新型混凝剂CPF改善水厂沉淀池排泥水沉降性能研究

施周¹ 郭雪松¹邱振华² 李宜革¹ 张彬¹ 罗岳平²
1 湖南大学土木工程学院水工程与科学系 2 长沙市自来水公司

引言

　　自来水厂未经处理的沉淀池排泥水和滤池反冲洗水直接就近排入江河，损害了水体环境。因此，对水厂排泥水进行有效处理已成为一个急待解决的问题^[1,2,3]。本文探讨了新型阳离子高分子混凝剂CPF用于提高水厂排泥水污泥沉降性能的可行性及其影响因素。

1　材料与方法

　　实验用排泥水取至长沙市第二水厂平流沉淀池。该水厂以湘江水为水源，聚合氯化铝为混凝剂，采用虹吸式吸泥机排泥。取样时，其非洪汛期（低浊度）排泥周期为2—3天。经测定^［6］，排泥水含水率为97.9%，pH为7.5。实验用CPF由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与丙烯酰胺聚合而成，由长沙市第二污水净化中心无偿提供；其它化学试剂：聚丙烯酰胺（PAM），硫酸铝，硫酸，氢氧化钠均为分析纯。
　　实验以SC656混凝搅拌机为机械搅拌设备，沉降试验采用高度为80cm，内径为45mm的带有刻度的透明有机玻璃筒；温度对混凝效果的影响实验在1000ml量筒中进行；水样pH由硫酸或氢氧化钠调节；试样pH值及浊度分别由 pH计 （ORION, Model 818）及浊度仪（METTLER TOLEDO）测定。

2 结果与讨论

2.1不同混凝剂对污泥沉降性能的影响
　　实验污泥的自然沉降实验表明：污泥界面在24小时内仅下降了原高度（60 cm）的28.5%，显然，污泥的自然沉降性能不理想，污泥的沉淀必须投加混凝剂来加强。
　　试验污泥在混凝剂CPF，PAM，.Al₂(SO₄)₃，作用下的沉降曲线如图1所示。

　　可以看出，高分子絮凝剂CPF和PAM都能使污泥的沉降性能得以明显改善，并且，在相同投量下，CPF的效果优于PAM。无机混凝剂Al₂(SO₄)₃对污泥的沉降性能没有多少影响。为便于对比分析，将经过120分钟沉降后上述实验中各上清液的pH和浊度，以及沉降改善降效果列于表1。由此发现在1.7‰（混凝剂占污泥干重千分比）的投量下，CPF能使污泥的沉降性能改善达到51%以上，优于PAM(23%)。经CPF处理后污泥上清液的浊度比经PAM处理的要低。加入CPF后，上清液的pH值基本不变。而PAM则导致pH下降。这主要是由于PAM的水解（水解度约为30%）所引起的。由图1和表1可知，就改善水厂污泥沉降性能而言，CPF的效果比PAM更好。

表1 不同混凝剂处理效果的比较 混凝剂种类 投量¹（‰） pH值 上清液浊度（NTU） 沉降改善效果²（%） 无（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 未检 未捡 0.5 注：1混凝剂占污泥干重千分比；
　　2（无混凝剂作用原水的自然沉降泥水界面高度-混凝剂投加后泥水界面高度）/原水自然沉降泥水界面高度×100

2.2影响CPF改善污泥絮凝沉降性能的因素
2.2.1混合反应条件
　　在CPF投药量为1.7‰时, 本文对混合反应条件进行了量化研究，得到在不同混凝搅拌时间T及不同搅拌强度G条件下的沉降曲线如图2和图3所示。

　　

　　由图2可知，在恒定G值171 S^-1条件下，当搅拌时间T从5秒增加至3分钟时，初期沉降效果得以明显改善。进一步延长搅拌时间则沉降效果的进一步改善不明显。同样地，当搅拌时间一定（3分钟），搅拌强度从G= 60 S^-1(50转/分)增至314 S^-1(150转/分)时（图3），沉降效果获得了明显改善，但进一步提高转速则对沉降效果的改善不明显。由此可见，对实验沉淀排泥水，以搅拌强度为G= 314 S^-1及搅拌时间3分钟为宜, 相当于GT = 56520。
　　这一实验表明：适当大的G,GT条件更能改善污泥的沉降浓缩性能。我们观测到当G值为171S^-1及以上时，投加CPF后能形成沉降性能较好的小而密实的颗粒，反之，所形成颗粒松散而沉淀性较差。对此，我们初步推断用较大的G值进行搅拌时，一方面可使原己絮凝生成的松散污泥颗粒重新打碎，以便于高分子絮凝剂CPF重新凝聚形成沉降性能更好的小而密实的颗粒；另一方面，大的G值可增加颗粒与混凝剂之间的碰撞机会；反之，若原颗粒松散结构不能打碎，则难以通过CPF絮凝形成新的密实颗粒，故沉淀效果不佳。
2.2.2CPF投量
　　不同CPF投量时的污泥沉降曲线如图4所示。从中可以看出, 污泥沉降速度随CPF投加量加大而加大；在1.7‰以上时，20分钟沉淀时间内污泥沉降性能改善程度（相对于无混凝剂作用原水的自然沉降泥水界面高度而言）达48% 以上；进一步加大CPF量至4.3‰，对沉降性能改善程度仅提高4%。加大投药量能缩小沉降池的体积，但会提高药剂成本，所以在实际生产中，CPF投药量以1.7‰左右为宜。
2.2.3水温
　　水厂排泥水在不同温度时的自然沉降曲线和CPF投加量为1.7‰时的沉降曲线如图5所示。对污泥自然沉降而言,水温从10.1^oC上升至22^oC时，其对沉降的影响甚微。但若继续升温至35^oC，则1小时沉淀后的污泥自然沉降性能较10.1^oC时改善了12%。当投加CPF（1.7‰）时，水温从10.1^oC升至22^oC对沉降性能无明显影响，但当水温从22^oC上升至35^oC时可提高沉降性能(1小时沉淀)16%。可见，温度对排泥水的自然沉降性能和CPF对泥水沉降性能的作用确有一定的有利影响。温度高时排泥水的粘滞系数降低，水与颗粒之间由于下沉产生的粘滞力减小，同时，CPF在高温状态下，链状结构更为舒展，这些都更有利于污泥颗粒混凝沉降。

　　

2.2.4 pH值
　　实验所用排泥水样取自沉淀池，其污泥颗粒已经过聚合氯化铝絮凝沉淀。由于铝盐是两性电解质，在酸性和碱性条件下都会溶解，因而改变水样pH将影响污泥絮体的结构及沉降性能^[5]。本实验通过调节水样的pH值得到不同pH条件下的自然 （未加絮凝剂）沉降曲线如图6。

　　

　　由图6可知,酸性条件有利于污泥的沉降：当pH从7.61调至4.32时，二小时的污泥的沉降性能改善了11%；当pH进一步调低一个单位（pH=3.38）时,污泥的沉降性能较未调节pH的水样得到了显著改善（其值为63%）。继续降低pH值，污泥的沉降性能改善不大。
　　值得指出的是：在本实验中，pH值升高时污泥的沉降性能并没有改善，这与加碱能提高污泥的沉降性能的文献报道^［3，5］不同，其机理有待进一步探讨。
　　由于pH的改变会影响混凝剂CPF的舒展程度,从而影响其混凝效果。在CPF投加量为1.7‰时不同pH值条件下的沉降曲线如图7所示。同样地我们发现加酸可以进一步提高污泥的沉降浓缩性能。在pH=2.82和pH=4.08时投加混凝剂,沉降性能比只加混凝剂不调节pH（pH=7.41）时分别提高81%和68%。而在碱性条件下，随着pH值升高，沉降性能反而下降。
　　对比图6和图7，我们发现在相同酸性条件下，投加CPF可大大改善污泥沉淀效果，尤期是初期（10分钟以内）沉淀效果。
　　进一步的研究表明，上清液的浊度（色度）随酸性或碱性的增加而上升。当pH从7.61调至3.38或10.11时，相应的上清液的浊度为>200或38度，大大高于未调节pH时的5度。特别地，在酸性条件下，上清液呈聚合氯化铝颜色，可能是污泥中聚合氯化铝酸解溶出的缘故。
　　由此可见，酸处理能提高污泥的沉降浓缩性能，也有利于回收污泥中的铝盐，但设备需要用耐酸材料，同时酸处理的结果，有可能将污泥中有害的物质溶解至上清液中来。

3 结论

　　（1）CPF对水厂污泥沉降浓缩性能的改善优于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%左右时较为经济合理。
　　（3）混凝混合反应条件以快速搅拌为佳，在大的G,GT条件下，污泥结合为细小而密实的颗粒更有利于沉降。
　　（4）水温和pH值都对CPF的混凝效果有影响。常温范围内，污泥的沉降性能随水温升高而改善；pH值对CPF影响复杂：碱性条件会降低CPF对污泥的混凝沉降作用，酸性条件能提高污泥沉降性能，但引起水浊度及色度升高并可能导致有害物质从污泥中溶解出来。故就保持出水水质而言，pH以中性为宜。

参考文献
　　1 乐林生,等. 自来水厂排泥水处理技术. 中国给水排水, 1999,15(6)
　　2 张方梅，等. 净水厂沉淀污泥浓缩性能初探. 给水排水, 2000, 26(7)
　　3 陆在宏，等. 给水厂排泥水处理工艺研究(上). 给水排水, 1993，(10)
　　4 陈艳萍，等. 石家庄市第八水厂污泥处理简介. 给水排水, 2000,26(2)
　　5 日本水道协会. 净水厂排水处理设备设计. 中国建筑工业出版社
　　6 吴慧敏. 建筑材料. 湖南：湖南科学技术出版社1995