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北京市第九自来水厂污泥脱水试验研究 * 杨晓胤1， 2刘园园2张伟军2徐孝雅3王东升2段晋明1郏耕耘 3 1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院， 西安 710055; 2． 中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室， 北京 100085; 3． 杭州兴源过滤科技股份有限公司， 杭州 311113 摘要 选择不同药剂对给水污泥进行化学调理， 通过小试污泥比阻 SＲF 初步确定出适宜于高压隔膜压滤过程的污泥 调理方案， 同时利用中试进行验证。旨在保证污泥高效脱水基础上实现脱滤液回用， 以期为自来水厂污泥脱水工艺的 选择提供建议。试验结果表明 采用氯化铁和 PAC 分别与石灰复配投加不仅可以将污泥含水率降至 60 以下， 同时 能够控制脱水后污泥的绝干量。对于所有中试试验， 脱水过程中的脱滤液浊度在绝大部分时间内小于 0. 2 NTU， 能够 达到回用要求。 关键词 自来水厂污泥; 无机混凝剂; 污泥脱水; 隔膜压滤 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201401006 LABOＲATOＲY AND PILOT STUDIES ON SLUDGE DEWATEＲING IN THE NINTH BEIJING DＲINKING WATEＲ TＲEATMENT PLANT Yang Xiaoyin1， 2Liu Yuanyuan2Zhang Weijun2Xu Xiaoya3Wang Dongsheng2Duan Jinming1Jia Gengyun3 1. School of Environmental and Municipal Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055，China; 2. State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry，Ｒesearch Center for Eco- Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China; 3. Hangzhou Xingyuan Filter Technology Co． ， Ltd，Hangzhou 311113，China AbstractSeveral flocculants were selected to conduct sludge conditioning to find the feasible s for sludge dewatering by using diaphragm filter press． The purpose is to achieve high perance in sludge dewatering and reuse the filtrate produced in dewatering process and provide useful ination for design of sludge dewatering process in the drinking water treatment plants． The results indicated that combined use of PAC， ferric chloride and lime had better a perance than single addition and could effectively reduce the cake moisture to less than 60 and dry weight of sludge for disposal． For all pilot tests， turbidity of filtrate produced from dewatering was less than 0. 2 NTU for most of time，thus filtrate could be reused as source water． Keywordssludge in drinking water treatment plant;inorganic coagulants;sludge dewatering;diaphragm filter press * 水体污染控制与治理科技重大专项 “集成化给水污泥调质及深度脱 水技术研究” 2012ZX07408001 。 收稿日期 2013 －02 －27 0引言 自来水厂产生的废水主要来自沉淀池或澄清池 的排泥水和滤池的反冲洗水［1 ］。生产废水经过浓缩 池处理后产生的污泥， 如直接进行脱水处理， 其脱水 效果很差 ［2 ］， 须进行各种调理过程。污泥调理的方 法较多， 大体可以分为两大类 化学调理和物理调 理 ［3 ］。加药调理主要有石灰处理、 酸处理、 碱处理、 高分子絮凝剂和无机混凝剂处理等［4 ］; 不加药处理 包括热处理、 冷冻处理等技术 ［5 ］， 而混凝剂调理为最 常用的污泥脱水前处理技术。 北京市第九自来水厂每天产生的含水率为 98 ～99的浓缩污泥约 1 000 t。污泥脱水采用离 心方式， 为了达到较好的泥水分离效果， 污泥调理过 程中投加了大量的 PAM， 但是脱水效率依然较低， 泥 饼含水率约为 80。由于脱滤液的水质较差， 而且 受到高浓度 PAM 的污染， 所以无法回用， 只能直接排 放， 不仅浪费大量的水资源， 并且严重污染了周围河 道。因此， 本研究拟采用隔膜压滤技术， 并筛选出与 其相适宜的污泥调理技术 第一， 实现污泥深度脱水， 02 环境工程 Environmental Engineering 在污泥脱水过程中削减污泥量; 第二， 清液回用。隔 膜压滤机过滤压力高， 可以选用致密的滤布， 通过滤 布截留和滤饼层过滤， 获得清澈的滤液。因此， 在保 证污泥高效脱水的基础上， 达到回用污泥脱水清液的 目的， 从而实现水厂排泥水零排放。 1试验部分 1. 1水厂污泥基本情况介绍 第九自来水厂每天产生的含水率为98 ～99的 浓缩污泥约1 000 t。污泥中主要成分为氢氧化铝、 氢 氧化铁、 PAM 和少量有机质。污泥密度为 1 g/cm3。 小试污泥除 PAC 与石灰复配试验含水率为 97. 77 外， 其他各组试验污泥原始含水率均为98. 4。 1. 2污泥调理药剂 3 种无机混凝剂 氯化铁、 PAC 和石灰 、 1 种有 机混凝剂 PAM 。其中， 氯化铁和 PAC 均为液体药 剂， 其质量浓度和氧化铝含量分别为 38和 10。 1. 3污泥调理和脱水试验 1. 3. 1小试 1污泥调理过程。 取 500 mL 污泥至于 1 000 mL 塑料烧杯中。开 启搅拌装置 ZＲ4- 6 混凝试验搅拌机 ， 在快搅速度为 200 r/min 的条件下加入不同比例的氯化铁、 PAC 和 石灰等药剂， 30 s 后降速至 100 r/min 搅拌 2 min， 然 后进行 SＲF 测定实验。对于复配实验， 先按照试验 配比投加氯化铁和 PAC， 然后加入石灰， 继续搅拌， 直 至大部分氢氧化钙溶解。 2SＲF 的测定。 SＲF 试验的操作如下 取待测污泥样品 100 mL 于量筒中， 在恒定气压 P 0. 9 MPa 的条件下过滤 Jk- 0. 3 型， 北京京科瑞达科技有限公司 ， 每隔10 s 记录一次滤液体积， 直到漏斗中滤饼层出现裂缝为 止， 停止抽滤， 利用差量法测定滤饼含水率， 然后进 行污 泥 比 阻 测 定。污 泥 比 阻 的 计 算 公 式 见 式 1 ［6］ r 2PA2b μω 1 式中 r 为污泥比阻， m/kg; μ 为脱水滤液黏度， kg/ m s ; ω 为单位体积滤液所对应的滤饼干固体重量， kg/ m3; P 为过滤压力差， g/cm2; A 为过滤面积， m2。 1. 3. 2中试 1中试装置。 选用杭州兴源过滤科技股份有限公司生产的小 型隔膜压滤机及其配套设备， 主要有空压机 最高可 提供压力为 8 kg 、 高压清洗机、 调理罐 配有可调速 搅拌机 和气动隔膜泵。压滤面积约为 4. 5 m2， 滤室 总容量约为 0. 12 m3， 滤布孔径为5 μm。滤板材质为 增强聚丙烯， 规格为 0. 8 m 0. 8 m 0. 03 m。整个 试验装置实物如图 1 所示。 图 1中试用隔膜压滤机 Fig．1Diaphragm filter press for pilot test 2污泥的调理。 每次向污泥调理罐中装入1 t 浓缩污泥。然后在 搅拌条件下， 按照一定量加入氯化铁、 PAC、 石灰或者 复配药剂， 持续搅拌 5 min 开始进料。 3压滤操作过程。 开启液压装置， 将滤板压紧， 压力为 22 ～ 27 kg 保压。整个压滤过程包括注满、 低压 0 ～ 8 kg 压滤 和高压 15 ～ 16 kg 压榨三步， 每次进料量为 0. 5 ～ 0. 6 t。其中注满时间约为 5 min， 低压压滤持续 80 min， 高压压榨维持 20 min。最后退去液压， 打开 滤板。 2结果和讨论 2. 1小试结果 2. 1. 1单一药剂投加对 Zeta 电位的影响 原始 Zeta 电位为 － 22. 27 mV。氯化铁对污泥 Zeta 电位的影响如图 2 所示。随着氯化铁投加量的 增加， Zeta 电位逐渐上升。当氯化铁和 PAC 投加量 分别为 0. 24， 0. 15 g/L 时， Zeta 电位出现 0 点。可以 看出， PAC 的电中和能力略高于氯化铁。 2. 1. 2单一药剂投加对 Zeta 电位和污泥比阻的影响 根据实验室小试结果显示， PAM 投加后形成絮 体较大， 但是由于其絮体强度不高 ［7 ］， 而且黏性较 强， 在高压条件下容易变形堵塞滤孔［8 ］， 从而并没有 有效改善污泥的高压压滤脱水性能。这说明单独使 用 PAM 作为隔膜压榨的调理药剂是不可行的。 三种无机药剂对污泥比阻的影响如图 3 所示。 12 水污染防治 Water Pollution Control 注 二者均以离子浓度计 图 2氯化铁和 PAC 投加对污泥 Zeta 电位的影响 Fig．2Effect of FeCl3and PAC addition on Zeta potential of the sludge 随着氯化铁投加量的增加， SＲF 先降低后升高， 在 0. 39 g/L时 SＲF 出现最小值为 9. 3 1011m/kg， 而此 时污泥的 Zeta 电位为 22. 83 mV。污泥脱水性的改 善 一方面依靠无机混凝剂的电中和作用实现絮凝; 另一方面污泥中存在混凝处理过程中投加的 PAM 和 本身含有的黏性胶体颗粒物， 使得污泥的黏性较高， 投加无机混凝剂不但可以依靠形成的水解产物与 PAM 和黏性胶体物质结合降低污泥的黏度， 还可以 提高污泥的絮体强度， 减小其不可压缩性来提高污泥 脱水性 ［7 ］。和氯化铁的结果一致， 随着 PAC 的投加 量逐渐增加， SＲF 先减小后增加， 在 0. 32 g/L 时， SＲF 出现最小值为 7. 3 1011m/kg， 该值小于投加氯化铁 的最小值。这可能是由于与 PAC 相比氯化铁具有更 强的电中和能力， 絮凝效果更好， 所以效果优于氯化 铁。然而， 当两种混凝投加量继续增加后， 污泥脱水 性能恶化， 这因为过剩电荷导致污泥絮凝效果变差， 小颗粒物质增加。 注 氯化铁和 PAC 以阳离子的浓度计， 石灰以氢氧化钙的含量计 图 3三种药剂投加对污泥比阻的影响 Fig．3Effect of inorganic coagulants dosage on SＲF 污泥比阻的下降与石灰的投加量的增加呈线性 关系， 说明氢氧化钙的投加明显改善了污泥的过滤性 能， 加快了污泥过滤速率［9 ］。这主要是由于石灰投 加后可以起到一定絮凝架桥作用， 另一方面可以支撑 污泥絮体， 从而形成多孔结构， 减小滤饼层对水流的 阻力， 使得污泥排水能力提升。 2. 1. 3复配投加对污泥脱水性的影响 氯化铁和 PAC 与石灰复配的试验结果如图 4 所 示。在单独使用氯化铁之后污泥比阻降低到最低时， 继续投加石灰可以进一步降低污泥比阻， 而且从感官 来看， 污泥的黏性明显降低， 泥饼和滤布的剥离效果较 好。这可能是由于污泥首先通过氯化铁的电中和作用 实现凝聚， 同时水解产生的沉淀使得污泥的黏性降低， 再加入石灰可以起到骨架支撑作用， 进一步减小污泥 的不可压缩性， 使得污泥的脱水性进一步得到改善。 同时投加0. 32 g/L 的 PAC 和 0. 64 g/L 石灰可明显提 高污泥的过滤性能， 其效果优于先投加 0. 39 g/L 氯化 铁之后再加入等量石灰的效果。因为 PAC 改善污泥 脱水性是不仅通过电中和絮凝作用， 而且还通过吸附 架桥来增强污泥絮体强度， 并减小污泥黏性。 注 氯化铁和 PAC 的投加量分别为 0. 39 g/L 和 0. 32 g/L 图 4复配投加对污泥脱水性的影响 Fig．4Influence of combination of lime and ferric chloride or PAC on sludge dewatering perance 2. 1. 4小试总结 各种药剂调理后污泥比阻的综合对比如图 5 所 示。按照污泥比阻 SＲF 的大小将污泥分为三类 9. 9 1011m/kg 以上属于难脱水污泥， 3. 9 1011～ 9. 9 1011m/kg 属于中等可脱水污泥， 3. 9 1011m/ kg 以下属于易脱水污泥 ［10 ］。原始污泥的 SＲF 为 2. 8 1012m/kg， 属难脱水污泥。单独投加氯化铁和 PAC 改善污泥的脱水性有限， 在最优投加量条件下， 只可将污泥转化为中等可脱水污泥， 通过与石灰的复 配投加后可将污泥转化为易脱水污泥。 22 环境工程 Environmental Engineering 图 5不同混凝剂污泥调理效果综合对比 Fig． 5Comprehensive comparison of dewatering perance conditioned by different coagulants 2. 2中试试验结果 2. 2. 1污泥脱水效果 中试结果如图 6 所示。单独投加氯化铁、 PAC 和 石灰均可以实现有效脱水 污泥不会堵塞滤布 。单 独投加氯化铁和 PAC 后污泥含水率较高， 接近 70， 二者分别与石灰复配后可有效降低污泥含水率， 采用 0. 39 g/L 氯化铁和 0. 32 g/L PAC 分别与 0. 64 g/L 石灰复配调理后， 污泥含水率可降至 60左右。 图 6不同药剂调理后中试脱水泥饼含水率 Fig． 6Cake moisture of pilot test after conditioning by different coagulants 2. 2. 2水质情况 对于所有中试试验， 除起始 5 min 内， 污泥清液 浊度达 7 NTU 以外， 5 min 后压滤全程清液浊度均 ＜0. 2 NTU。从浊度来看， 板框压滤出水完全可以达 到回用标准。整个压滤过程可分为三个阶段 充满阶 段、 滤饼层形成阶段和压紧阶段［7 ］。板框压滤的充 满阶段是依靠滤布来截留污泥固体， 必然会导致一些 固体颗粒无法截留， 使得出水浊度偏高。5 min 后， 污 泥充满滤室， 会在滤布表面形成滤饼层， 此时过滤方 式发生转化， 由原来的依靠滤布截留转化为凭借滤饼 层过滤， 从而浊度下降。 32 水污染防治 Water Pollution Control 3经济分析 采用离心机脱水后污泥含水率为 80， 九厂每 天产生含水80的离心脱水污泥约90 t， 则年产生量 为16 425 t。如采用板框压滤机脱水后污泥含水率降 至 60， 意味着污泥量削减 50 左右。若填埋处置 的成本为 300 元 包含运费 ， 一年节省污泥处置成 本为 900 多万。同时， 隔膜压滤清液可以实现回用， 从而可节约大量水资源。 4结论 本文结合使用高压脱水技术及其适宜的污泥前 调理过程对实现自来水厂污泥减量化和清液回用的 可行性和效率进行研究， 结论如下 1 氯化铁、 PAC、 石灰及其复配调理均可降低 SＲF。单独投加氯化铁和 PAC 调理的效果有限， 只能 将难脱水的原始污泥转变为中等可脱水污泥， 而单独 使用石灰会导致脱水后绝干污泥量过大， 故 PAC 和 氯化铁与石灰复配投加可更加高效地降低污泥比阻。 2 中试结果显示原始污泥脱水性较差， 直接压 滤会堵塞滤布。氯化铁、 PAC、 石灰及其复配进行调 理， 均可实现污泥的有效脱水。但单独投加氯化铁或 PAC 后， 脱水后的污泥含水率偏高， 二者与石灰复配 投加调理可进一步降低污泥含水率。 3 在所有中试试验组中， 除起始 5 min 内， 污泥 清液浊度达到 7 NTU 以外， 5 min 后压滤全程清液浊 度均 ＜0. 2 NTU。因此， 隔膜清液可回用至饮用水处 理过程中。 参考文献 ［1］刘辉， 许建华． 自来水厂排泥水处理的国内外发展概况［J］． 中 国给水排水， 2001， 17 8 26- 28. ［2］邓慧萍， 梁超， 许建华． PAM 在给水厂排泥水处理中的调质作 用及机理探讨［J］． 给水排水， 2004， 30 6 31- 33. ［3］孔祥媚， 陈立， 舒玉芬， 等． 供水厂排泥水处理处置技术研究进 展［C］∥第三届中国城镇水务发展国际研讨会论文集， 2005， 396- 401. ［4］巴如虎， 张惠懿． 净水污泥机械脱水前处理［J］． 天津建设科 技， 1997 3 5- 7. ［5］王南威． 给水厂的污水及污泥处理设计研究［D］． 重庆 重庆 大学， 2004. ［6］黄廷林， 聂小保， 张刚． 水厂生产废水污泥比阻测定的影响因素 分析及方法改进［J］． 西安建筑科技大学学报． 自然科学版， 2005， 37 3 297- 300. ［7］Qi Y， Thapa K B， Hoadley A F A． Application of filtration aids for improving sludge dewatering properties- A review［J］．Chemical Engineering Journal， 2011， 171 2 373- 384. ［8］杨崇豪， 赵丽敏， 刘秉涛． 粉煤灰调理自来水厂排泥水污泥的比 阻［J］． 中国给水排水， 2005， 21 11 56- 58. ［9］李一璇． 石灰在深圳梅林水厂污泥调质中的应用［J］． 给水排 水， 2005， 21 11 56- 58. ［ 10］尹奇德，王利平， 王琼． 环境工程实验［M］． 武汉 华中科技大 学出版社， 2009. 第一作者 杨晓胤 1989 － ， 男， 硕士。ngdyangxiaoyin163． com 通讯作者 张伟军 1986 － ， 男， 博士， 主要研究方向为污泥深度脱水 和工业废水处理。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 zhwj_1986126． com 上接第 13 页 ［3］江源， 王博， 杨浩春， 等． 东江干流浮游植物群落结构特征及与 水质的关系［J］ ． 生态环境学报， 2011， 20 11 1700- 1705. ［4］Prins T C， Desmit X， Baretta Bekker J G．Phytoplankton composition in Dutch coastal waters responds to changes in reverie nutrient loads［J］． Journal of Sea Ｒesearch， 2012， 73 49- 62. ［5］张利， 刘海涛， 高文海， 等． 乌梁素海生态治理技术［J］． 水生态 学杂志， 2008， 1 2 141- 145. ［6］李兴， 张树礼， 李畅游， 等． 乌梁素海浮游植物群落特征分析 ［J］． 生态环境学报， 2012， 21 11 1865- 1869. ［7］梁文． 乌梁素海沉积物污染特征、 水环境效应及其控制研究 ［D］． 呼和浩特 内蒙古农业大学， 2011. ［8］郝林， 路全忠， 冯丽红． 鱼类种群及鱼产量变化对乌梁素海渔业 资源发展的影响［ J］ ． 北方环境， 2011， 23 9 155- 156. ［9］金相灿， 屠清瑛． 湖泊富营养化调查规范［M］ ． 2 版． 北京 中国 环境科学出版社， 1990. ［ 10］陈明耀． 生物饵料培养［ M］ ． 北京 中国农业出版社， 1995. ［ 11］吾玛尔阿布力孜． 额河银鲫食性的初步研究［J］ ． 干旱区研 究， 2000 1 64- 66. ［ 12］王春， 陈湘麟， 赵俊． 尖鳍鲤食性的初步研究［J］． 淡水渔业， 1994， 24 6 14- 17. ［ 13］赵颖． 水文、 气象因子对藻类生长影响作用的试验研究［D］． 南 京 河海大学， 2006. ［ 14］Serrin- Ｒeyssac J，Pletikosic M． Cyanobacteria in fish ponds［J］． Aquaculture， 1990， 88 1- 20. ［ 15］聂国朝． 襄阳护城河水体中溶解氧含量研究［J］． 水土保持研 究， 2004， 11 1 60- 63. ［ 16］刘佳佳． 河口边滩湖泊营养盐及藻类生长动力学研究 以崇 明北湖为例［D］． 上海 同济大学， 2008. ［ 17］贾亚梅． 鱼类生物操纵在苏州水环境治理中的应用研究［D］． 南京 河海大学， 2006. 第一作者 李卫平 1973 － ， 男， 副教授， 主要研究方向为寒旱区水环 境分析与水污染控制。sjlwp163． com 42 环境工程 Environmental Engineering