循環污泥高效絮凝沉淀工藝的影響因素研究

近年來，高密度（或高效）沉淀池已在國內外凈水廠的設計和改造中得到廣泛應用。國內常見的池塘類型包括法國densel公司的高效清水池和上海市政設計研究中心開發的高密度沉淀池。這種高效絮凝沉淀工藝的原理基本相同,即外部循環具有活性的污泥,使雜質顆粒與其發生接觸絮凝而從水中分離,進而提高原水的脫穩和顆粒絮凝效果,經過有效沉淀后有較低的出水渾濁度。與常規的平流式沉淀池不同,高效絮凝沉淀工藝有較多的可變影響因素,如活性泥量的投加、混凝劑投加種類和投加量、助凝劑PAM投加量、PAM兩點投加比例和絮凝提升攪拌轉速等。這些因素對出水的影響情況較為復雜,因此,需要詳細研究各可變因素對該高效絮凝沉淀工藝的影響特性。在生產性試驗之前,上海市政設計研究總院在嘉興以嘉興石臼漾水廠原水為試驗用水,用杯罐試驗模擬中置式高密度沉淀池工藝進行小試研究,考察并分析各可變因素的影響特性及其重要性,以期為生產運行優化調試提供技術支持。1試驗設備和方法1.1實驗水源試驗用水采用嘉興石臼漾水廠原水,試驗在2006年7月份進行,原水部分水質指標如表1所示。1.2試驗過程設計采用杯罐試驗研究各可變因素對出水的影響情況,杯罐試驗按照《水的混凝、絮凝杯罐試驗方法》(GB/T16881-1997)并參考中置式高密度沉淀池處理工藝運行過程設計,具體試驗步驟如圖1所示。由于水廠實際運行中在進沉淀池前投加約1mg/L的高錳酸鹽復合藥劑(PPC),起到除錳、助凝等效果,因此小試模擬試驗前也在原水中與混凝劑一道投加1mg/L的PPC。試驗中高效助凝劑聚丙烯酰胺PAM投加模擬中置式高密度沉淀池按照兩點投加方式投加,一部分和活性污泥一起投加后混合,一部分在混合后期絮凝階段前投加。活性污泥采用生產運行中中置式高密度沉淀池內未投加PAM的回流污泥。沉淀15min后取上清液測其渾濁度、CODMn和UV254。2試驗結果與分析2.1污泥投加量的影響混凝劑選用聚合氯化鋁鐵(PAFSC),投加量為30mg/L,PAM投加量0.1mg/L,PAM兩點投加比例1∶1,PPC投加量1mg/L,在此條件下,改變不同的活性污泥投加量進行試驗,不同污泥投加量條件下上清液渾濁度和CODMn如圖2和圖3所示。從圖2可以看出,投加活性污泥顯著地提高了原水的脫穩效果和顆粒絮凝效果,降低了上清液渾濁度。污泥投加量在834mg/L以下時,隨著污泥投加量的增加,出水渾濁度降低明顯,但當污泥投加量大于834mg/L后,隨著污泥投加量的添加,上清液渾濁度降低極其緩慢。這可能是由于污泥投加量達到一定濃度后,脫穩絮凝效果已接近極限,而污泥投加量繼續增大會影響到靜止沉淀的效果,因此,對于除濁而言,存在一個合適的污泥投加量范圍。由圖3可以看出,小試試驗中隨著污泥投加量的增大,出水有機物含量變化不大。高濃度的活性污泥投加對出水有機物可能存在正反兩方面的影響:第一,除了膠體狀有機物電中和沉淀作用、有機物聚合體的沉淀作用、吸附于金屬氫氧化物表面的共沉淀作用去除有機物外,還存在吸附于體系中高濃度活性污泥及其形成的礬花上的共沉作用,這將增加有機物的去除率;第二,由于投加到水樣中的活性污泥溶液里有機物含量非常高,不排除活性污泥中溶解性有機物進入水中,從而降低系統的有機物去除率。從試驗結果看,這些影響都不明顯,或兩方面影響相互抵消。2.2混凝劑投加量的影響試驗用水廠實際使用的PAFSC為混凝劑。在PAM投加量0.1mg/L,兩點投加比例1∶1,PPC投加量1mg/L,活性污泥投加量834mg/L條件下,改變不同混凝劑投加量進行試驗,其上清液渾濁度、CODMn和UV254測試結果如圖4、圖5和圖6所示。如圖4所示,當PAFSC投加量小于50mg/L時,混凝劑投加量大小對渾濁度去除有非常大的影響,當PAFSC投加量大于50mg/L時,繼續增大投加量時渾濁度去除效果則不明顯。從圖5和圖6可以看出,混凝劑投加量增大能降低出水有機物的含量。混凝劑投加量從10mg/L增大到50mg/L時,上清液CODMn和UV254分別從6.41mg/L和0.1892cm-1降低至5.38mg/L和0.1441cm-1,對UV254的去除率明顯高于CODMn,這表明強化混凝能更有效地去除UV254類有機物。2.3pam投加量的影響試驗采用PAM為助凝劑,其聚合度可高達20000~90000,相應的分子量高達150萬~600萬。它的混凝助凝效果在于增大絮體尺寸,對膠體表面具有吸附作用,在膠體之間形成橋聯。在PAM兩點投加比例1∶1,PPC投加量1mg/L,活性污泥投加量834mg/L,PAFSC投加量40mg/L條件下,改變不同PAM投加量進行試驗,上清液渾濁度和CODMn去除效果如圖7和圖8所示。由圖7可知,較低的PAM投加量能改善上清液出水渾濁度,但影響效果并不大,且隨著PAM投加量的增大,出水渾濁度反而升高。由圖8可知,PAM投加量的改變對有機物去除效果影響不大。2.4泥和水中投加比例對產液兩相投資的影響水廠中置式高密度沉淀池實際運行采用PAM兩點投加方式,第一點投加至回流污泥中,改善回流污泥性能的同時進入混合池與原水完全混合;第二點在混合后期絮凝階段前投加。這是因為PAM及其水解產物在水中很易形成較長的分子鏈,吸附、架橋的絮凝作用明顯,在混合池后絮凝池前的投加將避免由于PAM作用所形成的大絮體打碎。PAM投加量0.1mg/L,PPC投加量1mg/L,活性污泥投加量834mg/L,混凝劑投加量40mg/L條件下,改變PAM在兩個不同投加點的投加比例進行試驗,上清液渾濁度如圖9所示。由圖9可以看出,當PAM在泥和水中的投加比例為1∶1時,出水渾濁度最優,即1∶1是試驗的最佳投加比例。試驗還證實了PAM投加比例改變對有機物去除效果的影響不大。2.5轉速對不同沉淀條件下上清液渾濁度的影響中置式高密度沉淀池在混合池左右有兩個絮凝池,內置機械攪拌和絮凝提升桶,為了考察均勻混合了PAM和活性污泥的原水在絮凝池發生絮凝作用時所需要的機械攪拌程度,改變不同的絮凝攪拌轉速進行試驗研究。在PAM投加量0.1mg/L,PAM兩點投加比例1∶1,PPC投加量1mg/L,活性污泥投加量834mg/L,混凝劑投加量40mg/L條件下,慢速絮凝階段絮凝攪拌轉速分別設為20、40、60、80、100和120r/min,試驗結果如圖10所示。由圖10可以看出,上清液中渾濁度規律性表現的并不明顯。同時,試驗過程發現對于投加活性污泥和PAM的高絮凝轉速試驗杯中,15min沉淀后還有較多的微小絮體在上清液中緩慢下沉。因此,試驗進一步監測了不同絮凝攪拌轉速條件下上清液中渾濁度隨沉淀時間的變化規律,如圖11所示。從試驗監測結果可以看出,不同的絮凝轉速所需要的穩定沉淀時間不同,當轉速小于80r/min時,沉淀15min上清液中渾濁度即達到穩定值,即沉淀完全,當轉速大于80r/min時,出水中渾濁度穩定所需的沉淀時間大于50min。從圖11還可以看出,沉淀50min時,絮凝轉速大的出水渾濁度大于轉速小的出水渾濁度。綜合試驗結果和試驗過程觀測的現象可以分析:在投加了混凝劑PAFSC、助凝劑PAM和活性污泥,并經過混合均勻的原水在機械絮凝階段,如果攪拌轉速快,則接觸脫穩充分,最終出水中渾濁度低(50min后),但形成礬花小,所需的沉淀時間較長;如果絮凝攪拌轉速慢,礬花大,所需沉淀時間短,但最終出水中渾濁度較高(50min后)。2.6混凝沉淀配方確定試驗結果由以上分析可知,影響高效絮凝沉淀工藝出水中渾濁度及有機物去除率的因子較多,影響情況較為復雜。試驗進一步在前期研究結論的基礎上設計正交實驗深入研究各變量因素對混凝沉淀效果的影響程度。本試驗中影響出水水質的四個主要因素為:PAFSC投加量、活性污泥投加量、PAM投加量及絮凝攪拌速率,通過設計正交實驗和交互效應分析,確定各影響因素對混凝沉淀效果影響的程度。試驗中PAM在泥中和水中的投加比例參考前期試驗結論按最佳方式1∶1投加。試驗四個可變因素的取值水平見表2。采用L16(45)正交表安排試驗,以便減少試驗次數,16個組合共進行了16次試驗,試驗結果見表3。表3中極差R是衡量數據波動大小的重要指標,極差越大的因素越重要。由表3可知,四因素在所取水平范圍內影響出水渾濁度的顯著性次序是:聚合氯化鐵投加量>機械絮凝攪拌轉速>活性污泥投加量>PAM投加量。根據小試的結論可知影響出水渾濁度最主要的因素為聚合氯化鐵投加量。從表3中可以看出,出水渾濁度最低的操作條件是:聚合氯化鐵投加量=50mg/L;活性污泥投加量=817mg/L;PAM投加量=0.10mg/L,機械絮凝攪拌轉速=80r/min。3小試試驗結果眾所周知,影響混凝的因素很多,影響到利用回流污泥的高效絮凝沉淀工藝的因素則更多。本試驗篩選出幾點在實際運行控制中易于改變的影響因素作為研究目標,通過小試試驗探討其對高效絮凝沉淀工藝出水的影響規律。由于小試試驗研究的局限性和針對的是嘉興石臼漾水廠特定的水質條件等原因,所得的結論存在一定的特定性和局限性。并且,小試試驗存在一些尚未明確的因素和不足,特別是小試混合、絮凝與實際攪拌混合、絮凝提升桶機械接觸絮凝;靜水沉淀情況與實際沉淀池的動水沉降存在一定的差異。因此,小試試驗的結果與實際運行體現出來的規律可能會不完全相同。盡管如此,在后期生產性試驗研究過程中發現它所反映出的部分結論和規律與實際運行非常吻合,方便地指導了生產調試和運行管理。4投加量對深化原水預處理的影響(1)與常規的平流式沉淀池不同,高效絮凝沉淀工藝有較多的可變影響因素,如活性泥量的投加、混凝劑投加種類和投加量、助凝劑PAM投加量、PAM兩點投加比例和絮凝提升攪拌轉速等,對出水水質的影響情況較為復雜。(2)活性污泥的投加顯著地提高了原水的脫穩和顆粒絮凝效果,降低上清液的渾濁度,同時,對于除濁而言,存在一個合適的污泥投加量范圍。當活性污泥投加量增大,出水中有機物含量則變化不大。(3)試驗中當混凝劑投加量小于50mg/L時,混凝劑投加量大小對渾濁度去除有較大的影響,當混凝劑投加量