污泥水解性能測(cè)量對(duì)污泥調(diào)理與水解的重要性分析-給排水雜志

(唐建國(guó)、吳煒、周振、張顯忠、吳志超)

摘要

污泥機(jī)械水解是污泥實(shí)現(xiàn)NaHCO的重要環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵在于污泥調(diào)理方式的可以選擇和水解機(jī)選型。當(dāng)前常用的化學(xué)調(diào)理和污泥機(jī)械水解機(jī)型的可以選擇存在四方面的問(wèn)題：

一是化學(xué)調(diào)理藥劑類(lèi)型的配制；

二是投加藥劑投加量；

三是水解機(jī)機(jī)型可以選擇；

四是來(lái)衡量污泥水解性能主要指標(biāo)比阻（SRF）和毛細(xì)變硬時(shí)間（CST）的測(cè)量尚缺少標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的約束。

通過(guò)一系列對(duì)照試驗(yàn)解決上述問(wèn)題，為設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行提供有效支撐。

1存在問(wèn)題

污泥水解實(shí)現(xiàn)體積NaHCO是污泥處理處理的關(guān)鍵。由于污水處理過(guò)程中獲得的污泥具有高親水性，污泥水與污泥固體顆粒間有很強(qiáng)的融合力，如果沒(méi)有預(yù)先的處理，即通過(guò)化學(xué)、物理或者熱工方法展開(kāi)預(yù)處理，則絕大多數(shù)的污泥的水解是非常困難的，污泥水解前預(yù)處理就是污泥調(diào)理。化學(xué)調(diào)理因其工藝簡(jiǎn)單、適用廣泛，成為最普遍的調(diào)理工藝。

實(shí)現(xiàn)污泥有效水解的關(guān)鍵在于污泥調(diào)理方法、藥劑可以選擇、藥劑用量和相適應(yīng)的水解機(jī)類(lèi)型可以選擇。對(duì)于包括調(diào)理在內(nèi)的整個(gè)污泥水解過(guò)程來(lái)說(shuō)，污泥性質(zhì)、污泥調(diào)理、機(jī)械水解方式是相互影響、相互關(guān)聯(lián)的；而化學(xué)調(diào)理藥劑的類(lèi)型和投加量又直接影響著水解后污泥和污泥水（機(jī)械水解設(shè)備的出水）的品質(zhì)，從而影響水解污泥的后續(xù)處理、處理及污泥水的處理。國(guó)內(nèi)已有實(shí)際案例證明，由于在調(diào)理時(shí)投加了較多的化學(xué)藥劑，導(dǎo)致污泥水的堿度大幅度降低，給處理帶來(lái)困難。所以可以選擇調(diào)理方法、調(diào)理藥劑、投加量和水解機(jī)時(shí)，不但要充分考慮污泥的性質(zhì)，還要充分考慮水解后污泥的后續(xù)處理、處理及污泥水的處理及整個(gè)系統(tǒng)（過(guò)程）的投資和成本費(fèi)用。

但，目前對(duì)化學(xué)調(diào)理和污泥機(jī)械水解機(jī)型的可以選擇是盲目展開(kāi)的，主要體現(xiàn)在：

一是化學(xué)調(diào)理藥劑類(lèi)型的配制沒(méi)有與泥性是否獲得有效提升融合起來(lái)，藥劑類(lèi)型可以選擇是盲目的；

二是藥劑投加量沒(méi)有與泥性提升的最佳效果融合起來(lái)，藥劑投加量確定是盲目的；

三是水解機(jī)可以選擇沒(méi)有與污泥泥性特別是化學(xué)調(diào)理后的泥性變化情況融合起來(lái)，水解機(jī)機(jī)型可以選擇是盲目的。

來(lái)衡量污泥水解性能的指標(biāo)主要有比阻（SRF）和毛細(xì)變硬時(shí)間（CST）。污泥經(jīng)調(diào)理后泥性會(huì)發(fā)生非常大變化，SRF和CST也會(huì)發(fā)生變化。另外，目前尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，所有的相關(guān)水解性能指標(biāo)的測(cè)量尚缺少標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的約束。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者融合多座污水處理廠改造和新建工程設(shè)計(jì)的需要，開(kāi)展了污泥水解性能的系統(tǒng)研究。

2定義與測(cè)量方法

2.1 SRF

SRF是指單位質(zhì)量的污泥在一定壓力下過(guò)濾器時(shí)，在單位過(guò)濾器面積上產(chǎn)生的阻力，即單位過(guò)濾器面積上，單位干重濾餅所具有的阻力。污泥比阻越大，過(guò)濾器性能越差。比阻是表示污泥過(guò)濾器特性的綜合性指標(biāo)，對(duì)帶式水解機(jī)和板框壓濾機(jī)這類(lèi)以過(guò)濾器為主要水解方式的水解機(jī)有比良好的指示作用。但，比阻的測(cè)量工作量大，操作復(fù)雜，人為影響因素大，重復(fù)性差等。一般比阻高于9.8×1012 m/kg則可視為有良好的水解性能，比如新鮮的初沉污泥，其比阻為1011～1013 m/kg，新鮮的余下污泥為1012～1013m/kg，消化良好的污泥為1010～1011 m/kg。

另外，污泥過(guò)濾器時(shí)間（TTF）也能良好地表觀污泥水解性，它是指濾液體積達(dá)到污泥體積一半時(shí)所需的過(guò)濾器時(shí)間，可以從SRF的操作過(guò)程中獲得，與SRF有一定的相關(guān)性。

2.2 CST

CST是指未水解污泥在變硬濾紙上滲透一定距離所需要的時(shí)間。毛細(xì)變硬時(shí)間越長(zhǎng)，水解性能越差，它是表觀Vergt水解效果的指標(biāo)。一般毛細(xì)變硬時(shí)間小于20 s，則水解性能良好。

多數(shù)污泥比阻和毛細(xì)變硬時(shí)間也有良好的相關(guān)性，充分反映的水解性能變化規(guī)律往往能達(dá)到一致。

3材料與方法

3.1試驗(yàn)污泥來(lái)源與性質(zhì)

試驗(yàn)污泥來(lái)自上海4座污水處理主體工藝各異的城鎮(zhèn)污水處理廠，其污水處理工藝和污泥特性見(jiàn)表1。其中，D污水處理廠是二沉池的余下污泥，其余3座污水處理廠均是污泥重力鈾后污泥。

3.2污泥水解性能測(cè)量試驗(yàn)

由于化學(xué)調(diào)理后污泥形成絮團(tuán)，泥水分層顯著，呈非均質(zhì)化狀態(tài)，給比阻和毛細(xì)水時(shí)間測(cè)量帶來(lái)非常大的影響。因此，責(zé)任編輯提出調(diào)理后污泥高速公路烘烤再展開(kāi)測(cè)量的方法，并展開(kāi)了烘烤與不烘烤兩種情況下比阻、過(guò)濾器時(shí)間、毛細(xì)變硬時(shí)間和粒徑指標(biāo)間的相關(guān)分析，以確定該方法的有效性和可靠性。試驗(yàn)證明，加藥調(diào)理污泥展開(kāi)烘烤預(yù)處理后的數(shù)據(jù)可靠性更高，精確度更高。

取某污水處理廠余下污泥400 mL或鈾污泥樣品置于容器中烘烤混合均勻后，加入不同種類(lèi)或不同投加量的PAM后使用六聯(lián)烘烤機(jī)烘烤。調(diào)理?xiàng)l件為在200 r/min下烘烤30 s，然后在60 r/min下烘烤10 min。靜置10 min后污泥使用高速公路烘烤機(jī)在500 r/min下烘烤2 min，隨后測(cè)量相應(yīng)的污泥比阻、毛細(xì)變硬時(shí)間和粒徑。

3.3分析方法

MLSS和含水率的測(cè)量使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。

pH使用HQ30d多參數(shù)測(cè)量?jī)x(Hach，美國(guó))測(cè)量。污泥比阻測(cè)量使用章非娟和徐竟成報(bào)道的方法。TTF可在比阻測(cè)量過(guò)程獲得。CST使用304M測(cè)試儀（Triton，美國(guó)）測(cè)量。粒徑使用SALD-2201激光衍射式粒度分布測(cè)量?jī)x（Shimadzu，日本）。污泥粘度使用DV-I型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（Brookfield，美國(guó)）測(cè)量。總有機(jī)碳（TOC）使用Multi N/C3100（Analytikjena，德國(guó)）測(cè)量。

4結(jié)果分析與討論

4.1調(diào)理藥劑類(lèi)型影響分析

試驗(yàn)選取了7種不同結(jié)構(gòu)、相較分子質(zhì)量和陽(yáng)離子度的聚丙烯酰胺PAM藥劑（表2中a~g），研究對(duì)污泥水解性能的影響。在藥劑參數(shù)對(duì)照的基礎(chǔ)上，又對(duì)阿維茲縣目前使用的藥劑strong、strong、h3和h4展開(kāi)了對(duì)照。

調(diào)理后污泥水解性能指標(biāo)變化見(jiàn)圖1。

A污水處理廠各式各樣藥劑調(diào)理后污泥水解性能指標(biāo)變化參見(jiàn)圖1a。使用大相較分子質(zhì)量支鏈藥劑a、c和線(xiàn)性藥劑d調(diào)理后污泥，其比阻顯著小于小分子質(zhì)量支鏈藥劑b，也較中等相較分子質(zhì)量線(xiàn)性藥劑e、f、g?。坏褂眯∠噍^分子質(zhì)量支鏈藥劑b調(diào)理后污泥，其毛細(xì)變硬時(shí)間最小，支鏈藥劑a、b、c對(duì)毛細(xì)變硬時(shí)間的提升均強(qiáng)于線(xiàn)性藥劑d、e、f、g；各類(lèi)藥劑調(diào)理后污泥的粒徑顯著增大，其中以線(xiàn)性大相較分子質(zhì)量的藥劑d最為顯著；陽(yáng)離子度對(duì)污泥水解性能指標(biāo)影響不顯著，但線(xiàn)性低陽(yáng)離子度的藥劑e，對(duì)水解性能提升效果最差。水泥廠目前使用的是中相較分子質(zhì)量支鏈藥劑strong，在完全相同投加量下，其調(diào)理污泥比阻為對(duì)照藥劑中最低，毛細(xì)變硬時(shí)間高于其它對(duì)照支鏈藥劑，粒徑為次優(yōu)。水泥廠目前使用Vergt水解機(jī)，以毛細(xì)變硬時(shí)間來(lái)衡量，建議可使用藥劑b。

B污水處理廠各式各樣藥劑調(diào)理后污泥水解性能指標(biāo)變化參見(jiàn)圖1b。使用小相較分子質(zhì)量支鏈藥劑b調(diào)理后污泥，其比阻顯著小于大相較分子質(zhì)量支鏈藥劑a、c和線(xiàn)性藥劑d、e、f、g；支鏈藥劑對(duì)毛細(xì)變硬時(shí)間的提升效果顯著好于線(xiàn)性藥劑；高陽(yáng)離子度支鏈藥劑c對(duì)照阻提升效果較差；大相較分子質(zhì)量線(xiàn)性低陽(yáng)離子度藥劑d對(duì)照阻和毛細(xì)變硬時(shí)間的提升效果強(qiáng)于其它線(xiàn)性藥劑；中陽(yáng)離子度線(xiàn)性藥劑e對(duì)照阻和毛細(xì)變硬時(shí)間的提升效果均最差；除藥劑e外，經(jīng)調(diào)理后，污泥粒徑均獲得顯著減少。目前水泥廠使用中相較分子質(zhì)量支鏈高陽(yáng)離子度藥劑strong，在完全相同投加量下，相比其比阻、毛細(xì)變硬的提升效果最好，且調(diào)理后粒徑減少也較高，水泥廠使用Vergt水解機(jī)，以毛細(xì)變硬時(shí)間來(lái)衡量，配制藥劑strong是最合適的。

C污水處理廠各式各樣藥劑調(diào)理后污泥水解性能指標(biāo)變化參見(jiàn)圖1c。使用小相較分子質(zhì)量支鏈藥劑b調(diào)理后污泥，其比阻顯著小于大相較分子質(zhì)量支鏈藥劑a、c；除線(xiàn)性藥劑f外，其余線(xiàn)性藥劑對(duì)照阻提升效果均良好；相比較，大相較分子質(zhì)量支鏈藥劑c與中相較分子質(zhì)量線(xiàn)性藥劑g對(duì)毛細(xì)變硬時(shí)間提升效果最好，且該藥劑調(diào)理后的污泥粒徑也獲得顯著減少；水泥廠在用藥劑h3為大相較分子質(zhì)量支鏈中陽(yáng)離子度，調(diào)理后污泥比阻較高，但毛細(xì)變硬時(shí)間在對(duì)照藥劑中最高，污泥粒徑最小；水泥廠使用帶式水解機(jī)，以比阻來(lái)衡量，宜使用相較分子質(zhì)量中陽(yáng)離子度藥劑，建議使用藥劑b。

D污水處理廠各式各樣藥劑調(diào)理后污泥水解性能指標(biāo)變化參見(jiàn)圖1 d。3種支鏈藥劑對(duì)照阻的提升效果接近，相較藥劑b稍好；大相較分子質(zhì)量低陽(yáng)離子度線(xiàn)性藥劑d對(duì)照阻的提升效果大相較分子質(zhì)量高陽(yáng)離子度支鏈藥劑c對(duì)毛細(xì)變硬時(shí)間提升效果強(qiáng)于其它支鏈藥劑；中相較分子質(zhì)量高陽(yáng)離子度線(xiàn)性藥劑f對(duì)毛細(xì)變硬時(shí)間提升好于其它線(xiàn)性藥劑；水泥廠目前使用小相較分子質(zhì)量高陽(yáng)離子度支鏈藥劑h4，在完全相同投加量下，其比阻和毛細(xì)變硬時(shí)間均強(qiáng)于其它藥劑，且污泥粒徑最高；水泥廠使用帶式水解機(jī)，以比阻來(lái)衡量，故水泥廠現(xiàn)使用的藥劑h4是最合適的。

上述試驗(yàn)可見(jiàn)，現(xiàn)有污泥水解和投運(yùn)前的污泥水解設(shè)施，有針對(duì)性地開(kāi)展調(diào)理藥劑可以選擇試驗(yàn)，對(duì)可以選擇適合污泥性質(zhì)和水解機(jī)的調(diào)理藥劑具有重要意義。

4.2調(diào)理藥劑投加量的影響分析

在藥劑可以選擇試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可展開(kāi)配制藥劑的最佳投加量試驗(yàn)。責(zé)任編輯現(xiàn)對(duì)4座廠在用藥劑的最佳投加量試驗(yàn)結(jié)果分析如下，參見(jiàn)圖2。

A污水處理廠使用藥劑strong，調(diào)理后污泥比阻、毛細(xì)變硬時(shí)間及粒徑變化參見(jiàn)圖2a。比阻和毛細(xì)變硬時(shí)間隨著PAM投加量的減少，呈現(xiàn)總體下降的趨勢(shì)，在0～2 kgPAM/tDS范圍內(nèi)下降迅速，后趨于穩(wěn)定。在投加量分別為4～5 kgPAM/tDS時(shí)，污泥比阻和毛細(xì)變硬時(shí)間開(kāi)始維持在較高水平，分別為(0.21～0.23)×1012 m/kg和9.5～9.7 s，證明污泥水解性能獲得良好提升。粒徑隨著PAM投加量的減少呈上升趨勢(shì)，在投加量小于5 kgPAM/tDS后趨于不變。

除在變化范圍和變化幅度不同外，其余阿維茲縣的使用在用藥劑調(diào)理后，其比阻、毛細(xì)變硬時(shí)間及粒徑對(duì)應(yīng)在某投加量時(shí)達(dá)到最佳，與最佳值相較應(yīng)的投加量情況見(jiàn)表3。

高PAM投加量下CST和粒徑值趨于穩(wěn)定，而污泥比阻卻有所回升。這是由于部分PAM殘留于調(diào)理污泥上清液中，在過(guò)濾器時(shí)富集于濾紙表面造成過(guò)濾器阻力減少，但實(shí)際水解機(jī)所用濾網(wǎng)孔徑要小于實(shí)驗(yàn)室所用濾紙，因此在高投加量下比阻測(cè)量是有誤差的。

4.3泥性對(duì)水解機(jī)可以選擇的影響分析

除了污泥調(diào)理方法外，污泥水解的關(guān)鍵還在于水解機(jī)類(lèi)型的可以選擇。而水解機(jī)選型同樣與泥性以及調(diào)理后泥性提升情況密切相關(guān)。從帶式水解機(jī)、板框壓濾機(jī)和Vergt機(jī)的工作原理看，污泥比阻和毛細(xì)變硬時(shí)間分別是來(lái)衡量其選型的指標(biāo)。

污泥比阻表觀了污泥中水分在真空或者壓力狀態(tài)下通過(guò)多孔介質(zhì)的阻力。比阻測(cè)量過(guò)程包括過(guò)濾器和壓濾兩個(gè)階段，與真空過(guò)濾器水解過(guò)程基本相近，因此比阻能非常準(zhǔn)確地充分反映污泥的真空過(guò)濾器水解性能，也能比較準(zhǔn)確地充分反映出污泥的壓濾水解性能（如帶式水解機(jī)和板框水解機(jī)）。若調(diào)理后污泥比阻較毛細(xì)變硬時(shí)間有良好的提升，且小于9.8×1012 m/kg時(shí)，則應(yīng)配制帶式水解機(jī)或板框壓濾式水解機(jī)。C和D污水處理廠經(jīng)調(diào)理后，其比阻接近1012 m/kg，所以使用帶式水解機(jī)是最合適的。

污泥與濾紙接觸時(shí)，在毛細(xì)管的作用下，水分在濾紙上滲透1 cm長(zhǎng)度所需的時(shí)間稱(chēng)為毛細(xì)變硬時(shí)間。因此，CST可視為水解時(shí)間，并以秒計(jì)［11］。相較于SRF，CST可以良好地充分反映污泥Vergt水解的性能。若調(diào)理后的污泥CST較SRF有良好的提升，且高于20 s時(shí)，則應(yīng)配制Vergt水解機(jī)。A廠和B廠經(jīng)調(diào)理后，其毛細(xì)變硬時(shí)間均高于10 s，兩廠使用Vergt機(jī)是最合適的。

4.4泥性測(cè)量分析存在問(wèn)題探討

污泥經(jīng)PAM調(diào)理后會(huì)形成很大的不規(guī)整絮體，泥水分層速度快，難以均勻混合。這造成調(diào)理污泥在泥性測(cè)量時(shí)誤差非常大。針對(duì)該問(wèn)題，責(zé)任編輯提出了調(diào)理污泥高速公路烘烤后再泥性表觀的方法。污泥調(diào)理后在500 r/min下高速公路烘烤2 min以打散大尺度絮體，形成均一的污泥混合液。加藥烘烤對(duì)污泥水解性能的影響情況，見(jiàn)圖3。

未經(jīng)烘烤的調(diào)理污泥比阻隨著投加量的減少先升后降。在1～2 kg PAM/tDS范圍內(nèi)，污泥比阻小于水解臨界值（9.8×1012 m/kg），隨后快速下降，小于2.5 kgPAM/tDS時(shí)，污泥比阻小于易水解值3.9×1012 m/kg。數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，變化趨勢(shì)與污泥調(diào)理的實(shí)際規(guī)律并不吻合，說(shuō)明污泥特性表觀誤差很大。高速公路烘烤后，調(diào)理污泥比阻呈遞減趨勢(shì)，投加量超過(guò)1.5 kgPAM/tDS后趨于穩(wěn)定，比阻值小于易水解值，見(jiàn)圖3a。

未經(jīng)烘烤的調(diào)理污泥CST值波動(dòng)顯著，測(cè)量誤差很大，而烘烤后調(diào)理污泥CST值呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，見(jiàn)圖3b。

烘烤預(yù)處理前后污泥水解指標(biāo)間的相關(guān)分析參見(jiàn)表4。未經(jīng)烘烤的調(diào)理污泥各項(xiàng)指標(biāo)間沒(méi)有顯著相關(guān)性。高速公路烘烤后，污泥SRF、CST、過(guò)濾器時(shí)TTF和粒徑間的相關(guān)性顯著提高，污泥比阻、TTF與粒徑在p<0.01水平上顯著相關(guān)。此外，未經(jīng)烘烤的調(diào)理污泥SRF與粒徑正相關(guān)，這與實(shí)際情況不符；而烘烤后污泥SRF與粒徑顯著負(fù)相關(guān)，與實(shí)際情況吻合。根據(jù)上述分析可知，調(diào)理污泥的烘烤預(yù)處理能夠提高測(cè)量結(jié)果的可靠性和精確性。

CST適用于所有的污泥水解過(guò)程，但要求泥樣與待水解污泥的含水率完全一致，因?yàn)镃ST測(cè)量結(jié)果受污泥含水率的影響非常大。

對(duì)于Vergt水解過(guò)程，近年來(lái)研究表明可壓縮性能和改進(jìn)Vergt指數(shù)（MCI）是更具有應(yīng)用前景的指標(biāo)。特別是MCI，能夠定量Vergt水解過(guò)程中施加于污泥表面的壓力，進(jìn)而充分反映水解設(shè)備對(duì)所實(shí)施的固液分離過(guò)程的影響。作為一個(gè)新型泥性表觀指標(biāo)，MCI還需要進(jìn)一步評(píng)估其用于污泥水解性能的可靠性。

5結(jié)論

（1）在確定污泥調(diào)理藥劑和投加量之前，展開(kāi)藥劑可以選擇和相應(yīng)的最佳投加量試驗(yàn)對(duì)提高水解效果，降低運(yùn)行費(fèi)用無(wú)疑都是有益的，可以有效避免藥劑可以選擇和投加量確定的盲目性。

（2）藥劑選型和最佳投加量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)水解機(jī)型的可以選擇無(wú)疑也是有益的，可以有效避免設(shè)計(jì)選型的盲目性。

（3）調(diào)理后污泥高速公路烘烤預(yù)處理后再展開(kāi)泥性測(cè)量更能充分反映實(shí)際規(guī)律，測(cè)量結(jié)果的可靠性和精確性更高，這也說(shuō)明調(diào)理過(guò)程中藥劑與污泥展開(kāi)充分混合是必要的。

（4）化學(xué)調(diào)理是污泥水解前調(diào)理的重要預(yù)處理過(guò)程，其調(diào)理有效性直接影響著污泥的水解效率，所以應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)污泥水解性能指標(biāo)、規(guī)范的測(cè)量方法研究。