水厂排泥水处理系统工艺优化试验研究

2021-10-15巴如虎陈静梅白雪娟姜建伟

供水技术 2021年4期

巴如虎，陈静梅，白雪娟，姜建伟，巴珊，尹硕

(1.天津市公用事业设计研究所，天津300100；2.天津中法芥园水务有限公司，天津300121)

水源的变迁必然带来水质的改变，促使净水工艺做出对应的变化。天津市某水厂从2015年开始，将引滦水改为南水北调中线引江水作为饮用水水源后，原水水质发生了很大改变，呈现浊度低、悬浮物少、有机质低的特点。水厂因此调整了混凝剂种类和投加量，排泥水的质和量也随之发生了很大变化，研究排泥水处理系统浓缩、脱水工艺优化十分必要。

笔者以该水厂净水气浮工艺排泥水处理系统为对象，进行工艺优化分析与试验研究，以期获得可供实际生产借鉴的工艺优化参数，提升出泥含固率，提高排泥水系统的处理效率。

1 排泥水处理系统

1.1 工艺流程

该水厂早年建成的排泥水处理系统，设计依据针对以引滦水为代表的低温、低浊、高藻且有机质含量较高的水库水。为了保证污泥浓缩效果，采用两级浓缩工艺，分别为斜管浓缩池和成套气浮浓缩池[1]。该水厂排泥水处理系统工艺流程如图1所示。

图1 排泥水处理系统工艺流程Fig.1 Process flow of sludge water treatment system

1.2 排泥水的组成

送检污泥取自污泥调节池，主要成分含量和占比检测结果见表1。

表1 排泥水的主要成分和占比Tab.1 Main component and proportion of sludge water

由测定结果可知，排泥水中Al2O3、Fe2O3占比较多，与净水气浮工艺投加聚合氯化铝和三氯化铁混凝剂有直接关系，是产泥的主要来源。

1.3 排泥水污泥量计算

有研究表明，净水厂的产泥量通常与原水的SS、投加的混凝剂和助凝剂、色度、pH调节剂等有关。与国内大多数水厂相同，该水厂净水工艺设计产泥量的计算参考《给水排水设计手册》(第3册)以及英国水研究中心编制的《污泥处理指南》中提供的污泥干固体含量计算公式[2]。

英国水研究中心推荐：

DS=Q(SS+0.2C+1.53A+1.9F)×10-6

(1)

式中DS为干泥量，t/d；Q为自来水处理水量，m3/d；SS为去除的原水悬浮物浓度，mg/L；C为去除的原水色度；A为铝盐混凝剂投加量(以Al2O3计)，mg/L；F为铁盐混凝剂投加量(以Fe计)，mg/L。

Cornwell推荐的原水浊度-SS关系为：

SS=bT

(2)

式中b为SS与浊度的相关系数；T为原水浊度，NTU。可以看出，污泥产量与原水的悬浮物浓度(或原水浊度)、加药种类及投加量相关性较大。在原水浊度不高的情况下，b取值为0.7～2.2。饮用水源为引江水后，该水厂原水浊度常年在5 NTU以下，故取b值为1.5，原水浊度保守取值3.0 NTU。则计算公式简化如下：

DS=Q(4.5+1.53A+1.9F)×10-6

依据该水厂2019年引江水水质和净水工艺投药量，计算得出最大污泥干固体量约为8.9 t/d，若离心脱水污泥含固率按13.5%计，则污泥量约为65.9 t/d，与污泥车间生产实报产泥量65.4 t/d相近。而依据引滦水水质计算得出的设计最大污泥干固体量为42.82 t/d[2]，与引江水水质相比差距很大。以2020年4月3日的生产运行数据计算，最大污泥干固体量为5.53 t/d，若离心脱水污泥含固率按13.5%计，则污泥量为41.0 t/d，与生产实报产泥量43.6 t/d相近。

2 分析项目与方法

2.1 分析项目

开展了混凝实验、沉降试验、比阻实验、斜管浓缩中试等，分析指标包括浊度、污泥浓度、含固率等。

2.2 试验装置与仪器

试验装置：透明有机玻璃沉降柱和1座斜管浓缩中试装置。

试验仪器：HI93703-11便携式浊度计，BBS-200C便携式污泥浓度计，MY3000-6D六联混凝试验搅拌器。

2.3 方法

采用重量法测定污泥的含固率，采用布氏漏斗真空过滤法测定污泥比阻，真空度为 380 mm Hg或0.05 MPa。

3 排泥水处理系统优化分析

3.1 处理单元污泥含固率

水厂排泥水处理系统各处理单元污泥含固率监测数据见表2。

表2 各处理单元的污泥含固率Tab.2 Solid content of sludge in each treatment unit %

从表2可知，排泥水处理系统斜管沉淀池进泥(调节池出口)、斜管沉淀池出泥(均衡池)、气浮池出泥和离心机出泥的含固率平均值分别为0.058%、0.25%、1.15%和13.50%，均未达到相应设计值的要求，特别是调节池污泥浓度偏低很多。

从排泥水各处理单元的效能上看，斜管沉淀池的浓缩效率最低，直接影响了后续处理效率。因此，分析现有系统工艺存在的问题，研究新水源条件下排泥水斜管混凝浓缩、PAM絮凝气浮浓缩、脱水性能，筛选适宜的斜管浓缩混凝剂，调整斜管沉淀池、气浮池等设施的运行工况，从而提高出泥含固率很有必要。

3.2 混凝浓缩试验

在整个排泥水处理工艺中，排泥水浓缩是关键，直接影响脱水效果，决定脱水工艺运行成本[3]。基于水厂排泥水质轻、不易沉降的特性，试验研究了斜管加药混凝沉降性能和浓缩工艺参数。

试验所用混凝剂取自水厂净水气浮处理工艺所用三氯化铁(以下简称铁盐)和聚合氯化铝(以下简称铝盐)，铁盐密度为1.46 kg/m3，含量为43%；铝盐密度为1.2 kg/m3，含量为10%。

3.2.1单一混凝剂试验

当采用单一混凝剂进行试验时，向初始污泥浓度为2.32 g/L的排泥水中分别投加20，30，40,50和60 mg/L的三氯化铁，上清液浊度为0.93，0.67，0.80和0.75 NTU；向初始污泥浓度为2.32 g/L的排泥水中分别投加20，30，40，50和60 mg/L的聚合氯化铝，上清液浊度为1.11，1.11，1.07，0.92和0.85 NTU。铁盐混凝剂较铝盐的混凝效果更好，且投加量较少。试验中发现，混凝形成的絮体松散细小，沉速较慢。

3.2.2组合混凝试验

有研究表明：当混凝剂形成的絮粒细小松散，不易沉淀时，活化硅酸可通过吸附架桥作用将絮粒连接起来，从而增大絮凝体的尺寸和密度，提高沉淀效果[4]。对初始污泥浓度为4.94 g/L的排泥水，选取活化硅酸作为助凝剂(投加量为混凝剂投加量的1/3～1/2)，分别与三氯化铁、聚合氯化铝组合进行混凝试验，结果见表3。可以看出：活化硅酸与铁盐组合较与铝盐组合的混凝效果更好且投加量少，因此后续试验中采用铁盐作为混凝剂。

表3 排泥水组合药剂混凝试验Tab.3 Coagulation test of sludge water with combination agent

3.3 排泥水沉降试验

3.3.1自然沉降

对排泥水开展自然沉降试验，结果见图2。可以看出污泥初始浓度越低，沉降速度越快，底泥浓度与初始浓度成正相关。

图2 排泥水自然沉降曲线程Fig.2 Natural settlement curve of sludge water

3.3.2混凝沉降试验

对排泥水开展铁盐混凝沉降试验，结果表明初始污泥浓度增大，投药量也要随之加大；底泥浓度随投药量的增加而升高，但污泥界面沉降速度却变慢。污泥初始浓度相同时，组合混凝沉降效果优于自然沉降，且有更高的底泥浓度，如图3所示。

图3 排泥水混凝沉降曲线Fig.3 Settlement curve of sludge water after coagulation

3.3.3最佳投加量

针对不同浓度的污泥，开展最佳投药量试验。采用单一三氯化铁作为混凝剂时，拟合得到最佳铁盐投药量y与排泥水浓度x之间的线性曲线y=9.788 4x+19.863，R2=0.970 5；采用三氯化铁与活化硅酸组合药剂时，拟合得到最佳投药量曲线y=9.788 4x+9.863 2，R2=0.9705。

3.4 排泥水斜管浓缩

3.4.1自然浓缩与混凝斜管浓缩

试验进泥流量为1.0～1.1 m3/h，进泥浓度为0.5～1.8 g/L时，开展自然沉降、三氯化铁混凝沉降(加药量30 mg/L)、组合混凝沉降(20 mg/L三氯化铁+10 mg/L活化硅酸)斜管浓缩试验。从图4可以看出，2种混凝沉降斜管浓缩出泥浓度均高于自然沉降浓缩，取得了良好的污泥浓缩效果。

图4 排泥水斜管浓缩试验Fig.4 Inclined pipe concentration test of sludge water

3.4.2铁盐组合混凝沉降斜管浓缩

① 水力负荷

斜管沉淀池试验装置设计处理水量为1 m3/h，有效体积为1.1 m3，浓缩区有效表面积为0.36 m2。在不同进泥浓度(0.7～2.5 g/L)下，开展混凝沉降斜管浓缩试验。进泥流量为0.8～0.9 m3/h，投加40 mg/L三氯化铁+20 mg/L活化硅酸；进泥流量为1.1～1.2 m3/h，投加20 mg/L三氯化铁+10 mg/L活化硅酸，结果见图5。

图5 进泥流量对组合混凝沉降斜管浓缩效果的影响Fig.5 Influence of sludge inflow on inclined pipe concentration effect of combined coagulation and sedimentation

对比图4.c和图5可知，当进泥流量在1.0～1.1 m3/h时，出水浊度小于5 NTU且出泥含固率较高，达8 g/L以上；当进泥流量在1.1～1.2 m3/h时，虽然出水浊度较好，但出泥含固率不高。试验发现，当进泥流量大于1.3 m3/h时，污泥界面上升较快，运行5 h后出水浊度明显升高，底泥涌起。由此可知，最大进泥流量为1.1 m3/h，且混凝沉降斜管浓缩最大水力负荷为3.0 m3/(m2·h)。

② 固体负荷

以进泥流量为1.0～1.1 m3/h，进泥浓度为1.5～2.5 g/L的排泥水，进行混凝沉降斜管浓缩试验。从图6可以看出，当进泥流量小于1.1 m3/h，进泥含固率在2.0 g/L左右时，每2 h排泥一次，出泥含固率都能达到8 g/L以上，则混凝沉降斜管浓缩最大固体负荷为6.1 kg/(m2·h)。

图6 固体负荷对组合混凝沉降斜管浓缩效果的影响Fig.6 Influence of solid loading on inclined pipe concentration effect of combined coagulation and sedimentation

③ 排泥量

排泥不及时将造成沉淀池内泥位雍高速度加快，出水浊度变大；而过度排泥将导致排泥量增大，排泥浓度降低，增大气浮以及离心脱水机的负荷。根据物料平衡的原则，进入沉淀区的干固量与流出沉淀区的干固量应相等[5]。

试验中发现，当小时排泥量占进泥流量的比例分别为9%、12%和15%时，进泥浓度分别为0.91，0.72和0.64 g/L，出水浊度分别为2.73，2.77和1.58 NTU，总体上逐渐降低；出泥浓度为8.39，5.14和4.34 g/L，随之降低。控制排泥量可保证出泥浓度维持在较高水平。试验得出：单位浓度斜管混凝浓缩小时排泥量宜控制在进泥流量的10%以下。

3.5 排泥水PAM絮凝浓缩优化分析

有研究表明，阴离子聚丙烯酰胺(PAM)的处理效果不及阳离子PAM，但其在经济性和上清液回用安全性方面表现更佳[6]。试验开展期间，气浮、离心脱水絮凝投药已改用阴离子PAM，因此试验选用阴离子PAM开展絮凝浓缩脱水性能研究。

3.5.1斜管浓缩排泥水气浮PAM絮凝浓缩试验

选取生产斜管浓缩排泥水和中试混凝沉降斜管浓缩排泥水，进行阴离子PAM絮凝浓缩试验。絮凝剂采用AP-160WG型饮水用PAM：分子量，1 645.69万；固含量，90.26%；残余单体，0.006%；溶解时间，45 min；筛余物(1.00 mm)，0.15%；筛余物(180 μm)，90.41%；不溶物，0.05%。

生产斜管浓缩排泥水初始污泥浓度为7.4 g/L，中试混凝沉降斜管浓缩排泥水初始污泥浓度为8.8 g/L，PAM絮凝浓缩试验结果见图7。

图7 PAM絮凝浓缩对底泥浓度的影响Fig.7 Influence of PAM flocculation on sediment concentration

PAM絮凝浓缩试验表明，随着投药量的增大，池底污泥浓度呈增加趋势，上清液浊度小幅度减少，在加药量为3.5或3.0 kg/tDS时，底泥浓度达到最高。继续提高加药量，底泥浓度开始降低，上清液浊度升高。试验结果表明：经加药混凝沉降斜管浓缩后，排泥水阴离子PAM最佳加药量为3.0 kg/tDS，未经加药的斜管浓缩排泥水阴离子PAM最佳加药量为3.5 kg/tDS。

3.5.2排泥水比阻试验

污泥比阻愈大，污泥脱水性能愈差，污泥比阻对水厂生产废水污泥脱水性能的评判并无确定的标准。一般认为，比阻r0.05 MPa<10×1011m/kg的为易脱水污泥，大于100×1011m/kg的为难脱水污泥[7]。

选取生产斜管浓缩排泥水(污泥初始浓度7.4 g/L)、中试混凝沉降斜管浓缩排泥水(污泥初始浓度8.5 g/L)和生产气浮浓缩排泥水(污泥初始浓度12.0 g/L)进行阴离子PAM絮凝比阻测定试验，结果见表5。

表5 浓缩排泥水经阴离子PAM絮凝后的污泥比阻 Tab.5 Sludge specific resistance of concentrated sludge after anionic PAM flocculation

试验显示，未加混混凝剂的生产斜管沉淀排泥水经阴离子PAM絮凝后污泥比阻平均值为9.02×1012m/kg，投加混凝剂的中试斜管沉淀排泥水经阴离子PAM絮凝后污泥比阻最低值为6.4×1012m/kg，经加药混凝处理后斜管沉淀排泥水的脱水性能得到了很大改善；生产气浮排泥水经阴离子PAM絮凝后污泥比阻最低值为5.8×1012m/kg。气浮排泥水絮凝脱水的最佳阴离子PAM投加量为6.0 kg/tDS。