施周¹ 郭雪松¹邱振華² 李宜革¹ 張彬¹ 羅岳平²
1 湖南大學土木工程學院水工程與科學系 2 長沙市自來水公司

引言

　　自來水廠未經處理的沉淀池排泥水和濾池反沖洗水直接就近排入江河，損害了水體環境。因此，對水廠排泥水進行有效處理已成為一個急待解決的問題^[1,2,3]。本文探討了新型陽離子高分子混凝劑CPF用于提高水廠排泥水污泥沉降性能的可行性及其影響因素。

1　材料與方法

　　實驗用排泥水取至長沙市第二水廠平流沉淀池。該水廠以湘江水為水源，聚合氯化鋁為混凝劑，采用虹吸式吸泥機排泥。取樣時，其非洪汛期（低濁度）排泥周期為2—3天。經測定^［6］，排泥水含水率為97.9%，pH為7.5。實驗用CPF由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨與丙烯酰胺聚合而成，由長沙市第二污水凈化中心無償提供；其它化學試劑：聚丙烯酰胺（PAM），硫酸鋁，硫酸，氫氧化鈉均為分析純。
　　實驗以SC656混凝攪拌機為機械攪拌設備，沉降試驗采用高度為80cm，內徑為45mm的帶有刻度的透明有機玻璃筒；溫度對混凝效果的影響實驗在1000ml量筒中進行；水樣pH由硫酸或氫氧化鈉調節；試樣pH值及濁度分別由 pH計 （ORION, Model 818）及濁度儀（METTLER TOLEDO）測定。

2 結果與討論

2.1不同混凝劑對污泥沉降性能的影響
　　實驗污泥的自然沉降實驗表明：污泥界面在24小時內僅下降了原高度（60 cm）的28.5%，顯然，污泥的自然沉降性能不理想，污泥的沉淀必須投加混凝劑來加強。
　　試驗污泥在混凝劑CPF，PAM，.Al₂(SO₄)₃，作用下的沉降曲線如圖1所示。

　　可以看出，高分子絮凝劑CPF和PAM都能使污泥的沉降性能得以明顯改善，并且，在相同投量下，CPF的效果優于PAM。無機混凝劑Al₂(SO₄)₃對污泥的沉降性能沒有多少影響。為便于對比分析，將經過120分鐘沉降后上述實驗中各上清液的pH和濁度，以及沉降改善降效果列于表1。由此發現在1.7‰（混凝劑占污泥干重千分比）的投量下，CPF能使污泥的沉降性能改善達到51%以上，優于PAM(23%)。經CPF處理后污泥上清液的濁度比經PAM處理的要低。加入CPF后，上清液的pH值基本不變。而PAM則導致pH下降。這主要是由于PAM的水解（水解度約為30%）所引起的。由圖1和表1可知，就改善水廠污泥沉降性能而言，CPF的效果比PAM更好。

表1 不同混凝劑處理效果的比較 混凝劑種類 投量¹（‰） pH值 上清液濁度（NTU） 沉降改善效果²（%） 無（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 未檢 未撿 0.5 注：1混凝劑占污泥干重千分比；
　　2（無混凝劑作用原水的自然沉降泥水界面高度-混凝劑投加后泥水界面高度）/原水自然沉降泥水界面高度×100

2.2影響CPF改善污泥絮凝沉降性能的因素
2.2.1混合反應條件
　　在CPF投藥量為1.7‰時, 本文對混合反應條件進行了量化研究，得到在不同混凝攪拌時間T及不同攪拌強度G條件下的沉降曲線如圖2和圖3所示。

　　

　　由圖2可知，在恒定G值171 S^-1條件下，當攪拌時間T從5秒增加至3分鐘時，初期沉降效果得以明顯改善。進一步延長攪拌時間則沉降效果的進一步改善不明顯。同樣地，當攪拌時間一定（3分鐘），攪拌強度從G= 60 S^-1(50轉/分)增至314 S^-1(150轉/分)時（圖3），沉降效果獲得了明顯改善，但進一步提高轉速則對沉降效果的改善不明顯。由此可見，對實驗沉淀排泥水，以攪拌強度為G= 314 S^-1及攪拌時間3分鐘為宜, 相當于GT = 56520。
　　這一實驗表明：適當大的G,GT條件更能改善污泥的沉降濃縮性能。我們觀測到當G值為171S^-1及以上時，投加CPF后能形成沉降性能較好的小而密實的顆粒，反之，所形成顆粒松散而沉淀性較差。對此，我們初步推斷用較大的G值進行攪拌時，一方面可使原己絮凝生成的松散污泥顆粒重新打碎，以便于高分子絮凝劑CPF重新凝聚形成沉降性能更好的小而密實的顆粒；另一方面，大的G值可增加顆粒與混凝劑之間的碰撞機會；反之，若原顆粒松散結構不能打碎，則難以通過CPF絮凝形成新的密實顆粒，故沉淀效果不佳。
2.2.2CPF投量
　　不同CPF投量時的污泥沉降曲線如圖4所示。從中可以看出, 污泥沉降速度隨CPF投加量加大而加大；在1.7‰以上時，20分鐘沉淀時間內污泥沉降性能改善程度（相對于無混凝劑作用原水的自然沉降泥水界面高度而言）達48% 以上；進一步加大CPF量至4.3‰，對沉降性能改善程度僅提高4%。加大投藥量能縮小沉降池的體積，但會提高藥劑成本，所以在實際生產中，CPF投藥量以1.7‰左右為宜。
2.2.3水溫
　　水廠排泥水在不同溫度時的自然沉降曲線和CPF投加量為1.7‰時的沉降曲線如圖5所示。對污泥自然沉降而言,水溫從10.1^oC上升至22^oC時，其對沉降的影響甚微。但若繼續升溫至35^oC，則1小時沉淀后的污泥自然沉降性能較10.1^oC時改善了12%。當投加CPF（1.7‰）時，水溫從10.1^oC升至22^oC對沉降性能無明顯影響，但當水溫從22^oC上升至35^oC時可提高沉降性能(1小時沉淀)16%。可見，溫度對排泥水的自然沉降性能和CPF對泥水沉降性能的作用確有一定的有利影響。溫度高時排泥水的粘滯系數降低，水與顆粒之間由于下沉產生的粘滯力減小，同時，CPF在高溫狀態下，鏈狀結構更為舒展，這些都更有利于污泥顆粒混凝沉降。

　　

2.2.4 pH值
　　實驗所用排泥水樣取自沉淀池，其污泥顆粒已經過聚合氯化鋁絮凝沉淀。由于鋁鹽是兩性電解質，在酸性和堿性條件下都會溶解，因而改變水樣pH將影響污泥絮體的結構及沉降性能^[5]。本實驗通過調節水樣的pH值得到不同pH條件下的自然 （未加絮凝劑）沉降曲線如圖6。

　　

　　由圖6可知,酸性條件有利于污泥的沉降：當pH從7.61調至4.32時，二小時的污泥的沉降性能改善了11%；當pH進一步調低一個單位（pH=3.38）時,污泥的沉降性能較未調節pH的水樣得到了顯著改善（其值為63%）。繼續降低pH值，污泥的沉降性能改善不大。
　　值得指出的是：在本實驗中，pH值升高時污泥的沉降性能并沒有改善，這與加堿能提高污泥的沉降性能的文獻報道^［3，5］不同，其機理有待進一步探討。
　　由于pH的改變會影響混凝劑CPF的舒展程度,從而影響其混凝效果。在CPF投加量為1.7‰時不同pH值條件下的沉降曲線如圖7所示。同樣地我們發現加酸可以進一步提高污泥的沉降濃縮性能。在pH=2.82和pH=4.08時投加混凝劑,沉降性能比只加混凝劑不調節pH（pH=7.41）時分別提高81%和68%。而在堿性條件下，隨著pH值升高，沉降性能反而下降。
　　對比圖6和圖7，我們發現在相同酸性條件下，投加CPF可大大改善污泥沉淀效果，尤期是初期（10分鐘以內）沉淀效果。
　　進一步的研究表明，上清液的濁度（色度）隨酸性或堿性的增加而上升。當pH從7.61調至3.38或10.11時，相應的上清液的濁度為>200或38度，大大高于未調節pH時的5度。特別地，在酸性條件下，上清液呈聚合氯化鋁顏色，可能是污泥中聚合氯化鋁酸解溶出的緣故。
　　由此可見，酸處理能提高污泥的沉降濃縮性能，也有利于回收污泥中的鋁鹽，但設備需要用耐酸材料，同時酸處理的結果，有可能將污泥中有害的物質溶解至上清液中來。

3 結論

　　（1）CPF對水廠污泥沉降濃縮性能的改善優于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%左右時較為經濟合理。
　　（3）混凝混合反應條件以快速攪拌為佳，在大的G,GT條件下，污泥結合為細小而密實的顆粒更有利于沉降。
　　（4）水溫和pH值都對CPF的混凝效果有影響。常溫范圍內，污泥的沉降性能隨水溫升高而改善；pH值對CPF影響復雜：堿性條件會降低CPF對污泥的混凝沉降作用，酸性條件能提高污泥沉降性能，但引起水濁度及色度升高并可能導致有害物質從污泥中溶解出來。故就保持出水水質而言，pH以中性為宜。

參考文獻
　　1 樂林生,等. 自來水廠排泥水處理技術. 中國給水排水, 1999,15(6)
　　2 張方梅，等. 凈水廠沉淀污泥濃縮性能初探. 給水排水, 2000, 26(7)
　　3 陸在宏，等. 給水廠排泥水處理工藝研究(上). 給水排水, 1993，(10)
　　4 陳艷萍，等. 石家莊市第八水廠污泥處理簡介. 給水排水, 2000,26(2)
　　5 日本水道協會. 凈水廠排水處理設備設計. 中國建筑工業出版社
　　6 吳慧敏. 建筑材料. 湖南：湖南科學技術出版社1995