介質(zhì)類助濾劑對(duì)生化混合污泥脫水性能的影響研究

羅含,徐輝,周毅,童佳,張四維,周昌群

(湖南誠(chéng)通天岳環(huán)?？萍加邢薰?湖南 岳陽(yáng) 414002)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模日益提升,污泥產(chǎn)量也相應(yīng)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年我國(guó)污泥產(chǎn)量已超過(guò)6 000萬(wàn)t(以含水率80%計(jì)),預(yù)計(jì)2025年我國(guó)污泥年產(chǎn)量將突破9 000萬(wàn)t。

污泥具有顆粒細(xì)小,過(guò)濾速度慢,脫水性能較差的特性,而目前常用的混凝法通常只能通過(guò)投加各種混凝藥劑將污水中的大顆粒懸浮物沉淀后所形成污泥絮團(tuán)。由于生化混合污泥中少量活的或死的微生物胞外聚合物交織在一起形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與水分子結(jié)合緊密,且混凝劑本身通過(guò)選擇吸收、官能團(tuán)電離等作用可以吸附水分,其高度水合作用對(duì)污泥脫水不利[1],所以生化混合污泥較難通過(guò)機(jī)械方法脫除,而且機(jī)械脫水后的污泥的含水率仍很高[2]。含有大量水分的污泥不但會(huì)浪費(fèi)水資源還增加了處置和運(yùn)輸?shù)某杀?污泥過(guò)濾速度慢導(dǎo)致污泥處理效率低也會(huì)增加污泥處理成本,因此,對(duì)生化混合污泥的助濾研究具有重要意義。

廣義而言,凡是能夠降低濾餅水分,提高過(guò)濾速度的過(guò)濾添加劑皆可稱之為助濾劑。一般分三類:表面活性劑類、絮凝劑類和介質(zhì)類。表面活性劑作為助濾劑可以提高過(guò)濾速度,降低濾餅水分,其主要作用途徑可能是降低濾液表面張力和改善顆粒表面疏水性。絮凝劑類也可以明顯提高過(guò)濾速度,但是濾餅水分高于空白試驗(yàn)的濾餅水分,該類助濾劑的主要作用機(jī)理可能是壓縮雙電子層和吸附架橋等[3-4]。介質(zhì)類助濾劑可以防止膠狀微粒對(duì)濾孔的阻塞,對(duì)濾液的過(guò)濾起兩種作用:機(jī)械截留過(guò)濾和動(dòng)電效應(yīng)[5]吸附過(guò)濾。

三種類型的藥劑均表現(xiàn)出一定的助濾效果,但是作用機(jī)理不同,本研究通過(guò)投加組合助濾劑來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化生化混合污泥的脫水效果,所選助濾劑為絮凝劑類和介質(zhì)類助濾劑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比組合助濾劑對(duì)生化混合污泥脫水性能的改善狀況,為在污泥處理方面的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用泥:本實(shí)驗(yàn)所述生化混合污泥取自湖南誠(chéng)通天岳環(huán)保科技有限公司運(yùn)營(yíng)的某污水處理廠,由二沉池污泥和氣浮污泥、芬頓污泥混合形成,生化混合污泥SS為25 000 mg/L,含水率97%左右,pH值范圍7～9。

實(shí)驗(yàn)藥品:聚合氯化鋁(PAC)來(lái)自中順化工有限責(zé)任公司、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(PAM)來(lái)自愛森(中國(guó))絮凝劑有限公司、煤粉、漿渣、白泥、煤灰和皂土來(lái)自岳陽(yáng)某公司,粗纖維素和細(xì)纖維素來(lái)自綠建科技公司。

實(shí)驗(yàn)儀器:抽濾裝置一套(定制)(圖1)、電子分析天平(梅特勒托利多)、烘箱(泰斯特儀器有限公司)、秒表及實(shí)驗(yàn)室常用玻璃儀器。

1.布氏漏斗;2.抽濾瓶;3.濾液量筒;4.緩沖瓶;5.真空表;6.閥門;7.真空泵

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)確定最適的絮凝類助濾劑組合投加量。選取絮凝類助濾劑PAC、PAM,組合投加,通過(guò)單一變量法控制PAC(10,12,14,16,18 mL/L)和PAM(35,30,25,20,15 mL/L)投加量,逐步選出對(duì)應(yīng)最優(yōu)的投加量,同時(shí)比較空白生化混合污泥和PAC+PAM后對(duì)過(guò)濾速率的影響,確定最優(yōu)的絮凝劑類助濾劑組合投加量。

(2)確定最佳的介質(zhì)類助濾劑。采用不同的介質(zhì)類助濾劑(煤粉、漿渣、白泥、煤灰、粗纖維素、細(xì)纖維素和皂土)與絮凝類助濾劑(PAC+PAM)組合投加方式,首先用量筒取適量生化混合污泥,然后添加14 mL/L PAC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)攪拌均勻后,分別添加煤粉、漿渣、白泥、煤灰、粗纖維素、細(xì)纖維素和皂土各4.8 g/L(干重),繼續(xù)攪拌均勻后,加入25 mL/L PAM(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1‰)繼續(xù)攪拌均勻,然后通過(guò)抽濾試驗(yàn),根據(jù)污泥脫水速率快慢來(lái)選出最優(yōu)的介質(zhì)類助濾劑。

(3)確定漿渣助濾劑最優(yōu)投加量。采用漿渣與絮凝類助濾劑(PAC+PAM)組合投加方式,首先用量筒取適量生化混合污泥,然后稱取17.2,22.8,28.4,34.4,40 g/L濕漿渣加入污泥中,然后添加14 mL/L PAC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)攪拌均勻后,加入25 mL/L PAM(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1‰)繼續(xù)攪拌均勻,然后通過(guò)抽濾試驗(yàn),根據(jù)污泥脫水速率快慢來(lái)確認(rèn)漿渣的最優(yōu)的添加量。

1.3 具體步驟

(1)用量筒量取生化混合污泥樣品1 L與1 L燒杯中,若干份;

(2)提前配好陽(yáng)離子PAM為1‰濃度備用。

(3)在盛有生化混合污泥的燒杯中,投加一定量的助濾劑及絮凝劑,根據(jù)具體的投加方案來(lái)投加,每種藥劑加入后需要攪拌混勻,先加PAC,后加介質(zhì)助濾劑,最后加入PAM完成絮凝;

(3)取上述混合反應(yīng)后的樣,用玻璃棒攪拌成均勻的顆粒后,量取100 mL倒入抽濾裝置中貼合好布氏漏斗的濕潤(rùn)濾紙中,啟動(dòng)真空泵,壓力維持在0.04 MPa,秒表計(jì)時(shí);

(4)抽濾計(jì)時(shí)方法,按濾液體積每10 mL為間隔,用秒表記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間,每個(gè)樣品抽濾到破真空或者12 min左右停止過(guò)濾;

(5)抽濾完成后濾餅稱重,105 ℃條件下烘箱烘干8 h;

(6)本試驗(yàn)助濾劑作用效果以濾餅含水率和濾得相同濾液體積所用抽濾時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝類助濾劑對(duì)污泥脫水效果的影響

2.1.1 PAC用量?jī)?yōu)化

選取絮凝類助濾劑PAC、PAM組合投加以期提高污泥脫水速率。實(shí)驗(yàn)藥劑投加量具體情況見表1。從圖2可以看出,絮凝類助濾劑的投加相對(duì)空白生化混合泥的過(guò)濾速率提升十分明顯;且在PAM投加量不變的情況下,逐步增加PAC用量,隨著PAC的增加,在達(dá)到相同濾液體積所用時(shí)間逐漸縮短,當(dāng)PAC用量達(dá)到14 mL/L后,基本上趨于穩(wěn)定,因此確定PAC最佳投加量為14 mL/L。

表1 實(shí)驗(yàn)2.1.1樣品說(shuō)明表

圖2 實(shí)驗(yàn)2.1.1樣品過(guò)濾速率

2.1.2 PAM用量?jī)?yōu)化

確定PAC最佳投加量為14 mL/L之后,調(diào)整PAM的用量,根據(jù)抽濾速率來(lái)評(píng)估脫水效果,進(jìn)而得到PAC+PAM組合最佳投加量。實(shí)驗(yàn)藥劑投加量具體情況見表2。從圖3可以看出,在PAC投加量不變的情況下,減小PAM用量,脫水速率呈現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象。當(dāng)PAM用量超過(guò)30 mL/L,脫水速率減慢,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中易導(dǎo)致泥包水的現(xiàn)象,在反應(yīng)時(shí)難以與水中的懸浮物微粒絮凝,造成大量的藥劑殘留,增加了處理成本,在后期實(shí)際壓濾時(shí)黏稠度較高的藥劑殘留,容易出現(xiàn)粘連、堵塞濾布的情況。當(dāng)PAM加藥量低于25 mL/L,脫水速率會(huì)減慢,則壓濾后污泥含水率過(guò)高,壓濾時(shí)出現(xiàn)跑泥、泥餅薄等不利情況。當(dāng)PAM用量在25～30 mL/L時(shí)脫水效果基本處于最優(yōu)狀態(tài),為經(jīng)濟(jì)性考慮,PAM最優(yōu)值選定為25 mL/L。從表3可以看出絮凝類助濾劑的投加可以顯著地降低濾餅質(zhì)量,投加PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)相對(duì)生化混合污泥本身含水率降低了3.34%。

表2 實(shí)驗(yàn)2.1.2樣品說(shuō)明表

表3 實(shí)驗(yàn)2.1.2濾餅質(zhì)量情況

圖3 實(shí)驗(yàn)2.1.2樣品過(guò)濾速率

2.2 介質(zhì)類助濾劑對(duì)污泥脫水效果的影響

2.2.1 不同介質(zhì)類助濾劑對(duì)污泥脫水效果的影響

基于生化混合污泥的特性,選取不同的介質(zhì)類助濾劑與絮凝類助濾劑組合投加,其中絮凝類助濾劑投加量按2.1中得到的最優(yōu)值PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)來(lái)投加。介質(zhì)類助濾劑分別為煤粉、漿渣、白泥、煤灰、粗纖維素、細(xì)纖維素和皂土,通過(guò)抽濾試驗(yàn),根據(jù)污泥脫水速率快慢來(lái)選出最優(yōu)的介質(zhì)類助濾劑。在1 L生化混合污泥下分別投加介質(zhì)類助濾劑4.8 g,表4是組合助濾劑的說(shuō)明表。漿渣含水率為86%,34.4 g漿渣干重為4.8 g。介質(zhì)類助濾劑在過(guò)濾過(guò)程中形成骨架,提高了生化混合污泥的抗壓縮性,使其在過(guò)濾過(guò)程中濾餅層有好的滲透性和高的孔隙率,能減少過(guò)濾阻力。從圖4可以看出投加漿渣的污泥,在達(dá)到相同濾液體積所用時(shí)間最短,說(shuō)明過(guò)濾速度最快。粗纖維素、細(xì)纖維素和皂土的投加效果不理想,煤灰、煤粉、白泥和無(wú)介質(zhì)助濾劑的過(guò)濾速度接近,效果不明顯。表5可以看到加入介質(zhì)類助濾劑濾餅質(zhì)量都有所下降,部分樣品含水率下降2%左右,其中投加漿渣的污泥脫水效果最好。

表4 實(shí)驗(yàn)2.2.1樣品說(shuō)明

表5 實(shí)驗(yàn)2.2.1樣品質(zhì)量變化情況

表6 實(shí)驗(yàn)2.2.2樣品說(shuō)明

圖4 實(shí)驗(yàn)2.2.1樣品過(guò)濾速率

2.2.2 漿渣助濾劑投加量對(duì)污泥脫水效果的影響

基于2.2.1實(shí)驗(yàn)篩選出效果最好的介質(zhì)助濾劑為漿渣,這是因?yàn)闈{渣中含有大量纖維,在抽濾過(guò)程中,水分不斷減少,污泥底部逐漸形成一層泥餅,隨著脫水過(guò)程的進(jìn)行,泥餅越來(lái)越致密,出水通道越來(lái)越小,加入漿渣后漿渣發(fā)揮骨架構(gòu)建作用,在底部濾餅層構(gòu)建通道從而改善了脫水性能。

選取漿渣與絮凝類助濾劑組合投加,其中絮凝類助濾劑投加量按2.1中得到的最優(yōu)值PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)來(lái)投加。從圖5可以看出,隨著漿渣用量增加,相同濾液體積所需抽濾時(shí)間逐漸縮短,其中加入34.4 g/L漿渣時(shí),相同濾液體積所用時(shí)間最短,說(shuō)明過(guò)濾速度最快。當(dāng)用量增加至40 g/L漿渣后,相同的濾液量,抽濾時(shí)間更長(zhǎng),說(shuō)明過(guò)濾速度反而有所下降,這可能是纖維過(guò)多導(dǎo)致骨架致密孔道有所堵塞。說(shuō)明漿渣并不一定是越多越好,因此需要合理控制漿渣的用量,漿渣的最佳量控制在34.4 g/L為宜。從表7可以看出,隨著漿渣的加入,剛過(guò)濾后濾餅的初步抽濾后的濕重均逐步下降,加入34.4 g/L漿渣時(shí)含水率下降了2.4%,100 mL污泥含干漿渣的質(zhì)量為0.48 g,8 h烘干后濾餅較樣品1#(PAC+PAM)增加0.34 g,所以100 mL污泥含加入漿渣后失去強(qiáng)吸著水0.14 g。

表7 實(shí)驗(yàn)2.2.2樣品質(zhì)量變化情況

圖5 實(shí)驗(yàn)2.2.2過(guò)濾速率

3 結(jié)論

(1)針對(duì)湖南誠(chéng)通天岳環(huán)?？萍加邢薰具\(yùn)營(yíng)的某污水處理廠SS為25 000 mg/L的生化混合污泥,選取絮凝類助濾劑PAC、PAM組合投加,通過(guò)單一變量法控制PAC和PAM投加量,逐步選出對(duì)應(yīng)最優(yōu)的投加量為PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L),同時(shí)比較空白生化混合污泥和PAC+PAM后對(duì)過(guò)濾速率的影響,絮凝類助濾劑的投加可以顯著地降低濾餅質(zhì)量,其中PAC的陽(yáng)離子所帶正電荷與污泥顆粒表面的負(fù)電荷中和,壓縮了雙電層,使污泥顆粒更容易凝聚;PAM是一種絮凝劑型助濾劑,能夠在顆粒之間起到“架橋”作用,使其相互連接在一起。當(dāng)兩種助濾劑聯(lián)合使用時(shí),PAC先將細(xì)小顆粒聚成較大的顆粒,再通過(guò)PAM將顆粒絮凝架橋。初步抽濾后濾餅的含水率降至88.36%,投加PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)相對(duì)生化混合污泥本身含水率降低了3.34%。

(2)在已選煤粉、漿渣、白泥、煤灰、粗纖維素、細(xì)纖維素和皂土介質(zhì)助濾劑中確定了最佳的介質(zhì)類助濾劑為造紙工業(yè)的廢料漿渣,這是因?yàn)闈{渣中含有大量纖維,在抽濾過(guò)程中,水分不斷減少,污泥底部逐漸形成一層泥餅,隨著脫水過(guò)程的進(jìn)行,泥餅越來(lái)越致密,出水通道越來(lái)越小,加入漿渣后漿渣發(fā)揮骨架構(gòu)建作用,在底部濾餅層構(gòu)建通道從而改善了脫水性能。

(4)選取漿渣與絮凝類助濾劑組合投加,其中絮凝類助濾劑投加量按PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)來(lái)投加。當(dāng)加入34.4 g/L漿渣時(shí),相同濾液體積所用時(shí)間最短,過(guò)濾速度最快。再加入更多漿渣后,過(guò)濾速度反而有所下降,這可能是纖維過(guò)多導(dǎo)致骨架致密孔道有所堵塞。初步抽濾后濾餅的含水率可降至85.92%,相較直接過(guò)濾的生化混合污泥含水率下降了5.8%。

(3)將絮凝類的助濾劑與介質(zhì)類的助濾劑組合使用,此工藝方法易于實(shí)現(xiàn),工藝過(guò)程簡(jiǎn)單,能廣泛應(yīng)用于污水廠生化混合污泥的助濾脫水過(guò)程中。