施周¹ 郭雪松¹邱振華² 李宜革¹ 張彬¹ 羅岳平²
1 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院水工程與科學(xué)系 2 長(zhǎng)沙市自來水公司

引言

　　自來水廠未經(jīng)處理的沉淀池排泥水和濾池反沖洗水直接就近排入江河，損害了水體環(huán)境。因此，對(duì)水廠排泥水進(jìn)行有效處理已成為一個(gè)急待解決的問題^[1,2,3]。本文探討了新型陽(yáng)離子高分子混凝劑CPF用于提高水廠排泥水污泥沉降性能的可行性及其影響因素。

1　材料與方法

　　實(shí)驗(yàn)用排泥水取至長(zhǎng)沙市第二水廠平流沉淀池。該水廠以湘江水為水源，聚合氯化鋁為混凝劑，采用虹吸式吸泥機(jī)排泥。取樣時(shí)，其非洪汛期（低濁度）排泥周期為2—3天。經(jīng)測(cè)定^［6］，排泥水含水率為97.9%，pH為7.5。實(shí)驗(yàn)用CPF由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨與丙烯酰胺聚合而成，由長(zhǎng)沙市第二污水凈化中心無償提供；其它化學(xué)試劑：聚丙烯酰胺（PAM），硫酸鋁，硫酸，氫氧化鈉均為分析純。
　　實(shí)驗(yàn)以SC656混凝攪拌機(jī)為機(jī)械攪拌設(shè)備，沉降試驗(yàn)采用高度為80cm，內(nèi)徑為45mm的帶有刻度的透明有機(jī)玻璃筒；溫度對(duì)混凝效果的影響實(shí)驗(yàn)在1000ml量筒中進(jìn)行；水樣pH由硫酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)；試樣pH值及濁度分別由 pH計(jì) （ORION, Model 818）及濁度儀（METTLER TOLEDO）測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1不同混凝劑對(duì)污泥沉降性能的影響
　　實(shí)驗(yàn)污泥的自然沉降實(shí)驗(yàn)表明：污泥界面在24小時(shí)內(nèi)僅下降了原高度（60 cm）的28.5%，顯然，污泥的自然沉降性能不理想，污泥的沉淀必須投加混凝劑來加強(qiáng)。
　　試驗(yàn)污泥在混凝劑CPF，PAM，.Al₂(SO₄)₃，作用下的沉降曲線如圖1所示。

　　可以看出，高分子絮凝劑CPF和PAM都能使污泥的沉降性能得以明顯改善，并且，在相同投量下，CPF的效果優(yōu)于PAM。無機(jī)混凝劑Al₂(SO₄)₃對(duì)污泥的沉降性能沒有多少影響。為便于對(duì)比分析，將經(jīng)過120分鐘沉降后上述實(shí)驗(yàn)中各上清液的pH和濁度，以及沉降改善降效果列于表1。由此發(fā)現(xiàn)在1.7‰（混凝劑占污泥干重千分比）的投量下，CPF能使污泥的沉降性能改善達(dá)到51%以上，優(yōu)于PAM(23%)。經(jīng)CPF處理后污泥上清液的濁度比經(jīng)PAM處理的要低。加入CPF后，上清液的pH值基本不變。而PAM則導(dǎo)致pH下降。這主要是由于PAM的水解（水解度約為30%）所引起的。由圖1和表1可知，就改善水廠污泥沉降性能而言，CPF的效果比PAM更好。

表1 不同混凝劑處理效果的比較 混凝劑種類 投量¹（‰） pH值 上清液濁度（NTU） 沉降改善效果²（%） 無（原水） 0 7.61 5.0 0 CPF 1.7 7.55 3.3 51 CPF 4.3 7.56 3.1 52 PAM 1.7 7.43 5.9 23 PAM 4.3 7.48 5.7 50 Al₂(SO4)₃ 1.7 未檢 未撿 0.5 注：1混凝劑占污泥干重千分比；
　　2（無混凝劑作用原水的自然沉降泥水界面高度-混凝劑投加后泥水界面高度）/原水自然沉降泥水界面高度×100

2.2影響CPF改善污泥絮凝沉降性能的因素
2.2.1混合反應(yīng)條件
　　在CPF投藥量為1.7‰時(shí), 本文對(duì)混合反應(yīng)條件進(jìn)行了量化研究，得到在不同混凝攪拌時(shí)間T及不同攪拌強(qiáng)度G條件下的沉降曲線如圖2和圖3所示。

　　

　　由圖2可知，在恒定G值171 S^-1條件下，當(dāng)攪拌時(shí)間T從5秒增加至3分鐘時(shí)，初期沉降效果得以明顯改善。進(jìn)一步延長(zhǎng)攪拌時(shí)間則沉降效果的進(jìn)一步改善不明顯。同樣地，當(dāng)攪拌時(shí)間一定（3分鐘），攪拌強(qiáng)度從G= 60 S^-1(50轉(zhuǎn)/分)增至314 S^-1(150轉(zhuǎn)/分)時(shí)（圖3），沉降效果獲得了明顯改善，但進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速則對(duì)沉降效果的改善不明顯。由此可見，對(duì)實(shí)驗(yàn)沉淀排泥水，以攪拌強(qiáng)度為G= 314 S^-1及攪拌時(shí)間3分鐘為宜, 相當(dāng)于GT = 56520。
　　這一實(shí)驗(yàn)表明：適當(dāng)大的G,GT條件更能改善污泥的沉降濃縮性能。我們觀測(cè)到當(dāng)G值為171S^-1及以上時(shí)，投加CPF后能形成沉降性能較好的小而密實(shí)的顆粒，反之，所形成顆粒松散而沉淀性較差。對(duì)此，我們初步推斷用較大的G值進(jìn)行攪拌時(shí)，一方面可使原己絮凝生成的松散污泥顆粒重新打碎，以便于高分子絮凝劑CPF重新凝聚形成沉降性能更好的小而密實(shí)的顆粒；另一方面，大的G值可增加顆粒與混凝劑之間的碰撞機(jī)會(huì)；反之，若原顆粒松散結(jié)構(gòu)不能打碎，則難以通過CPF絮凝形成新的密實(shí)顆粒，故沉淀效果不佳。
2.2.2CPF投量
　　不同CPF投量時(shí)的污泥沉降曲線如圖4所示。從中可以看出, 污泥沉降速度隨CPF投加量加大而加大；在1.7‰以上時(shí)，20分鐘沉淀時(shí)間內(nèi)污泥沉降性能改善程度（相對(duì)于無混凝劑作用原水的自然沉降泥水界面高度而言）達(dá)48% 以上；進(jìn)一步加大CPF量至4.3‰，對(duì)沉降性能改善程度僅提高4%。加大投藥量能縮小沉降池的體積，但會(huì)提高藥劑成本，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，CPF投藥量以1.7‰左右為宜。
2.2.3水溫
　　水廠排泥水在不同溫度時(shí)的自然沉降曲線和CPF投加量為1.7‰時(shí)的沉降曲線如圖5所示。對(duì)污泥自然沉降而言,水溫從10.1^oC上升至22^oC時(shí)，其對(duì)沉降的影響甚微。但若繼續(xù)升溫至35^oC，則1小時(shí)沉淀后的污泥自然沉降性能較10.1^oC時(shí)改善了12%。當(dāng)投加CPF（1.7‰）時(shí)，水溫從10.1^oC升至22^oC對(duì)沉降性能無明顯影響，但當(dāng)水溫從22^oC上升至35^oC時(shí)可提高沉降性能(1小時(shí)沉淀)16%?？梢姡瑴囟葘?duì)排泥水的自然沉降性能和CPF對(duì)泥水沉降性能的作用確有一定的有利影響。溫度高時(shí)排泥水的粘滯系數(shù)降低，水與顆粒之間由于下沉產(chǎn)生的粘滯力減小，同時(shí)，CPF在高溫狀態(tài)下，鏈狀結(jié)構(gòu)更為舒展，這些都更有利于污泥顆?；炷两?。

　　

2.2.4 pH值
　　實(shí)驗(yàn)所用排泥水樣取自沉淀池，其污泥顆粒已經(jīng)過聚合氯化鋁絮凝沉淀。由于鋁鹽是兩性電解質(zhì)，在酸性和堿性條件下都會(huì)溶解，因而改變水樣pH將影響污泥絮體的結(jié)構(gòu)及沉降性能^[5]。本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)水樣的pH值得到不同pH條件下的自然 （未加絮凝劑）沉降曲線如圖6。

　　

　　由圖6可知,酸性條件有利于污泥的沉降：當(dāng)pH從7.61調(diào)至4.32時(shí)，二小時(shí)的污泥的沉降性能改善了11%；當(dāng)pH進(jìn)一步調(diào)低一個(gè)單位（pH=3.38）時(shí),污泥的沉降性能較未調(diào)節(jié)pH的水樣得到了顯著改善（其值為63%）。繼續(xù)降低pH值，污泥的沉降性能改善不大。
　　值得指出的是：在本實(shí)驗(yàn)中，pH值升高時(shí)污泥的沉降性能并沒有改善，這與加堿能提高污泥的沉降性能的文獻(xiàn)報(bào)道^{［3，5］}不同，其機(jī)理有待進(jìn)一步探討。
　　由于pH的改變會(huì)影響混凝劑CPF的舒展程度,從而影響其混凝效果。在CPF投加量為1.7‰時(shí)不同pH值條件下的沉降曲線如圖7所示。同樣地我們發(fā)現(xiàn)加酸可以進(jìn)一步提高污泥的沉降濃縮性能。在pH=2.82和pH=4.08時(shí)投加混凝劑,沉降性能比只加混凝劑不調(diào)節(jié)pH（pH=7.41）時(shí)分別提高81%和68%。而在堿性條件下，隨著pH值升高，沉降性能反而下降。
　　對(duì)比圖6和圖7，我們發(fā)現(xiàn)在相同酸性條件下，投加CPF可大大改善污泥沉淀效果，尤期是初期（10分鐘以內(nèi)）沉淀效果。
　　進(jìn)一步的研究表明，上清液的濁度（色度）隨酸性或堿性的增加而上升。當(dāng)pH從7.61調(diào)至3.38或10.11時(shí)，相應(yīng)的上清液的濁度為>200或38度，大大高于未調(diào)節(jié)pH時(shí)的5度。特別地，在酸性條件下，上清液呈聚合氯化鋁顏色，可能是污泥中聚合氯化鋁酸解溶出的緣故。
　　由此可見，酸處理能提高污泥的沉降濃縮性能，也有利于回收污泥中的鋁鹽，但設(shè)備需要用耐酸材料，同時(shí)酸處理的結(jié)果，有可能將污泥中有害的物質(zhì)溶解至上清液中來。

3 結(jié)論

　　（1）CPF對(duì)水廠污泥沉降濃縮性能的改善優(yōu)于PAM及 Al₂(SO₄)₃（2）增加CPF投量能提高沉降效果，但以投量占干泥重量 1.7%左右時(shí)較為經(jīng)濟(jì)合理。
　?。?）混凝混合反應(yīng)條件以快速攪拌為佳，在大的G,GT條件下，污泥結(jié)合為細(xì)小而密實(shí)的顆粒更有利于沉降。
　?。?）水溫和pH值都對(duì)CPF的混凝效果有影響。常溫范圍內(nèi)，污泥的沉降性能隨水溫升高而改善；pH值對(duì)CPF影響復(fù)雜：堿性條件會(huì)降低CPF對(duì)污泥的混凝沉降作用，酸性條件能提高污泥沉降性能，但引起水濁度及色度升高并可能導(dǎo)致有害物質(zhì)從污泥中溶解出來。故就保持出水水質(zhì)而言，pH以中性為宜。

參考文獻(xiàn)
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