水厂排泥水处理系统工艺优化试验研究

巴如虎， 陈静梅， 白雪娟， 姜建伟， 巴 珊， 尹 硕

(1.天津市公用事业设计研究所，天津300100；2.天津中法芥园水务有限公司，天津300121)

水源的变迁必然带来水质的改变，促使净水工艺做出对应的变化。天津市某水厂从2015年开始，将引滦水改为南水北调中线引江水作为饮用水水源后，原水水质发生了很大改变，呈现浊度低、悬浮物少、有机质低的特点。水厂因此调整了混凝剂种类和投加量，排泥水的质和量也随之发生了很大变化，研究排泥水处理系统浓缩、脱水工艺优化十分必要。

笔者以该水厂净水气浮工艺排泥水处理系统为对象，进行工艺优化分析与试验研究，以期获得可供实际生产借鉴的工艺优化参数，提升出泥含固率，提高排泥水系统的处理效率。

1 排泥水处理系统

1.1 工艺流程

该水厂早年建成的排泥水处理系统，设计依据针对以引滦水为代表的低温、低浊、高藻且有机质含量较高的水库水。为了保证污泥浓缩效果，采用两级浓缩工艺，分别为斜管浓缩池和成套气浮浓缩池[1]。该水厂排泥水处理系统工艺流程如图1所示。

图1 排泥水处理系统工艺流程Fig.1 Process flow of sludge water treatment system

1.2 排泥水的组成

送检污泥取自污泥调节池，主要成分含量和占比检测结果见表1。

表1 排泥水的主要成分和占比Tab.1 Main component and proportion of sludge water

由测定结果可知，排泥水中Al2O3、Fe2O3占比较多，与净水气浮工艺投加聚合氯化铝和三氯化铁混凝剂有直接关系，是产泥的主要来源。

1.3 排泥水污泥量计算

有研究表明，净水厂的产泥量通常与原水的SS、投加的混凝剂和助凝剂、色度、pH调节剂等有关。与国内大多数水厂相同，该水厂净水工艺设计产泥量的计算参考《给水排水设计手册》(第3册)以及英国水研究中心编制的《污泥处理指南》中提供的污泥干固体含量计算公式[2]。

英国水研究中心推荐：

DS=Q(SS+0.2C+1.53A+1.9F)×10-6

(1)

式中DS为干泥量，t/d；Q为自来水处理水量，m3/d；SS为去除的原水悬浮物浓度，mg/L；C为去除的原水色度；A为铝盐混凝剂投加量(以Al2O3计)，mg/L；F为铁盐混凝剂投加量(以Fe计)，mg/L。

Cornwell推荐的原水浊度-SS关系为：

SS=bT

(2)

式中b为SS与浊度的相关系数；T为原水浊度，NTU。可以看出，污泥产量与原水的悬浮物浓度(或原水浊度)、加药种类及投加量相关性较大。在原水浊度不高的情况下，b取值为0.7～2.2。饮用水源为引江水后，该水厂原水浊度常年在5 NTU以下，故取b值为1.5，原水浊度保守取值3.0 NTU。则计算公式简化如下：

DS=Q(4.5+1.53A+1.9F)×10-6

依据该水厂2019年引江水水质和净水工艺投药量，计算得出最大污泥干固体量约为8.9 t/d，若离心脱水污泥含固率按13.5%计，则污泥量约为65.9 t/d，与污泥车间生产实报产泥量65.4 t/d相近。而依据引滦水水质计算得出的设计最大污泥干固体量为42.82 t/d[2]，与引江水水质相比差距很大。以2020年4月3日的生产运行数据计算，最大污泥干固体量为5.53 t/d，若离心脱水污泥含固率按13.5%计，则污泥量为41.0 t/d，与生产实报产泥量43.6 t/d相近。

2 分析项目与方法

2.1 分析项目

开展了混凝实验、沉降试验、比阻实验、斜管浓缩中试等，分析指标包括浊度、污泥浓度、含固率等。

2.2 试验装置与仪器

试验装置：透明有机玻璃沉降柱和1座斜管浓缩中试装置。

试验仪器：HI93703-11便携式浊度计，BBS-200C便携式污泥浓度计，MY3000-6D六联混凝试验搅拌器。

2.3 方法

采用重量法测定污泥的含固率，采用布氏漏斗真空过滤法测定污泥比阻，真空度为 380 mm Hg或0.05 MPa。

3 排泥水处理系统优化分析

3.1 处理单元污泥含固率

水厂排泥水处理系统各处理单元污泥含固率监测数据见表2。

表2 各处理单元的污泥含固率Tab.2 Solid content of sludge in each treatment unit %

从表2可知，排泥水处理系统斜管沉淀池进泥(调节池出口)、斜管沉淀池出泥(均衡池)、气浮池出泥和离心机出泥的含固率平均值分别为0.058%、0.25%、1.15%和13.50%，均未达到相应设计值的要求，特别是调节池污泥浓度偏低很多。

从排泥水各处理单元的效能上看，斜管沉淀池的浓缩效率最低，直接影响了后续处理效率。因此，分析现有系统工艺存在的问题，研究新水源条件下排泥水斜管混凝浓缩、PAM絮凝气浮浓缩、脱水性能，筛选适宜的斜管浓缩混凝剂，调整斜管沉淀池、气浮池等设施的运行工况，从而提高出泥含固率很有必要。

3.2 混凝浓缩试验

在整个排泥水处理工艺中，排泥水浓缩是关键，直接影响脱水效果，决定脱水工艺运行成本[3]。基于水厂排泥水质轻、不易沉降的特性，试验研究了斜管加药混凝沉降性能和浓缩工艺参数。

试验所用混凝剂取自水厂净水气浮处理工艺所用三氯化铁(以下简称铁盐)和聚合氯化铝(以下简称铝盐)，铁盐密度为1.46 kg/m3，含量为43%；铝盐密度为1.2 kg/m3，含量为10%。

3.2.1单一混凝剂试验

当采用单一混凝剂进行试验时，向初始污泥浓度为2.32 g/L的排泥水中分别投加20，30，40,50和60 mg/L的三氯化铁，上清液浊度为0.93，0.67，0.80和0.75 NTU；向初始污泥浓度为2.32 g/L的排泥水中分别投加20，30，40，50和60 mg/L的聚合氯化铝，上清液浊度为1.11，1.11，1.07，0.92和0.85 NTU。 铁盐混凝剂较铝盐的混凝效果更好，且投加量较少。试验中发现，混凝形成的絮体松散细小，沉速较慢。

3.2.2组合混凝试验

有研究表明：当混凝剂形成的絮粒细小松散，不易沉淀时，活化硅酸可通过吸附架桥作用将絮粒连接起来，从而增大絮凝体的尺寸和密度，提高沉淀效果[4]。对初始污泥浓度为4.94 g/L的排泥水，选取活化硅酸作为助凝剂(投加量为混凝剂投加量的1/3～1/2)，分别与三氯化铁、聚合氯化铝组合进行混凝试验，结果见表3。可以看出：活化硅酸与铁盐组合较与铝盐组合的混凝效果更好且投加量少，因此后续试验中采用铁盐作为混凝剂。

表3 排泥水组合药剂混凝试验Tab.3 Coagulation test of sludge water with combination agent

3.3 排泥水沉降试验

3.3.1自然沉降

对排泥水开展自然沉降试验，结果见图2。可以看出污泥初始浓度越低，沉降速度越快，底泥浓度与初始浓度成正相关。

图2 排泥水自然沉降曲线程Fig.2 Natural settlement curve of sludge water

3.3.2混凝沉降试验

对排泥水开展铁盐混凝沉降试验，结果表明初始污泥浓度增大，投药量也要随之加大；底泥浓度随投药量的增加而升高，但污泥界面沉降速度却变慢。污泥初始浓度相同时，组合混凝沉降效果优于自然沉降，且有更高的底泥浓度，如图3所示。

图3 排泥水混凝沉降曲线Fig.3 Settlement curve of sludge water after coagulation

3.3.3最佳投加量

针对不同浓度的污泥，开展最佳投药量试验。采用单一三氯化铁作为混凝剂时，拟合得到最佳铁盐投药量y与排泥水浓度x之间的线性曲线y=9.788 4x+19.863，R2=0.970 5；采用三氯化铁与活化硅酸组合药剂时，拟合得到最佳投药量曲线y=9.788 4x+9.863 2，R2=0.9705。

3.4 排泥水斜管浓缩

3.4.1自然浓缩与混凝斜管浓缩

试验进泥流量为1.0～1.1 m3/h，进泥浓度为0.5～1.8 g/L时，开展自然沉降、三氯化铁混凝沉降(加药量30 mg/L)、组合混凝沉降(20 mg/L三氯化铁+10 mg/L活化硅酸)斜管浓缩试验。从图4可以看出，2种混凝沉降斜管浓缩出泥浓度均高于自然沉降浓缩，取得了良好的污泥浓缩效果。

图4 排泥水斜管浓缩试验Fig.4 Inclined pipe concentration test of sludge water

3.4.2铁盐组合混凝沉降斜管浓缩

① 水力负荷

斜管沉淀池试验装置设计处理水量为1 m3/h，有效体积为1.1 m3，浓缩区有效表面积为0.36 m2。在不同进泥浓度(0.7～2.5 g/L)下，开展混凝沉降斜管浓缩试验。进泥流量为0.8～0.9 m3/h，投加40 mg/L三氯化铁+20 mg/L活化硅酸；进泥流量为1.1～1.2 m3/h，投加20 mg/L三氯化铁+10 mg/L活化硅酸，结果见图5。

图5 进泥流量对组合混凝沉降斜管浓缩效果的影响Fig.5 Influence of sludge inflow on inclined pipe concentration effect of combined coagulation and sedimentation

对比图4.c和图5可知，当进泥流量在1.0～1.1 m3/h时，出水浊度小于5 NTU且出泥含固率较高，达8 g/L以上；当进泥流量在1.1～1.2 m3/h时，虽然出水浊度较好，但出泥含固率不高。试验发现，当进泥流量大于1.3 m3/h时，污泥界面上升较快，运行5 h后出水浊度明显升高，底泥涌起。由此可知，最大进泥流量为1.1 m3/h，且混凝沉降斜管浓缩最大水力负荷为3.0 m3/(m2·h)。

② 固体负荷

以进泥流量为1.0～1.1 m3/h，进泥浓度为1.5～2.5 g/L的排泥水，进行混凝沉降斜管浓缩试验。从图6可以看出，当进泥流量小于1.1 m3/h，进泥含固率在2.0 g/L左右时，每2 h排泥一次，出泥含固率都能达到8 g/L以上，则混凝沉降斜管浓缩最大固体负荷为6.1 kg/(m2·h)。

图6 固体负荷对组合混凝沉降斜管浓缩效果的影响Fig.6 Influence of solid loading on inclined pipe concentration effect of combined coagulation and sedimentation

③ 排泥量

排泥不及时将造成沉淀池内泥位雍高速度加快，出水浊度变大；而过度排泥将导致排泥量增大，排泥浓度降低，增大气浮以及离心脱水机的负荷。根据物料平衡的原则，进入沉淀区的干固量与流出沉淀区的干固量应相等[5]。

试验中发现，当小时排泥量占进泥流量的比例分别为9%、12%和15%时，进泥浓度分别为0.91，0.72和0.64 g/L，出水浊度分别为2.73，2.77和1.58 NTU，总体上逐渐降低；出泥浓度为8.39，5.14和4.34 g/L，随之降低。控制排泥量可保证出泥浓度维持在较高水平。试验得出：单位浓度斜管混凝浓缩小时排泥量宜控制在进泥流量的10%以下。

3.5 排泥水PAM絮凝浓缩优化分析

有研究表明，阴离子聚丙烯酰胺(PAM)的处理效果不及阳离子PAM，但其在经济性和上清液回用安全性方面表现更佳[6]。 试验开展期间，气浮、离心脱水絮凝投药已改用阴离子PAM，因此试验选用阴离子PAM开展絮凝浓缩脱水性能研究。

3.5.1斜管浓缩排泥水气浮PAM絮凝浓缩试验

选取生产斜管浓缩排泥水和中试混凝沉降斜管浓缩排泥水，进行阴离子PAM絮凝浓缩试验。絮凝剂采用AP-160WG型饮水用PAM：分子量，1 645.69万；固含量，90.26%；残余单体，0.006%；溶解时间，45 min；筛余物(1.00 mm)，0.15%；筛余物(180 μm)，90.41%；不溶物，0.05%。

生产斜管浓缩排泥水初始污泥浓度为7.4 g/L，中试混凝沉降斜管浓缩排泥水初始污泥浓度为8.8 g/L，PAM絮凝浓缩试验结果见图7。

图7 PAM絮凝浓缩对底泥浓度的影响Fig.7 Influence of PAM flocculation on sediment concentration

PAM絮凝浓缩试验表明，随着投药量的增大，池底污泥浓度呈增加趋势，上清液浊度小幅度减少，在加药量为3.5或3.0 kg/tDS时，底泥浓度达到最高。继续提高加药量，底泥浓度开始降低，上清液浊度升高。试验结果表明：经加药混凝沉降斜管浓缩后，排泥水阴离子PAM最佳加药量为3.0 kg/tDS，未经加药的斜管浓缩排泥水阴离子PAM最佳加药量为3.5 kg/tDS。

3.5.2排泥水比阻试验

污泥比阻愈大，污泥脱水性能愈差，污泥比阻对水厂生产废水污泥脱水性能的评判并无确定的标准。一般认为，比阻r0.05 MPa<10×1011m/kg的为易脱水污泥，大于100×1011m/kg的为难脱水污泥[7]。

选取生产斜管浓缩排泥水(污泥初始浓度7.4 g/L)、中试混凝沉降斜管浓缩排泥水(污泥初始浓度8.5 g/L)和生产气浮浓缩排泥水(污泥初始浓度12.0 g/L)进行阴离子PAM絮凝比阻测定试验，结果见表5。

表5 浓缩排泥水经阴离子PAM絮凝后的污泥比阻 Tab.5 Sludge specific resistance of concentrated sludge after anionic PAM flocculation

试验显示，未加混混凝剂的生产斜管沉淀排泥水经阴离子PAM絮凝后污泥比阻平均值为9.02×1012m/kg，投加混凝剂的中试斜管沉淀排泥水经阴离子PAM絮凝后污泥比阻最低值为6.4×1012m/kg，经加药混凝处理后斜管沉淀排泥水的脱水性能得到了很大改善；生产气浮排泥水经阴离子PAM絮凝后污泥比阻最低值为5.8×1012m/kg。气浮排泥水絮凝脱水的最佳阴离子PAM投加量为6.0 kg/tDS。

4 结 论

① 投加混凝剂可有效改善排泥水的沉降性能，增投助凝剂能减少混凝剂投加量，进一步降低上清液浊度，增大沉降污泥浓度。

② 排泥水三氯化铁及其活化硅酸组合混凝剂的最佳投药量与污泥浓度呈线性关系。

③ 采用三氯化铁及其活化硅酸组合混凝剂的混凝沉降斜管浓缩池最大水力负荷为3.0 m3/(m2·h)，最大固体负荷为6.1 kg/(m2·h)。

④ 经三氯化铁及其活化硅酸组合混凝处理后，斜管浓缩池排泥水的脱水性能得到了很大改善，经阴离子PAM絮凝浓缩后的比阻值最低为6.4×1012m/kg。气浮浓缩池排泥水经阴离子PAM絮凝后，比阻最低值为5.8×1012m/kg，均介于中等程度过滤脱水比阻值区间。

⑤ 经过加药混凝处理的斜管浓缩排泥水，其在气浮处理阶段的阴离子PAM最佳投药量为3.0 kg/tDS；对于自然沉降的斜管浓缩排泥水，其在气浮处理阶段的阴离子PAM最佳投药量为3.5 kg/tDS。

⑥ 对于离心脱水机进泥，阴离子PAM絮凝剂最佳投加量为6 kg/tDS。