CN106430902A - 一种污水厂剩余污泥的处理方法 - Google Patents

一种污水厂剩余污泥的处理方法 Download PDF

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CN106430902A CN201611049346.6A CN201611049346A CN106430902A CN 106430902 A CN106430902 A CN 106430902A CN 201611049346 A CN201611049346 A CN 201611049346A CN 106430902 A CN106430902 A CN 106430902A
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周克梅
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Abstract

本发明公开了一种污水厂剩余污泥的处理方法，其特征在于，步骤为：步骤一、将污水厂剩余污泥和给水厂污泥按照1：0.1～0.3的体积比混合并搅拌，其中，给水厂污泥的含水率为68%～73%，所述给水厂污泥是给水厂采用聚合氯化铝作为混凝剂的混凝沉淀过滤消毒工艺处理工艺后产生的污泥；步骤二、对搅拌后的混合污泥进行脱水处理。所述脱水处理的具体方法为：将搅拌后的混合污泥置于离心机中，以2600r/min～3800r/min的转速离心脱水10min～30min。城市给水厂的排泥水量大，难处理，将其二次利用于处理污水厂剩余污泥，既帮助给水厂解决排泥水的处理问题，减少了给水厂经济成本，又减少了污水厂混凝剂和剩余污泥脱水前调质剂用量，降低了污水厂处理成本。

Description

一种污水厂剩余污泥的处理方法
技术领域
本发明涉及一种污水的处理工艺，具体是污水厂剩余污泥的处理工艺。
背景技术
现阶段随着我国环境质量标准的提高，各地区污水厂处理率和处理程度的提高和深化带来了污泥产量巨幅增加的问题。目前大部分水厂采用的活性污泥法最大的弊端就是处理污水的同时产生大量的剩余污泥(每去除1公斤有机物就产生15-100L活性污泥)，这些污泥含水率达到95％以上，导致剩余污泥的处理成本高昂(约占污水厂运行费用的25％-65％)。
城市污水厂剩余污泥滤液含磷量高，随原水回流入污水处理系统后增加原水磷含量，进而增加污水厂出水磷含量。城市污水厂靠生物处理勉强达到一级B排放标准TP限值(1.0mg/L)，要稳定达到一级A排放标准TP限值(0.5mg/L)，必须用化学除磷方法。目前普遍是在二沉池前投加10％的聚铝溶液，投加量为每万吨投加0.6吨。按10％聚铝溶液500元/吨计算，处理每吨污水就要增加3分钱。
另一方面，城市给水厂排泥水由沉淀池排泥水、滤池反冲洗废水和生物活性炭滤池反冲洗废水组成，一般占水厂制水总量的3％-8％，其主要成分为无机矿物颗粒、混凝剂水解产物以及少量的有机物和微生物等。目前我国大部分给水厂都是将排泥水就近排入水体，对周边水体产生二次污染。
因此，将给水厂排泥水资源化利用于处理污水厂剩余污泥，不但可以帮助污水厂节约处理成本，还可以减少给水厂排泥水的就近排放，实现资源化利用。本发明旨在提供一种利用给水厂排泥水改善污水厂剩余污泥脱水性质和去除其脱水后回流上清液磷含量的技术。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种能有效降低污水厂剩余污泥滤液磷含量，改善剩余污泥脱水效果的具有高效低耗和操作简单的污水厂剩余污泥处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种污水厂剩余污泥的处理方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、将污水厂剩余污泥和给水厂污泥按照1：0.1～0.3的体积比混合并搅拌，其中，给水厂污泥的含水率为68％～73％，所述给水厂污泥是给水厂采用聚合氯化铝作为混凝剂的混凝沉淀过滤消毒工艺处理工艺后产生的污泥；
步骤二、对搅拌后的混合污泥进行脱水处理。
所述脱水处理的具体方法为：将搅拌后的混合污泥置于离心机中，以2600r/min～3800r/min的转速离心脱水10min～30min。
所述给水厂污泥为初步脱水至含水率为68％～73％的污泥。
给水厂调理态污泥投加量293～297mg/L，离心机转速3730～3779r/min，离心时间10.6～12min。
上述未脱水的剩余污泥取自江心洲污水处理厂未脱水的剩余污泥；给水厂污泥是南京龙潭给水厂(该水厂除使用传统混凝沉淀过滤消毒工艺外，另有臭氧活性炭滤池工艺，混凝所用混凝剂为聚合氯化铝)未经调质脱水处理的排泥水经过预脱水处理(使用离心机预脱水，转速为3800r/min，离心时间7min)后含水率70％的污泥；污泥脱水单元是采用离心脱水进行固液分离，离心脱水机利用水分与污泥颗粒的离心力之差，使泥、水相互分离，从而实现脱水；脱水后的干污泥可进行焚烧或填埋，上清液返回生化池；污泥颗粒粒径变化是由粒径分布仪(LS2000)检测；污泥三维荧光光谱分析是由F-7000荧光分光光度计进行检测。
在处理污水厂剩余污泥的过程中，影响剩余污泥脱水效果和脱水后上清液TP含量的因素主要有给水厂排泥水投加量、离心机转速和离心脱水时间。
给水厂排泥水投加量对TP的去除有显著影响。投加量过小，TP去除量较少，效果不明显；投加量过大，过量排泥水反而导致离心效果不理想。在前期实验基础上，选取排泥水投加量在100ml和300ml之间。
离心机转速也决定了混合污泥的脱水效果和TP的去除率。离心机转速过低，脱水效果不理想，脱水后污泥含水率偏高。离心机转速过高，TP的去除率饱和。在前期试验基础上，选取离心机转速在2600r/min和3800r/min之间。
混合污泥离心时间过短，混合污泥无机成分较少，脱水效果不显著。离心时间过长，污泥脱水效果变化不大，浪费能耗。在前期实验基础上，选取离心时间在10min到30min之间。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)城市给水厂的排泥水量大，难处理，将其二次利用于处理污水厂剩余污泥，既帮助给水厂解决排泥水的处理问题，减少了给水厂经济成本，又减少了污水厂混凝剂和剩余污泥脱水前调质剂用量，降低了污水厂处理成本。
(2)城市给水厂污泥具有发达的空隙结构和比表面积，污泥颗粒微孔可以稳定均匀的固定剩余污泥中的磷，较大的比较面积使得污泥表面活性官能团能与剩余污泥中的磷酸盐发生离子交换。且给水厂污泥中含有的小颗粒有机物可为剩余污泥的絮状体提供吸附沉淀的载体，给水厂污泥的絮状结构也能进一步发挥吸附作用去除剩余污泥中的磷。另外给水厂污泥中残留的水合铝氧化物和其他的金属元素也帮助去除了一部分的磷。本发明将排泥水投加于污水厂剩余污泥，不仅显著降低污水厂剩余污泥滤液磷含量(TP去除率最高能达到96.30％)，进而降低污水厂出水磷含量，减少污水厂处理成本，也使剩余污泥脱水效果更明显(投加排泥水后剩余污泥脱水后含水率由原来的87.5％降为69.6％)。
(3)本发明根据污水厂剩余污泥离心脱水的实际工况条件，合理配置给水厂污泥的投加量给水厂，调理态污泥投加量293～297mg/L，离心机转速3730～3779r/min，离心时间10.6～12min，达到最佳的TP去除率(96.30％)和污泥含水率(投加前含水率87.5％，投加排泥水后降为69.6％)。
附图说明：
图1城市给水厂的排泥水用于处理污水厂剩余污泥脱水除磷试验流程示意图；
图2以上清液TP去除率为响应量的残差正态概率分布图；
图3以脱水后剩余污泥含水率减少量为响应量的残差正态概率分布图；
图4上清液TP去除率的试验值和预测值对比；
图5脱水后剩余污泥含水率减少量的试验值和预测值对比；
图6排泥水投加量和离心机转速对上清液TP去除率的响应面及等高线图；
图7离心时间和排泥水投加量对上清液TP去除率的响应面及等高线图；
图8离心时间和离心机转速对上清液TP去除率的响应面及等高线图；
图9离心时间和离心机转速对脱水后剩余污泥含水率减少量的响应面及等高线图；
图10离心时间和排泥水投加量对脱水后剩余污泥含水率减少量的响应面及等高线图；
图11排泥水投加量和离心机转速对脱水后剩余污泥含水率减少量的响应面及等高线图；
图12污水厂污泥胞外有机物分布情况；
图13聚合氯化铝同污水厂污泥反应后胞外有机物分布情况；
图14给水厂污泥同污水厂污泥反应后胞外有机物分布情况；
图15污水厂污泥胞内有机物分布情况；
图16聚合氯化铝同污水厂污泥反应后胞内有机物分布情况；
图17给水厂污泥同污水厂污泥反应后胞内有机物分布情况。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作详细说明：
本发明一种将城市给水厂的排泥水用于处理污水厂剩余污泥脱水除磷的方法，其流程步骤如图1所示，具体如下：
(1)取污水厂未脱水的剩余污泥倒入1L的烧杯中，搅拌均匀；
(2)量取100ml～300ml给水厂污泥投入于未脱水的剩余污泥中，用磁力搅拌机搅拌均匀；
(3)将搅拌后混合污泥(投加入给水厂污泥的剩余污泥)置于离心机中，以2600r/min～3800r/min的转速离心脱水10min～30min；
(4)取等量未投加给水厂污泥的剩余污泥置于离心机同等离心条件下脱水，作为对照组；
(5)待离心结束后，取上清液检测TP含量，取离心脱水后污泥检测含水率。
(6)利用软件Expert-design 8.0.6拟合最佳剩余除磷和脱水工况，并拟合得出除磷公式和脱水公式。
(7)选取三种常用调质剂PAM、FeCl3与生石灰、聚合氯化铝与给水厂排泥水投加后剩余污泥理化性质进行对比，检测其VSS/TSS、粘度、CST和pH。
(8)检测投加给水厂污泥后剩余污泥和未投加给水厂污泥剩余污泥颗粒粒径变化情况。
(9)分别对污水厂剩余污泥、投加聚合氯化铝剩余污泥、投加给水厂污泥后的剩余污泥进行三维荧光光谱分析。
采用响应曲面法(Response Surface Methodology,RSM)设计，分析研究排泥水投加量、离心机转速和离心时间的交互作用对剩余污泥中TP的去除和脱水效果的影响。试验中设计了三因素三水平共17个试验点的试验方案，如表1所示。本试验采用三因素三水平的中心组合试验设计方法，通过公式将自变量编为无因次量，三水平分别记为-1，0，1，变量Xi与无因次变量xi之间的转化公式(1)如下，试验组合如表2所示。
(1)
式中，xi是自变量的编码值；Xi是自变量的实际值；X0是试验中心点处自变量的真实值；是自变量的变化步长。
表1
表2试验组合表
对以上17种条件进行对比实验。
本试验以排泥水投加量、离心机转速和离心时间为自变量，脱水后剩余污泥含水率减少量及上清液TP去除率为响应值。采用多项式回归分析对试验数据进行拟合，得到描述响应应变量(因变量)与自变量(操作条件)关系的经验模型：
(2)
式中为响应值，取1和2，分别代表上清液TP去除率和底泥含水率降低率；和是自变量(排泥水投加量、离心机转速和离心时间)的编码，取值范围为(0,3]；、和分别是偏移量、线性偏移和交互作用系数。
表3Box-Behnken试验方案及其结果
借助统计分析软件Design-Expert8.0.6对表3中的试验数据进行二次多项式回归拟合，建立二次多元回归方程。二次多项式方程的预测值与试验值结果的对比如图2、图3、图4和图5所示。由残差的正态概率分布结果(图2和图3)可以看出，数据点均分布于45°线周围，表明模型预测值能较好的模拟试验的真实值。通过试验值和预测值的对比(图4和图5)也可以直观的看出，二次多项式方程可以很好地预测试验结果。
以TP去除率为响应值建立的二次回归方程如式(3)所示。γ1表示TP去除率，x1、x2和x3分别表示调理态给水厂污泥投加量、离心机转速和离心时间三个变量对应的实际值。由式(3)可以看出，对上清液TP去除率显著影响的一次项为调理态给水厂污泥投加量，而离心时间和离心机转速相对前者影响较小；投加量与离心时间的交互作用对上清液TP去除率有较为显著的影响，而离心时间与离心机转速的交互作用和投加量与离心机转速的交互作用影响相对于前者较弱。
模型所得出的上清液TP去除率与投加量、离心时间和离心机转速的关系用式(4)表示：
γ1＝87.75+12.47x1+0.50x2-0.77x3+0.13x1x2-0.62x1x3-0.21x2x3-6.95x1 2+2.46x2 2+0.23x3 2 (3)
由Design-Expert8.0.6对响应面进行优化，得出最佳除磷工况为：给水厂调理态污泥投加量292.85mg/L，离心机转速3778.67r/min，离心时间11.99min。
以脱水后剩余污泥含水率降低率为响应值建立的二次回归方程如式(4)所示。γ2表示底泥含水率降低率，x1、x2和x3分别表示离心时间、调理态给水厂污泥投加量和离心机转速三个变量对应的实际值。由式(4)可以看出，调理态给水厂污泥投加量对剩余污泥含水率降低率的影响较其他两个因素稍强。投加量与离心机转速的交互作用和离心时间与离心机转速的交互作用对含水率降低率的影响较弱，相比于前两者投加量与离心时间的交互作用的影响稍强。
由模型所得出的底泥含水率降低率与投加量、离心时间和离心机转速的关系可表示为：
γ2＝9.50+2.90x1+1.50x2-1.73x3+0.62x1x2-2.03x1x3+0.53x2x3-0.012x1 2+0.74x2 2+0.44x3 2 (4)
利用Design-Expert8.0.6对响应面进行优化，得出脱水最佳工况为：给水厂调理态污泥投加量297.41mg/L，离心机转速3729.66r/min，离心时间10.6min。
两两因素对上清液TP去除率及脱水后剩余污泥含水率减少量的响应面与等高线如图6-图11所示。
对拟合的二次多项式模型进行方差分析(Analysis ofVariance，ANOVA)，分析结果见表4和表5。
表4上清液TP去除率的模型的ANOVA分析
来源 离均差平方和 自由度 均方 F值 P值
模型 1474.27 9 163.81 42.72 0.0001
X1 1243.83 1 1243.83 324.4 0.0001
X2 2.04 1 2.04 0.53 0.4898
X3 4.68 1 4.68 1.22 0.3057
X1X2 0.067 1 0.067 0.018 0.8983
X1X3 1.52 1 1.52 0.40 0.5487
X2X3 0.18 1 0.18 0.046 0.8368
X1 2 203.40 1 203.40 53.05 0.0002
X2 2 25.52 1 25.52 6.66 0.0365
X3 2 0.22 1 0.22 0.057 0.8175
误差 26.84 7 3.83
拟合不足 26.84 3 8.95
纯误差 0.000 4 0.000
总误差 1501.11 16
表5脱水后剩余污泥含水率减少量的模型的ANOVA分析
来源 离均差平方和 自由度 均方 F值 P值
模型 131.41 9 14.6 3.27 0.0660
X1 67.28 1 67.28 15.09 0.0060
X2 18.00 1 18.00 4.04 0.0845
X3 23.81 1 23.81 5.34 0.0541
X1X2 1.56 1 1.56 0.35 0.5725
X1X3 16.40 1 16.40 3.68 0.0966
X2X3 1.10 1 1.10 0.25 0.6342
X1 2 6.579E-4 1 6.579E-4 1.476E-4 0.9906
X2 2 2.29 1 2.29 0.51 0.4968
X3 2 0.81 1 0.81 0.18 0.6835
误差 31.21 7 4.46
拟合不足 31.21 3 10.40
纯误差 0.000 4 0.000
总误差 162.62 16
由表4可知p值接近于0.01，表明模型仅有<0.01％的概率存在误差，模型有效。而模型回归的离均差平方和与修正总误差的离均差平方和相当接近，说明模型拟和程度较好。对拟合的二次多项式模型分析发现，对于上清液TP去除率具有显著影响的一次项为给水厂污泥的投加量；给水厂污泥的投加量与离心时间的交互作用显著。
由表5可知p值为0.0660，表明模型仅有<0.06.6％的概率存在误差，模型基本有效。而模型回归的离均差平方和与修正总误差的离均差平方和相差不大，说明模型拟和程度较好。对拟合的二次多项式模型分析发现，对于脱水后剩余污泥含水率减少量具有显著影响的一次项为排泥水投加量；给水厂污泥投加量和离心时间交互作用显著。
采用Design Expert 8.0.5统计软件对响应面进行优化，得出在试验研究的因素水平范围内，最佳的组合条件为：给水厂污泥投加量300mg/L，离心机转速3200r/min，离心时间10min。模型预测在上述条件下，上清液TP去除率为96.30％，脱水后剩余污泥含水率减少量为17.9％，与模型预测值的误差为1.48％，预测较好。
按照污水厂实际使用量设计FeCl3与生石灰、聚合氯化铝、给水厂污泥投加量分别为9g/L与7.59g/L、100ml/L、300g/L。按设计投量分别将调质剂投入剩余污泥，使用搅拌机搅拌30min后测定VSS/TSS、粘度、CST和pH。评价污泥脱水性的毛细吸水时间(CST)是用配备有0.535内径漏斗和瓦特曼17号标准色谱吸纸的CST装置测定。使用旋转转矩圆筒测定污泥粘度。检测结果见表6。
表6不同调质剂调质后剩余污泥理化性质检测表
VSS/TSS 粘度(mPas) CST(s) pH
A污水厂污泥原液 0.44 1720 184.5 6.59
B投加FeCl3和生石灰后剩余污泥 0.42 1580 26.7 5.3
C投加给水厂污泥后剩余污泥 0.30 1350 143.1 6.67
D投加聚合氯化铝后剩余污泥 0.48 777 113.1 3.2
在对污泥基本性质VSS/TSS和粘度值的观察基础上，与污泥脱水性能指标CST进行比较。从表6中可以看出，当向污水厂污泥中投加了一定给水厂污泥的后，系统的挥发性悬浮物在总悬浮物中的比例有明显下降，这主要是因为给水厂污泥重要是由混凝剂，无机颗粒和少量有机物混合组成，而给水厂污泥中挥发性悬浮物的比重较少，因此会直接导致给水厂污泥和污水厂污泥反应后的挥发性悬浮物比重。而从三个系统中粘度和CST的变化规律中可以明显看出，不论是向污水厂污泥中投加给水厂污泥或者是和传统投加聚合氯化铝混凝剂、FeCl3和生石灰相比，粘度和CST值均由明显的下降。污泥脱水效率和污泥的组分，温度，pH等因素相关，研究表明CST值可以直观表明污泥脱水的难易程度。CST值较大表明污泥脱水较难，而CST值较小则表明污泥脱水较易。当系统分别投加FeCl3和生石灰、给水污泥、聚合氯化铝时，污水厂污泥的CST值从184.5s分别降至26.7、143.1s和113.1s，进一步作证了经过投加FeCl3和生石灰、给水厂排泥和聚合氯化铝调理之后的原污水厂污泥脱水吸能得到了提高。从粘度值的变化规律也可以看出，原污水厂污泥粘度1720mPas可在FeCl3和生石灰、给水厂污泥和聚合氯化铝作用下分别下降至1580mPas、1350mPas和777mPas，均得到了大幅度的降低，同样作证了经过投加FeCl3和生石灰、给水厂排泥和聚合氯化铝调理之后的原污水厂污泥脱水吸能得到了提高。
为了进一步探索两个系统中除磷的机制差异性，研究对胞内外有机物进行了三维荧光光谱分析(见图12-17)。其中图12，13，14分别代表单独A,B,C三种工况下胞外有机物分布情况。而图15，16，17分别代表单独A，B，C三种工况下胞内有机物分布情况。从图12和图13结果中比较可以得知在聚合氯化铝进行调理后的污泥胞外有机物同未调节的污泥在有机物组分方面并无明显差距，并未发现集中的有机物种类，但是整体的浓度范围可以根据相同颜色的谱图面积可以看出有一定的降低，说明铝盐的水解沉淀形成的水合态铝氧化物的吸附架桥和网卷骚捕可能是主要去除磷的原因。
而比较图12和图14中可以明显看出原来在350-500/530-550范围内的V区腐殖酸的浓度明显降低，而在320-370/450-470范围内V区腐殖酸的浓度略有增加，说明给水厂泥的理化性质发挥了重要的作用。给水厂污泥含有较多的铝、铁、硅、钙等元素，具有较大的比表面积和发达孔隙结构，属非晶体无定形物质。且部分给水厂采用活性炭深度处理单元，给水厂污泥中含有活性炭成分，使污泥比表面积更大，孔隙更发达。因此铝污泥吸附扩散速率较大，吸附点位较多，有利于吸附反应的进行，它与溶液中本身带负电荷的HPO4-和HPO4 2-有着较强的库伦吸引力。另外不仅仅给水厂污泥中残余水合铝氧化物发挥除磷作用，而且给水厂泥中的其他金属元素在一定程度上也可能发挥除磷功效，且给水厂泥的小颗粒有机物可能为污水厂泥的须状体提供了吸附沉淀的载体，而给水厂泥的絮状结构也可能进一步发挥吸附作用将污水泥中的磷去除。而对三种工况下的胞内有机物进行分析可以发现(图15，16，17)，胞内有机物均无明显变化，说明无论加给水厂泥还是加聚合氯化铝都未能将污水厂泥中细菌的细胞壁打破。

Claims (4)

1.一种污水厂剩余污泥的处理方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、将污水厂剩余污泥和给水厂污泥按照1：0.1～0.3的体积比混合并搅拌，其中，给水厂污泥的含水率为68%～73%，所述给水厂污泥是给水厂采用聚合氯化铝作为混凝剂的混凝沉淀过滤消毒工艺处理工艺后产生的污泥；
步骤二、对搅拌后的混合污泥进行脱水处理。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述脱水处理的具体方法为：将搅拌后的混合污泥置于离心机中，以2600r/min～3800r/min的转速离心脱水10min～30min。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述给水厂污泥为初步脱水至含水率为70%的污泥 。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，给水厂调理态污泥投加量293~297mg/L，离心机转速3730~3779r/min，离心时间10.6~12 min。
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