周 振, 陳柳宇, 吳 煒, 周傳庭, 唐建國

(1.上海電力大學, 上海 200090; 2.上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200125)

比阻能綜合反映污泥的脫水性[1-4],但是由于其操作的復雜性,需要較好的配合和較高的操作熟練度,所以往往導致測定結果重現(xiàn)性不佳[5]。同時,脫水指標體系目前缺少標準和規(guī)范的約束[6],不同研究之間的可比性較低。導致測定不準的關鍵在于污泥調(diào)理之后,由于過濾性能過好,使得污泥水被迅速抽干,這樣得到的比阻值易受外界輕微擾動的影響。毛細吸水時間(CST)和濾液過濾時間(TTF)同樣也面臨過濾性能過好帶來測定精度下降的問題。為了解決調(diào)理污泥在測定過程中過濾速度過快導致測定誤差增加的問題,本文針對調(diào)理污泥泥性特點,在藥劑調(diào)理之后對污泥進行高速攪拌的預處理操作。通過進行高速攪拌以破碎大塊的污泥絮體,同時對不同藥劑投加量的調(diào)理污泥進行相同轉(zhuǎn)速下的高速攪拌,以確保不同的脫水性能通過比阻,CST,TTF,粒徑被準確地反映出來,并設置了一系列實驗來驗證高速攪拌預處理能顯著提高比阻,CST,TTF,粒徑測定結果的準確度和重現(xiàn)性。

1 材料與方法

1.1 污泥來源

實驗所用的污泥來自上海市竹園第二污水處理廠,現(xiàn)場取樣后在1 h內(nèi)帶回實驗室進行后續(xù)實驗。該廠主體工藝采用改良型AO法組合工藝,無初沉池,產(chǎn)生的污泥為二級污水處理廠的剩余污泥。該廠的處理規(guī)模為30萬m3/d,干污泥處理量為33.5 t /d,污泥的基本性質(zhì)如表1所示。其中,MLSS為混合液污泥濃度,SV為污泥沉降比。所用的絮凝劑為粉末聚丙烯酰胺(PAM)。

表1 污泥基本性質(zhì)

1.2 實驗方法

污泥調(diào)理:取250 mL污泥,進入一定投加量的PAM溶液后在轉(zhuǎn)速為250 r/min下攪拌30 s,然后在轉(zhuǎn)速為60 r/min下攪拌3 min。調(diào)理后預處理:將調(diào)理后的污泥在轉(zhuǎn)速為500 r/min下攪拌2 min后測定比阻、粒徑和CST。實驗溫度為17 ℃。

1.3 指標測定方法

污泥在ZR4-6六聯(lián)攪拌器內(nèi)進行調(diào)理;比阻和TTF采用TG-250比阻抽濾裝置測定;CST采用Model 304 M測定;粒徑測定采用激光衍射式粒度分布測量儀(SALD-2201,shimadzu),選擇的粒徑范圍為0.01～1 000μm內(nèi)的概率分布情況。

2 結果與討論

2.1 過濾體積對比阻測定的影響

過濾體積會影響污泥在比阻測定初始階段的過濾表現(xiàn),因此許多相關研究在測定比阻時都是采用100 mL的過濾體積。受布氏漏斗和鋪墊濾紙的尺寸限制,過濾體積不宜進一步增大。本文將分析50 mL和100 mL的過濾體積對比阻測定的影響,并設定每噸干污泥投加量為0 kg,0.5 kg,1.0 kg,2.0 kg,4.0 kg PAM。濾紙層數(shù)均為1層。不同過濾體積下污泥的脫水指標變化曲線如圖1所示。

圖1 不同過濾體積下污泥的脫水指標變化曲線

由圖1(a)可知:過濾體積為50 mL時的比阻值波動較大,在每噸干污泥投加量為1.0 kg PAM時下降到最低值,且在每噸干污泥投加量范圍內(nèi)的比阻值均未下降到脫水臨界值以下,而投加高分子混凝劑PAM會顯著改善脫水性能,這與理論知識相悖,且數(shù)據(jù)的總體趨勢不明顯;而過濾體積為100 mL時的比阻值呈現(xiàn)降低的趨勢,數(shù)據(jù)變化幅度較小,趨勢顯著,在每噸干污泥投加量大于0.5 kg PAM時,比阻值小于易于脫水值。由圖1(b)可知:過濾體積為50 mL時的TTF曲線呈現(xiàn)先增后減的趨勢,在每噸干污泥投加量為1.0 kg PAM時達到最大值,而污泥的TTF指的是在真空抽濾的條件下,污泥濾液達到污泥體積一半時所需時間,污泥的脫水性能應隨著PAM投加量的增加而變佳,即污泥的過濾速度應增加,故TTF曲線總體上應有遞減的趨勢,這與50 mL時的TTF曲線不符;而過濾體積為100 mL時的TTF曲線呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢,且趨勢明顯,與理論情況相符。綜合考慮,過濾體積為100 mL時測定的脫水指標相比于50 mL,變化趨勢更容易觀測,變化幅度更小,更穩(wěn)定,且符合理論變化規(guī)律,精確性、可靠性更高。

隨著投加量的增加,比阻、含水率、CST和TTF值都會降低,粒徑值會增大。因此,比阻、含水率、CST和TTF間應呈正相關關系,而粒徑與其他指標之間應呈負相關關系。不同過濾體積下污泥的脫水指標相關性如表2和表3所示。其中,*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關;**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關。由表2和表3可知:過濾體積為50 mL時,各指標間沒有顯著相關性;而將過濾體積增加至100 mL后,4項指標間的相關系數(shù)明顯增加,且TTF和CST與污泥粒徑分別在0.01水平(雙側(cè))、0.05水平(雙側(cè))上顯著相關。

表2 過濾體積為50 mL時污泥的脫水指標相關性

表3 過濾體積為100 mL時污泥的脫水指標相關性

所以綜合比阻值計算的可靠性、脫水指標的整體變化趨勢以及數(shù)據(jù)之間的相關程度,可以判定過濾體積為100 mL時的數(shù)據(jù)可靠性和精確度更高,對脫水效果的分析更具有指導意義。

2.2 過濾阻力對比阻測定的影響

設定每噸干污泥投加量為0 kg,0.5 kg,1.0 kg,2.0 kg,4.0 kg PAM,并在同一投加量下觀察過濾阻力對比阻測定的影響。過濾阻力的大小會影響污泥真空過濾時濾液下降的流量,進而影響比阻值。在全部攪拌的前提下,保持過濾體積為100 mL,通過改變?yōu)V紙層數(shù)分別為1層和2層對比不同過濾阻力對脫水指標的影響,結果如圖2所示。

圖2 不同過濾阻力下污泥的脫水指標變化曲線

由圖2(a)可知:1層濾紙的比阻值總體趨勢是下降的,在每噸干污泥投加量為0.5 kg PAM時,比阻值小于易于脫水值;2層濾紙的比阻值呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢,同樣是在每噸干污泥投加量為0.5 kg PAM時,比阻值小于易于脫水值;兩組數(shù)據(jù)波動幅度較小,變化范圍接近,趨勢明顯。由圖2(b)可知:1層濾紙時的TTF曲線呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢,在每噸干污泥投加量為4.0 kg PAM時達到最小值;2層濾紙的TTF曲線總體呈現(xiàn)遞減的趨勢;兩組數(shù)據(jù)總體趨勢相近,波動幅度較小,說明1層和2層濾紙都能有效表征脫水效果。綜合考慮,1層濾紙時測定的脫水指標與2層濾紙變化趨勢相近,都較為穩(wěn)定且符合理論變化規(guī)律,精確性、可靠性較高,都能有效說明脫水效果。不同過濾阻力下污泥的脫水指標相關性如表4和表5所示。其中,*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關;**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關。

表4 1層濾紙時污泥的脫水指標相關性

表5 2層濾紙時污泥的脫水指標相關性

隨著投加量的增加,比阻、CST和TTF值都會降低,粒徑值會增大,故比阻、含水率、CST與TTF之間應呈正相關的關系,而粒徑與其他指標之間應呈負相關的關系,相關系數(shù)越接近1,說明相關性更好。由表4可知,比阻、CST和TTF與粒徑之間的相關系數(shù)大部分穩(wěn)定在0.9 ± 0.1,相關系數(shù)較高,說明不同指標之間的相關程度高,濾紙層數(shù)對脫水的效果影響不明顯。若考慮到濾紙易破,影響真空度的因素,可選用2層濾紙。

通過上述討論分析,比較比阻值計算的可靠性,脫水指標的整體變化趨勢以及數(shù)據(jù)之間的相關程度可以判定,攪拌后的、過濾體積為100 mL、過濾阻力為1層濾紙(考慮濾紙層數(shù)對脫水效果影響不大,故選擇1層濾紙)的數(shù)據(jù)可靠性和精確度更高,對脫水效果的分析更具有指導意義。

2.3 攪拌對脫水指標測定的影響

污泥取自上海市竹園第二污水處理廠的二沉池剩余污泥并用其自用藥劑調(diào)理。設定每噸干污泥投加量為0 kg,0.5 kg,1.0 kg,1.5 kg,2.0 kg,2.5 kg,3.0 kg PAM,所有污泥調(diào)理后均在500 r/min下攪拌3 min。在同一投加量下觀察攪拌與否對脫水指標的影響。高速攪拌與否處理下污泥的脫水指標變化曲線如圖3所示。

由圖3(a)可知:不攪拌的情況下的比阻呈現(xiàn)出一個先增加后減小的趨勢,數(shù)據(jù)變化幅度較大,變化趨勢不明顯。在每噸干污泥投加量在1.0～2.0 kg PAM范圍內(nèi)時,污泥比阻值大于脫水臨界值,隨后比阻快速下降,在每噸干污泥投加量大于2.5 kg PAM時,污泥比阻值小于易于脫水值;而攪拌條件下的比阻總體呈現(xiàn)遞減的趨勢,數(shù)據(jù)變化幅度較小,變化趨勢顯著。當每噸干污泥投加量達到1.5 kg PAM時,比阻值小于易于脫水值,當每噸干污泥投加量超過2.5 kg PAM時,比阻又呈現(xiàn)上升的趨勢。這可能是由于PAM投加量過大,污泥顆粒被包裹其中,無法與其他顆粒絮凝形成大顆粒沉淀,從而影響脫水性能。

由圖3(b)可知:不攪拌的情況下TTF值先快速下降至2 s,然后趨于穩(wěn)定,當每噸干污泥投加量大于2.0 kg PAM時,TTF曲線繼續(xù)上升,數(shù)據(jù)總體變化幅度較大,趨勢不穩(wěn)定;而攪拌后的TTF曲線呈單調(diào)遞減的趨勢,數(shù)據(jù)的變化趨勢更明顯,變化幅度較小。王蓉[7]在化學混凝污泥脫水性能研究中投加絮凝劑后也得到相近的趨勢曲線。

由圖3(c)可知:不攪拌的情況下的CST曲線波動明顯,變化趨勢不穩(wěn)定,測量的誤差較大;而攪拌后的CST曲線總體呈遞減的趨勢,數(shù)據(jù)變化幅度較小,測量誤差較小。

由圖3(d)可知:不攪拌的情況下粒徑增長梯度較大,在每噸干污泥投加量為2.0 kg PAM時達到最大值,測量誤差較大;而攪拌后的粒徑增長梯度較小,變化幅度較緩慢,在每噸干污泥投加量達到3.0 kg PAM時達到最大值,數(shù)據(jù)測量誤差較小。綜合考慮,攪拌后測定的脫水指標相比于攪拌前,變化趨勢更容易觀測、更穩(wěn)定,變化幅度更小,且符合理論變化規(guī)律,精確性、可靠性更高。高速攪拌與否處理下污泥的脫水指標相關性如表6和表7所示。其中,**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關。

由表6和表7可知:調(diào)理污泥攪拌預處理后,污泥比阻與CST和TTF與粒徑間的相關性顯著提高,未攪拌預處理的污泥各項指標間沒有顯著相關性;另一方面,不攪拌的情況下比阻與粒徑的數(shù)據(jù)呈正相關,然而污泥粒徑越大,污泥應更容易脫水,顯然該結論與實際情況并不相符,而攪拌預處理后污泥比阻與粒徑間呈顯著負相關,與實際情況相吻合。因此,綜合比阻值計算的可靠性、脫水指標的整體變化趨勢以及數(shù)據(jù)之間的相關程度可以判定,調(diào)理污泥進行攪拌預處理后的數(shù)據(jù)可靠性和精確度更高,對脫水效果的分析更具有指導意義。

圖3 高速攪拌與否處理下污泥的脫水指標變化曲線

表6 不攪拌時污泥的脫水指標相關性

表7 高速攪拌后污泥的脫水指標相關性

3 結 論

(1)過濾體積為100 mL時測定的脫水指標相比于50 mL時,變化趨勢更容易觀測,變化幅度更小,更穩(wěn)定,且符合理論變化規(guī)律,精確性、可靠性更高。比較比阻值計算的可靠性、脫水指標的整體變化趨勢以及數(shù)據(jù)之間的相關程度可以判定,攪拌后的過濾體積為100 mL、過濾阻力為1層濾紙時的數(shù)據(jù)可靠和精確度更高,對脫水效果的分析更具有指導意義。

(2)未經(jīng)攪拌的調(diào)理污泥比阻隨著投加量的增加先升后降,數(shù)據(jù)波動很大,變化趨勢與污泥調(diào)理的實際規(guī)律并不吻合,污泥特性表征誤差較大;高速攪拌后,調(diào)理污泥比阻隨著投加量的增加呈減趨勢。未經(jīng)攪拌的調(diào)理污泥CST值隨著投加量的增加波動明顯,測定誤差較大;而攪拌后調(diào)理污泥CST值隨著投加量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢,數(shù)據(jù)波動較小。調(diào)理污泥的攪拌預處理操作能夠提高測定結果的可靠性和精確性,泥性測定更能反映實際規(guī)律。