化学混凝污泥成分分析及脱水机理研究——东莞樟村水质净化厂处理东莞运河水后的污泥实验研究

王 蓉

（广东纺织职业技术学院，广东佛山 528000）

樟村水质净化厂采用一级加药强化处理工艺处理东莞运河河水，加入药剂聚氯化铝（PAFC），聚丙烯酰胺（PAM）.首期处理能力为260万吨/天，日产生含水率为80%的污泥为800吨左右.处理后的水回流到东莞运河，污泥经脱水处理后外运填埋.由于东莞运河中混有工业废水，生活污水和初雨水，水质复杂，而本实验所研究的对象为一级化学混凝强化处理后的污泥，即污泥的大部分组成应是加入化学药剂之后所产生的化学沉淀，所以这些污泥并非普通的活性剩余污泥，而是化学混凝污泥.

1 化学混凝污泥成分分析

1.1 泥样成分检测

污泥中各种成分的组成与含量，是分析污泥污染程度和进行脱水处理的基础.而污泥的性质随着季节、污水污染物种类等的不同，各种组分含量也不尽相同，但短时间内的各种成分的组成和含量变化不大.因此在试验过程中，分别在不同时间抽样进行了各种成分的检测.检测结果见附表1.

1.2 与其他种类污泥比较结果及分析

有比较才有鉴别.现将樟村水质净化厂污泥的成分检测结果与其他种类污泥进行了几个方面的比较，从表中我们可以看出此种污泥和其他种类污泥在基本理化成分、植物养分比较、燃烧值几个方面的不同之处，分别见附表2、附表3、附表4.

在基本理化成分上，从附表2可以看出，化学混凝污泥的pH值呈弱酸性，而剩余活性污泥和厌氧消化泥在中性左右变化，初沉池污泥酸性较强；含固率较低，稍高于剩余活性污泥，大大低于其它两种污泥；有机物含量在几种污泥中是最低的；固体颗粒密度和比重在几种污泥中最高.由此可以看出化学混凝污泥的组成与其他类型污泥不同，它是以无机物含量为主的污泥，而其他类型污泥基本上是以有机物含量为主.

污水厂污泥含有丰富的植物养分，可转化为植物培植基质（人造表土、土壤调理剂、有机肥等）.污水厂污泥植物养分的组成主要取决于污水水质和处理工艺.污泥中的营养成分是污泥农业资源化利用的主要参数，一般以氮、磷、钾元素的含量来反映污泥中营养成分的多寡.附表3对樟村水质净化厂的化学混凝脱水污泥中的各营养元素的含量与其他类型污泥中各营养元素的含量进行对照分析，该厂污泥中的氮、磷元素含量相对较少，钾元素相对最多，且有机物和腐殖质含量很低，无机物含量很高.

污泥的能量含量可以其燃烧热值来表征，燃烧热值的大小不仅与其燃烧能量转化的效能有关，也是污泥生物与热化学能量转化的依据.城市污水厂产生的各类污泥的热值如附表4所示.显然，就干固体而言，污泥具有较高的能量利用价值，但污泥含水率会“稀释”这种价值，与其他种类污泥相比，化学混凝污泥的燃烧热值过低无法测出，推断其原因应该与该类型的污泥含有大量无机化学药剂沉淀物，有机物含量相对较低有关.

污水厂污泥中所含的毒害物质主要有重金属和有机化合物两类.尽管目前己确定的各类优先有机毒害物均有在污泥中存在的报告，但定量的描述污泥中有机毒害物的分析数据还非常缺乏和不全面.城市污水厂污泥中有害物质的现有分析结果以重金属含量为主.重金属会对作物和土壤产生较大影响，污泥中的重金属含量，主要取决于城市污水中工业污水的比例及工业性质.附表5为农业用污泥重金属含量标准（GB4284-84）及樟村水质净化厂污泥重金属含量的分析结果，对比我国农业部规定的酸性土壤农业用污泥标准，樟村水质净化厂的化学混凝污泥除有铜、锌、镉三项元素超标以外，其他指标均符合标准，因此可以适当考虑作为农业用肥.

2 化学混凝污泥性质对污泥脱水的影响

2.1 化学混凝污泥中各种水分的特点及其分离方法

从微观上说，化学混凝污泥是由大量无机物和有机物混杂在一起的絮凝悬浊液，成分以无机物为主，其中包含一级强化工艺中加入的聚合氯化铝药剂水解所形成的各种形态聚合物，它们与水分子结合紧密，难以分离，以及少量活的或死的微生物胞外聚合物交织在一起形成的网络结构.这些水分较难通过机械方法脱除，因此，机械脱水后的污泥的含水率仍很高.同时，聚合氯化铝水解形成的各种形态聚合物使带有同性电荷的污泥颗粒形成很多微小的絮体，其絮凝作用对污泥脱水有利；但它本身通过选择吸收、官能团电离等作用可以吸附、吸收水分，其高度水合作用又对污泥脱水不利.

对于化学混凝污泥而言，用重力浓缩的方法去除间隙水的效果并不理想，这一点通过前面重力沉降试验的结果可以得到证明，化学混凝污泥加药后静置24小时后其SV值依然高达90%以上，说明其沉降性能不佳，依靠重力沉降的方法分离污泥中的水分将使浓缩池体积庞大且达不到预期效果；而单纯机械脱水只能去除一部分化学混凝污泥中的间隙水，但对于污泥中大量的水分去除效果不理想，这些都是樟村净水厂实际生产运行中存在的问题.

2.2 污泥絮体特性对污泥脱水的影响

几乎所有的研究者都认为，污泥絮体特性与污泥的脱水性能之间有很密切的关系.许多研究证明在污泥脱水中絮体尺寸、密度、结构等都起了重要作用.

聚合氯化铝水解形成的各种形态聚合物对化学混凝污泥絮凝、沉降及脱水性能效果具有相当的影响，化学混凝污泥难脱水的原因之一就在于它的存在.在化学混凝污泥中投加PAM药剂进行调理的目的，就是要使这些分散状态的聚合氯化铝水解沉淀产物在PAM药剂的絮凝作用下形成尺寸较大且密实的絮团，过滤速度得以提高，以利于后续的机械脱水.

取不同PAM药剂在最佳投加量下调理后的污泥，用微生物显微镜观察污泥的絮体结构，如图 6所示（放大倍数为 400）.生物显微镜相片显示：不加药的化学混凝污泥，絮体很小，很分散；加入阳离子型PAM药剂KP208BM后，生成了很明显的絮状物，絮体也很大，孔隙也比较大，絮体比较疏松；加入PAM药剂Z8110后，也生产了很大的絮体，但这种絮体比较密实，絮状物的边界很清晰，有更多水分析出，因而含水率更低.

图6 不同污泥的形态结构

2.3 化学混凝污泥机械脱水的影响因素

1）污泥的种类和性质

污泥的性质将直接影响污泥脱水效果，污泥中污泥颗粒粒径的大小及其分布决定过滤脱水的难易程度和好坏，污泥中的有机物含量及污泥颗粒大小还直接影响化学药剂的投加量.

2）过滤压力

在本次试验中把过滤压力作为了一个考察的重要因素，因为污泥过滤脱水性能越差，会使过滤压力增大，动力消耗增加，从而污泥处理成本提高.因此，污泥过滤脱水时必须选择适当的压力，同时满足处理效果和经济性要求，本次试验结果显示，压力为20 kPa效果最好.

3）混凝剂的种类和投加量

混凝剂的种类和投加量对污泥脱水效果的影响如化学调质部分所述.

4）过滤介质

过滤机械不同，采用的过滤介质也不同.压滤脱水机械中，主要采用织物制品.滤布不同，过滤后，滤饼脱落的难易程度不同.本次试验中最初考虑用樟村净水厂压滤机的滤布作为过滤试验材料，但由于滤布的孔径太大，无法在试验中精确测出结果而用滤纸代替，但在试验条件一致采用滤纸的情况下，用滤纸过滤得出的试验结果同样能适用于用滤布过滤的情况.

2.4 化学混凝污泥化学调质效果的影响因素

1）聚合氯化铝水解和沉淀产物对调节效果的影响

从化学混凝污泥成分的分析可以看出，污泥中有机物成分很少，仅占总量的五分之一，其余约五分之四都是无机物，而铝元素占污泥总量的3.5%，绝大部分的铝应该来自于污水处理过程中投加的聚合氯化铝药剂，这些药剂在反应过程中形成了各种形态的水解产物，通过混凝作用把东莞运河水中的污染物质吸附到自身，并凝聚形成沉淀从污水中分离，这些沉淀便是化学混凝污泥的主要成分，对污泥脱水性能起着决定性影响.

2）污泥种类和性质对调节效果的影响

污泥作为化学调节的对象，其种类和性质直接影响化学调节的效果.本试验研究的污泥不同于剩余活性污泥，其成分和性质的影响前面已经详细讨论，不再赘述.

3）pH对调节效果的影响

pH值影响聚合氯化铝的水解产物形态，在不同pH时，A13+水解物种有很大不同.因Al(OH)3是典型的两性化合物，pH值过高或过低都可使Al(OH)3溶解.

当pH＜4时，Al(OH)3发生下列变化:

即污泥中存在 Al(OH)3沉淀和部分转化成的Al3+离子.

当pH＞9时，Al(OH)3又发生下列变化：

即污泥中存在Al(OH)3沉淀和部分AlO2－离子.[7]

由化学混凝污泥成分的分析可知，东莞樟村净水厂的化学混凝污泥pH值一般保持在6～8之间，由此推测出东莞运河污水的pH值也保持在此范围内，因此污泥中大量成分应是投加聚合氯化铝之后产生的氢氧化铝沉淀以及过量的聚合氯化铝.

4）温度对调节效果的影响

污水的温度过高或过低，影响东莞运河污水的一级强化絮凝工艺中聚合氯化铝的水解作用，从而影响化学混凝污泥的组成和性质.温度过高，混凝剂反应速度加快，形成的絮体细小，调节效果下降；而温度过低，混凝剂的水解反应变慢，影响污泥与混凝剂混合均匀.另外，温度低，污泥的动力粘度（μ）增加，污泥比阻随之增大，从而导致污泥过滤脱水难度提高.以铝盐作混凝剂时，温度低于5 ℃，水解生成的Al(OH)3絮体的过程极慢，调节效果差；10～15 ℃时，生成Al(OH)3絮体是无定形松散体，不易沉淀，一般高于15 ℃时，调节效果较好.

在东莞樟村净水厂试验期间，气温在25～30 ℃内变化，一般在27 ℃左右，远远大于15 ℃，对药剂正常发挥作用没有影响，并且，高温加快了污泥与PAM高分子颗粒之间的布朗运动，更加有利于药剂充分发挥效果.

5）混凝剂的种类和投量对调节作用的影响

PAM药剂的种类和投量不同，对污泥调节效果也不同.在使用高分子混凝剂时，投量过多，以至每个胶体颗粒被包围，使之失去被其它高分子的吸附作用，即吸附架桥作用丧失，胶粒又重新处于稳定状态.这种稳定现象实际上是一种保护作用，导致调节效果明显下降.如果高分子吸附某一胶粒后，伸展的链节未能遇到其它可吸附的胶粒，链节则会折过来，吸附自身，这样使得高分子物质失去了吸附架桥的作用.另一方面，被吸附的微粒失去了被其它高分子吸附的可能性.导致胶体重新稳定，调节作用丧失.

6）搅拌速度和时间对调节效果的影响

在投加混凝剂时，如果搅拌的速度和时间选择适当，可以提高调节效果.反应阶段应慢搅，搅拌速度一般不要超过 100 转/分钟，以 40～80 转/分钟为宜.搅拌时间过短，混凝剂与污泥混合不均，搅拌时间过长，会因搅拌而打碎所形成的絮体.搅拌时间过长或过短，都不利于混凝剂对污泥的调节.

在本次试验中，经过不同搅拌速度和搅拌时间的方案反复对比，最后决定采用玻棒以 180 r·min－1的速度快搅10 S使其充分混合，再以60 r·min－1的速度慢搅20 S让絮团有足够时间聚集结大.

3 小 结

1）本试验的研究对象不是普通的活性剩余污泥，而是一级强化混凝处理工艺处理东莞运河污水所产生的化学混凝污泥，因此首先对化学混凝污泥本身的结构和性质进行了分析和研究，结果表明：污泥试样的pH值为6.5～7.0，含固率为0.6～1.5%，VS/TS为10～20%，热值很低无法测出.与剩余活性污泥等其他类型污泥相比，污泥试样中氮、磷元素含量相对较低，钾元素相对较高，且有机物和腐殖质含量很低，无机物含量很高，并且，除有铜、锌、镉三项元素超标以外，化学混凝污泥中其他指标均符合我国酸性土壤污泥农用标准.总的来说，化学混凝污泥中含有大量聚合氯化铝水解形成的各种形态聚合物，对絮凝、沉降及脱水性能效果具有相当的影响.

2）化学混凝污泥的PAM药剂调理机理进行试验研究的结果表明：机械脱水效果由两个方面因素影响：一是污泥脱水速率，二是污泥的可脱水程度.衡量多种药剂改善脱水性能的效果应全面考虑TTF、过滤速度、滤液浊度、絮体特性及污泥含固率等指标，选择综合效果较好的.各种药剂都有其最佳作用范围，投加量过高或过低都会导致脱水性能的降低；加药后絮团越大的泥样过滤速度越慢，滤液越少，但浊度较低；絮团较小的过滤速度较快，滤液较多，但浊度较大；对比过滤速度曲线和滤液浊度曲线，发现同一种PAM药剂过滤速度最大时对应的投加量不一定就是滤液浊度最低时的投加量；化学混凝污泥投加PAM药剂之后的沉降性能很差，原因与污泥成分有关.

附 表：

附表1 污泥成分检测结果

附表4 燃烧值比较

附表 2基本理化成分比较

剩余活性污泥 6.5-7.5 0.5-1.0 60-80 1.2-1.4 1.0-1.005 - 2.0-3.0 200-500厌氧消化泥 6.5-7.5 5.0-10.0 30-60 1.3-1.6 1.03-1.04 - - 2500-3500化学混凝污泥 6.5-7.0 1.1-1.9 15-25 2.0-2.5 1.04-1.06 - - -

附表3 植物养分比较

附表 5农业用污泥重金属含量标准（mg·kg-1）及东莞樟村水质净化厂污泥的重金属含量

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