复合调理剂对城市污泥过滤压榨特性的影响

第28卷第4期高校化学工程学报No.4Vol.282014年8月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesAug.2014文章编号：1003-9015(2014)04-0876-06复合调理剂对城市污泥过滤压榨特性的影响冯国红1,2,谭蔚1,陈晓楠1,刘颖1,贺仲宪3,刘丽艳1(1.天津大学化工学院,天津300072;2.太原科技大学环境与安全学院,山西太原030024;3.浙江金鸟压滤机有限公司,浙江杭州310031)摘要：采用连续进料的实验装置进行城市污泥脱水试验，深入研究了聚合氯化铝和生石灰的添加对城市污泥过滤和压榨特性的影响。结果表明聚合氯化铝的添加有利于形成更大的絮体，生石灰的添加提高了滤饼的渗透性，当聚合氯化铝和生石灰的添加剂量分别为6%和20%(与污泥中干固相的质量比)时，过滤比阻由6.5×1013降至7.9×1012m⋅kg−1，压缩系数由1.4降至0.9。压榨理论分析表明聚合氯化铝和生石灰的添加降低了滤饼的黏性和弹性，提高了滤饼中粒子的蠕变性能，导致主压榨阶段的作用减小(从0.098降至0.017)，而第三压榨阶段的作用增加(从0.159增至0.298)。另外，较高的压榨压力有利于滤饼中粒子的蠕变、结合水的去除以及滤饼固含量增加，但由于结合水的去除速率较慢，较高压榨压力对应于较长的压榨时间。关键词：聚合氯化铝；生石灰；城市污泥；过滤；压榨中图分类号：X705；TQ028.55文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2014.04.029EffectofCompositeFlocculantsonFiltrationandExpressionofMunicipalSludgeFENGGuo-hong1,2,TANWei1,CHENXiao-nan1,LIUYing1,HEZhong-xian3,LIULi-yan1（1.SchoolofChemicalEngineering&Technology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.SchoolofEnvironment&Safety,TaiyuanUniversityofScience&Technology,Taiyuan030024,China;3.ZhejiangGoldenBirdFilterCO.,LTD,Hangzhou310031,China）Abstract:Aseriesofdewateringexperimentswerecarriedoutusinganexperimentalfiltrationdevicewithcontinuousfeedingsystemstostudytheeffectsofaddingaluminumpolychloridandlimeonfiltrationandexpressionofmunicipalsludge.Theresultsindicatethataluminumpolychloridhasadvantageinforminglargerflocs,andlimecanincreasethepermeabilityoffiltercake.When6%and20%（weightpercentage:flocculants/drysolidmassinsludge）ofthetwoflocculantswereusedrespectively,specificresistancestofiltrationandcompressioncoefficientdecreasefrom6.5×1013to7.9×1012m⋅kg−1and1.4to0.9,respectively.Resultsanalysisindicatesthattheelasticityandviscosityofthecakedecreaseafterconditioningandcreepofparticlesincakesbecomesmucheasier,whichleadstolessimportantoftheprimaryexpressionstage(from0.098to0.017)andmoreimportantofthethirdexpressionstage(from0.159to0.298).Withtheincreaseofexpressionpressure,creepofparticlesincakesbecomesmucheasierandmoreboundwatercanberemoved,whichresultsinadriercake.Howevertheboundwaterremovalrateislow,andhigherexpressionpressurecorrespondswithlongerexpressiontime.Keywords:aluminumchloride;lime;municipalsludge;filtration;expression1前言近几十年来，急剧增加的污水处理厂产生了大量的污泥，污泥脱水成为污水处理厂面临的昀严峻问题。污泥的特殊本质(含有大量的细菌、微生物、无机粒子、以及大量的结合水)决定了其脱水十分困难，                                                             收稿日期：2013-07-25；修订日期：2013-12-02。作者简介：冯国红(1981-)，女，河北沧州人，太原科技大学讲师，天津大学博士生。通讯联系人：谭蔚，E-mail：[e-mail]第28卷第4期冯国红等：复合调理剂对城市污泥过滤压榨特性的影响877 图1过滤压榨实验流程图Fig.1FlowchartofthefiltrationandexpressionequipmentPressureCompressedairSlurrySlurryFiltrateFiltratePistonFiltermediumPutterHydraulicsystemDialindicatorBalance不经过任何预处理则几乎无法脱水[1,2]。强化污泥脱水的预处理方法主要包括化学调理和破解预处理，破解预处理包括热处理、冻融处理、碱热处理、超声处理等[3~5]。化学调理包括有机和无机絮凝剂调理，有机絮凝剂(包括聚丙烯酰胺、壳聚糖等)通常用于压力较低的离心分离和带式压滤机中，而无机絮凝剂(包括聚合氯化铝、氯化铁、生石灰等)通常用于高压的板框压滤机中[6]。在众多的预处理方法中化学调理以其成本低，操作简单的优点一直备受各个污水处理厂的青睐。由于污泥具有高可压缩性[7~9]，单纯过滤不能达到令人满意的滤饼固含量，因此，压榨是不可缺少的。目前，国内外对化学调理改善污泥脱水性能的研究较多，但涉及到压榨过程理论的相关研究较少。1997年Chang等[10]采用Terzaghi-Voigt(T-V)压榨模型对添加阳离子聚合物的黏土污泥和化学污泥的压榨过程进行研究。1998年Chang等[11]首次提出T-V压榨模型不能准确描述城市污泥的压榨过程，考虑到结合水的去除机理提出了三级压榨模型，作者认为第三压榨阶段的存在是由于污泥中含有大量的结合水。1999年Jean等[12]研究了盐度对活性污泥压榨特性的影响。2006年Vaxelaire等[13]对高分子量有机絮凝剂调理城市污泥的压榨特性进行了研究，指出经调理后污泥的过滤性能显著改善，但其压榨性能变化不明显。2012年Raynaud等[14]研究了盐度和pH值对活性污泥压榨特性的影响。然而上述文献仅限于相同压榨压力下的压榨特性的研究，而对不同压榨压力的影响涉及较少。另外，由于无机絮凝剂通常用于较高压力下的机械脱水过程中(比如板框压滤机)，但目前无机絮凝剂对城市污泥压榨特性的影响尚未有报道。本文在前人研究的基础上分析了聚合氯化铝和生石灰对城市污泥过滤压榨特性的影响以及不同压榨压力对压榨特性的影响，从压榨理论方面更深入地分析了复合调理剂和压榨压力改善污泥脱水性能的机理。2实验2.1实验用料实验所用污泥取自温州某市政污水处理厂的增浓设备出口，含水率90%(wt)左右，pH值6.8，聚合氯化铝(PAC)和生石灰均为分析纯。2.2实验装置过滤压榨实验装置流程图如图1所示，主要包括圆形滤室、活塞、数显百分表、推杆、进料泵、储料槽、液压站以及附属配件。滤室、进料口和出料口直径分别为175、10和6mm，为了与工厂实际相匹配，本实验中滤室深度设为35mm，滤布采用750B型。2.3实验方法由于进料口直径较小，为使进料顺畅，将原污泥浓度稀释至5%(wt)。首先将聚合氯化铝配成浓度为20g⋅L−1的溶液，随后将一定量的聚合氯化铝溶液缓慢倒入稀释的污泥悬浮液中，以250r⋅min−1搅拌2min强化污泥与调理剂的混合，随后以50r⋅min−1搅拌15min促进絮体的增长，昀后，加入生石灰搅拌10min形成均匀的悬浮液。聚合氯化铝和生石灰的添加量分别为6%(wt)(与污泥中干固相的质量比)和20%(wt)(与污泥中干固相的质量比)。用隔膜泵将调理好的污泥连续输入实验装置，进行过滤操作，过滤完成后，启动液压设备，推杆推动活塞挤压滤饼进行压榨实验，其中进料压力为0.6MPa，压榨压力分别设为1、2、3和4MPa。天平(沈阳龙腾电子有限公司JA5000-2，精度0.01g)用于连续测量滤液的质量，数显百分表用于测量压榨过程中滤饼厚度的变化，实验完毕后将滤饼取出测量滤饼固含量。3结果和讨论3.1复合调理剂对过滤阶段的影响表1列出了污泥调理前后的过滤特性，其中SRF称为过滤比阻，表示污泥过滤的难易程度，其值越878高校化学工程学报2014年8月大污泥越难过滤；n为压缩系数，表示污泥可压缩程度，n值越大可压缩性越强。从表1可以看出，原污泥经PAC和生石灰调理后，其过滤速度显著提高(过滤70min后，滤液量由1150mL增至3900mL)，其原因主要包含以下几个方面。作为无机絮凝剂，PAC的主要絮凝机理为与污泥粒子表面的负电荷发生电中合作用。PAC的添加促进了较大絮体的形成(如图2所示)，降低了污泥的比阻，改善了污泥的过滤性能。生石灰的添加提高了污泥系统的刚性和渗透性能，降低了污泥的压缩性。另外，在污泥的调理过程中，生石灰破坏了污泥絮体的结构，释放了部分胞内水，提高了污泥中自由水的含量，削弱了水分与污泥粒子之间的结合强度[15]，有利于后续的压榨脱水。3.2复合调理剂对压榨阶段的影响3.2.1压榨模型1998年，Chang等[7]提出的三阶段的压榨流变模型如图3所示，主要由Terzaghi、Voigt和Bottomdashpot单元组成，其中E1、E2分别代表Terzaghi和Voigt单元的刚度(Pa)，G2、G3分别代表Voigt单元和Bottomdashpot单元的黏性(Pa·s)，Ps为模型受到的压缩压力。该模型把压榨过程分为三个阶段：(1)主压榨阶段(T单元)，主要由滤饼整体结构的垮塌控制，去除滤饼内大部分的间隙水；(2)第二压榨阶段(V单元)，主要由滤饼内粒子的蠕变控制，去除剩余的间隙水和部分结合水；(3)第三压榨阶段(黏性单元)主要由结合水的去除控制。实际上结合水的去除伴随于整个压榨过程，由于间隙水的去除速率较结合水的去除速率大，因此前两个阶段结合水去除的作用不明显，当主压榨和第二压榨阶段完成后，结合水的去除成为主要脱水机理，而对于含有极少量结合水的无机污泥则不存在第三压榨阶段[16]。方程(1)表达了压榨比与压榨时间的关系：{}{}22*0c200(1)1exp()1exp()/4fLLiCeUBFtBtFttLLwπη−==−−−−+−−+−(1)Uc：压榨比；L0、L、Lf：初始、压榨任意时刻以及平衡滤饼的厚度；B、F：第二、第三压榨阶段去除的水分占整个压榨阶段去