污泥水解性能測量對污泥調理與水解的重要性分析-給排水雜志

(唐建國、吳煒、周振、張顯忠、吳志超)

摘要

污泥機械水解是污泥實現NaHCO的重要環節，其關鍵在于污泥調理方式的可以選擇和水解機選型。當前常用的化學調理和污泥機械水解機型的可以選擇存在四方面的問題：

一是化學調理藥劑類型的配制；

二是投加藥劑投加量；

三是水解機機型可以選擇；

四是來衡量污泥水解性能主要指標比阻（SRF）和毛細變硬時間（CST）的測量尚缺少標準與規范的約束。

通過一系列對照試驗解決上述問題，為設計和實際運行提供有效支撐。

1存在問題

污泥水解實現體積NaHCO是污泥處理處理的關鍵。由于污水處理過程中獲得的污泥具有高親水性，污泥水與污泥固體顆粒間有很強的融合力，如果沒有預先的處理，即通過化學、物理或者熱工方法展開預處理，則絕大多數的污泥的水解是非常困難的，污泥水解前預處理就是污泥調理。化學調理因其工藝簡單、適用廣泛，成為最普遍的調理工藝。

實現污泥有效水解的關鍵在于污泥調理方法、藥劑可以選擇、藥劑用量和相適應的水解機類型可以選擇。對于包括調理在內的整個污泥水解過程來說，污泥性質、污泥調理、機械水解方式是相互影響、相互關聯的；而化學調理藥劑的類型和投加量又直接影響著水解后污泥和污泥水（機械水解設備的出水）的品質，從而影響水解污泥的后續處理、處理及污泥水的處理。國內已有實際案例證明，由于在調理時投加了較多的化學藥劑，導致污泥水的堿度大幅度降低，給處理帶來困難。所以可以選擇調理方法、調理藥劑、投加量和水解機時，不但要充分考慮污泥的性質，還要充分考慮水解后污泥的后續處理、處理及污泥水的處理及整個系統（過程）的投資和成本費用。

但，目前對化學調理和污泥機械水解機型的可以選擇是盲目展開的，主要體現在：

一是化學調理藥劑類型的配制沒有與泥性是否獲得有效提升融合起來，藥劑類型可以選擇是盲目的；

二是藥劑投加量沒有與泥性提升的最佳效果融合起來，藥劑投加量確定是盲目的；

三是水解機可以選擇沒有與污泥泥性特別是化學調理后的泥性變化情況融合起來，水解機機型可以選擇是盲目的。

來衡量污泥水解性能的指標主要有比阻（SRF）和毛細變硬時間（CST）。污泥經調理后泥性會發生非常大變化，SRF和CST也會發生變化。另外，目前尚缺乏標準化操作流程，所有的相關水解性能指標的測量尚缺少標準與規范的約束。

針對上述問題，筆者融合多座污水處理廠改造和新建工程設計的需要，開展了污泥水解性能的系統研究。

2定義與測量方法

2.1 SRF

SRF是指單位質量的污泥在一定壓力下過濾器時，在單位過濾器面積上產生的阻力，即單位過濾器面積上，單位干重濾餅所具有的阻力。污泥比阻越大，過濾器性能越差。比阻是表示污泥過濾器特性的綜合性指標，對帶式水解機和板框壓濾機這類以過濾器為主要水解方式的水解機有比良好的指示作用。但，比阻的測量工作量大，操作復雜，人為影響因素大，重復性差等。一般比阻高于9.8×1012 m/kg則可視為有良好的水解性能，比如新鮮的初沉污泥，其比阻為1011～1013 m/kg，新鮮的余下污泥為1012～1013m/kg，消化良好的污泥為1010～1011 m/kg。

另外，污泥過濾器時間（TTF）也能良好地表觀污泥水解性，它是指濾液體積達到污泥體積一半時所需的過濾器時間，可以從SRF的操作過程中獲得，與SRF有一定的相關性。

2.2 CST

CST是指未水解污泥在變硬濾紙上滲透一定距離所需要的時間。毛細變硬時間越長，水解性能越差，它是表觀Vergt水解效果的指標。一般毛細變硬時間小于20 s，則水解性能良好。

多數污泥比阻和毛細變硬時間也有良好的相關性，充分反映的水解性能變化規律往往能達到一致。

3材料與方法

3.1試驗污泥來源與性質

試驗污泥來自上海4座污水處理主體工藝各異的城鎮污水處理廠，其污水處理工藝和污泥特性見表1。其中，D污水處理廠是二沉池的余下污泥，其余3座污水處理廠均是污泥重力鈾后污泥。

3.2污泥水解性能測量試驗

由于化學調理后污泥形成絮團，泥水分層顯著，呈非均質化狀態，給比阻和毛細水時間測量帶來非常大的影響。因此，責任編輯提出調理后污泥高速公路烘烤再展開測量的方法，并展開了烘烤與不烘烤兩種情況下比阻、過濾器時間、毛細變硬時間和粒徑指標間的相關分析，以確定該方法的有效性和可靠性。試驗證明，加藥調理污泥展開烘烤預處理后的數據可靠性更高，精確度更高。

取某污水處理廠余下污泥400 mL或鈾污泥樣品置于容器中烘烤混合均勻后，加入不同種類或不同投加量的PAM后使用六聯烘烤機烘烤。調理條件為在200 r/min下烘烤30 s，然后在60 r/min下烘烤10 min。靜置10 min后污泥使用高速公路烘烤機在500 r/min下烘烤2 min，隨后測量相應的污泥比阻、毛細變硬時間和粒徑。

3.3分析方法

MLSS和含水率的測量使用國家標準方法。

pH使用HQ30d多參數測量儀(Hach，美國)測量。污泥比阻測量使用章非娟和徐竟成報道的方法。TTF可在比阻測量過程獲得。CST使用304M測試儀（Triton，美國）測量。粒徑使用SALD-2201激光衍射式粒度分布測量儀（Shimadzu，日本）。污泥粘度使用DV-I型旋轉粘度計（Brookfield，美國）測量。總有機碳（TOC）使用Multi N/C3100（Analytikjena，德國）測量。

4結果分析與討論

4.1調理藥劑類型影響分析

試驗選取了7種不同結構、相較分子質量和陽離子度的聚丙烯酰胺PAM藥劑（表2中a~g），研究對污泥水解性能的影響。在藥劑參數對照的基礎上，又對阿維茲縣目前使用的藥劑strong、strong、h3和h4展開了對照。

調理后污泥水解性能指標變化見圖1。

A污水處理廠各式各樣藥劑調理后污泥水解性能指標變化參見圖1a。使用大相較分子質量支鏈藥劑a、c和線性藥劑d調理后污泥，其比阻顯著小于小分子質量支鏈藥劑b，也較中等相較分子質量線性藥劑e、f、g小；但使用小相較分子質量支鏈藥劑b調理后污泥，其毛細變硬時間最小，支鏈藥劑a、b、c對毛細變硬時間的提升均強于線性藥劑d、e、f、g；各類藥劑調理后污泥的粒徑顯著增大，其中以線性大相較分子質量的藥劑d最為顯著；陽離子度對污泥水解性能指標影響不顯著，但線性低陽離子度的藥劑e，對水解性能提升效果最差。水泥廠目前使用的是中相較分子質量支鏈藥劑strong，在完全相同投加量下，其調理污泥比阻為對照藥劑中最低，毛細變硬時間高于其它對照支鏈藥劑，粒徑為次優。水泥廠目前使用Vergt水解機，以毛細變硬時間來衡量，建議可使用藥劑b。

B污水處理廠各式各樣藥劑調理后污泥水解性能指標變化參見圖1b。使用小相較分子質量支鏈藥劑b調理后污泥，其比阻顯著小于大相較分子質量支鏈藥劑a、c和線性藥劑d、e、f、g；支鏈藥劑對毛細變硬時間的提升效果顯著好于線性藥劑；高陽離子度支鏈藥劑c對照阻提升效果較差；大相較分子質量線性低陽離子度藥劑d對照阻和毛細變硬時間的提升效果強于其它線性藥劑；中陽離子度線性藥劑e對照阻和毛細變硬時間的提升效果均最差；除藥劑e外，經調理后，污泥粒徑均獲得顯著減少。目前水泥廠使用中相較分子質量支鏈高陽離子度藥劑strong，在完全相同投加量下，相比其比阻、毛細變硬的提升效果最好，且調理后粒徑減少也較高，水泥廠使用Vergt水解機，以毛細變硬時間來衡量，配制藥劑strong是最合適的。

C污水處理廠各式各樣藥劑調理后污泥水解性能指標變化參見圖1c。使用小相較分子質量支鏈藥劑b調理后污泥，其比阻顯著小于大相較分子質量支鏈藥劑a、c；除線性藥劑f外，其余線性藥劑對照阻提升效果均良好；相比較，大相較分子質量支鏈藥劑c與中相較分子質量線性藥劑g對毛細變硬時間提升效果最好，且該藥劑調理后的污泥粒徑也獲得顯著減少；水泥廠在用藥劑h3為大相較分子質量支鏈中陽離子度，調理后污泥比阻較高，但毛細變硬時間在對照藥劑中最高，污泥粒徑最小；水泥廠使用帶式水解機，以比阻來衡量，宜使用相較分子質量中陽離子度藥劑，建議使用藥劑b。

D污水處理廠各式各樣藥劑調理后污泥水解性能指標變化參見圖1 d。3種支鏈藥劑對照阻的提升效果接近，相較藥劑b稍好；大相較分子質量低陽離子度線性藥劑d對照阻的提升效果大相較分子質量高陽離子度支鏈藥劑c對毛細變硬時間提升效果強于其它支鏈藥劑；中相較分子質量高陽離子度線性藥劑f對毛細變硬時間提升好于其它線性藥劑；水泥廠目前使用小相較分子質量高陽離子度支鏈藥劑h4，在完全相同投加量下，其比阻和毛細變硬時間均強于其它藥劑，且污泥粒徑最高；水泥廠使用帶式水解機，以比阻來衡量，故水泥廠現使用的藥劑h4是最合適的。

上述試驗可見，現有污泥水解和投運前的污泥水解設施，有針對性地開展調理藥劑可以選擇試驗，對可以選擇適合污泥性質和水解機的調理藥劑具有重要意義。

4.2調理藥劑投加量的影響分析

在藥劑可以選擇試驗的基礎上，可展開配制藥劑的最佳投加量試驗。責任編輯現對4座廠在用藥劑的最佳投加量試驗結果分析如下，參見圖2。

A污水處理廠使用藥劑strong，調理后污泥比阻、毛細變硬時間及粒徑變化參見圖2a。比阻和毛細變硬時間隨著PAM投加量的減少，呈現總體下降的趨勢，在0～2 kgPAM/tDS范圍內下降迅速，后趨于穩定。在投加量分別為4～5 kgPAM/tDS時，污泥比阻和毛細變硬時間開始維持在較高水平，分別為(0.21～0.23)×1012 m/kg和9.5～9.7 s，證明污泥水解性能獲得良好提升。粒徑隨著PAM投加量的減少呈上升趨勢，在投加量小于5 kgPAM/tDS后趨于不變。

除在變化范圍和變化幅度不同外，其余阿維茲縣的使用在用藥劑調理后，其比阻、毛細變硬時間及粒徑對應在某投加量時達到最佳，與最佳值相較應的投加量情況見表3。

高PAM投加量下CST和粒徑值趨于穩定，而污泥比阻卻有所回升。這是由于部分PAM殘留于調理污泥上清液中，在過濾器時富集于濾紙表面造成過濾器阻力減少，但實際水解機所用濾網孔徑要小于實驗室所用濾紙，因此在高投加量下比阻測量是有誤差的。

4.3泥性對水解機可以選擇的影響分析

除了污泥調理方法外，污泥水解的關鍵還在于水解機類型的可以選擇。而水解機選型同樣與泥性以及調理后泥性提升情況密切相關。從帶式水解機、板框壓濾機和Vergt機的工作原理看，污泥比阻和毛細變硬時間分別是來衡量其選型的指標。

污泥比阻表觀了污泥中水分在真空或者壓力狀態下通過多孔介質的阻力。比阻測量過程包括過濾器和壓濾兩個階段，與真空過濾器水解過程基本相近，因此比阻能非常準確地充分反映污泥的真空過濾器水解性能，也能比較準確地充分反映出污泥的壓濾水解性能（如帶式水解機和板框水解機）。若調理后污泥比阻較毛細變硬時間有良好的提升，且小于9.8×1012 m/kg時，則應配制帶式水解機或板框壓濾式水解機。C和D污水處理廠經調理后，其比阻接近1012 m/kg，所以使用帶式水解機是最合適的。

污泥與濾紙接觸時，在毛細管的作用下，水分在濾紙上滲透1 cm長度所需的時間稱為毛細變硬時間。因此，CST可視為水解時間，并以秒計［11］。相較于SRF，CST可以良好地充分反映污泥Vergt水解的性能。若調理后的污泥CST較SRF有良好的提升，且高于20 s時，則應配制Vergt水解機。A廠和B廠經調理后，其毛細變硬時間均高于10 s，兩廠使用Vergt機是最合適的。

4.4泥性測量分析存在問題探討

污泥經PAM調理后會形成很大的不規整絮體，泥水分層速度快，難以均勻混合。這造成調理污泥在泥性測量時誤差非常大。針對該問題，責任編輯提出了調理污泥高速公路烘烤后再泥性表觀的方法。污泥調理后在500 r/min下高速公路烘烤2 min以打散大尺度絮體，形成均一的污泥混合液。加藥烘烤對污泥水解性能的影響情況，見圖3。

未經烘烤的調理污泥比阻隨著投加量的減少先升后降。在1～2 kg PAM/tDS范圍內，污泥比阻小于水解臨界值（9.8×1012 m/kg），隨后快速下降，小于2.5 kgPAM/tDS時，污泥比阻小于易水解值3.9×1012 m/kg。數據波動非常大，變化趨勢與污泥調理的實際規律并不吻合，說明污泥特性表觀誤差很大。高速公路烘烤后，調理污泥比阻呈遞減趨勢，投加量超過1.5 kgPAM/tDS后趨于穩定，比阻值小于易水解值，見圖3a。

未經烘烤的調理污泥CST值波動顯著，測量誤差很大，而烘烤后調理污泥CST值呈現遞減趨勢，數據波動較小，見圖3b。

烘烤預處理前后污泥水解指標間的相關分析參見表4。未經烘烤的調理污泥各項指標間沒有顯著相關性。高速公路烘烤后，污泥SRF、CST、過濾器時TTF和粒徑間的相關性顯著提高，污泥比阻、TTF與粒徑在p<0.01水平上顯著相關。此外，未經烘烤的調理污泥SRF與粒徑正相關，這與實際情況不符；而烘烤后污泥SRF與粒徑顯著負相關，與實際情況吻合。根據上述分析可知，調理污泥的烘烤預處理能夠提高測量結果的可靠性和精確性。

CST適用于所有的污泥水解過程，但要求泥樣與待水解污泥的含水率完全一致，因為CST測量結果受污泥含水率的影響非常大。

對于Vergt水解過程，近年來研究表明可壓縮性能和改進Vergt指數（MCI）是更具有應用前景的指標。特別是MCI，能夠定量Vergt水解過程中施加于污泥表面的壓力，進而充分反映水解設備對所實施的固液分離過程的影響。作為一個新型泥性表觀指標，MCI還需要進一步評估其用于污泥水解性能的可靠性。

5結論

（1）在確定污泥調理藥劑和投加量之前，展開藥劑可以選擇和相應的最佳投加量試驗對提高水解效果，降低運行費用無疑都是有益的，可以有效避免藥劑可以選擇和投加量確定的盲目性。

（2）藥劑選型和最佳投加量試驗結果對水解機型的可以選擇無疑也是有益的，可以有效避免設計選型的盲目性。

（3）調理后污泥高速公路烘烤預處理后再展開泥性測量更能充分反映實際規律，測量結果的可靠性和精確性更高，這也說明調理過程中藥劑與污泥展開充分混合是必要的。

（4）化學調理是污泥水解前調理的重要預處理過程，其調理有效性直接影響著污泥的水解效率，所以應加強相關污泥水解性能指標、規范的測量方法研究。