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在城市污水處理過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，包括初沉池污泥、二沉池剩余污泥及消化污泥，其體積約占總處理水量的0.3%～0.5%。這些污泥含水量高達(dá)95%～99%，因此必須進(jìn)行脫水處理，以減少污泥的質(zhì)量和體積，為后續(xù)處理處置打下良好基礎(chǔ)。污泥脫水的關(guān)鍵是改善其脫水性能，通常采用投加絮凝劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理。本文擬采用一種無(wú)機(jī)絮凝劑聚合硫酸鐵（PFS），和三種有機(jī)絮凝劑：丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物、異丁烯酸-甲基丙烯酸共聚物以及陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（PAM）對(duì)城市污水處理廠所產(chǎn)生的污泥進(jìn)行絮凝脫水研究，以確定較佳的絮凝劑投加量，并對(duì)影響絮凝脫水過(guò)程的因素進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 污泥來(lái)源

本試驗(yàn)污泥分別取自鄭州市城市污水處理廠二沉池剩余污泥、消化污泥以及初沉池和濃縮剩余污泥的混合污泥。其中剩余污泥首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自由沉降2h，取下層濃縮污泥作為試驗(yàn)污泥樣品。試驗(yàn)?zāi)鄻颖４嬖?℃冰箱中，試驗(yàn)過(guò)程中，泥溫保持在13℃，pH=6.8。

1.2 試驗(yàn)藥劑

試驗(yàn)用絮凝劑如下表所示：

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 初步篩選試驗(yàn)

分別取100mL污泥放入6個(gè)250mL燒杯中，加入不同劑量的絮凝劑，并用玻璃棒進(jìn)行攪拌，先快速攪拌10～15次，然后慢速攪拌35～40次，靜置10min后倒入布氏漏斗中進(jìn)行過(guò)濾，記錄濾液達(dá)到15mL所需的時(shí)間。采用不同的絮凝劑重復(fù)上述步驟，對(duì)絮凝劑進(jìn)行初步篩選，并確定每種絮凝劑的投加量范圍。

1.3.2 較佳絮凝劑的確定

準(zhǔn)備100mL的待測(cè)泥樣，分別按照不同投加量加入各種絮凝劑，測(cè)試污泥比阻值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析，確定較佳的絮凝劑及投加量。

1.3.3 污泥脫水影響因素試驗(yàn)

采用較佳的絮凝劑及投加量，并選擇不同的過(guò)濾壓力、pH值和攪拌速度，通過(guò)測(cè)試污泥比阻，探討不同操作條件對(duì)污泥絮凝脫水性能的影響。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目和方法

污泥比阻（r）反應(yīng)了單位重量的污泥在一定壓力下過(guò)濾時(shí)，單位過(guò)濾面積上濾餅單位干重所具有的阻力，通常用來(lái)衡量污泥脫水性能的好壞及難易程度。本試驗(yàn)采用自制的污泥比阻測(cè)試裝置。

取100mL污泥倒入比阻測(cè)定裝置的布氏漏斗中（事先鋪一張直徑略小于漏斗內(nèi)徑的濾紙，其面積測(cè)得為0.0079㎡，周邊用水濕潤(rùn)），依靠重力過(guò)濾約1min（記錄量筒中的濾液量，在分析時(shí)減去此值），然后在0.05MPa真空度下進(jìn)行定壓抽濾，每間隔10s記錄不同抽濾時(shí)間t時(shí)的濾液體積V值，等濾速減慢后，每隔30s或60s記錄濾液體積，直至濾餅破裂，真空度破壞或持續(xù)過(guò)濾20min結(jié)束。理論上講，t/V與V成直線關(guān)系，其斜率就是比阻公式r=2bPA²/μC中的系數(shù)b；布氏漏斗的內(nèi)底面積即為過(guò)濾面積A；抽濾結(jié)束后將布氏漏斗中濾紙上所截留下來(lái)的濾餅烘干，所得干物重量與抽濾液總重量之比就是C；再用黏度計(jì)測(cè)定濾出液的黏滯度μ，根據(jù)公式計(jì)算出污泥的比阻值。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑的初步篩選

在污泥中加入不同的絮凝劑，并進(jìn)行過(guò)濾，從過(guò)濾結(jié)果可以看出：使用任意一種絮凝劑，過(guò)濾時(shí)間均隨著絮凝劑投加量的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，過(guò)濾時(shí)間的波谷出現(xiàn)在絮凝劑投加比為3%～5%的區(qū)域附近。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明，異丁烯酸-甲基丙烯酸共聚物過(guò)濾時(shí)間明顯較長(zhǎng)，而其余三種絮凝劑過(guò)濾時(shí)間較短，且比較接近。因此，選擇此三種絮凝劑用于下一步實(shí)驗(yàn)。

2.2 較佳絮凝劑的確定

2.2.1 原污泥比阻試驗(yàn)

首先對(duì)各種原污泥進(jìn)行空白試驗(yàn)，測(cè)得各原污泥的比阻值為：濃縮污泥r=31.995×10¹²m/kg；濃縮混合污泥r=39.396×10¹²m/kg；消化污泥r=44.253×10¹²m/kg。

一般來(lái)說(shuō)，比阻＜1××10¹¹m/kg的污泥易于脫水，大于1×10¹³m/kg的污泥難以脫水。因此可以看出，本試驗(yàn)的原污泥均為不易脫水污泥，需要投加絮凝劑進(jìn)行化學(xué)調(diào)節(jié)。

2.2.2 絮凝劑對(duì)污泥比阻的影響

向濃縮污泥、濃縮混合污泥、消化污泥三種污泥中依次投加PFS、PAM以及丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物三種絮凝劑，進(jìn)行污泥比阻的測(cè)試，確定每種污泥所使用的不同絮凝劑的較佳投加量。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著PFS投加量的增加，污泥比阻值先降低后升高。PFS是一種多羥基、多核絡(luò)合體的陽(yáng)離子型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑。PFS可以與水以任意比例快速混合，在其水溶液中含有大量[Fe₂(OH)₃]³⁺、[Fe₂(H₂O)₆]³⁺、[Fe₃(OH)₃]⁶⁺等聚合體絡(luò)合離子，這些正離子能夠吸附于膠體顆粒及懸浮物表面，中和其表面負(fù)電荷，降低污泥顆粒的ζ電位，使污泥膠體顆粒由原來(lái)的相互排斥變成相互吸引，促使膠體顆粒凝聚。但是，超過(guò)較佳投加劑量后，污泥顆粒帶上正電荷，ζ電位上升，污泥顆粒重新相互排斥，污泥脫水性能降低。

采用PAM也有一個(gè)較佳投加量，超過(guò)此值則絮凝效果下降。PAM是一種高效的有機(jī)高分子絮凝劑。在絮凝過(guò)程中，當(dāng)高分子濃度較低時(shí)，吸附在顆粒表面上的高分子長(zhǎng)鏈可能同時(shí)吸附在另一個(gè)顆粒的表面，通過(guò)架橋方式將兩個(gè)或更多的微粒連在一起，從而導(dǎo)致絮凝。本試驗(yàn)采用的PAM為陽(yáng)離子型，在起吸附架橋作用的同時(shí)，還可對(duì)帶電荷的污泥膠體顆粒產(chǎn)生電中和作用，獲得更好的絮凝效果。但是如果投加過(guò)量，溶液中高分子濃度過(guò)高，使顆粒表面完全被所吸附的高分子覆蓋，架橋作用大大減弱，而且過(guò)量的陽(yáng)離子會(huì)使污泥顆粒又帶上了正電荷，重新相互排斥，絮凝效果快速下降。

投加丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物絮凝劑，隨著投加量的增加，其比阻值變化也具有先降低后升高的特征。丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺是日本生產(chǎn)的一種新型共聚性有機(jī)高分子絮凝劑，其分子量達(dá)到900萬(wàn)左右，通過(guò)吸附架橋作用使污泥膠粒得以絮凝。

對(duì)這三種絮凝劑的較佳投加量及所得到的污泥比阻值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)下表：

綜合分析結(jié)果顯示，在同等真空度條件下，濃縮污泥和混合污泥消耗各種絮凝劑用量較少，消化污泥消耗藥劑較多。一般認(rèn)為，有機(jī)污泥的絮凝劑的用量由兩部分構(gòu)成，一部分是固體組成需要量，它取決于濕污泥中揮發(fā)性固體的含量；另一部分則是液體組成需要量，它取決于污泥中所溶解的生化產(chǎn)物。生污泥經(jīng)厭氧消化后，其揮發(fā)性固體的含量雖然有所降低，但是在甲烷發(fā)酵期，會(huì)同時(shí)生成鈣、鎂、銨的碳酸鹽，使消耗于液相組分的絮凝劑增加。因此，對(duì)于消化污泥來(lái)說(shuō)，直接投加絮凝劑是不經(jīng)濟(jì)的，可 行洗滌處理，降低堿度，同時(shí)洗去部分顆粒很小，表面積很大的膠體顆粒，從而節(jié)省絮凝劑的用量。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

絮凝劑的價(jià)格和投加量與污泥處理費(fèi)用密切相關(guān)，因此選擇一種絮凝效果好，且價(jià)格低廉的絮凝劑可以有效減少污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用。以濃縮污泥為例，根據(jù)這三種絮凝劑目前的市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，如下表所示：

通過(guò)比較可知，處理1t干泥PFS的費(fèi)用較低，但是PFS投加量很大，給后續(xù)處理處置造成一定困難。而且在試驗(yàn)中可以看出，PFS形成的絮體較小，并不適合實(shí)際機(jī)械脫水使用；PAM是目前常用的、效果也比較好的有機(jī)高分子絮凝劑，在降低污泥比阻、提高脫水性能方面具有用量少、效果好等優(yōu)點(diǎn)；丙烯酸鈉-丙烯酸酰胺共聚物是日本生產(chǎn)的一種新型的共聚性有機(jī)高分子絮凝劑，其脫水效果較好，但是成本較高，且需要進(jìn)口。因此，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定PAM為較佳絮凝劑，其較佳投加量為2.45kg/t干泥。

2.3 污泥脫水影響因素試驗(yàn)

目前，在一些中小型污水處理廠，一般直接對(duì)剩余污泥進(jìn)行機(jī)械脫水。因此本試驗(yàn)以濃縮污泥為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)污泥脫水的工藝條件進(jìn)行研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，每100mL污泥中加入6mL聚丙烯酰胺（0.1%）。

2.3.1 過(guò)濾壓力對(duì)污泥比阻的影響

一般隨著過(guò)濾壓力的升高，過(guò)濾速度加快。濃縮污泥的比阻隨著過(guò)濾壓力而變化，由比阻的測(cè)試和計(jì)算方法可知，污泥比阻與過(guò)濾壓力成正比。隨著過(guò)濾壓力的增加，污泥比阻持續(xù)增大，雖然此時(shí)過(guò)濾速度加快，但是由于壓力過(guò)大，過(guò)濾介質(zhì)容易堵塞，過(guò)濾速度提高不大。因此，在實(shí)際中，應(yīng)根據(jù)不同的情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾壓力。

2.3.2 pH值對(duì)污泥比阻的影響

溶液pH的改變，影響污泥膠體顆粒及絮凝劑的電離度，從而影響分子鏈的伸展程度、溶解度以及基因的結(jié)合能力，因此體系的pH對(duì)絮凝效果有著明顯的影響。pH在6～8范圍內(nèi)，污泥比阻值較小，脫水性能較佳。實(shí)驗(yàn)測(cè)得濃縮污泥的pH在7左右，因此在脫水時(shí)，不需要投加助凝劑調(diào)節(jié)pH值，可直接進(jìn)行脫水處理。

2.3.3 攪拌速度對(duì)污泥比阻的影響

當(dāng)污泥中加入絮凝劑后，快速攪拌15s，使藥劑迅速均勻分散到水中，然后再慢速攪拌15min，促使顆粒碰撞凝聚，測(cè)試其比阻值。

絮凝是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，攪拌速度對(duì)絮凝效果有較大的影響。如果攪拌不充分，則絮凝劑和污泥不能進(jìn)行充分混合，從而影響絮凝效果；如果攪拌太過(guò)強(qiáng)烈，又會(huì)把已經(jīng)形成的絮體打碎，也對(duì)絮凝過(guò)程不利。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定較佳的攪拌條件，并進(jìn)口將經(jīng)過(guò)化學(xué)調(diào)理的污泥進(jìn)行脫水處理。

3 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)對(duì)濃縮污泥、混合污泥及消化污泥分別投加4種絮凝劑進(jìn)行絮凝脫水處理，以污泥比阻為指標(biāo)，通過(guò)對(duì)不同絮凝劑的較佳投加量以及經(jīng)濟(jì)分析，確定聚丙烯酰胺為較佳絮凝劑，其較佳投加量為2.45kg/t干泥。

（2）從絮凝劑用量上來(lái)看，濃縮污泥所需的絮凝劑量較少，消化污泥所需絮凝劑量較大。

（3）隨著過(guò)濾壓力的升高，污泥的過(guò)濾速度加快，但是污泥的比阻值上升，脫水性能下降，過(guò)濾壓力對(duì)污泥比阻影響較大。

（4）污泥pH值在6～8范圍內(nèi)時(shí)，其脫水性能較佳。

（5）攪拌速度對(duì)污泥絮凝反應(yīng)有較大影響，太快或者太慢對(duì)于絮凝過(guò)程都是不利的，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定較佳的攪拌條件。