介質類助濾劑對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

(湖南誠通天岳環?？萍加邢薰?湖南 岳陽 414002)

隨著我國城鎮污水處理規模日益提升,污泥產量也相應增加。據統計,2019年我國污泥產量已超過6 000萬t(以含水率80%計),預計2025年我國污泥年產量將突破9 000萬t。

污泥具有顆粒細小,過濾速度慢,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。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絡結構與水分子結合緊密,且混凝劑本身通過選擇吸收、官能團電離等作用可以吸附水分,其高度水合作用對污泥脫水不利[1],所以生化混合污泥較難通過機械方法脫除,而且機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浪費水資源還增加了處置和運輸的成本,污泥過濾速度慢導致污泥處理效率低也會增加污泥處理成本,因此,對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,提高過濾速度的過濾添加劑皆可稱之為助濾劑。一般分三類:表面活性劑類、絮凝劑類和介質類。表面活性劑作為助濾劑可以提高過濾速度,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濾速度,但是濾餅水分高于空白試驗的濾餅水分,該類助濾劑的主要作用機理可能是壓縮雙電子層和吸附架橋等[3-4]。介質類助濾劑可以防止膠狀微粒對濾孔的阻塞,對濾液的過濾起兩種作用:機械截留過濾和動電效應[5]吸附過濾。

三種類型的藥劑均表現出一定的助濾效果,但是作用機理不同,本研究通過投加組合助濾劑來實現強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類助濾劑。通過實驗對比組合助濾劑對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化應用奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗用泥:本實驗所述生化混合污泥取自湖南誠通天岳環?？萍加邢薰具\營的某污水處理廠,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。

實驗藥品:聚合氯化鋁(PAC)來自中順化工有限責任公司、陽離子聚丙烯酰胺(PAM)來自愛森(中國)絮凝劑有限公司、煤粉、漿渣、白泥、煤灰和皂土來自岳陽某公司,粗纖維素和細纖維素來自綠建科技公司。

實驗儀器: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)、秒表及實驗室常用玻璃儀器。

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 實驗方法

(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,逐步選出對應最優的投加量,同時比較空白生化混合污泥和PAC+PAM后對過濾速率的影響,確定最優的絮凝劑類助濾劑組合投加量。

(2)確定最佳的介質類助濾劑。采用不同的介質類助濾劑(煤粉、漿渣、白泥、煤灰、粗纖維素、細纖維素和皂土)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(質量分數10%)攪拌均勻后,分別添加煤粉、漿渣、白泥、煤灰、粗纖維素、細纖維素和皂土各4.8 g/L(干重),繼續攪拌均勻后,加入25 mL/L PAM(質量分數1‰)繼續攪拌均勻,然后通過抽濾試驗,根據污泥脫水速率快慢來選出最優的介質類助濾劑。

(3)確定漿渣助濾劑最優投加量。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(質量分數10%)攪拌均勻后,加入25 mL/L PAM(質量分數1‰)繼續攪拌均勻,然后通過抽濾試驗,根據污泥脫水速率快慢來確認漿渣的最優的添加量。

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,根據具體的投加方案來投加,每種藥劑加入后需要攪拌混勻,先加PAC,后加介質助濾劑,最后加入PAM完成絮凝;

(3)取上述混合反應后的樣,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濾紙中,啟動真空泵,壓力維持在0.04 MPa,秒表計時;

(4)抽濾計時方法,按濾液體積每10 mL為間隔,用秒表記錄對應時間,每個樣品抽濾到破真空或者12 min左右停止過濾;

(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間來評價。

2 結果與討論

2.1 絮凝類助濾劑對污泥脫水效果的影響

2.1.1 PAC用量優化

選取絮凝類助濾劑PAC、PAM組合投加以期提高污泥脫水速率。實驗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空白生化混合泥的過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,在達到相同濾液體積所用時間逐漸縮短,當PAC用量達到14 mL/L后,基本上趨于穩定,因此確定PAC最佳投加量為14 mL/L。

表1 實驗2.1.1樣品說明表

圖2 實驗2.1.1樣品過濾速率

2.1.2 PAM用量優化

確定PAC最佳投加量為14 mL/L之后,調整PAM的用量,根據抽濾速率來評估脫水效果,進而得到PAC+PAM組合最佳投加量。實驗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,脫水速率呈現先增加后減小的現象。當PAM用量超過30 mL/L,脫水速率減慢,實際生產過程中易導致泥包水的現象,在反應時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,在后期實際壓濾時黏稠度較高的藥劑殘留,容易出現粘連、堵塞濾布的情況。當PAM加藥量低于25 mL/L,脫水速率會減慢,則壓濾后污泥含水率過高,壓濾時出現跑泥、泥餅薄等不利情況。當PAM用量在25～30 mL/L時脫水效果基本處于最優狀態,為經濟性考慮,PAM最優值選定為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量,投加PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)相對生化混合污泥本身含水率降低了3.34%。

表2 實驗2.1.2樣品說明表

表3 實驗2.1.2濾餅質量情況

圖3 實驗2.1.2樣品過濾速率

2.2 介質類助濾劑對污泥脫水效果的影響

2.2.1 不同介質類助濾劑對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中得到的最優值PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)來投加。介質類助濾劑分別為煤粉、漿渣、白泥、煤灰、粗纖維素、細纖維素和皂土,通過抽濾試驗,根據污泥脫水速率快慢來選出最優的介質類助濾劑。在1 L生化混合污泥下分別投加介質類助濾劑4.8 g,表4是組合助濾劑的說明表。漿渣含水率為86%,34.4 g漿渣干重為4.8 g。介質類助濾劑在過濾過程中形成骨架,提高了生化混合污泥的抗壓縮性,使其在過濾過程中濾餅層有好的滲透性和高的孔隙率,能減少過濾阻力。從圖4可以看出投加漿渣的污泥,在達到相同濾液體積所用時間最短,說明過濾速度最快。粗纖維素、細纖維素和皂土的投加效果不理想,煤灰、煤粉、白泥和無介質助濾劑的過濾速度接近,效果不明顯。表5可以看到加入介質類助濾劑濾餅質量都有所下降,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 實驗2.2.1樣品說明

表5 實驗2.2.1樣品質量變化情況

表6 實驗2.2.2樣品說明

圖4 實驗2.2.1樣品過濾速率

2.2.2 漿渣助濾劑投加量對污泥脫水效果的影響

基于2.2.1實驗篩選出效果最好的介質助濾劑為漿渣,這是因為漿渣中含有大量纖維,在抽濾過程中,水分不斷減少,污泥底部逐漸形成一層泥餅,隨著脫水過程的進行,泥餅越來越致密,出水通道越來越小,加入漿渣后漿渣發揮骨架構建作用,在底部濾餅層構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中得到的最優值PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)來投加。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間逐漸縮短,其中加入34.4 g/L漿渣時,相同濾液體積所用時間最短,說明過濾速度最快。當用量增加至40 g/L漿渣后,相同的濾液量,抽濾時間更長,說明過濾速度反而有所下降,這可能是纖維過多導致骨架致密孔道有所堵塞。說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漿渣時含水率下降了2.4%,100 mL污泥含干漿渣的質量為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吸著水0.14 g。

表7 實驗2.2.2樣品質量變化情況

圖5 實驗2.2.2過濾速率

3 結論

(1)針對湖南誠通天岳環?？萍加邢薰具\營的某污水處理廠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,通過單一變量法控制PAC和PAM投加量,逐步選出對應最優的投加量為PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L),同時比較空白生化混合污泥和PAC+PAM后對過濾速率的影響,絮凝類助濾劑的投加可以顯著地降低濾餅質量,其中PAC的陽離子所帶正電荷與污泥顆粒表面的負電荷中和,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。當兩種助濾劑聯合使用時,PAC先將細小顆粒聚成較大的顆粒,再通過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、細纖維素和皂土介質助濾劑中確定了最佳的介質類助濾劑為造紙工業的廢料漿渣,這是因為漿渣中含有大量纖維,在抽濾過程中,水分不斷減少,污泥底部逐漸形成一層泥餅,隨著脫水過程的進行,泥餅越來越致密,出水通道越來越小,加入漿渣后漿渣發揮骨架構建作用,在底部濾餅層構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)來投加。當加入34.4 g/L漿渣時,相同濾液體積所用時間最短,過濾速度最快。再加入更多漿渣后,過濾速度反而有所下降,這可能是纖維過多導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類的助濾劑組合使用,此工藝方法易于實現,工藝過程簡單,能廣泛應用于污水廠生化混合污泥的助濾脫水過程中。