污泥脱水实现体积减量是污泥处理处置的关键^[1]。由于污水处理过程中得到的污泥具有高亲水性, 污泥水与污泥固体颗粒间有很强的结合力, 如果没有预先的处理, 即通过化学、物理或者热工方法进行预处理, 则绝大多数的污泥的脱水是非常困难的, 污泥脱水前预处理就是污泥调理。化学调理因其工艺简单、适用广泛, 成为最普遍的调理工艺^[2]。

　　 实现污泥有效脱水的关键在于污泥调理方法、药剂选择、药剂用量和相适应的脱水机类型选择^[3~4]。对于包括调理在内的整个污泥脱水过程来说, 污泥性质、污泥调理、机械脱水方式是相互影响、相互关联的;而化学调理药剂的类型和投加量又直接影响着脱水后污泥和污泥水 (机械脱水设备的出水) 的品质, 从而影响脱水污泥的后续处理、处置及污泥水的处理。国内已有实际案例证明, 由于在调理时投加了较多的化学药剂, 导致污泥水的碱度大幅度降低, 给处理带来困难^[5]。所以选择调理方法、调理药剂、投加量和脱水机时, 不但要充分考虑污泥的性质, 还要充分考虑脱水后污泥的后续处理、处置及污泥水的处理及整个系统 (过程) 的投资和成本费用。

　　 但是, 目前对化学调理和污泥机械脱水机型的选择是盲目进行的, 主要体现在:一是化学调理药剂类型的选用没有与泥性是否得到有效改善结合起来, 药剂类型选择是盲目的;二是药剂投加量没有与泥性改善的最佳效果结合起来, 药剂投加量确定是盲目的;三是脱水机选择没有与污泥泥性特别是化学调理后的泥性变化情况结合起来, 脱水机机型选择是盲目的。

　　 衡量污泥脱水性能的指标主要有比阻 (SRF) 和毛细吸水时间 (CST) ^[6,7]。污泥经调理后泥性会发生很大变化, SRF和CST也会发生变化。另外, 目前尚缺乏标准化操作流程, 所有的相关脱水性能指标的测定尚缺少标准与规范的约束。

　　 针对上述问题, 笔者结合多座污水处理厂改造和新建工程设计的需要, 开展了污泥脱水性能的系统研究。

　　 SRF是指单位质量的污泥在一定压力下过滤时, 在单位过滤面积上产生的阻力, 即单位过滤面积上, 单位干重滤饼所具有的阻力。污泥比阻越大, 过滤性能越差。比阻是表示污泥过滤特性的综合性指标, 对带式脱水机和板框压滤机这类以过滤为主要脱水方式的脱水机有比较好的指示作用。但是, 比阻的测定工作量大, 操作复杂, 人为影响因素大, 重复性差等。一般比阻低于9.8×10¹² m/kg则可视为有较好的脱水性能, 比如新鲜的初沉污泥, 其比阻为10¹¹~10¹³ m/kg, 新鲜的剩余污泥为10¹²~10¹³m/kg, 消化良好的污泥为10¹⁰~10¹¹ m/kg。

　　 另外, 污泥过滤时间 (TTF) 也能较好地表征污泥脱水性, 它是指滤液体积达到污泥体积一半时所需的过滤时间^[8], 可以从SRF的操作过程中获得, 与SRF有一定的相关性。

　　 CST是指未脱水污泥在吸水滤纸上渗透一定距离所需要的时间。毛细吸水时间越长, 脱水性能越差, 它是表征离心脱水效果的指标。一般毛细吸水时间小于20s, 则脱水性能较好。

　　 多数污泥比阻和毛细吸水时间也有较好的相关性, 反映的脱水性能变化规律往往能达到一致。

　　 试验污泥来自上海4座污水处理主体工艺各异的城镇污水处理厂, 其污水处理工艺和污泥特性见表1。其中, D污水处理厂是二沉池的剩余污泥, 其余3座污水处理厂均是污泥重力浓缩后污泥。

　　 由于化学调理后污泥形成絮团, 泥水分层明显, 呈非均质化状态, 给比阻和毛细水时间测定带来很大的影响。因此, 本文提出调理后污泥高速搅拌再进行测定的方法, 并进行了搅拌与不搅拌两种情况下比阻、过滤时间、毛细吸水时间和粒径指标间的相关分析, 以确定该方法的有效性和可靠性。试验证明, 加药调理污泥进行搅拌预处理后的数据可靠性更高, 精确度更高。

　　 取某污水处理厂剩余污泥400mL或浓缩污泥样品置于容器中搅拌混合均匀后, 加入不同种类或不同投加量的PAM后采用六联搅拌机搅拌。调理条件为在200r/min下搅拌30s, 然后在60r/min下搅拌10min。静置10min后污泥采用高速搅拌机在500r/min下搅拌2min, 随后测定相应的污泥比阻、毛细吸水时间和粒径。

　　 MLSS和含水率的测定采用国家标准方法。pH采用HQ30d多参数测定仪 (Hach, 美国) 测定。污泥比阻测定采用章非娟和徐竟成报道的方法^[9]。TTF可在比阻测定过程获得。CST采用304M测试仪 (Triton, 美国) 测定。粒径采用SALD-2201激光衍射式粒度分布测量仪 (Shimadzu, 日本) 。污泥粘度采用DV-I型旋转粘度计 (Brookfield, 美国) 测定。总有机碳 (TOC) 采用Multi N/C3100 (Analytikjena, 德国) 测定。

　　 试验选取了7种不同结构、相对分子质量和阳离子度的聚丙烯酰胺PAM药剂 (表2中a~g) , 研究对污泥脱水性能的影响。在药剂参数对比的基础上, 又对各厂目前使用的药剂h1、h2、h3和h4进行了对比。

　　 调理后污泥脱水性能指标变化见图1。

　　 A污水处理厂各种药剂调理后污泥脱水性能指标变化详见图1a。采用大相对分子质量支链药剂a、c和线性药剂d调理后污泥, 其比阻明显小于小分子质量支链药剂b, 也较中等相对分子质量线性药剂e、f、g小;但是采用小相对分子质量支链药剂b调理后污泥, 其毛细吸水时间最小, 支链药剂a、b、c对毛细吸水时间的改善均优于线性药剂d、e、f、g;各类药剂调理后污泥的粒径明显增大, 其中以线性大相对分子质量的药剂d最为明显;阳离子度对污泥脱水性能指标影响不明显, 但是线性低阳离子度的药剂e, 对脱水性能改善效果最差。该厂目前采用的是中相对分子质量支链药剂h1, 在相同投加量下, 其调理污泥比阻为对比药剂中最低, 毛细吸水时间高于其他对比支链药剂, 粒径为次优。该厂目前采用离心脱水机, 以毛细吸水时间衡量, 建议可采用药剂b。

　　 B污水处理厂各种药剂调理后污泥脱水性能指标变化详见图1b。采用小相对分子质量支链药剂b调理后污泥, 其比阻明显小于大相对分子质量支链药剂a、c和线性药剂d、e、f、g;支链药剂对毛细吸水时间的改善效果明显好于线性药剂;高阳离子度支链药剂c对比阻改善效果较差;大相对分子质量线性低阳离子度药剂d对比阻和毛细吸水时间的改善效果优于其他线性药剂;中阳离子度线性药剂e对比阻和毛细吸水时间的改善效果均最差;除药剂e外, 经调理后, 污泥粒径均得到明显增加。目前该厂采用中相对分子质量支链高阳离子度药剂h2, 在相同投加量下, 相比其比阻、毛细吸水的改善效果最好, 且调理后粒径增加也较高, 该厂采用离心脱水机, 以毛细吸水时间衡量, 选用药剂h2是合适的。

　　 C污水处理厂各种药剂调理后污泥脱水性能指标变化详见图1c。采用小相对分子质量支链药剂b调理后污泥, 其比阻明显小于大相对分子质量支链药剂a、c;除线性药剂f外, 其余线性药剂对比阻改善效果均较好;相比较, 大相对分子质量支链药剂c与中相对分子质量线性药剂g对毛细吸水时间改善效果最好, 且该药剂调理后的污泥粒径也得到明显增加;该厂在用药剂h3为大相对分子质量支链中阳离子度, 调理后污泥比阻较低, 但毛细吸水时间在对比药剂中最高, 污泥粒径最小;该厂采用带式脱水机, 以比阻衡量, 宜采用相对分子质量中阳离子度药剂, 建议采用药剂b。

　　 D污水处理厂各种药剂调理后污泥脱水性能指标变化详见图1d。3种支链药剂对比阻的改善效果接近, 相对药剂b稍好;大相对分子质量低阳离子度线性药剂d对比阻的改善效果大相对分子质量高阳离子度支链药剂c对毛细吸水时间改善效果优于其他支链药剂;中相对分子质量高阳离子度线性药剂f对毛细吸水时间改善好于其他线性药剂;该厂目前采用小相对分子质量高阳离子度支链药剂h4, 在相同投加量下, 其比阻和毛细吸水时间均优于其他药剂, 且污泥粒径最高;该厂采用带式脱水机, 以比阻衡量, 故该厂现采用的药剂h4是合适的。

　　 上述试验可见, 现有污泥脱水和投运前的污泥脱水设施, 有针对性地开展调理药剂选择试验, 对选择适合污泥性质和脱水机的调理药剂具有重要意义。

　　 在药剂选择试验的基础上, 可进行选用药剂的最佳投加量试验。本文现对4座厂在用药剂的最佳投加量试验结果分析如下, 详见图2。

　　 A污水处理厂采用药剂h1, 调理后污泥比阻、毛细吸水时间及粒径变化详见图2a。比阻和毛细吸水时间随着PAM投加量的增加, 呈现总体下降的趋势, 在0~2kgPAM/tDS范围内下降迅速, 后趋于稳定。在投加量分别为4~5kgPAM/tDS时, 污泥比阻和毛细吸水时间开始维持在较低水平, 分别为 (0.21~0.23) ×10¹² m/kg和9.5~9.7s, 证明污泥脱水性能得到较好改善。粒径随着PAM投加量的增加呈上升趋势, 在投加量大于5kgPAM/tDS后趋于不变。

　　 除在变化范围和变化幅度不同外, 其余各厂的采用在用药剂调理后, 其比阻、毛细吸水时间及粒径对应在某投加量时达到最佳, 与最佳值相对应的投加量情况见表3。

　　 高PAM投加量下CST和粒径值趋于稳定, 而污泥比阻却有所回升。这是由于部分PAM残留于调理污泥上清液中, 在过滤时富集于滤纸表面造成过滤阻力增加, 但是实际脱水机所用滤网孔径要大于实验室所用滤纸, 因此在高投加量下比阻测定是有误差的。

　　 除了污泥调理方法外, 污泥脱水的关键还在于脱水机类型的选择。而脱水机选型同样与泥性以及调理后泥性改善情况密切相关。从带式脱水机、板框压滤机和离心机的工作原理看, 污泥比阻和毛细吸水时间分别是衡量其选型的指标。

　　 污泥比阻表征了污泥中水分在真空或者压力状态下通过多孔介质的阻力^[6]。比阻测定过程包括过滤和压滤两个阶段, 与真空过滤脱水过程基本相近, 因此比阻能非常准确地反映污泥的真空过滤脱水性能, 也能比较准确地反映出污泥的压滤脱水性能 (如带式脱水机和板框脱水机) ^[10]。若调理后污泥比阻较毛细吸水时间有较好的改善, 且小于9.8×10¹²m/kg时, 则应选用带式脱水机或板框压滤式脱水机。C和D污水处理厂经调理后, 其比阻接近10¹² m/kg, 所以采用带式脱水机是合适的。

　　 污泥与滤纸接触时, 在毛细管的作用下, 水分在滤纸上渗透1cm长度所需的时间称为毛细吸水时间。因此, CST可视为脱水时间, 并以秒计^[11]。相较于SRF, CST可以较好地反映污泥离心脱水的性能。若调理后的污泥CST较SRF有较好的改善, 且低于20s时, 则应选用离心脱水机。A厂和B厂经调理后, 其毛细吸水时间均低于10s, 两厂采用离心机是合适的。

　　 污泥经PAM调理后会形成较大的不规整絮体, 泥水分层速度快, 难以均匀混合。这造成调理污泥在泥性测定时误差很大。针对该问题, 本文提出了调理污泥高速搅拌后再泥性表征的方法。污泥调理后在500r/min下高速搅拌2min以打散大尺度絮体, 形成均一的污泥混合液。加药搅拌对污泥脱水性能的影响情况, 见图3。

　　 未经搅拌的调理污泥比阻随着投加量的增加先升后降。在1~2kg PAM/tDS范围内, 污泥比阻大于脱水临界值 (9.8×10¹² m/kg) , 随后快速下降, 大于2.5kgPAM/tDS时, 污泥比阻小于易脱水值3.9×10¹² m/kg。数据波动很大, 变化趋势与污泥调理的实际规律并不吻合, 说明污泥特性表征误差较大。高速搅拌后, 调理污泥比阻呈递减趋势, 投加量超过1.5kgPAM/tDS后趋于稳定, 比阻值小于易脱水值, 见图3a。

　　 未经搅拌的调理污泥CST值波动明显, 测定误差较大, 而搅拌后调理污泥CST值呈现递减趋势, 数据波动较小, 见图3b。

　　 搅拌预处理前后污泥脱水指标间的相关分析详见表4。未经搅拌的调理污泥各项指标间没有显著相关性。高速搅拌后, 污泥SRF、CST、过滤时TTF和粒径间的相关性显著提高, 污泥比阻、TTF与粒径在p<0.01水平上显著相关。此外, 未经搅拌的调理污泥SRF与粒径正相关, 这与实际情况不符;而搅拌后污泥SRF与粒径显著负相关, 与实际情况吻合。根据上述分析可知, 调理污泥的搅拌预处理能够提高测定结果的可靠性和精确性。

　　 CST适用于所有的污泥脱水过程, 但要求泥样与待脱水污泥的含水率完全一致, 因为CST测定结果受污泥含水率的影响非常大。

　　 对于离心脱水过程, 近年来研究表明可压缩性能和改进离心指数 (MCI) 是更具有应用前景的指标^[6,12]。特别是MCI, 能够定量离心脱水过程中施加于污泥表面的压力, 进而反映脱水设备对所实施的固液分离过程的影响^[13]。作为一个新型泥性表征指标, MCI还需要进一步评估其用于污泥脱水性能的可靠性。

　　 (1) 在确定污泥调理药剂和投加量之前, 进行药剂选择和相应的最佳投加量试验对提高脱水效果, 降低运行费用无疑都是有益的, 可以有效避免药剂选择和投加量确定的盲目性。

　　 (2) 药剂选型和最佳投加量试验结果对脱水机型的选择无疑也是有益的, 可以有效避免设计选型的盲目性。

　　 (3) 调理后污泥高速搅拌预处理后再进行泥性测定更能反映实际规律, 测定结果的可靠性和精确性更高, 这也说明调理过程中药剂与污泥进行充分混合是必要的。

　　 (4) 化学调理是污泥脱水前调理的重要预处理过程, 其调理有效性直接影响着污泥的脱水效率, 所以应加强相关污泥脱水性能指标、规范的测定方法研究。