軟固體物料脫水特性研究

衛麗，白天添，馬赫，馮國紅

(1.山西新科聯環境技術有限公司，山西 太原 030009；2.山西科城環保產業協同創新研究院，山西 太原 030009；3.太原科技大學 環境與安全學院，山西 太原 030024)

近年來，隨著城市和工業的發展，污水污泥的產量急劇增加，給環境帶來日益嚴重的污染。污泥具有含水率高、有機質含量高、比重低等特點。污泥中的EPS通過 —COOH、—OH等親水官能團，提供了強大的內聚力，將無機顆粒和微生物細胞有機的連接在一起，并附著于微生物細胞表面，形成了與海藻酸相似的類凝膠生物膠體結構，屬于典型的軟固體類凝膠材料[1-6]，不經預處理很難脫水[7-11]。

本文對城市污泥過濾壓榨脫水，以過濾壓榨脫水效率、濾餅固相質量含量、適宜的濾室厚度等為指標，深入的分析污泥調理劑聚合氯化鋁(PAC)改善污泥脫水性能的最佳操作條件，進一步指導工業實踐。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

城市污泥，取自于中國淄博某市政污水處理廠臥螺離心機設備，含水率80%左右，pH值6.8；聚合氯化鋁(PAC)，分析純。

過濾壓榨實驗裝置，自制；WB3000-D機械攪拌器；66605J-3EB氣動隔膜泵；TC10k電子天平；FXB 101-1恒溫烘箱等。

1.2 實驗方法

過濾壓榨實驗裝置如圖1所示，主要由圓形濾室、活塞、推桿、進料泵、液壓站等組成。其中濾室、進料口和出料口直徑分別為17.5，1 cm和0.6 cm，采用750B濾布進行過濾壓榨實驗。

污泥加水稀釋至一定濃度，以保證過濾壓榨脫水實驗順利進行。聚合氯化鋁用去離子水溶解，配制成濃度為30 g/L的溶液，倒入稀釋的污泥懸浮液中，采用機械攪拌器，以250 r/min攪拌2 min，促進污泥顆粒與絮凝劑溶液的充分混合，之后以50 r/min攪拌15 min，使污泥絮體逐漸增長。利用隔膜泵將污泥懸浮液連續泵入實驗裝置中，進行過濾壓榨脫水實驗(過濾壓力為0.6 MPa，壓榨壓力為2 MPa)。利用電子天平稱量連續流動的濾液質量。過濾壓榨實驗完畢后，取出濾餅，并用恒溫烘箱烘干濾餅，測量其含固量。

2 結果與討論

2.1 調理劑量對過濾壓榨脫水理化性能的影響

以過濾時間、壓榨時間、過濾液量、壓榨液量、固含量等為評價指標，研究聚合氯化鋁用量對污泥脫水特性的影響，結果見圖2。

由圖2(a)可知，隨著PAC劑量的增加，過濾脫水時間先降低后上升，PAC劑量8%時，過濾時間降到最低99 min，隨后過濾時間又稍有增加；而壓榨時間則隨著PAC的添加而減小，沒有拐點出現，PAC劑量>4%時，其變化趨勢比較緩慢。PAC劑量為8%時，總脫水時間最短215 min。由圖2(b)可知，隨著PAC劑量的增加，濾液量逐漸增加，PAC劑量11%時，濾液量增至最大4 250 mL，而壓榨液量呈現相反的趨勢。圖2(c)表明，脫水后，濾餅的固含量隨PAC劑量的增加變化不大，處于41%～46%之間。

(a)PAC添加量對脫水時間的影響(b)PAC添加量對濾液量的影響(c)PAC添加量對濾餅質量和固含量的影響(d)PAC添加量對過濾比阻的影響圖2 PAC添加量對脫水過程的影響Fig.2 Effect of added dosage of PAC on dewatering

產生上述現象的原因：聚合氯化鋁調理污泥時，真正起作用的是由Al3+形成的多核絡合物，并不是Al3+，因Al3+只能存在于酸性條件下。在非酸性環境條件下，溶液中Al3+與OH-形成金屬多核絡合物[Al(H2O)6]3+，由于該絡合物帶有正電荷，能被吸附在帶有負電荷的污泥膠體顆粒表面上，使其與污泥顆粒表面上的負電荷粒子發生電中合作用，使得顆粒間相互作用形成架橋，導致粒子彼此絮凝成團；同時，析出的不溶性氫氧化鋁將會包覆在顆粒上，聚集成較大的且結構緊湊的絮體，導致懸浮液的脫水阻力減小，過濾效率提高。然而隨著PAC劑量的增加，溶液中的[Al(H2O)6]3+逐漸增加到過量，使得多余的金屬多核絡合物與已經電中和的部分污泥顆粒由原來帶有的負電荷轉為正電荷，直接導致顆粒之間發生排斥作用，使已經穩定的污泥懸浮液顆粒重新散落在污泥體系中，降低了污泥的過濾脫水性能。

2.2 污泥濃度對過濾壓榨脫水特性的影響

城市污泥屬于軟固體物料，壓縮性極高，同時具有類凝膠的性質，圖3為PAC的添加量固定為8%時，懸浮液濃度對過濾脫水過程性能的影響。

由圖3可知，隨著懸浮液固相濃度的增加，過濾時間逐漸降低，但降幅較小，濃度從3%增到7%時，僅由102 min降到88 min(降幅約13.7%)，當濃度增至9%時，過濾時間降幅36.2%。而壓榨時間變化不明顯[圖3(a)]。然而過濾液量和壓榨液量隨濃度的增加降幅較大，過濾液量由5 060 mL降至2 300 mL(濃度從3%增到7%)，濃度增至9%時濾液量降為1 900 mL，降幅約62.5%[圖3(b)]。然而，濾餅質量增幅較明顯，由357 g增至541 g (濃度從3%增到7%)，但當濃度繼續增大至9%時，濾餅重量降低。另外，濾餅的固相質量含量基本相同[圖3(c)]。

當懸浮液濃度較低時，相同固相質量所對應的懸浮液較多，因此過濾液量較多。同時，濾液濃度較低時，不利于形成密實的濾餅結構，因此對應的壓榨液量較大，最終濾餅的質量較低。但由于壓榨脫水過程去除了絕大部分的自由水，而對污泥中結合水的去除較少，故最終濾餅的固相含量接近。從生產能力方面比較，懸浮液濃度為7%時，其最終得到的濾餅質量最大；從生產效率來看，濃度7%的懸浮液對應的干固相產量為1.262 g/min，濃度9%的懸浮液對應的干固相產量為1.258 g/min，二者幾乎一致。因此，對于污泥這類軟固體體系，其懸浮液濃度并不是越大越好。若生產工藝過程需要降低生產時間時，可調整懸浮液濃度至9%；當追求較高批處理量時，可將懸浮液濃度調至7%。

(a)污泥濃度對脫水時間的影響(b)污泥濃度對濾液量的影響(c)污泥濃度對濾餅質量和固含量的影響圖3 污泥濃度對脫水過程的影響Fig.3 Effect of sludge concentration on dewatering

2.3 濾室厚度對過濾壓榨脫水特性的影響

目前工程中通常將其設置為35 mm，但對于軟固體體系，這一厚度是否為最佳的濾室厚度。表1為PAC添加量為8%，濃度為7%的懸浮液在不同濾室厚度下進行過濾壓榨脫水操作的脫水特性(表中標注的濾液量為實際濾液量的1/5)。

表1 濾室厚度對過濾壓榨脫水特性的影響Table 1 Effect of filter chamber thickness ondewatering characteristics of filter press

由表1可知，隨著濾室厚度的增加，污泥批處理量增加，但是干固相的產量基本不變，在35 mm和45 mm的厚度下，分別為1.262，1.277 g/min。濾室厚度的增加，提高了污泥在濾室內的儲存空間，故批處理量增大，但由于污泥體系的脫水阻力相同，故單位時間的干固相產量基本不變。另外，隨著濾室厚度的增加，脫水結束后濾餅的固相質量含量從45.7%降低至42.5%，表明較大的濾室厚度不利于濾餅固含量的提高。

3 結論

(1)聚合氯化鋁能夠顯著改善污泥的過濾速率和處理能力，最佳PAC添加量為8%。

(2)懸浮液濃度對污泥這類軟固體體系的脫水性能影響較大，若生產工藝要求降低生產時間時，可調整懸浮液濃度至9%；當追求較高批處理量時，可將懸浮液濃度調至7%。

(3)濾室厚度對污泥脫水特性的影響不大，但較大的濾室厚度不利于濾餅固含量的提高，為了提高脫水后濾餅固含量，濾室厚度可稍微降低。