新型“U”型板溶气气浮装置浓缩生化污泥的应用

李宇龙

(上海巴安水务股份有限公司，上海 201799)

污水处理厂的二级处理工艺一般为生化池+二沉池。其中，生化池污泥混合液经过二沉池澄清后流入下一级处理工艺，沉淀下来的生化污泥一部分回流至生化池，其余排入污泥重力浓缩池进行污泥浓缩。重力浓缩池占地面积大、浓缩后污泥含水率高、浓缩效果不稳定，且过长的停留时间容易造成污泥的厌氧发酵，释放出H2S等气体，引起污泥上浮[1]。已知气浮技术可用于浓缩生化污泥，澄清水质，兼具二沉池和重力浓缩池的功能[2]。气浮浓缩还能有效阻止含磷污泥重新释放磷，同时，气浮工艺具有占地少、处理速度快、浓缩后污泥含固率高、能够去除油脂等优点[3-5]。本文采用新型“U”型板溶气气浮进行浓缩生化污泥的中试试验，主要分析研究新型“U”型板溶气气浮对生化污泥的浓缩效果。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

新型“U”型板溶气气浮装置如图1所示。

图1 “U”型板溶气气浮装置Fig.1 Dissolved Air Flotation Device with “U” Plate

中试试验装置包括以下4个系统。(1)进水系统：进水区；(2)混凝系统：加药装置；(3)溶气系统：增压泵、空压机、溶气反应器；(4)固液分离系统：“U”型板、浮选区、刮泥机。

“U”型板溶气气浮装置的尺寸为2 500 mm × 2 000 mm × 4 000 mm，最大设计流量为8 m3/h。“U”型板溶气气浮装置采用KWI公司“U”型板专利技术，如图2所示。污水混合着溶气水从“U”型板底部进入，水流沿着“U”型板外侧向上爬升，并且顺着“U”型板内侧流入清水出口处。在上下流

动的过程中，增加了微气泡与悬浮颗粒的接触反应时间，强化了颗粒物的混凝效果。溶气水中的微气泡可以快速附着在悬浮颗粒表面，然后将其拖至气浮区表面。因此，“U”型板溶气气浮装置具有较高的水力负荷，极大减小了气浮池的占地面积。

图2 “U”型板示意图Fig.2 Schematic Diagram of “U” Plate

溶气反应器(ADR)是KWI公司的专利技术，它是溶气系统的核心设备。ADR内部具有特殊的导流结构，经过加压的回流水从ADR上端切向进水，在反应器里面进行螺旋运动。同时，压缩空气也沿着ADR上端侧面进气，与进水充分接触混合。进水在导流结构的作用下进行剧烈的湍流，能够极大程度地溶解气体。KWI溶气系统和传统溶气系统的参数比较如表1所示[6-7]。

表1 KWI溶气系统与传统溶气系统的参数比较Tab.1 Parameters Comparison between KWI and Traditional Dissolved Air System

1.2 试验方法

污水来自山东齐鲁石化公司供排水厂乙烯净化车间的污水处理厂的好氧池生化污泥，生化污泥含固率为0.6%左右。该污水处理厂设计有隔油池预处理工艺，好氧池生化污泥表观没有浮油，呈黄褐色，气味为土腥味，与普通城镇污水厂的污泥类似。“U”型板溶气气浮中试装置放在二沉池的西边，紧邻二沉池构筑物，污水经过“U”型板溶气气浮达到污泥浓缩以及出水澄清的目的。在试验现场制备1‰的阳离子聚丙烯酰胺(PAM)溶液以及10%的聚合氯化铝(PAC)溶液。

通过进水泵抽吸好氧池中的混合液至气浮池中，依次加入PAC、PAM药剂，在机械搅拌下进行混凝絮凝反应生成絮状物。絮体和溶气水在气浮浮选区发生反应，微气泡吸附在污泥絮体表面，一起上浮到气浮区表面被刮泥机刮掉，清水从“U”型板内侧流入清水出口处。分别取原水水样、气浮出泥泥样、气浮出水水样送至化验室分析化验。

2 试验结果与讨论

试验采用新型“U”型板溶气气浮浓缩生化污泥，溶气压力为0.6 MPa。气浮中试设备在现场连续运行一个月，每天运作10 h，每隔2 h采集一次气浮出泥以及气浮出水样品进行检测分析，并记录试验情况。在试验过程中，主要分析在不同的污泥负荷、溶气回流比、PAC以及PAM加药量的条件下，新型“U”型板溶气气浮浓缩生化污泥的效果。

2.1 污泥负荷影响分析

在不同的污泥负荷下进行气浮试验，探究污泥负荷对污泥浓缩气浮效果的影响。试验的进水污泥含固率为0.6%左右，设定气浮的回流比为30%、PAC的加药量为20 mg/L、PAM的加药量为5 mg/L。在此条件下进行中试试验，最终试验结果如图3所示。当污泥负荷小于57 kg/(m2·h)时，气浮出泥的污泥含固率很高且一直保持稳定，气浮的出水浊度很低且出水浊度保持稳定，气浮浓缩生化污泥的效果很好。当污泥负荷超过57 kg/(m2·h)时，气浮出泥的污泥含固率急速下降，气浮的出水浊度急速增加，污泥浓缩的气浮效果变差。这表明当污泥负荷高达57 kg/(m2·h)时，“U”型板溶气气浮的污泥浓缩效果仍然良好。

图3 污泥负荷对污泥浓缩气浮效果的影响Fig.3 Flotation Effect of Sludge Load on Sludge Thickening

2.2 溶气回流比影响分析

分别在不同的气浮回流比条件下，研究溶气回流比对污泥浓缩气浮效果的影响。试验的进水污泥含固率为0.6%左右，在污泥负荷为57 kg/(m2·h)、PAC加药量为20 mg/L、PAM加药量为5 mg/L的条件下进行中试试验，最终试验结果如图4所示。在气浮回流比为15%～35%时，气浮出泥的污泥含固率急剧增加；当气浮回流比为35%～50%时，气浮出泥的污泥含固率保持稳定。当气浮回流比在15%～30%时，气浮出水浊度较大，但随着气浮回流比的增大，出水浊度逐渐降低。综合考虑，最佳的气浮回流比为35%。

图4 溶气回流比对污泥浓缩气浮效果的影响Fig.4 Flotation Effect of Dissolved Air Reflux Ratio on Sludge Thickening

2.3 PAC加药量影响分析

在不同的PAC加药量的条件下，研究PAC加药量对污泥浓缩气浮效果的影响。试验的进水污泥含固率为0.6%左右，在污泥负荷为57 kg/(m2·h)、溶气回流比为35%、PAM加药量为5 mg/L的条件下进行中试试验，最终试验结果如图5所示。当PAC加药量增加到30 mg/L时，气浮出泥的污泥含固率快速增大，并在PAC加药量为30～40 mg/L时保持稳定。气浮出水浊度随着PAC加药量的增加急剧下降，并在PAC加药量为15～40 mg/L时维持稳定。因此，PAC最佳加药量为30 mg/L。

图5 PAC加药量对污泥浓缩气浮效果的影响Fig.5 Flotation Effect of PAC Dosage on Sludge Thickening

2.4 PAM加药量影响分析

在污泥负荷为57 kg/(m2·h)、回流比为35%、PAC加药量为30 mg/L的条件下，研究不同的PAM加药量对污泥浓缩气浮效果的影响，试验结果如图6所示。由图6可知，当PAM加药量在3.5～8 mg/L时，气浮出泥的污泥含固率逐渐增加，并在PAM加药量为8～11 mg/L时保持稳定，污泥含固率维持在5.55%附近。由图6可知，随着PAM加药量的增大，气浮出水浊度逐渐减小，最终出水浊度维持在5.10 NTU左右，出水水质较好。综合考虑，最佳PAM加药量选定在8 mg/L。

图6 PAM加药量对污泥浓缩气浮效果的影响Fig.6 Flotation Effect of PAM Dosage on Sludge Thickening

2.5 稳定性试验

为了考察新型“U”型板溶气气浮对污泥浓缩效果的稳定性，在最佳的试验条件下，即污泥负荷为57 kg/(m2·h)、回流比为35%、PAC加药量为30 mg/L、PAM加药量为8 mg/L，进行连续性试验，试验结果如图7所示。由图7可知，在最佳的试验条件下，气浮出泥的污泥含固率保持稳定，维持在5.55%左右，极大减少了污泥的体积，有利于污泥的后续处理。同时，气浮的出水浊度也保持稳定，维持在5.10 NTU附近，出水水质很好。

图7 气浮稳定性试验Fig.7 Flotation Stability Test

2.6 KWI气浮浓缩与二沉池、重力浓缩的性能比较

从吨水电耗、吨水药耗、水力负荷、污泥固体负荷、占地面积、污泥含固率、维护管理的方便程度7个方面分析比较KWI气浮浓缩、二沉池、重力浓缩的优缺点，具体性能参数比较如表2所示。

表2 KWI气浮浓缩与二沉池、重力浓缩的参数比较Tab.2 Parameters Comparison among KWI Air Flotation Thickening, Secondary Sedimentation Tank and Gravity Thickening

由表2可知，KWI气浮浓缩吨水电耗和吨水药耗分别为0.08 kW·h/t、0.22元/t，高于二沉池、重力浓缩的吨水电耗和吨水药耗。对比KWI气浮浓缩和二沉池的水力负荷可知，KWI气浮浓缩的占地面积大约为二沉池面积的1/10，非常适用于用地紧张的污水处理厂。KWI气浮浓缩的污泥含固率为5%～6%，比重力浓缩污泥体积削减了60%～67%，对于后续污泥脱水非常有利，可以减少污泥脱水系统的费用。

3 结论

分析研究了新型“U”型板溶气气浮对生化污泥浓缩的效果，根据污泥浓缩气浮中试试验的结果，可以得到“U”型板溶气气浮浓缩生化污泥时的最佳运行参数：污泥负荷为57 kg/(m2·h)、回流比为35%、PAC加药量为30 mg/L、PAM加药量为8 mg/L。

在最佳的试验条件下连续运行7 d，在运行期间，气浮出泥的污泥含固率保持稳定，维持在5.55%左右。相比较传统的污泥重力浓缩池的出泥污泥含固率2%，“U”型板溶气气浮出泥体积减少了64%，污泥体积极大减少，非常有利于污泥的后续处理。同时，气浮的出水浊度也很低，维持在5.10 NTU左右，出水水质很好。因此，新型“U”型板溶气气浮对生化污泥有一个很好的浓缩效果，这对实际生产中气浮工艺取代二沉池以及重力浓缩池提供了现实可行的指导意义。