PAC調理劑對全自動板框壓濾機污泥深度脫水的影響

劉 銳，徐 強，郭松杰，金 飛，郁志杰

(杭州余杭水務控股集團有限公司，浙江杭州 311100)

污泥是污水處理過程中不可避免的副產物[1]，板框壓濾機采用隔膜壓榨技術，濾餅含水率為50%～60%，泥餅較硬，呈塊狀，無需干化可直接焚燒[2]。傳統板框脫水采用“石灰+FeCl3”作為污泥調理劑，存在干基增量較大無法實現高效減量化、泥餅熱值較低不利于焚燒處置、易引起游離氨揮發、散發粉塵、作業環境惡劣、需人工卸料、自動化程度較低等不足[3-4]。

杭州某地區擬建設污泥焚燒處置廠，將接納的含水率為80%的離心污泥采用板框深度脫水后焚燒。為提高污泥焚燒經濟價值，預處理過程中，減小調理劑引起的干基增量和不降低污泥熱值非常重要，因此，尋找新藥劑代替傳統的石灰調理劑勢在必行。此次試驗采用水處理常用藥劑PAC代替石灰，具有干基增量較少、不降低脫水泥餅熱值、提高板框處理效率、經濟性較高等優點，對于污泥焚燒處置廠的建設具有積極的意義，實際應用效果良好。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗污泥

試驗在杭州某污水廠內進行，試驗所用污泥為污水廠離心脫水泥餅，基本性質如表1所示。

表1 污泥基本性質Tab.1 Basic Characteristics of Sludge

1.2 試驗設備

采用全自動板框壓濾機試驗裝置對污水廠離心脫水泥餅進行試驗，過濾面積為0.208 m2，濾室厚度為30 mm，濾室數為2室，進料泵選用氣動隔膜泵，流量為2 m3/h，揚程為0.5 MPa。隔膜擠壓裝置空壓機壓力為0.8 MPa，氣量為200 L/min，調節空氣增壓器壓力為1.5 MPa。壓濾機啟動后，在油壓頂的推動下濾板緊閉，形成濾室，污泥從濾板上部的供液口被壓入濾室開始過濾擠壓脫水過程，擠壓脫水工序結束后，在油壓頂的驅動下同時打開所有濾板，脫水泥餅從濾布上卸落后，將濾布進行清洗，減輕濾布的堵塞，試驗工藝流程如圖1所示。根據物料的特性對進料時間進行調整：污泥濃度在2%左右時，進料時間為20 min；污泥濃度在4%左右時，進料時間為15 min；污泥濃度在6%以上時，進料時間為10 min。原泥中有機質含量較少，最后出濾液的量為5 g/min以下時結束隔膜擠壓。為保證試驗結果對污泥處置廠預處理具備實際參考意義，整個試驗過程嚴格按照全自動板框壓濾機的運行參數進行，模擬污泥處置廠預處理實際工況。

圖1 試驗工藝流程Fig.1 Process of Experimental Study

1.3 試驗藥劑

本次試驗采用調理劑取自中試污水廠PAC儲藥罐，入廠檢測依據《水處理劑 聚氯化鋁》(GB 15892—2009)，試驗用PAC基本性質如表2所示。

表2 PAC基本性質Tab.2 Basic Characteristics of PAC

1.4 試驗方法

利用快速水分測定儀檢測原始污泥含水率，根據稀釋濃度計算需要添加的稀釋水量，將原始污泥與水混合后，攪拌機攪拌10 min，保證攪拌均勻。稱取一定量的稀釋污泥，按照藥劑投加量計算10%的PAC溶液投加量，加入藥劑后攪拌10 min備用。

開啟試驗裝置，油壓泵開始動作，在油壓頂的推動下使濾板緊閉，形成濾室。壓濾機試驗裝置的運行工序主要是由濾板閉合、過濾、擠壓、濾板開啟、泥餅卸落、濾布清洗這6個工序組成。

濾板打開后取出泥餅，對泥餅進行稱重，用快速水分測定儀檢測脫水泥餅含水率，記錄試驗數據。多余的泥餅用密封袋取樣密封檢測泥餅熱值。壓濾過程中，濾液的流出量通過電子秤自動記錄數據。

2 結果與討論

2.1 不同藥劑投加量對泥餅含水率的影響

取污水廠離心機脫水后的污泥加水稀釋，在壓濾機進料壓力和擠壓壓力分別為0.5 MPa和1.50 MPa，進料時間和擠壓時間分別為10 min和30 min的條件下，PAC藥劑投加量(投加總PAC量/脫水前干基質量)為1.5%～5.0%，檢測脫水泥餅含水率，考察不同PAC投加量對脫水泥餅含水率的影響，結果如圖2所示。

由圖2可知，相同的壓濾脫水操作條件，PAC投加量為1.5%～5.0%時，脫水泥餅含水率為53%～60%，當藥劑投加量增加到4%以上時，脫水泥餅含水率降低至55%以下。在相同條件下，隨著絮凝劑投加量增高，脫水泥餅含水率降低，當絮凝劑投加量增加到4.0%以上后再增加絮凝劑投加量，脫水泥餅含水率下降不明顯。市政污泥顆粒表面一般呈負電性[5]，向污泥中加入適量PAC水解出Al3+，通過電中和降低污泥顆粒間的斥力，壓縮表面雙電層從而使污泥顆粒聚合，降低污泥顆粒的比表面積，減少表面水的含量，從而提升污泥的脫水性能[6]，降低脫水泥餅含水率。在無需投加“石灰+FeCl3”調理劑情況下，PAC投加量在5%內可使脫水泥餅含水量降低至60%以下，壓濾機過濾性和泥餅剝離效果都較好，因使用污泥調理劑帶來的污泥增量較小，更有利于污泥焚燒處置。

2.2 不同隔膜擠壓時間對泥餅含水率影響

將污水廠離心脫水后的污泥稀釋至污泥濃度為7.6%，濃度為10%的PAC投加率為2.0%，壓濾機進料壓力和擠壓壓力分別為0.5 MPa和1.50 MPa，進料時間為10 min時，通過電腦自動記錄的濾液量，計算濾室中泥餅含水率隨隔膜擠壓時間的變化曲線(圖3)。

圖3 污泥含水率隨擠壓時間變化曲線Fig.3 Varying Tendency of Water Content of Sludge with Press Time

由圖3可知，脫水泥餅含水率隨著隔膜擠壓時間的延長而降低。在有限的濾室空間中，隨著進入濾室中的污泥量增加，污泥中的自由水分過濾排出，進料結束時，壓濾機中污泥含水率降低至80%以下，加壓隔膜擠壓，污泥含水率進一步降低。隨著擠壓時間的延長，污泥含水率曲線斜率逐漸減小，含水率降低速度逐漸減緩。這主要是由于隨著污泥脫水過程的進行，板框濾布上泥餅厚度逐漸增加，過濾阻力逐漸增大。板框壓濾脫水是依靠過濾介質兩邊壓力差作為推動力，強制泥水分離，在相同的壓力差推動下，過濾阻力增大，過濾速率減緩，含水率的降低速度逐漸減緩。污泥含水率逐漸降低，污泥中的固體物質可能會吸附在一起，使其中的內部結合水量變多[7]，這也是引起脫水速率逐漸減緩的原因。

2.3 不同稀釋濃度對泥餅含水率及壓濾機過濾速率影響分析

將離心脫水泥餅加水稀釋，使污泥濃度分別為3.3%、6.0%和7.6%，改變污泥調理劑PAC的投加量，通過獲得脫水泥餅重量、含水率和批次用時計算干泥餅處理速率。不同進料濃度和不同投藥量對壓濾機脫水速率影響如圖4所示。

圖4 污泥濃度、PAC投加量和泥餅過濾速度關系Fig.4 Relationship of Sludge Concentration, PAC Dosage and Sludge Cake Filtration Rate

由圖4可知，板框脫水機過濾面積相同，進料壓力、壓榨壓力、操作時間確定的條件下，進料污泥濃度越高，泥餅處理速度越大。相同進料條件下，進料濃度提高，進入板框濾室中污泥干基量增加，濾餅處理速度提高，即泥餅處理速率跟進料干基量成正比。初始進料濃度相同的情況下，提高PAC投加量，板框壓濾機泥餅處理速率變化不大。加入PAC調理可以改變污泥絮體結構，改善污泥的脫水性能，但對進料干基量的影響較小，PAC的投加量對泥餅處理速率影響不大。進料濃度從3.3%提高到7.6%，即進料濃度提高130%時，泥餅處理速度明顯提高了40%左右。提高板框壓濾機的進泥濃度能有效地提高壓濾機的過濾速率，增加單臺壓濾機的處理量。單位時間內進入濾室中污泥干基量越大，濾布上泥餅厚度增加的速度越快，過濾阻力迅速增大，濾液過濾速率減小，泥餅處理速率增大比率明顯低于進料濃度提高的比率。

2.4 不同加藥量對泥餅干基熱值影響

全自動板框壓濾機作為污泥焚燒處置的預處理過程，添加的污泥調理劑不可大幅度降低污泥熱值，根據《煤的發熱量測定方法》(GB/T 213—2008)檢測不同投藥量對泥餅干基熱值的影響,結果如表3所示。

表3 污泥熱值檢測數據Tab.3 Data of Sludge Calorific Value

由表3可知，當采用“石灰+FeCl3”傳統調理劑時，脫水泥餅干燥基低位發熱量較原泥降低43%，主要原因是傳統調理過程中生成的鈣鹽和鐵鹽干基增量較大且皆為不燃物。當PAC藥劑(干粉)投加量≤干基的5%時，獲得的泥餅干燥基低位發熱量和未經處理前污泥相差并不大，為傳統調理方式的1.67倍，泥餅熱值相較于傳統調理方式明顯提高。泥餅熱值是污泥作為能源使用價值高低的體現，是污泥焚燒的重要經濟指標。根據泥餅熱值可計算污泥焚燒時的理論空氣量、理論燃燒溫度、需要摻燒燃料量等，對于污泥焚燒爐的設計至關重要。

2.5 經濟適用性

污水廠污泥產生量大，土地資源極大限制了污泥填埋處置途徑，目前，我國污水廠大多采用的處置途徑為離心脫水機或常規板框壓濾機機械脫水后外運焚燒處置。污泥焚燒處置廠將接收的離心脫水泥餅稀釋并深度脫水后焚燒處置。傳統“石灰+FeCl3”調理和全自動板框壓濾機以PAC作為調理劑深度脫水方式運行費用分析如表4所示。

表4 不同調理劑運行費用Tab.4 Operation Cost of Different Sludge Conditioner

常規采用“石灰+FeCl3”調理污泥，脫水泥餅含水率雖然較低，但干基量增長較多，引起后續污泥處置量也較大，板框處理效率較低。以PAC作為調理劑，藥劑成本、污泥處置成本都較少，整體運行費用較經濟。兩種調理方式對比分析如表5所示。

表5 不同調理劑對比分析Tab.5 Comparative Analysis of Different Sludge Conditioner

采用傳統“石灰+FeCl3”調理污泥，因調理劑引起的污泥干基增量為30%左右，極大降低了脫水泥餅熱值，不利于污泥焚燒處置。采用PAC作為污泥調理劑，基本未改變泥餅熱值，焚燒處置需要摻燒燃料量較少，提高了污泥焚燒經濟價值。傳統調理方式添加石灰會導致后續處理設施設備結垢，有效容積明顯降低，而PAC調理對后續處理設施危害性較小。全自動板框壓濾機采用PAC作為調理劑運行過程中不需要人工輔助卸落泥餅，自動化程度高，運行管理方便，脫水泥餅熱值較高，是經濟可行的污泥焚燒處置廠預處理方式。

3 結論

(1)采用傳統“石灰+FeCl3”調理劑，干基增量30%左右，泥餅熱值較原泥降低43%，不利于污泥焚燒處置。PAC作為調理劑時，投加量在5%內可使脫水泥餅含水量降低至60%以下，隨著PAC投加量增高，脫水泥餅含水率進一步降低。PAC調理可改善污泥的脫水性能，對進料干基量影響較小，對泥餅處理速率影響不大。

(2)當 PAC 藥劑(干粉)投加量≤干基的5%時，獲得的泥餅干燥基低位發熱量和未經處理前污泥相差并不大，為石灰調理方式的1.67倍，泥餅熱值相較于石灰調理方式明顯提高。使用PAC對后續設備危害性較小，可避免因添加石灰引起設施設備結垢和有效容積降低的問題。

(3)相較于傳統“石灰+FeCl3”，以PAC作為調理劑時污泥干基增量少，板框脫水機和后續處理處置設備運行效率提高，泥餅熱值較高，整體運行費用較經濟，有利于精細化管理及職工職業健康。對于擬接納離心脫水泥餅的污泥處置廠來說，是經濟可行的預處理方式。