衛(wèi)麗，白天添，馬赫，馮國(guó)紅

(1.山西新科聯(lián)環(huán)境技術(shù)有限公司，山西 太原 030009；2.山西科城環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新研究院，山西 太原 030009；3.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原 030024)

近年來(lái)，隨著城市和工業(yè)的發(fā)展，污水污泥的產(chǎn)量急劇增加，給環(huán)境帶來(lái)日益嚴(yán)重的污染。污泥具有含水率高、有機(jī)質(zhì)含量高、比重低等特點(diǎn)。污泥中的EPS通過(guò) —COOH、—OH等親水官能團(tuán)，提供了強(qiáng)大的內(nèi)聚力，將無(wú)機(jī)顆粒和微生物細(xì)胞有機(jī)的連接在一起，并附著于微生物細(xì)胞表面，形成了與海藻酸相似的類(lèi)凝膠生物膠體結(jié)構(gòu)，屬于典型的軟固體類(lèi)凝膠材料[1-6]，不經(jīng)預(yù)處理很難脫水[7-11]。

本文對(duì)城市污泥過(guò)濾壓榨脫水，以過(guò)濾壓榨脫水效率、濾餅固相質(zhì)量含量、適宜的濾室厚度等為指標(biāo)，深入的分析污泥調(diào)理劑聚合氯化鋁(PAC)改善污泥脫水性能的最佳操作條件，進(jìn)一步指導(dǎo)工業(yè)實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

城市污泥，取自于中國(guó)淄博某市政污水處理廠臥螺離心機(jī)設(shè)備，含水率80%左右，pH值6.8；聚合氯化鋁(PAC)，分析純。

過(guò)濾壓榨實(shí)驗(yàn)裝置，自制；WB3000-D機(jī)械攪拌器；66605J-3EB氣動(dòng)隔膜泵；TC10k電子天平；FXB 101-1恒溫烘箱等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

過(guò)濾壓榨實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由圓形濾室、活塞、推桿、進(jìn)料泵、液壓站等組成。其中濾室、進(jìn)料口和出料口直徑分別為17.5，1 cm和0.6 cm，采用750B濾布進(jìn)行過(guò)濾壓榨實(shí)驗(yàn)。

污泥加水稀釋至一定濃度，以保證過(guò)濾壓榨脫水實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。聚合氯化鋁用去離子水溶解，配制成濃度為30 g/L的溶液，倒入稀釋的污泥懸浮液中，采用機(jī)械攪拌器，以250 r/min攪拌2 min，促進(jìn)污泥顆粒與絮凝劑溶液的充分混合，之后以50 r/min攪拌15 min，使污泥絮體逐漸增長(zhǎng)。利用隔膜泵將污泥懸浮液連續(xù)泵入實(shí)驗(yàn)裝置中，進(jìn)行過(guò)濾壓榨脫水實(shí)驗(yàn)(過(guò)濾壓力為0.6 MPa，壓榨壓力為2 MPa)。利用電子天平稱(chēng)量連續(xù)流動(dòng)的濾液質(zhì)量。過(guò)濾壓榨實(shí)驗(yàn)完畢后，取出濾餅，并用恒溫烘箱烘干濾餅，測(cè)量其含固量。

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)理劑量對(duì)過(guò)濾壓榨脫水理化性能的影響

以過(guò)濾時(shí)間、壓榨時(shí)間、過(guò)濾液量、壓榨液量、固含量等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究聚合氯化鋁用量對(duì)污泥脫水特性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2(a)可知，隨著PAC劑量的增加，過(guò)濾脫水時(shí)間先降低后上升，PAC劑量8%時(shí)，過(guò)濾時(shí)間降到最低99 min，隨后過(guò)濾時(shí)間又稍有增加；而壓榨時(shí)間則隨著PAC的添加而減小，沒(méi)有拐點(diǎn)出現(xiàn)，PAC劑量>4%時(shí)，其變化趨勢(shì)比較緩慢。PAC劑量為8%時(shí)，總脫水時(shí)間最短215 min。由圖2(b)可知，隨著PAC劑量的增加，濾液量逐漸增加，PAC劑量11%時(shí)，濾液量增至最大4 250 mL，而壓榨液量呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。圖2(c)表明，脫水后，濾餅的固含量隨PAC劑量的增加變化不大，處于41%～46%之間。

(a)PAC添加量對(duì)脫水時(shí)間的影響(b)PAC添加量對(duì)濾液量的影響(c)PAC添加量對(duì)濾餅質(zhì)量和固含量的影響(d)PAC添加量對(duì)過(guò)濾比阻的影響圖2 PAC添加量對(duì)脫水過(guò)程的影響Fig.2 Effect of added dosage of PAC on dewatering

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：聚合氯化鋁調(diào)理污泥時(shí)，真正起作用的是由Al3+形成的多核絡(luò)合物，并不是Al3+，因Al3+只能存在于酸性條件下。在非酸性環(huán)境條件下，溶液中Al3+與OH-形成金屬多核絡(luò)合物[Al(H2O)6]3+，由于該絡(luò)合物帶有正電荷，能被吸附在帶有負(fù)電荷的污泥膠體顆粒表面上，使其與污泥顆粒表面上的負(fù)電荷粒子發(fā)生電中合作用，使得顆粒間相互作用形成架橋，導(dǎo)致粒子彼此絮凝成團(tuán)；同時(shí)，析出的不溶性氫氧化鋁將會(huì)包覆在顆粒上，聚集成較大的且結(jié)構(gòu)緊湊的絮體，導(dǎo)致懸浮液的脫水阻力減小，過(guò)濾效率提高。然而隨著PAC劑量的增加，溶液中的[Al(H2O)6]3+逐漸增加到過(guò)量，使得多余的金屬多核絡(luò)合物與已經(jīng)電中和的部分污泥顆粒由原來(lái)帶有的負(fù)電荷轉(zhuǎn)為正電荷，直接導(dǎo)致顆粒之間發(fā)生排斥作用，使已經(jīng)穩(wěn)定的污泥懸浮液顆粒重新散落在污泥體系中，降低了污泥的過(guò)濾脫水性能。

2.2 污泥濃度對(duì)過(guò)濾壓榨脫水特性的影響

城市污泥屬于軟固體物料，壓縮性極高，同時(shí)具有類(lèi)凝膠的性質(zhì)，圖3為PAC的添加量固定為8%時(shí)，懸浮液濃度對(duì)過(guò)濾脫水過(guò)程性能的影響。

由圖3可知，隨著懸浮液固相濃度的增加，過(guò)濾時(shí)間逐漸降低，但降幅較小，濃度從3%增到7%時(shí)，僅由102 min降到88 min(降幅約13.7%)，當(dāng)濃度增至9%時(shí)，過(guò)濾時(shí)間降幅36.2%。而壓榨時(shí)間變化不明顯[圖3(a)]。然而過(guò)濾液量和壓榨液量隨濃度的增加降幅較大，過(guò)濾液量由5 060 mL降至2 300 mL(濃度從3%增到7%)，濃度增至9%時(shí)濾液量降為1 900 mL，降幅約62.5%[圖3(b)]。然而，濾餅質(zhì)量增幅較明顯，由357 g增至541 g (濃度從3%增到7%)，但當(dāng)濃度繼續(xù)增大至9%時(shí)，濾餅重量降低。另外，濾餅的固相質(zhì)量含量基本相同[圖3(c)]。

當(dāng)懸浮液濃度較低時(shí)，相同固相質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的懸浮液較多，因此過(guò)濾液量較多。同時(shí)，濾液濃度較低時(shí)，不利于形成密實(shí)的濾餅結(jié)構(gòu)，因此對(duì)應(yīng)的壓榨液量較大，最終濾餅的質(zhì)量較低。但由于壓榨脫水過(guò)程去除了絕大部分的自由水，而對(duì)污泥中結(jié)合水的去除較少，故最終濾餅的固相含量接近。從生產(chǎn)能力方面比較，懸浮液濃度為7%時(shí)，其最終得到的濾餅質(zhì)量最大；從生產(chǎn)效率來(lái)看，濃度7%的懸浮液對(duì)應(yīng)的干固相產(chǎn)量為1.262 g/min，濃度9%的懸浮液對(duì)應(yīng)的干固相產(chǎn)量為1.258 g/min，二者幾乎一致。因此，對(duì)于污泥這類(lèi)軟固體體系，其懸浮液濃度并不是越大越好。若生產(chǎn)工藝過(guò)程需要降低生產(chǎn)時(shí)間時(shí)，可調(diào)整懸浮液濃度至9%；當(dāng)追求較高批處理量時(shí)，可將懸浮液濃度調(diào)至7%。

(a)污泥濃度對(duì)脫水時(shí)間的影響(b)污泥濃度對(duì)濾液量的影響(c)污泥濃度對(duì)濾餅質(zhì)量和固含量的影響圖3 污泥濃度對(duì)脫水過(guò)程的影響Fig.3 Effect of sludge concentration on dewatering

2.3 濾室厚度對(duì)過(guò)濾壓榨脫水特性的影響

目前工程中通常將其設(shè)置為35 mm，但對(duì)于軟固體體系，這一厚度是否為最佳的濾室厚度。表1為PAC添加量為8%，濃度為7%的懸浮液在不同濾室厚度下進(jìn)行過(guò)濾壓榨脫水操作的脫水特性(表中標(biāo)注的濾液量為實(shí)際濾液量的1/5)。

表1 濾室厚度對(duì)過(guò)濾壓榨脫水特性的影響Table 1 Effect of filter chamber thickness ondewatering characteristics of filter press

由表1可知，隨著濾室厚度的增加，污泥批處理量增加，但是干固相的產(chǎn)量基本不變，在35 mm和45 mm的厚度下，分別為1.262，1.277 g/min。濾室厚度的增加，提高了污泥在濾室內(nèi)的儲(chǔ)存空間，故批處理量增大，但由于污泥體系的脫水阻力相同，故單位時(shí)間的干固相產(chǎn)量基本不變。另外，隨著濾室厚度的增加，脫水結(jié)束后濾餅的固相質(zhì)量含量從45.7%降低至42.5%，表明較大的濾室厚度不利于濾餅固含量的提高。

3 結(jié)論

(1)聚合氯化鋁能夠顯著改善污泥的過(guò)濾速率和處理能力，最佳PAC添加量為8%。

(2)懸浮液濃度對(duì)污泥這類(lèi)軟固體體系的脫水性能影響較大，若生產(chǎn)工藝要求降低生產(chǎn)時(shí)間時(shí)，可調(diào)整懸浮液濃度至9%；當(dāng)追求較高批處理量時(shí)，可將懸浮液濃度調(diào)至7%。

(3)濾室厚度對(duì)污泥脫水特性的影響不大，但較大的濾室厚度不利于濾餅固含量的提高，為了提高脫水后濾餅固含量，濾室厚度可稍微降低。