體呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì);兩組數(shù)據(jù)總體趨勢(shì)相近,波動(dòng)幅度較小,說(shuō)明1層和2層濾紙都能有效表征脫水效果。綜合考慮,1層濾紙時(shí)測(cè)定的脫水指標(biāo)與2層濾紙變化趨勢(shì)相近,都較為穩(wěn)定且符合理論變化規(guī)律,精確性、可靠性較高,都能有效說(shuō)明脫水效果。不同過(guò)濾阻力下污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性如表4和表5所示。其中,*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表4 1層濾紙時(shí)污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性

表5 2層濾紙時(shí)污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性

隨著投加量的增加,比阻、CST和TTF值都會(huì)降低,粒徑值會(huì)增大,故比阻、含水率、CST與TTF之間應(yīng)呈正相關(guān)的關(guān)系,而粒徑與其他指標(biāo)之間應(yīng)呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,相關(guān)系數(shù)越接近1,說(shuō)明相關(guān)性更好。由表4可知,比阻、CST和TTF與粒徑之間的相關(guān)系數(shù)大部分穩(wěn)定在0.9 ± 0.1,相關(guān)系數(shù)較高,說(shuō)明不同指標(biāo)之間的相關(guān)程度高,濾紙層數(shù)對(duì)脫水的效果影響不明顯。若考慮到濾紙易破,影響真空度的因素,可選用2層濾紙。

通過(guò)上述討論分析,比較比阻值計(jì)算的可靠性,脫水指標(biāo)的整體變化趨勢(shì)以及數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度可以判定,攪拌后的、過(guò)濾體積為100 mL、過(guò)濾阻力為1層濾紙(考慮濾紙層數(shù)對(duì)脫水效果影響不大,故選擇1層濾紙)的數(shù)據(jù)可靠性和精確度更高,對(duì)脫水效果的分析更具有指導(dǎo)意義。

2.3 攪拌對(duì)脫水指標(biāo)測(cè)定的影響

污泥取自上海市竹園第二污水處理廠的二沉池剩余污泥并用其自用藥劑調(diào)理。設(shè)定每噸干污泥投加量為0 kg,0.5 kg,1.0 kg,1.5 kg,2.0 kg,2.5 kg,3.0 kg PAM,所有污泥調(diào)理后均在500 r/min下攪拌3 min。在同一投加量下觀察攪拌與否對(duì)脫水指標(biāo)的影響。高速攪拌與否處理下污泥的脫水指標(biāo)變化曲線如圖3所示。

由圖3(a)可知:不攪拌的情況下的比阻呈現(xiàn)出一個(gè)先增加后減小的趨勢(shì),數(shù)據(jù)變化幅度較大,變化趨勢(shì)不明顯。在每噸干污泥投加量在1.0～2.0 kg PAM范圍內(nèi)時(shí),污泥比阻值大于脫水臨界值,隨后比阻快速下降,在每噸干污泥投加量大于2.5 kg PAM時(shí),污泥比阻值小于易于脫水值;而攪拌條件下的比阻總體呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì),數(shù)據(jù)變化幅度較小,變化趨勢(shì)顯著。當(dāng)每噸干污泥投加量達(dá)到1.5 kg PAM時(shí),比阻值小于易于脫水值,當(dāng)每噸干污泥投加量超過(guò)2.5 kg PAM時(shí),比阻又呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。這可能是由于PAM投加量過(guò)大,污泥顆粒被包裹其中,無(wú)法與其他顆粒絮凝形成大顆粒沉淀,從而影響脫水性能。

由圖3(b)可知:不攪拌的情況下TTF值先快速下降至2 s,然后趨于穩(wěn)定,當(dāng)每噸干污泥投加量大于2.0 kg PAM時(shí),TTF曲線繼續(xù)上升,數(shù)據(jù)總體變化幅度較大,趨勢(shì)不穩(wěn)定;而攪拌后的TTF曲線呈單調(diào)遞減的趨勢(shì),數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)更明顯,變化幅度較小。王蓉[7]在化學(xué)混凝污泥脫水性能研究中投加絮凝劑后也得到相近的趨勢(shì)曲線。

由圖3(c)可知:不攪拌的情況下的CST曲線波動(dòng)明顯,變化趨勢(shì)不穩(wěn)定,測(cè)量的誤差較大;而攪拌后的CST曲線總體呈遞減的趨勢(shì),數(shù)據(jù)變化幅度較小,測(cè)量誤差較小。

由圖3(d)可知:不攪拌的情況下粒徑增長(zhǎng)梯度較大,在每噸干污泥投加量為2.0 kg PAM時(shí)達(dá)到最大值,測(cè)量誤差較大;而攪拌后的粒徑增長(zhǎng)梯度較小,變化幅度較緩慢,在每噸干污泥投加量達(dá)到3.0 kg PAM時(shí)達(dá)到最大值,數(shù)據(jù)測(cè)量誤差較小。綜合考慮,攪拌后測(cè)定的脫水指標(biāo)相比于攪拌前,變化趨勢(shì)更容易觀測(cè)、更穩(wěn)定,變化幅度更小,且符合理論變化規(guī)律,精確性、可靠性更高。高速攪拌與否處理下污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性如表6和表7所示。其中,**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

由表6和表7可知:調(diào)理污泥攪拌預(yù)處理后,污泥比阻與CST和TTF與粒徑間的相關(guān)性顯著提高,未攪拌預(yù)處理的污泥各項(xiàng)指標(biāo)間沒(méi)有顯著相關(guān)性;另一方面,不攪拌的情況下比阻與粒徑的數(shù)據(jù)呈正相關(guān),然而污泥粒徑越大,污泥應(yīng)更容易脫水,顯然該結(jié)論與實(shí)際情況并不相符,而攪拌預(yù)處理后污泥比阻與粒徑間呈顯著負(fù)相關(guān),與實(shí)際情況相吻合。因此,綜合比阻值計(jì)算的可靠性、脫水指標(biāo)的整體變化趨勢(shì)以及數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度可以判定,調(diào)理污泥進(jìn)行攪拌預(yù)處理后的數(shù)據(jù)可靠性和精確度更高,對(duì)脫水效果的分析更具有指導(dǎo)意義。

圖3 高速攪拌與否處理下污泥的脫水指標(biāo)變化曲線

表6 不攪拌時(shí)污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性

表7 高速攪拌后污泥的脫水指標(biāo)相關(guān)性

3 結(jié) 論

(1)過(guò)濾體積為100 mL時(shí)測(cè)定的脫水指標(biāo)相比于50 mL時(shí),變化趨勢(shì)更容易觀測(cè),變化幅度更小,更穩(wěn)定,且符合理論變化規(guī)律,精確性、可靠性更高。比較比阻值計(jì)算的可靠性、脫水指標(biāo)的整體變化趨勢(shì)以及數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度可以判定,攪拌后的過(guò)濾體積為100 mL、過(guò)濾阻力為1層濾紙時(shí)的數(shù)據(jù)可靠和精確度更高,對(duì)脫水效果的分析更具有指導(dǎo)意義。

(2)未經(jīng)攪拌的調(diào)理污泥比阻隨著投加量的增加先升后降,數(shù)據(jù)波動(dòng)很大,變化趨勢(shì)與污泥調(diào)理的實(shí)際規(guī)律并不吻合,污泥特性表征誤差較大;高速攪拌后,調(diào)理污泥比阻隨著投加量的增加呈減趨勢(shì)。未經(jīng)攪拌的調(diào)理污泥CST值隨著投加量的增加波動(dòng)明顯,測(cè)定誤差較大;而攪拌后調(diào)理污泥CST值隨著投加量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),數(shù)據(jù)波動(dòng)較小。調(diào)理污泥的攪拌預(yù)處理操作能夠提高測(cè)定結(jié)果的可靠性和精確性,泥性測(cè)定更能反映實(shí)際規(guī)律。