介质类助滤剂对生化混合污泥脱水性能的影响研究

罗含,徐辉,周毅,童佳,张四维,周昌群

(湖南诚通天岳环保科技有限公司,湖南 岳阳 414002)

随着我国城镇污水处理规模日益提升,污泥产量也相应增加。据统计,2019年我国污泥产量已超过6 000万t(以含水率80%计),预计2025年我国污泥年产量将突破9 000万t。

污泥具有颗粒细小,过滤速度慢,脱水性能较差的特性,而目前常用的混凝法通常只能通过投加各种混凝药剂将污水中的大颗粒悬浮物沉淀后所形成污泥絮团。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织在一起形成网络结构与水分子结合紧密,且混凝剂本身通过选择吸收、官能团电离等作用可以吸附水分,其高度水合作用对污泥脱水不利[1],所以生化混合污泥较难通过机械方法脱除,而且机械脱水后的污泥的含水率仍很高[2]。含有大量水分的污泥不但会浪费水资源还增加了处置和运输的成本,污泥过滤速度慢导致污泥处理效率低也会增加污泥处理成本,因此,对生化混合污泥的助滤研究具有重要意义。

广义而言,凡是能够降低滤饼水分,提高过滤速度的过滤添加剂皆可称之为助滤剂。一般分三类:表面活性剂类、絮凝剂类和介质类。表面活性剂作为助滤剂可以提高过滤速度,降低滤饼水分,其主要作用途径可能是降低滤液表面张力和改善颗粒表面疏水性。絮凝剂类也可以明显提高过滤速度,但是滤饼水分高于空白试验的滤饼水分,该类助滤剂的主要作用机理可能是压缩双电子层和吸附架桥等[3-4]。介质类助滤剂可以防止胶状微粒对滤孔的阻塞,对滤液的过滤起两种作用:机械截留过滤和动电效应[5]吸附过滤。

三种类型的药剂均表现出一定的助滤效果,但是作用机理不同,本研究通过投加组合助滤剂来实现强化生化混合污泥的脱水效果,所选助滤剂为絮凝剂类和介质类助滤剂。通过实验对比组合助滤剂对生化混合污泥脱水性能的改善状况,为在污泥处理方面的工业化应用奠定基础。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验用泥:本实验所述生化混合污泥取自湖南诚通天岳环保科技有限公司运营的某污水处理厂,由二沉池污泥和气浮污泥、芬顿污泥混合形成,生化混合污泥SS为25 000 mg/L,含水率97%左右,pH值范围7～9。

实验药品:聚合氯化铝(PAC)来自中顺化工有限责任公司、阳离子聚丙烯酰胺(PAM)来自爱森(中国)絮凝剂有限公司、煤粉、浆渣、白泥、煤灰和皂土来自岳阳某公司,粗纤维素和细纤维素来自绿建科技公司。

实验仪器:抽滤装置一套(定制)(图1)、电子分析天平(梅特勒托利多)、烘箱(泰斯特仪器有限公司)、秒表及实验室常用玻璃仪器。

1.布氏漏斗;2.抽滤瓶;3.滤液量筒;4.缓冲瓶;5.真空表;6.阀门;7.真空泵

1.2 实验方法

(1)确定最适的絮凝类助滤剂组合投加量。选取絮凝类助滤剂PAC、PAM,组合投加,通过单一变量法控制PAC(10,12,14,16,18 mL/L)和PAM(35,30,25,20,15 mL/L)投加量,逐步选出对应最优的投加量,同时比较空白生化混合污泥和PAC+PAM后对过滤速率的影响,确定最优的絮凝剂类助滤剂组合投加量。

(2)确定最佳的介质类助滤剂。采用不同的介质类助滤剂(煤粉、浆渣、白泥、煤灰、粗纤维素、细纤维素和皂土)与絮凝类助滤剂(PAC+PAM)组合投加方式,首先用量筒取适量生化混合污泥,然后添加14 mL/L PAC(质量分数10%)搅拌均匀后,分别添加煤粉、浆渣、白泥、煤灰、粗纤维素、细纤维素和皂土各4.8 g/L(干重),继续搅拌均匀后,加入25 mL/L PAM(质量分数1‰)继续搅拌均匀,然后通过抽滤试验,根据污泥脱水速率快慢来选出最优的介质类助滤剂。

(3)确定浆渣助滤剂最优投加量。采用浆渣与絮凝类助滤剂(PAC+PAM)组合投加方式,首先用量筒取适量生化混合污泥,然后称取17.2,22.8,28.4,34.4,40 g/L湿浆渣加入污泥中,然后添加14 mL/L PAC(质量分数10%)搅拌均匀后,加入25 mL/L PAM(质量分数1‰)继续搅拌均匀,然后通过抽滤试验,根据污泥脱水速率快慢来确认浆渣的最优的添加量。

1.3 具体步骤

(1)用量筒量取生化混合污泥样品1 L与1 L烧杯中,若干份;

(2)提前配好阳离子PAM为1‰浓度备用。

(3)在盛有生化混合污泥的烧杯中,投加一定量的助滤剂及絮凝剂,根据具体的投加方案来投加,每种药剂加入后需要搅拌混匀,先加PAC,后加介质助滤剂,最后加入PAM完成絮凝;

(3)取上述混合反应后的样,用玻璃棒搅拌成均匀的颗粒后,量取100 mL倒入抽滤装置中贴合好布氏漏斗的湿润滤纸中,启动真空泵,压力维持在0.04 MPa,秒表计时;

(4)抽滤计时方法,按滤液体积每10 mL为间隔,用秒表记录对应时间,每个样品抽滤到破真空或者12 min左右停止过滤;

(5)抽滤完成后滤饼称重,105 ℃条件下烘箱烘干8 h;

(6)本试验助滤剂作用效果以滤饼含水率和滤得相同滤液体积所用抽滤时间来评价。

2 结果与讨论

2.1 絮凝类助滤剂对污泥脱水效果的影响

2.1.1 PAC用量优化

选取絮凝类助滤剂PAC、PAM组合投加以期提高污泥脱水速率。实验药剂投加量具体情况见表1。从图2可以看出,絮凝类助滤剂的投加相对空白生化混合泥的过滤速率提升十分明显;且在PAM投加量不变的情况下,逐步增加PAC用量,随着PAC的增加,在达到相同滤液体积所用时间逐渐缩短,当PAC用量达到14 mL/L后,基本上趋于稳定,因此确定PAC最佳投加量为14 mL/L。

表1 实验2.1.1样品说明表

图2 实验2.1.1样品过滤速率

2.1.2 PAM用量优化

确定PAC最佳投加量为14 mL/L之后,调整PAM的用量,根据抽滤速率来评估脱水效果,进而得到PAC+PAM组合最佳投加量。实验药剂投加量具体情况见表2。从图3可以看出,在PAC投加量不变的情况下,减小PAM用量,脱水速率呈现先增加后减小的现象。当PAM用量超过30 mL/L,脱水速率减慢,实际生产过程中易导致泥包水的现象,在反应时难以与水中的悬浮物微粒絮凝,造成大量的药剂残留,增加了处理成本,在后期实际压滤时黏稠度较高的药剂残留,容易出现粘连、堵塞滤布的情况。当PAM加药量低于25 mL/L,脱水速率会减慢,则压滤后污泥含水率过高,压滤时出现跑泥、泥饼薄等不利情况。当PAM用量在25～30 mL/L时脱水效果基本处于最优状态,为经济性考虑,PAM最优值选定为25 mL/L。从表3可以看出絮凝类助滤剂的投加可以显著地降低滤饼质量,投加PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)相对生化混合污泥本身含水率降低了3.34%。

表2 实验2.1.2样品说明表

表3 实验2.1.2滤饼质量情况

图3 实验2.1.2样品过滤速率

2.2 介质类助滤剂对污泥脱水效果的影响

2.2.1 不同介质类助滤剂对污泥脱水效果的影响

基于生化混合污泥的特性,选取不同的介质类助滤剂与絮凝类助滤剂组合投加,其中絮凝类助滤剂投加量按2.1中得到的最优值PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)来投加。介质类助滤剂分别为煤粉、浆渣、白泥、煤灰、粗纤维素、细纤维素和皂土,通过抽滤试验,根据污泥脱水速率快慢来选出最优的介质类助滤剂。在1 L生化混合污泥下分别投加介质类助滤剂4.8 g,表4是组合助滤剂的说明表。浆渣含水率为86%,34.4 g浆渣干重为4.8 g。介质类助滤剂在过滤过程中形成骨架,提高了生化混合污泥的抗压缩性,使其在过滤过程中滤饼层有好的渗透性和高的孔隙率,能减少过滤阻力。从图4可以看出投加浆渣的污泥,在达到相同滤液体积所用时间最短,说明过滤速度最快。粗纤维素、细纤维素和皂土的投加效果不理想,煤灰、煤粉、白泥和无介质助滤剂的过滤速度接近,效果不明显。表5可以看到加入介质类助滤剂滤饼质量都有所下降,部分样品含水率下降2%左右,其中投加浆渣的污泥脱水效果最好。

表4 实验2.2.1样品说明

表5 实验2.2.1样品质量变化情况

表6 实验2.2.2样品说明

图4 实验2.2.1样品过滤速率

2.2.2 浆渣助滤剂投加量对污泥脱水效果的影响

基于2.2.1实验筛选出效果最好的介质助滤剂为浆渣,这是因为浆渣中含有大量纤维,在抽滤过程中,水分不断减少,污泥底部逐渐形成一层泥饼,随着脱水过程的进行,泥饼越来越致密,出水通道越来越小,加入浆渣后浆渣发挥骨架构建作用,在底部滤饼层构建通道从而改善了脱水性能。

选取浆渣与絮凝类助滤剂组合投加,其中絮凝类助滤剂投加量按2.1中得到的最优值PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)来投加。从图5可以看出,随着浆渣用量增加,相同滤液体积所需抽滤时间逐渐缩短,其中加入34.4 g/L浆渣时,相同滤液体积所用时间最短,说明过滤速度最快。当用量增加至40 g/L浆渣后,相同的滤液量,抽滤时间更长,说明过滤速度反而有所下降,这可能是纤维过多导致骨架致密孔道有所堵塞。说明浆渣并不一定是越多越好,因此需要合理控制浆渣的用量,浆渣的最佳量控制在34.4 g/L为宜。从表7可以看出,随着浆渣的加入,刚过滤后滤饼的初步抽滤后的湿重均逐步下降,加入34.4 g/L浆渣时含水率下降了2.4%,100 mL污泥含干浆渣的质量为0.48 g,8 h烘干后滤饼较样品1#(PAC+PAM)增加0.34 g,所以100 mL污泥含加入浆渣后失去强吸着水0.14 g。

表7 实验2.2.2样品质量变化情况

图5 实验2.2.2过滤速率

3 结论

(1)针对湖南诚通天岳环保科技有限公司运营的某污水处理厂SS为25 000 mg/L的生化混合污泥,选取絮凝类助滤剂PAC、PAM组合投加,通过单一变量法控制PAC和PAM投加量,逐步选出对应最优的投加量为PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L),同时比较空白生化混合污泥和PAC+PAM后对过滤速率的影响,絮凝类助滤剂的投加可以显著地降低滤饼质量,其中PAC的阳离子所带正电荷与污泥颗粒表面的负电荷中和,压缩了双电层,使污泥颗粒更容易凝聚;PAM是一种絮凝剂型助滤剂,能够在颗粒之间起到“架桥”作用,使其相互连接在一起。当两种助滤剂联合使用时,PAC先将细小颗粒聚成较大的颗粒,再通过PAM将颗粒絮凝架桥。初步抽滤后滤饼的含水率降至88.36%,投加PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)相对生化混合污泥本身含水率降低了3.34%。

(2)在已选煤粉、浆渣、白泥、煤灰、粗纤维素、细纤维素和皂土介质助滤剂中确定了最佳的介质类助滤剂为造纸工业的废料浆渣,这是因为浆渣中含有大量纤维,在抽滤过程中,水分不断减少,污泥底部逐渐形成一层泥饼,随着脱水过程的进行,泥饼越来越致密,出水通道越来越小,加入浆渣后浆渣发挥骨架构建作用,在底部滤饼层构建通道从而改善了脱水性能。

(4)选取浆渣与絮凝类助滤剂组合投加,其中絮凝类助滤剂投加量按PAC(14 mL/L)+PAM(25 mL/L)来投加。当加入34.4 g/L浆渣时,相同滤液体积所用时间最短,过滤速度最快。再加入更多浆渣后,过滤速度反而有所下降,这可能是纤维过多导致骨架致密孔道有所堵塞。初步抽滤后滤饼的含水率可降至85.92%,相较直接过滤的生化混合污泥含水率下降了5.8%。

(3)将絮凝类的助滤剂与介质类的助滤剂组合使用,此工艺方法易于实现,工艺过程简单,能广泛应用于污水厂生化混合污泥的助滤脱水过程中。