炭粉骨架構(gòu)建對氣浮污泥濃縮脫水的影響

汪東東，李榮寨

(杭州傳化精細化工有限公司，浙江 杭州 311215)

0 引言

水廠運行過程中會產(chǎn)生大量含水率極高的污泥通常為90%以上，污泥散發(fā)有臭味、易腐敗、不穩(wěn)定等特點。若不加處理任意排放，將造成嚴重的二次污染[1]。目前，國內(nèi)污水處理廠一般采用聚丙烯酰胺(PAM)、環(huán)氧氯丙烷二甲胺共聚物等陽離子高分子絮凝劑，聚合硫酸鐵、聚氯化鐵、聚合氯化鋁等無機絮凝劑或者有機無機絮凝劑聯(lián)合使用等化學方式提升污泥濃縮效果，降低污泥含水率，在一定程度上實現(xiàn)了污泥減量化，但沒有徹底解決污泥濾水通道問題。而物理調(diào)理劑煤質(zhì)炭粉本身不具有絮凝性能，是利用煤質(zhì)炭粉的吸附作用改善污泥絮凝，在污泥中形成透水、剛性的晶體結(jié)構(gòu)，在沉降濃縮脫水過程中起到骨架結(jié)構(gòu)作用使污泥保持較高的滲透性[2-3]。通過聚丙烯酰胺(PAM)吸附架橋網(wǎng)捕能力進一步增強一次污泥濃縮效果，減少后續(xù)二次脫水能源消耗，提高污泥的熱值，增加二次濃縮污泥資源化利用價值。

本實驗以浙江某工業(yè)園區(qū)內(nèi)印染廢水深度處理工藝段—高效淺層混凝氣浮段污泥為研究對象。園區(qū)內(nèi)氣浮污泥現(xiàn)有處理工藝為重力濃縮法，將化學混凝產(chǎn)生的化學污泥浮渣通過重力作用使泥水實現(xiàn)完全分離(水力停留時間HRT: 4 h)，一次濃縮污泥再通過管道輸送至臥式離心機進行二次減量后，送至熱電廠進行進一步處置。但污泥熱值往往不高，給焚燒發(fā)電廠帶來極大的能源消耗，還有燃燒不充分產(chǎn)生的二噁英等致癌物對環(huán)境的污染問題需要關(guān)注。本文著重論述了煤質(zhì)炭粉增強聚丙烯酰胺絮凝沉淀工藝以提高污泥濃縮效果，為其后續(xù)工藝升級改造提供基礎數(shù)據(jù)。

1 實驗方案設計

1.1 實驗裝置

ZR4-6混凝試驗攪拌機；1000 mL量筒；BSM220.4電子天平；電熱恒溫鼓風干燥箱；哈希DRB200消解器；SHZ-D(Ш)循環(huán)水真空泵；哈希DR1900分光光度計；哈希COD試劑。

1.2 實驗材料

氣浮污泥取自紹興某污水處理廠深度處理段高效淺層氣浮污泥，具體如表1所示。

表1 氣浮污泥各項指標

實驗藥劑：聚丙烯酰胺(市售)、煤質(zhì)炭粉(市售)。

1.3 實驗方法

將氣浮污泥倒入1000 mL混凝專用杯中，利用ZR4-6混凝試驗攪拌機進行混合攪拌，先以300 r/min速度快速攪拌30 min，再以150 r/min攪拌20 min，最后以90 r/min緩慢攪拌10 min。攪拌完成后，將混合物倒入1000 mL量筒中。觀察污泥絮凝效果、沉淀時間，通過哈希儀器測量上清液COD數(shù)據(jù)，借助抽濾、烘干手段分析泥餅含水率。

1.3.1 PAM不同投加量氣浮污泥濃縮效果比較

往1000 mL污泥中分別加入不同量0.1%濃度PAM，按實驗方法進行實驗，結(jié)束后記錄濃縮效果，觀察礬花顆粒大小及上清液透明程度。

1.3.2 炭粉不同投加量氣浮污泥濃縮效果比較

往1000 mL污泥中分別加入不同量炭粉，按實驗方法進行實驗，結(jié)束后記錄濃縮效果，觀察上清液透明程度，利用哈希設備檢測上清液COD數(shù)據(jù)。

1.3.3 炭粉增強PAM氣浮污泥濃縮效果比較

0.1 %濃度PAM與加入3 g/L炭粉的0.1%濃度復合PAM做對比實驗，分別稱取1000 mL污泥倒入混凝專用杯中，隨后分別加入10 mg/L配制好的絮凝劑，按既定程序開始攪拌，結(jié)束后記錄濃縮效果。同時觀察礬花顆粒大小及上清液澄清狀況，靜沉30 min后取一定量上清液測定COD并做好記錄。

為進一步分析比較，將炭粉在300 r/min速度快速攪拌時加入，0.1%濃度PAM在150 r/min攪拌加入，結(jié)束后記錄濃縮效果，同時觀察礬花顆粒大小及上清液澄清狀況。如果炭粉在PAM之后加入，因攪拌速度不夠，不能擴散開來，無法比對效果，故這里不做實驗。

1.3.4 炭粉增強PAM泥餅含水率效果比較

往1000 mL污泥中分別加入一定量的PAM和炭粉增強后的PAM做對比實驗，按既定程序開始攪拌，結(jié)束后將上述污泥在0.06 MPa真空度下進行抽濾脫水，將抽濾后泥餅稱重后放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，在103～105 ℃烘干至恒重，計算含水率。

2 分析方法

2.1 沉淀速率的測定

攪拌停止時，觀察污泥沉降過程，待沉降高度從1000 mL下降到400 mL時，記錄沉降時間即可得到沉降速率。

2.2 上清液COD測定

靜沉30 min后，取2 mL上清液至哈希專用試劑管內(nèi)，同步做空白。設置DRB200消解器溫度為165 ℃加熱2 h。消解完成后取出試管空冷至室溫后，放入DR1900分光光度計內(nèi)測量COD。

2.3 泥餅含水率測定

將定量濾紙和坩堝放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，于103～105 ℃烘1 h左右，取出放入干燥器冷卻至室溫，稱其重量。反復烘干、冷卻、稱量，直至兩次稱量差≤0.2 mg，記錄濾紙和坩堝的總質(zhì)量m1。將過濾后的泥餅連同濾紙和坩堝于電子天平中稱量，記錄總質(zhì)量m2，再將其放入烘箱內(nèi)，于103～105 ℃烘4 h左右，取出放入干燥器冷卻至室溫，稱其重量。反復烘干、冷卻、稱量，直至恒重，記錄質(zhì)量m3。根據(jù)式(1)計算泥餅含水率：

式中：W為泥餅含水率(%)；m1為濾紙和坩堝的質(zhì)量(mg)；m2為抽濾后濾紙、坩堝、泥餅的質(zhì)量(mg)；m3為烘干后濾紙、坩堝、泥餅的質(zhì)量(mg)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 PAM不同投加量氣浮污泥濃縮效果比較

PAM不同投加量氣浮污泥濃縮效果如表2所示。

表2 PAM不同投加量氣浮污泥濃縮效果

由表2可知，隨著PAM投加量的增加氣浮污泥沉淀時間逐步縮短且以10 mg/L投加量為沉降速率的分割線，在10 mg/L以內(nèi)時沉淀時間快速縮短，10 mg/L繼續(xù)增加時沉淀時間開始平緩增長。所以，當PAM在10 mg/L時氣浮污泥濃縮效果性價比最高。

3.2 炭粉不同投加量氣浮污泥濃縮效果比較

炭粉不同投加量氣浮污泥濃縮效果如表3所示。

表3 炭粉不同投加量氣浮污泥濃縮效果

通過觀察表3數(shù)據(jù)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)氣浮污泥濃縮沉降時間并不隨炭粉的增加而有所變化，上清液透徹度也無明顯變化，COD隨炭粉增加而逐漸降低。分析原因是炭粉本身比重不大且顆粒較小，因此對沉降性能無影響。COD的降低則是因為炭粉自身豐富的微孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積，具有良好的吸附性能，通過吸附作用降低了氣浮污泥上清液COD。從COD下降情況看，選定炭粉投加量為30 mg/L。

3.3 炭粉增強PAM氣浮污泥濃縮效果比較

炭粉增強PAM氣浮污泥濃縮效果如表4所示。

表4 炭粉增強PAM氣浮污泥濃縮效果

分析表4實驗結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著炭粉的加入氣浮污泥濃縮沉降時間明顯縮短，上清液COD也隨之下降。依據(jù)實驗組分析，加入炭粉、PAM后攪拌后，由于炭粉本身具有的巨大比表面積和PAM具有的吸附架橋網(wǎng)捕能力，形成了大量以炭粉-PAM為凝聚核的網(wǎng)狀絮體結(jié)構(gòu)，促進了氣浮污泥的沉降和濃縮。每噸污泥花費PAM價格為0.3元，每噸污泥花費炭粉價格為0.09元(PAM按每噸30000元計算，炭粉按每噸3000元計算)。

3.4 炭粉增強PAM泥餅含水率效果比較

控制PAM最佳投加量10 mg/L，炭粉投加量30 mg/L，對比炭粉加入后泥餅含水率變化情況，炭粉增強PAM泥餅含水率效果如表5所示。

表5 炭粉增強PAM泥餅含水率效果

分析表5實驗數(shù)據(jù)可知，炭粉的加入可以改善污泥脫水性能，泥餅含水率從80.00%下降至76.00%有利于實現(xiàn)污泥進一步的深度脫水。在污泥脫水實驗中，炭粉的加入由于其本身的剛性晶體結(jié)構(gòu)，減少了污泥堵塞過濾介質(zhì)，提升了濾水通道暢通性。每噸污泥處置費500元，炭粉加入后泥餅重量每噸下降0.17 t，噸污泥處置成本節(jié)省85元，可以明顯降低污泥處置費用。

4 結(jié)論

通過PAM不同投加量氣浮污泥濃縮效果比較實驗，發(fā)現(xiàn)加藥預處理可以顯著提升污泥的沉降性能在投加10 mg/L聚丙烯酰胺時，氣浮污泥沉降時間由原先的4 h縮短至1 h。通過炭粉增強PAM氣浮污泥濃縮效果比較實驗，可以知道炭粉協(xié)同PAM調(diào)理氣浮污泥可以在加藥預處理基礎上進一步改善污泥的沉降性能，氣浮污泥沉降時間從1.00 h縮短至0.82 h分析泥餅含水率變化情況可以看出，炭粉增強PAM可顯著降低污泥重量，降低污泥處置費用，有良好的經(jīng)濟效益。上述結(jié)論表明炭粉協(xié)同PAM調(diào)理氣浮污泥是可行的，可以極大縮短一次氣浮污泥沉降濃縮時間。且炭粉可以作為骨架結(jié)構(gòu)提升后續(xù)二次離心濃縮效果，降低污泥處置費用，提升了干泥的絕對熱值，削減了后續(xù)進一步處理的能源損耗，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可作為后續(xù)工藝升級參考。