调理剂/絮凝剂双元投加工艺对污泥脱水性能的优化

李建芳，凌雪峰，刘 鑫

（1.北京化工大学，中国石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京 100013；2.北京淼赢环境科技有限公司，北京 100028）

我国北方地区的污水处理厂，其污泥脱水性能呈现明显的季节性。从污泥性质的角度而言，冬季低温条件下由于污泥活性降低和表观产率系数提高，使得污泥有机成份比例上升。如常见的A/O、A2/O 工艺[1,2]，污泥 VSS/SS 值夏季一般为 0.60 左右，冬季可高达0.75。低温条件下，污泥具有更高的亲水性，胞外分泌物含有更多的粘性物质，污泥难于压缩、沉降[3]。另外，冬季低温也使得污泥的粘度提高，不利于泥水分离。有研究表明低温（5±2）℃和常温（20±1）℃运行的活性污泥系统的污泥指数分别为 250和65 mL/g，污泥比阻分别为 2.19×1012和1.42×1012cm /g[4]。

目前污水处理厂广泛采用絮凝剂和污泥反应的单元投加工艺。单元投加工艺下，污泥脱水工艺冬季运行效率低下，脱水设备的处理能力大幅度降低，泥饼含固率和固体回收率下降。如果能在絮凝剂投加之前，用高效调理剂和污泥预先进行反应以改善污泥性质，从而形成“调理剂/絮凝剂”的新型双元投加工艺，将为改善冬季污泥脱水效率低下的现状提供一种解决方案[5,6]。

1 材料和方法

1.1 污泥来源和性质

污泥样品采自北方某污水处理厂剩余污泥储池。该厂采用AO除磷工艺，日均处理水量11万m3，剩余污泥含固率为0.95%。剩余污泥进入浓缩脱水一体机之前进入污泥储池，为防止磷的释放，储池内进行曝气。

1.2 试验药剂

絮凝剂：普立清（Praestol）655BC－S，为带式压滤机专用阳离子型聚丙烯酰胺干粉絮凝剂，分子量为800万Da左右。

调理剂：主要成分为小分子量阳离子型聚合电解质，分子量为1万Da左右，产品形态为水溶液，有效成分含量为40%。调理剂与污泥的作用机理在于“选择效应”，即优先吸附和絮聚污泥中的絮凝剂，捕捉效率较低的细小组分如胞外多糖、蛋白胶体、细小菌胶团[7]。通过调理剂作用之后，污泥的粒径分布趋向均匀，絮体具有更好的强度，有利于脱水过程中保持良好的排水通道[7]。

其中调理剂、絮凝剂的投配率均指活性物质的投配率而非产品的投配率，DS表示剩余污泥中固体的含量。

1.3 污泥动态滤水和压滤脱水过程模拟

污泥动态滤水过程模拟：过滤介质采用415 μm不锈钢网。取600 mL污泥，加入到反应罐中，加入调理剂或絮凝剂，匀速搅拌一定时间。而后过滤网开关阀通过程序控制自动打开，污泥絮团中泥水通过不锈钢网进行分离。程序对滤出水重量进行在线检测，实时绘制动态滤水曲线，滤水总质量达到550 g或滤水时间达到40 s，分离过程结束。

污泥压滤脱水过程模拟：取2.0 L搅拌均匀的污泥，依次加入一定量的污泥调理剂和絮凝剂，倾倒混合均匀，形成稳定絮团之后迅速倒入模拟机测试杯。开启模拟机，记录10 min的滤液体积及总滤液量，待压滤结束后，测量滤液中的悬浮固体量、泥饼干度、泥饼厚度，计算固体回收率。

1.4 试验仪器

粘度测定：Bookfield 03粘度计；含固率测定：Satorius水分测定仪MA 45。

2 结果与讨论

2.1 单元投加工艺

如图 1，在 4～6 kg/tDS 的投配率范围内，泥水分离速率与絮凝剂投配率成正比，如再提高投配率至7 kg/tDS，分离速率反而略有下降，这表明单元投加工艺絮凝剂的最佳投配率为6 kg/tDS。

图1 不同絮凝剂投配率下污泥的动态滤水曲线Fig.1 Curve of Sludge Dynamic Filtration under Different Flocculant Dosage Ratio

2.2 双元投加工艺

2.2.1 双元投加工艺对动态滤水过程的影响

设计的“调理剂/絮凝剂”双元投加工艺中，调理剂以1.5 kg/tDS的投配率和污泥预先反应45 min，然后加入投配率为4或6 kg/tDS的絮凝剂，对比单元投加工艺的滤水曲线，如图2所示。由图2可知相对于只投加4 kg/tDS絮凝剂，预先投加调理剂能显著提高污泥絮团的滤水速度，即使与单元投加工艺中的最佳絮凝剂投配比6 kg/tDS絮凝剂的动态滤水曲线比较，仍然可以看出“调理剂/絮凝剂”双元投加工艺的滤水速率更快。

图2 双元投加工艺的污泥动态滤水曲线Fig.2 Curve of Sludge Dynamic Filtration under Dual Dosing Processes

“1.5 kg调理剂+6 kg/tDS絮凝剂”滤水曲线中初始最大滤水速率比“1.5 kg调理剂+4 kg/tDS絮凝剂”显著降低，甚至比“6 kg/tDS絮凝剂”的单元投加方案还低。这显示双元投加工艺调理剂和絮凝剂投配率分配比例可以进行优化以得到最佳的泥水分离速率。

2.2.2 双元投加工艺对污泥压滤过程的影响

与“6 kg/tDS絮凝剂”相比，“1.5 kg调理剂+6 kg/tDS絮凝剂”双元投加方案对污泥压滤脱水过程有显著的改善，固体回收率从89.2%提高到98.9%，泥饼含固率从15.6%提高到16.9%。另外试验过程中还发现，应用双元投加工艺压滤得到的泥饼厚度较单元投加工艺略有增加。

冬季污泥脱水，由于污泥脱水性能下降，絮团抗压性较差，表现为压滤脱水机工作过程中常出现“跑泥”现象。污泥调理剂的使用能有效提高絮团强度，减少压滤段的“跑泥”现象，从而提高压滤机单位时间内的污泥处理能力。

2.3 双元投加工艺的优化

2.3.1 调理剂反应时间的优化

双元投加工艺与传统单元投加工艺的差别主要在于调理剂的投加。根据污泥脱水工艺流程，调理剂的投加可以考虑两种可能的方式。一是投加在污泥调节池（污泥储池），其中有搅拌器可保证调理剂和污泥的均匀混合和反应，工艺正常运行时其污泥停留时间一般为1 h左右；二是直接投加在污泥螺杆泵进口端，利用螺杆泵本身的转子对调理剂和污泥进行混合，该种方式污泥管路反应时间很短，一般在30 s以内。

分别设定调理剂反应时间为45和0.25 min，按“1.5 kg调理剂+4 kg/tDS絮凝剂”和“1.5 kg调理剂+6 kg/tDS絮凝剂”两种投加方案进行试验，其滤水曲线如图3所示。“1.5 kg调理剂+4 kg/tDS絮凝剂”和“1.5 kg调理剂+6 kg/tDS絮凝剂”两种投加方案中，在45 min的反应时间时的滤水速率均比其在0.25 min反应时间时的滤水速率显著提高，可见充足的反应时间对滤水速率的重要性。反应时间为0.25 min时，“1.5 kg调理剂+4 kg/tDS 絮凝剂”的双元方案仅比“4 kg/tDS絮凝剂”的单元方案滤水速率略有提高，而进一步提高絮凝剂的投配率至6 kg/tDS时，双元方案对滤水速率甚至有不可忽视的负面影响。

调理剂反应时间还对压滤效果有明显的影响。单元投加工艺下，污泥泥饼含固率约15.6%、固体回收率约89.2%。双元投加工艺“1.5 kg调理剂+6 kg/tDS絮凝剂”方案下，反应时间为45 min时泥饼含固率提高至16.9%，固体回收率提高至98.9%；而0.25 min的快速反应则在泥饼含固率指标上没有改善，固体回收率略有提高为93.2%。

图3 反应时间对滤水速率的影响Fig.3 Influence of Sludge Dynamic Filtration with Reaction time

2.3.2 调理剂/絮凝剂投配率的优化

图4为调理剂/絮凝剂投配率的优化曲线。

图4 调理剂/絮凝剂投配率的优化Fig.4 Optimization of Conditioner/Flocculant Dosage Ratio

由2.1节得到絮凝剂的单元投加工艺最佳絮凝剂投配率为6 kg/tDS。试验设计双元投加工艺中总的药剂投配率为6 kg/tDS，分别改变调理剂和絮凝剂的投加比例，通过滤水性能优化双元投加工艺的投配率。

由图4可知调理剂的投配率在0～3 kg/tDS的范围内，最佳的滤水曲线对应于调理剂的投配率为1 kg/tDS。但随着调理剂继续提高投配率，滤水速率相应下降。调理剂投配率大于2 kg/tDS时，滤水速率与不投加调理剂时相比已显现不出优势。调理剂/絮凝剂的最佳投配率比例为“1 kg调理剂+5 kg/tDS絮凝剂”。

2.4 双元投加工艺在实际污泥脱水工艺中的试验

2011 年冬季，在北方某污水处理厂进行了双元投加工艺的实际运行考查。该厂脱水设备为3台带式浓缩脱水一体机，浓缩段带速比例为50%，压滤段带速比例为85%，滤带张力为3.5×105Pa。

2.4.1 单元投加工艺运行结果

正常的运行条件下，冬季需排放的剩余污泥（以绝干污泥计）应为28 t/d。进入到12月份，曝气池水温很快降低到13℃，污泥脱水性能恶化，带机处理能力从45 m3/h逐步下降到28 m3/h。同期监测了污泥的毛细吸水时间（CST）值，如图5所示。CST值与带机处理能力有明显的负相关关系。按进泥含固率1%计，则脱水机房每小时最大污泥干固处理能力为20.2 t/d，仅为工艺设计要求的72%。同时，“跑泥”和“粘带”现象严重，固体回收率低下。因此剩余污泥来不及排放，并在系统中累积，造成曝气池污泥浓度居高不下，对水区指标（如除磷效率等）容易造成不利影响。

图5 带机处理能力和CST随水温的变化Fig.5 Change of Belt Machine Operation Capacity and CST with Water Temperature

2.4.2 双元投加工艺运行结果

调理剂投加点为污泥储池，投配率为1 kg/tDS，絮凝剂投配率为5 kg/tDS。三台带机平均最大污泥处理流量为33.6 m3/h，处理能力提高20%，如表1所示。

表1 单元投加工艺和双元投加工艺下带机的运行参数Tab.1 Operation Parameter of Belt Machine wnder Single and Dual Dosing Processes

尝试将加药点设置于螺杆泵的吸口端，利用螺杆泵转子本身的转动和管道内湍动作为泥药混合动力，平均反应时间约为15 s。结果表明污泥在平板浓缩段滤水速度下降，浓缩段跑泥严重，无法提高带机处理能力。足够反应时间的必要性在生产试验中得到验证。

3 结论

（1）通过对剩余污泥进行机械浓缩和压滤脱水的过程模拟，表明在投加絮凝剂前预先投加污泥调理剂的双元投加工艺能显著提高污泥的重力滤水速率，提高压滤过程固体回收率及泥饼含固率。

（2）双元投加工艺要求调理剂与污泥有足够的接触时间。“1.5 kg调理剂+4 kg/tDS絮凝剂”和“1.5 kg调理剂+6 kg/tDS絮凝剂”两种投加方案在45 min的反应时间时的滤水速率均比其在0.25 min对应的滤水速率要显著提高。“1.5 kg调理剂+6 kg/tDS絮凝剂”方案下，45 min的反应时间明显将泥饼含固率从15.7%提高至16.9%、固体回收率从89.2%提高至98.2%；而0.25 min的快速反应则在泥饼含固率指标上没有改善，固体回收率略有提高，仅为93.2%。

（3）调理剂/絮凝剂的最佳投配率比例为“1 kg调理剂+5 kg/tDS絮凝剂”。调理剂投配率大于2 kg/tDS时，其滤水速率与不投加调理剂时相比显然没有优势。

（4）按最佳投配率比例的调理剂/絮凝剂双元投加工艺应用于中国北方某污水处理厂的污泥脱水实践，三台带机平均最大污泥处理流量为33.6 m3/h，处理能力提高20%。同时，带机平均固体回收率从84%提高至91%。

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