比阻能综合反映污泥的脱水性^[1-4], 但是由于其操作的复杂性, 需要较好的配合和较高的操作熟练度, 所以往往导致测定结果重现性不佳^[5]。同时, 脱水指标体系目前缺少标准和规范的约束^[6], 不同研究之间的可比性较低。导致测定不准的关键在于污泥调理之后, 由于过滤性能过好, 使得污泥水被迅速抽干, 这样得到的比阻值易受外界轻微扰动的影响。毛细吸水时间(CST)和滤液过滤时间(TTF)同样也面临过滤性能过好带来测定精度下降的问题。为了解决调理污泥在测定过程中过滤速度过快导致测定误差增加的问题, 本文针对调理污泥泥性特点, 在药剂调理之后对污泥进行高速搅拌的预处理操作。通过进行高速搅拌以破碎大块的污泥絮体, 同时对不同药剂投加量的调理污泥进行相同转速下的高速搅拌, 以确保不同的脱水性能通过比阻, CST, TTF, 粒径被准确地反映出来, 并设置了一系列实验来验证高速搅拌预处理能显著提高比阻, CST, TTF, 粒径测定结果的准确度和重现性。

实验所用的污泥来自上海市竹园第二污水处理厂, 现场取样后在1 h内带回实验室进行后续实验。该厂主体工艺采用改良型AO法组合工艺, 无初沉池, 产生的污泥为二级污水处理厂的剩余污泥。该厂的处理规模为30万m³/d, 干污泥处理量为33.5 t /d, 污泥的基本性质如表 1所示。其中, MLSS为混合液污泥浓度, SV为污泥沉降比。所用的絮凝剂为粉末聚丙烯酰胺(PAM)。

表 1 污泥基本性质

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MLSS/ $\left(\mathrm{g} \cdot \mathrm{L}^{-1}\right)$	$\mathrm{pH}值$	粒径/ $\mu \mathrm{m}$	$\mathrm{SV}$ / %	比阻/ $\left(10^{8} \mathrm{s}^{2} \cdot \mathrm{g}^{-1}\right)$	$\mathrm{CST} / \mathrm{s}$
8.900	7.100	87.700	77.000	11.200	13.200

污泥调理:取250 mL污泥, 进入一定投加量的PAM溶液后在转速为250 r/min下搅拌30 s, 然后在转速为60 r/min下搅拌3 min。调理后预处理:将调理后的污泥在转速为500 r/min下搅拌2 min后测定比阻、粒径和CST。实验温度为17 ℃。

污泥在ZR4-6六联搅拌器内进行调理; 比阻和TTF采用TG-250比阻抽滤装置测定; CST采用Model 304 M测定; 粒径测定采用激光衍射式粒度分布测量仪(SALD-2201, shimadzu), 选择的粒径范围为0.01~1 000μm内的概率分布情况。

过滤体积会影响污泥在比阻测定初始阶段的过滤表现, 因此许多相关研究在测定比阻时都是采用100 mL的过滤体积。受布氏漏斗和铺垫滤纸的尺寸限制, 过滤体积不宜进一步增大。本文将分析50 mL和100 mL的过滤体积对比阻测定的影响, 并设定每吨干污泥投加量为0 kg, 0.5 kg, 1.0 kg, 2.0 kg, 4.0 kg PAM。滤纸层数均为1层。不同过滤体积下污泥的脱水指标变化曲线如图 1所示。

图 1 不同过滤体积下污泥的脱水指标变化曲线

由图 1(a)可知:过滤体积为50 mL时的比阻值波动较大, 在每吨干污泥投加量为1.0 kg PAM时下降到最低值, 且在每吨干污泥投加量范围内的比阻值均未下降到脱水临界值以下, 而投加高分子混凝剂PAM会显著改善脱水性能, 这与理论知识相悖, 且数据的总体趋势不明显; 而过滤体积为100 mL时的比阻值呈现降低的趋势, 数据变化幅度较小, 趋势显著, 在每吨干污泥投加量大于0.5 kg PAM时, 比阻值小于易于脱水值。由图 1(b)可知:过滤体积为50 mL时的TTF曲线呈现先增后减的趋势, 在每吨干污泥投加量为1.0 kg PAM时达到最大值, 而污泥的TTF指的是在真空抽滤的条件下, 污泥滤液达到污泥体积一半时所需时间, 污泥的脱水性能应随着PAM投加量的增加而变佳, 即污泥的过滤速度应增加, 故TTF曲线总体上应有递减的趋势, 这与50 mL时的TTF曲线不符; 而过滤体积为100 mL时的TTF曲线呈现单调递减的趋势, 且趋势明显, 与理论情况相符。综合考虑, 过滤体积为100 mL时测定的脱水指标相比于50 mL, 变化趋势更容易观测, 变化幅度更小, 更稳定, 且符合理论变化规律, 精确性、可靠性更高。

随着投加量的增加, 比阻、含水率、CST和TTF值都会降低, 粒径值会增大。因此, 比阻、含水率、CST和TTF间应呈正相关关系, 而粒径与其他指标之间应呈负相关关系。不同过滤体积下污泥的脱水指标相关性如表 2和表 3所示。其中, *表示在0.05水平(双侧)上显著相关; **表示在0.01水平(双侧)上显著相关。由表 2和表 3可知:过滤体积为50 mL时, 各指标间没有显著相关性; 而将过滤体积增加至100 mL后, 4项指标间的相关系数明显增加, 且TTF和CST与污泥粒径分别在0.01水平(双侧)、0.05水平(双侧)上显著相关。

表 2 过滤体积为50 mL时污泥的脱水指标相关性

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指标	比阻	CST	TTF
比阻	1.000
CST	0.156	1.000
TTF	-0.438	0.060	1.000
粒径	-0.163	-0.927*	-0.221

表 3 过滤体积为100 mL时污泥的脱水指标相关性

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指标	比阻	CST	TTF
比阻	1.000
CST	0.825	1.000
TTF	0.835	0.861	1.000
粒径	-0.864	-0.927*	-0.960* *

所以综合比阻值计算的可靠性、脱水指标的整体变化趋势以及数据之间的相关程度, 可以判定过滤体积为100 mL时的数据可靠性和精确度更高, 对脱水效果的分析更具有指导意义。

设定每吨干污泥投加量为0 kg, 0.5 kg, 1.0 kg, 2.0 kg, 4.0 kg PAM, 并在同一投加量下观察过滤阻力对比阻测定的影响。过滤阻力的大小会影响污泥真空过滤时滤液下降的流量, 进而影响比阻值。在全部搅拌的前提下, 保持过滤体积为100 mL, 通过改变滤纸层数分别为1层和2层对比不同过滤阻力对脱水指标的影响, 结果如图 2所示。

图 2 不同过滤阻力下污泥的脱水指标变化曲线

由图 2(a)可知:1层滤纸的比阻值总体趋势是下降的, 在每吨干污泥投加量为0.5 kg PAM时, 比阻值小于易于脱水值; 2层滤纸的比阻值呈现单调递减的趋势, 同样是在每吨干污泥投加量为0.5 kg PAM时, 比阻值小于易于脱水值; 两组数据波动幅度较小, 变化范围接近, 趋势明显。由图 2(b)可知:1层滤纸时的TTF曲线呈现单调递减的趋势, 在每吨干污泥投加量为4.0 kg PAM时达到最小值; 2层滤纸的TTF曲线总体呈现递减的趋势; 两组数据总体趋势相近, 波动幅度较小, 说明1层和2层滤纸都能有效表征脱水效果。综合考虑, 1层滤纸时测定的脱水指标与2层滤纸变化趋势相近, 都较为稳定且符合理论变化规律, 精确性、可靠性较高, 都能有效说明脱水效果。不同过滤阻力下污泥的脱水指标相关性如表 4和表 5所示。其中, *表示在0.05水平(双侧)上显著相关; **表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

表 4 1层滤纸时污泥的脱水指标相关性

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指标	比阻	CST	TTF
比阻	1.000
CST	0.825	1.000
TTF	0.835	0.861	1.000
粒径	-0.864	-0.927	-0.960* *

表 5 2层滤纸时污泥的脱水指标相关性

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指标	比阻	CST	TTF
比阻	1.000
CST	0.828	1.000
TTF	0.835	0.822	1.000
粒径	-0.936*	-0.927	-0.870

随着投加量的增加, 比阻、CST和TTF值都会降低, 粒径值会增大, 故比阻、含水率、CST与TTF之间应呈正相关的关系, 而粒径与其他指标之间应呈负相关的关系, 相关系数越接近1, 说明相关性更好。由表 4可知, 比阻、CST和TTF与粒径之间的相关系数大部分稳定在0.9±0.1, 相关系数较高, 说明不同指标之间的相关程度高, 滤纸层数对脱水的效果影响不明显。若考虑到滤纸易破, 影响真空度的因素, 可选用2层滤纸。

通过上述讨论分析, 比较比阻值计算的可靠性, 脱水指标的整体变化趋势以及数据之间的相关程度可以判定, 搅拌后的、过滤体积为100 mL、过滤阻力为1层滤纸(考虑滤纸层数对脱水效果影响不大, 故选择1层滤纸)的数据可靠性和精确度更高, 对脱水效果的分析更具有指导意义。

污泥取自上海市竹园第二污水处理厂的二沉池剩余污泥并用其自用药剂调理。设定每吨干污泥投加量为0 kg, 0.5 kg, 1.0 kg, 1.5 kg, 2.0 kg, 2.5 kg, 3.0 kg PAM, 所有污泥调理后均在500 r/min下搅拌3 min。在同一投加量下观察搅拌与否对脱水指标的影响。高速搅拌与否处理下污泥的脱水指标变化曲线如图 3所示。

图 3 高速搅拌与否处理下污泥的脱水指标变化曲线

由图 3(a)可知:不搅拌的情况下的比阻呈现出一个先增加后减小的趋势, 数据变化幅度较大, 变化趋势不明显。在每吨干污泥投加量在1.0~2.0 kg PAM范围内时, 污泥比阻值大于脱水临界值, 随后比阻快速下降, 在每吨干污泥投加量大于2.5 kg PAM时, 污泥比阻值小于易于脱水值; 而搅拌条件下的比阻总体呈现递减的趋势, 数据变化幅度较小, 变化趋势显著。当每吨干污泥投加量达到1.5 kg PAM时, 比阻值小于易于脱水值, 当每吨干污泥投加量超过2.5 kg PAM时, 比阻又呈现上升的趋势。这可能是由于PAM投加量过大, 污泥颗粒被包裹其中, 无法与其他颗粒絮凝形成大颗粒沉淀, 从而影响脱水性能。

由图 3(b)可知:不搅拌的情况下TTF值先快速下降至2 s, 然后趋于稳定, 当每吨干污泥投加量大于2.0 kg PAM时, TTF曲线继续上升, 数据总体变化幅度较大, 趋势不稳定; 而搅拌后的TTF曲线呈单调递减的趋势, 数据的变化趋势更明显, 变化幅度较小。王蓉^[7]在化学混凝污泥脱水性能研究中投加絮凝剂后也得到相近的趋势曲线。

由图 3(c)可知:不搅拌的情况下的CST曲线波动明显, 变化趋势不稳定, 测量的误差较大; 而搅拌后的CST曲线总体呈递减的趋势, 数据变化幅度较小, 测量误差较小。

由图 3(d)可知:不搅拌的情况下粒径增长梯度较大, 在每吨干污泥投加量为2.0 kg PAM时达到最大值, 测量误差较大; 而搅拌后的粒径增长梯度较小, 变化幅度较缓慢, 在每吨干污泥投加量达到3.0 kg PAM时达到最大值, 数据测量误差较小。综合考虑, 搅拌后测定的脱水指标相比于搅拌前, 变化趋势更容易观测、更稳定, 变化幅度更小, 且符合理论变化规律, 精确性、可靠性更高。高速搅拌与否处理下污泥的脱水指标相关性如表 6和表 7所示。其中, **表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

表 6 不搅拌时污泥的脱水指标相关性

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指标	比阻	CST	TTF
比阻	1.000
CST	0.148	1.000
TTF	-0.127	0.406	1.000
粒径	0.076	-0.556	-0.732

表 7 高速搅拌后污泥的脱水指标相关性

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指标	比阻	CST	TTF
比阻	1.000
CST	0.659	1.000
TTF	$0.890^{* *}$	0.544	1.000
粒径	$-0.891^{* *}$	-0.717	$-0.943^{* *}$

由表 6和表 7可知:调理污泥搅拌预处理后, 污泥比阻与CST和TTF与粒径间的相关性显著提高, 未搅拌预处理的污泥各项指标间没有显著相关性; 另一方面, 不搅拌的情况下比阻与粒径的数据呈正相关, 然而污泥粒径越大, 污泥应更容易脱水, 显然该结论与实际情况并不相符, 而搅拌预处理后污泥比阻与粒径间呈显著负相关, 与实际情况相吻合。因此, 综合比阻值计算的可靠性、脱水指标的整体变化趋势以及数据之间的相关程度可以判定, 调理污泥进行搅拌预处理后的数据可靠性和精确度更高, 对脱水效果的分析更具有指导意义。

(1) 过滤体积为100 mL时测定的脱水指标相比于50 mL时, 变化趋势更容易观测, 变化幅度更小, 更稳定, 且符合理论变化规律, 精确性、可靠性更高。比较比阻值计算的可靠性、脱水指标的整体变化趋势以及数据之间的相关程度可以判定, 搅拌后的过滤体积为100 mL、过滤阻力为1层滤纸时的数据可靠和精确度更高, 对脱水效果的分析更具有指导意义。

(2) 未经搅拌的调理污泥比阻随着投加量的增加先升后降, 数据波动很大, 变化趋势与污泥调理的实际规律并不吻合, 污泥特性表征误差较大; 高速搅拌后, 调理污泥比阻随着投加量的增加呈减趋势。未经搅拌的调理污泥CST值随着投加量的增加波动明显, 测定误差较大; 而搅拌后调理污泥CST值随着投加量的增加呈现递减趋势, 数据波动较小。调理污泥的搅拌预处理操作能够提高测定结果的可靠性和精确性, 泥性测定更能反映实际规律。