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阳离子聚丙烯酰胺在城市污水处理厂的应用

发布时间:2019-12-05 09:28:26     作者:波涛净水

阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)是处理市政污水污泥普遍使用的一种高分子絮凝药剂,药剂使用过程中的多个关键控制点包括pH值、投加量、投加方式、搅拌速度、搅拌时间、溶解水温等都对药剂在实际生产中所发挥的絮凝作用有很大影响。文章结合水厂实际生产运行经验,并查阅大量文献,对阳离子聚丙烯酰胺使用过程中的多个关键因素的控制参数、影响机理进行详细讨论。此外,带式脱水机、离心式脱水机、板框压滤机由于其工艺上的差异,药剂的选型、配药浓度、投加量、与无机絮凝剂的搭配等方面都有较大差异,在文章中将做出详细描述。

近几年来,随着第三产业的迅速发展,各类生活废水、餐饮废水的排放量日益增加。城市生活污水为城市下水道系统收集到的各种污水,通常由生活污水、工业废水和城市降水径流三部分组成,是一种混合污水。如果对生活废水不加以净化处理,直接排放,会对环境造成很大的污染。且随着用水量的急剧增加,引起水资源的匮乏。污水净化处理后再利用是解决这一难题的重要途径之一。

污泥脱水是污水处理的一个重要组成部分,越来越受到关注。利用物理、化学或其他方法改变污泥固液分离特性的步骤,称为污泥调理。污泥化学调理是污泥脱水单元的核心技术。化学调理法常使用的无机化学品有氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铝、聚合氯化铝等;常使用的有机化学品为聚丙烯酰胺。使用高分子调理剂有三个优点:1、使用的剂量比无机药剂要少;2、无机调理剂会增加污泥量,增加污泥处置成本;3、污泥后期处置过程中,焚化不会降低泥饼的燃耗值。

市政污水污泥中主要存在负电荷,所以在城市污水处理厂,多采用阳离子型聚丙烯酰胺作为污泥脱水用药剂。文章主要探讨了阳离子型聚丙烯酰胺使用过程中的多个影响因素对污泥脱水性能的影响,并针对不同的污泥脱水工艺中药剂使用的差异进行阐述。

1、使用过程中各种因素的影响

通常市售的高分子絮凝剂,依其外观形态可分为粒型、乳化型。各种高分子在使用上各有其优缺点,如粉粒型高分子优点是价格低、保存期限长,但容易吸湿结块、配置不便、溶解熟化时间长等缺点。乳化型高分子优点是取用方便、无粉尘、溶解熟化时间短,缺点是价格较高。

污泥调质的主要任务是增加污泥颗粒尺寸,克服水合作用和电性排斥作用。有3种作用机理可以解释阳离子聚丙烯酰胺的调质作用:

1、电中和作用。污泥颗粒本身带负电荷,相互间排斥,在污泥中加入与胶体带相反电荷的聚电解质,则可降低粒子的电位,使粒子相互吸引形成絮团。

2、去水化作用。将亲水胶体转变为憎水胶体,这是污泥调质的关键。污泥胶体与高分子间发生活性反应或形成络合物,产生不溶性产物,从而实现絮凝。

3、吸附作用。主要以吸附架桥和表面吸附为主。吸附架桥作用包括2种情形:①高分子絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺的活性基团所产生氢键的吸附作用;②同电荷污泥颗粒之间,由异电荷胶体连在一起,也称为异电荷胶体互凝现象。

阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂对污泥的调质作用,是通过上述3种作用机理调整固体粒子群性状及其排列状态,使之适合于各种不同的浓缩脱水条件,因为污泥的脱水速度明显受到固体粒子群的性状及其排列状态的影响。

影响阳离子型聚丙烯酰胺絮凝效果的因素很多,泥液的pH值、药剂的投加量、搅拌速度、搅拌时间、反应温度、离子强度等对药剂脱水效果产生影响。有许多研究指出,搅拌条件是决定污泥调理较主要因素之一,即搅拌强度。搅拌强度与搅拌速度、搅拌时间有关。污泥的pH会影响到污泥中化学成分的离子状态,影响电荷密度,从而影响污泥絮凝效果。溶解水温也是关键因素之一,水温较低时(如冬天),高分子絮凝剂需要长时间才能完全溶解,分子链才能完全展开,且电荷与污泥颗粒碰触的频率会较低。此外,配置絮凝剂溶液时,机械剪切力会切断高分子链,导致分子量下降,所以溶液配置时搅拌速度不宜过快。郑怀礼、杨风霞等人做过详细阐述,详见表1。

表1各因素对药剂脱水效果的影响

影响因素 对药剂脱水效果的影响
pH值 适宜5.0-7.5;≤3.5絮团小;≥9.5泥水不易分离
投加量 0.3-0.6mg/L,药剂过少絮凝效果不明显,药剂过量絮团易沉淀于反应池后部
投加方式 药剂溶解均匀后再向泥液中投加
搅拌速度 低速搅拌,10r/min
搅拌时间 60min以上
温度 温度升高,利于脱水

在城市污水处理厂的生产运行中,为节省人力,提高效率,避免人为操作造成的误差,阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的使用多采用溶药、投加一体化系统,由自控系统自动控制药剂的溶解时间、熟化周期、搅拌强度、投加速度等,所以自控系统及设备的选择和参数设定将会对药剂絮凝效果的发挥有直接影响。

2、不同污泥浓缩脱水方式中的药剂使用差异

污泥处理是整个废水处理中较重要的环节之一,为了提高污泥的固含量,污泥经常要经过脱水处理。迄今,污泥脱水较可行的办法是使用阳离子絮凝剂,该法不仅生成的污泥量少,且易机械脱水,对节约用水、提高污水处理效果和废水回用具有重要的作用。目前常见的机械脱水方式有三种:带式脱水机、离心式脱水机和板框压滤机。不同脱水设备药剂的使用情况也大不相同。表2展示了各种脱水设备所经常使用的絮凝剂。

表2各种脱水程序经常使用的絮凝剂

脱水程序 石灰 氯化铁 聚合物
离心式脱水机 不使用 不使用 普遍使用
带压式过滤脱水机 不使用 不使用 普遍使用
真空过滤脱水机 普遍使用 普遍使用 普遍使用
加压过滤脱水机 普遍使用 普遍使用 有时使用

2.1带式脱水机

带式脱水机具有投资省、耗钢材少、耗电低、运行稳定的优点,所以被广泛应用于国内外许多污水处理厂。对于现代污水处理厂,选用聚合物对污泥浓缩脱水进行适当的絮凝调节已经成为必要的手段。絮凝剂加入量过多不但会导致资源的浪费,而且达到一定量时还会堵塞滤带,影响脱水机的正常运行,反之加入量不足同样会影响脱泥效果。因此,对絮凝剂较佳投药量的研究成了污水处理厂运行中的一个重要课题。污泥絮凝时投药量主要与污泥种类、处理量及污泥浓度等性质有关。

带式脱水环节中,絮凝剂溶液是通过计量泵调节到一定的流量,然后污泥与絮凝剂溶液分别由各自的输送管道送入混合桶进行混合与絮凝。最后,絮凝后的污泥进入分离部分通过滤带实现固液分离的目的。研究表明,随着絮凝剂加入量的增加,泥饼的含水率均呈下降趋势,两者之间不呈线性关系。开始泥饼的含水率下降速度很快,当絮凝剂的干重投加量增加到7‰以上后,下降速度减慢,趋于稳定。这主要是由于浓缩去除的只是污泥中的间隙水和部分毛细水,当这部分水被分离后,污泥含水率就不能继续降低了,就算继续增加絮凝剂的投入量,处理效果也不会有大的改善。

目前,一种可用于污水厂絮凝剂投加量自动控制的聚合物控制系统已在市政污水处理厂开始应用,该系统采用流动电流技术,通过测定滤液中的流动电荷变化状况,来自动调节药剂投配率,可在合理并及时调整药剂投配率的同时,节省药剂、避免浪费、节约运行成本。

2.2离心式脱水机

离心式脱水机比带式脱水机的运行更稳定、管理更方便,缺点是耗电量大,维护维修费用高。离心式脱水机依靠强大的离心力,利用不同物质在受到相同离心力后所产生的运动曲线不同,达到泥水分离效果。

对于同种机器而言,影响脱水效果的主要因素是工艺条件,即投料污泥性质调质处理,投配率及污泥在机内停留时间等。研究表明,污泥不经过调质,用离心机脱水完全可以运行,且出泥产率随污泥投加量加大而相应增加,但固体回收率会有所下降。在实际生产运行中,离心机不会单独使用,投加适量的阳离子聚丙烯酰胺可有效提高脱水效率,一般干固投加量控制在5‰左右。药剂浓度应根据实际情况配制在0.1‰至0.5‰使用,在取得较好的处理效果的同时,确保投配率较省。若污泥的处理量一定,絮凝剂投加量要根据污泥浓度的变化进行调整,污泥浓度增加,絮凝剂投加量增加。如果污泥浓度过高,超过了机器较大可处理的干固体负荷,则会导致药剂处理效果下降,投配率增加。因此,应尽可能将污泥浓度控制在一定范围,以达到较稳定处理效果。

离心式脱水机与带式脱水机用药有所不同。①离心机用絮凝剂的分子量比带式机所用药剂分子量高,带式机用絮凝剂分子量一般控制在500万左右,而离心式脱水机用药在800万至1200万。由于污泥调质后需要经离心机进行脱水处理,因此,应选择分子量大、抗剪切力强的有机高分子絮凝剂作为调质药剂。②离心机用絮凝剂有干粉和乳液两种形态,而带式机主要采用干粉絮凝剂。乳液态絮凝剂比干粉态絮凝剂更易溶解,溶解时间短,且溶解更为均匀。

2.3板框压滤机

板框压滤机由于处理后污泥含水率低、体积小,在欧洲发达国家已被广泛采用。我国上海石洞口污水厂、厦门集美污水厂等地也引进了板框压滤机。在污泥处理过程中,确保污泥浓缩脱水设备的稳定运行,选择合适的絮凝剂和投药量,既是工艺保障的关键所在,也是污水厂高效低耗运行的需要。

板框压滤机的絮凝剂用药以无机絮凝剂为主,一般为FeCl3与石灰组合。然而,由于有机絮凝剂能有效提高污泥的絮凝效果,且用量比石灰小许多,产泥量大大减小,所以FeCl3与阳离子聚丙烯酰胺的组合使用也受到广泛关注。研究发现,脱水泥饼含水率与无机絮凝剂和有机絮凝剂的投药量都有着重要联系,按照干重质量比来计算,一般FeCl3的投加量为4%到15%,且在该范围内随着投加量的增加,泥饼含固率增加;另一方面,阳离子聚丙烯酰胺的投加量要大于6.9kg/TDS,且随着投加量的增加,泥饼含固率也随之明显升高,具体的投配需要综合考量泥质、设备、运行成本等多方面来决定。

此外,“铁盐+阳离子聚丙烯酰胺”与“铁盐+石灰”两种投药方式相比,阳离子聚丙烯酰胺可以大幅度提升设备处理能力。在相同的设备条件和运行周期下,处理泥量比用石灰加药时提高13%以上。每一批次的处理能力变大,铁盐消耗量降低,且由于不用投加大量污泥,产泥量大大降低,这样有利于延长设备维护周期,减少工作人员的劳动时间。

3、应用总结

(1)阳离子聚丙烯酰胺的溶药及投加过程,对药效的发挥有着重要作用,合理控制溶药过程中的搅拌速度、搅拌时间、水温,选择合适的药剂投加方式,是药剂使用的关键控制点,及时根据产泥情况调整药剂投加量,可有效提高产泥固含量,并节省药量,避免浪费。

(2)带式脱水机、离心式脱水机、板框压滤机的脱水工艺大不相同,所以对药剂的要求和使用也有很大差异,药剂的选型、溶液的配置浓度、投加量等因素对药剂的絮凝和泥水分离效率有重要影响。

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