無機復(fù)合調(diào)理劑對污泥脫水性能的影響*

劉 歡 李亞林 時亞飛 李 野 何 姝 楊家寬＊＊

(1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，430074;2.宇星科技發(fā)展(深圳)有限公司，深圳，518057)

無機復(fù)合調(diào)理劑對污泥脫水性能的影響*

劉 歡1李亞林1時亞飛1李 野2何 姝2楊家寬1＊＊

(1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，430074;2.宇星科技發(fā)展(深圳)有限公司，深圳，518057)

針對污泥的固化填埋或建材化利用等后續(xù)處置方式，采用FeCl3與生石灰、粉煤灰兩種骨架構(gòu)建體為主要成分的無機復(fù)合調(diào)理劑對市政污泥進行調(diào)理.通過污泥真空抽濾、離心脫水及比阻測定實驗，分別確定FeCl3、生石灰、粉煤灰的優(yōu)化投加量為 2.0 g·L－1、20.0 g·L－1、30.0 g·L－1.在優(yōu)化投加量下，污泥比阻可降到0.27×109s2·g－1以下，降低率超過93%，脫水泥餅的含水率可降至73%左右，相應(yīng)的脫水率為77%—79%.

污泥調(diào)理，無機復(fù)合調(diào)理劑，骨架構(gòu)建體，脫水性能.

由于市政污泥有機物含量高，其脫水困難一直是影響污泥處理與處置的技術(shù)難題.國內(nèi)外學(xué)者致力于開發(fā)和研究新型絮凝劑，但目前仍以有機高分子絮凝劑為主，脫水效果不理想.此外，若采用建材化利用或填埋等后續(xù)處置，使用無機調(diào)理劑則更為有利［1］.物理調(diào)理劑(physical conditioner)是一種常見的無機調(diào)理劑，加入到污泥中起到骨架構(gòu)建體(skeleton builder)的作用，在污泥中形成堅硬網(wǎng)格骨架，即使在高壓作用下仍然保持多孔結(jié)構(gòu)，可以有效地解決污泥中有機質(zhì)的可壓縮性問題.國內(nèi)外學(xué)者圍繞骨架構(gòu)建體在污泥脫水中的應(yīng)用開展了廣泛研究.Zhao［2］、Lee［3］、Benitez［4］分別采用石膏、食物殘渣磨細粉、水泥塵及布袋收塵等提高污泥的脫水能力.楊斌［5］、師榮梅［6］等利用粉煤灰、石灰、鋸末、硅藻土來改善污泥脫水性能.但是單獨使用骨架構(gòu)建體往往投加量太高，容易造成泥餅增容等問題.目前利用高價陽離子與骨架構(gòu)建體復(fù)配，強化其調(diào)理效果的研究并不多見.

本文采用FeCl3與石灰、粉煤灰兩種骨架構(gòu)建體聯(lián)合投加的方式，考察了對污泥比阻及泥餅含水率的實驗效果，探討了該無機復(fù)合調(diào)理劑對污泥脫水性能的影響.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用污泥取自武漢市龍王嘴污水處理廠初沉池和二沉池排出的混合污泥，基本特性見表1.

表1 污泥的基本特性Table 1 Basic properties of sludge

實驗所用一級粉煤灰由平頂山姚孟電廠提供，其化學(xué)成分見表2.生石灰過0.5 mm標準方孔篩，有效氧化鈣為60.0%.FeCl3(工業(yè)級)為河南佰利聯(lián)化學(xué)有限公司生產(chǎn).

表2 粉煤灰化學(xué)組成/(%)Table 2 Chemical composition of fly ash/(%)

1.2 實驗方法

1.2.1 調(diào)理方法

在前期實驗基礎(chǔ)上，將調(diào)理方式確定為:加入 50.0 g·L－1FeCl3，快速(200 r·min－1)攪拌 15 s;接著投入粉煤灰，慢速(50 r·min－1)攪拌5 min;最后投加生石灰，繼續(xù)慢速攪拌10 min.調(diào)理劑投加量范圍變化由前期探索性實驗確定，每項單因子實驗得出的最優(yōu)投加量將作為下一部實驗的固定投加量，單組實驗重復(fù)次數(shù)為8次，具體如表3所示.

表3 實驗方案設(shè)計表Table 3 Table of experimental plan

1.2.2 污泥過濾性能表征

污泥過濾性能一般用比阻(specific resistance to filtration，簡稱SRF)表征，比阻越大，污泥脫水性能越差.一般認為比阻值低于0.4×109s2·g－1的污泥較易脫水［7］.本研究中比阻測定采用圖1所示的自制裝置［8］.比阻降低率計算公式為:

式中，SRFr為原污泥的比阻(s2·g－1)，SRFc為調(diào)理后污泥比阻測定結(jié)果的平均值(s2·g－1).

圖1 多聯(lián)式污泥比阻測定裝置Fig.1 Multi-coupled measuring device of sludge SRF

1.2.3 污泥脫水性能表征

以真空抽濾及離心脫水后泥餅的含水率(按照城市污水處理廠污泥檢驗方法CJ/T 221—2005測定)、折算的脫水率為標準衡量調(diào)理后污泥的脫水性能.脫水率計算公式如下:

式中，Qr為原污泥中的總水量(g)，Qc為泥餅中殘留的水量(g).

真空抽濾脫水實驗采用上述比阻測定裝置，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計將壓力保持在0.08 MPa，抽濾2 min后測定泥餅的含水率.離心脫水采用LD5-10型離心機，設(shè)定轉(zhuǎn)速為4000 r·min－1，離心時間為20 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 投加量對污泥過濾性能的影響

實驗分別考察了不同F(xiàn)eCl3、生石灰、粉煤灰投加量對污泥比阻的影響.

由于污泥膠體顆粒帶有負電荷，F(xiàn)eCl3屬于無機高價陽離子調(diào)理劑，起到電性中和作用.當生石灰及粉煤灰投加量分別固定為 15.0 g·L－1、30.0 g·L－1，F(xiàn)eCl3投加量對污泥比阻的影響如圖2 所示，F(xiàn)eCl3投加量從0 g·L－1增加到2.0 g·L－1時，F(xiàn)e3+電性中和作用增強，同時與生石灰產(chǎn)生較強的協(xié)同效應(yīng)，污泥比阻呈現(xiàn)下降趨勢并在2.0 g·L－1時達到最低值為0.195×109s2·g－1，比阻降低率達95.06%，當FeCl3投加量超過2.0 g·L－1，污泥比阻呈現(xiàn)回升趨勢.

圖2 FeCl3投加量對污泥比阻的影響Fig.2 Effect of FeCl3dosage on SRF

當 FeCl3及粉煤灰投加量分別固定為2.0 g·L－1、30.0 g·L－1，生石灰投加量對污泥比阻的影響如圖3所示.生石灰投加量從0 g·L－1增加到20.0 g·L－1時，污泥比阻小幅度減少，比阻降低率僅上升3.79%，當生石灰投加量為20.0 g·L－1時，比阻達到最低值0.265×109s2·g－1，降低率為93.29%.這一結(jié)果與Tiller的新過濾理論一致［9］，隨著生石灰投加量的增大，污泥濃度升高，大或稍大粒徑的顆粒相對增多，顆粒架橋現(xiàn)象明顯增大，細小顆粒進入過濾介質(zhì)，堵塞孔隙的現(xiàn)象會減小，比阻隨之逐漸降低.但投加量增大到一定程度時比阻值將不再下降.

圖3 生石灰投加量對污泥比阻的影響Fig.3 Effect of lime dosage on SRF

當 FeCl3及生石灰投加量分別固定為 2.0 g·L－1時、20.0 g·L－1，圖4 表明，粉煤灰投加量從 0 g·L－1增加到60.0 g·L－1時，污泥比阻變化不大，比阻降低率相差不足2%.

2.2 投加量對污泥脫水性能的影響

泥餅含水率是考察污泥脫水性能的首要指標，考慮到無機復(fù)合調(diào)理劑的加入會使污泥固含量在一定程度上增大，故將含水率折算成相應(yīng)的脫水率進行比較.

圖4 粉煤灰投加量對污泥比阻的影響Fig.4 Effect of fly ash dosage on SRF

由圖5可見，當FeCl3投加量從0 g·L－1增加到2.0 g·L－1時，真空抽濾及離心脫水泥餅含水率呈現(xiàn)微弱的下降趨勢.當投加量在2.0 g·L－1時，真空抽濾泥餅含水率達到最低值72.75%，脫水率為79.06%;離心脫水泥餅含水率達最低值73.05%，脫水率為77.03%.當投加量超過2.0 g·L－1時，泥餅含水率增大.這一變化趨勢與污泥過濾性能變化趨勢一致.

圖5 FeCl3投加量對污泥脫水性能的影響(a)真空抽濾;(b)離心脫水Fig.5 Effect of FeCl3dosage on dewatering performance of sludge

與對過濾性能的影響相比，生石灰投加量的變化對脫水性能的影響更加明顯，如圖6所示.

圖6 生石灰投加量對污泥脫水性能的影響(a)真空抽濾;(b)離心脫水Fig.6 Effect of lime dosage on dewatering performance of sludge

生石灰投加量從0 g·L－1增加到5.0 g·L－1時，兩種方式下脫水泥餅的含水率均有所下降，但相應(yīng)的脫水率卻并未上升.這是因為含水率下降效果因調(diào)理劑投加量的差異而發(fā)生了“均化”.當生石灰投加量繼續(xù)增大到20.0 g·L－1時，離心脫水泥餅含水率從生石灰投加量5.0 g·L－1時的83.79%下降至73.60%，脫水率從64.81%上升到76.71%.而真空抽率泥餅含水率則從83.63%下降至73.65%，脫水率由65.23%上升至76.65%.

由圖7可以看出，當粉煤灰投加量為30.0 g·L－1時，經(jīng)真空抽濾、離心脫水的污泥含水率分別為76.61%、76.10%.隨著投加量增加，泥餅含水率增加不明顯，但相應(yīng)的脫水率則大幅度下降.

圖7 粉煤灰投加量對污泥脫水性能的影響(a)真空抽濾;(b)離心脫水Fig.7 Effect of fly ash dosage on dewatering performance of sludge

在單因子實驗中，F(xiàn)eCl3、生石灰以及粉煤灰的優(yōu)化投加量分別為 2.0 g·L－1、20.0 g·L－1、30.0 g·L－1.當 FeCl3的投加量大于2.0 g·L－1，石灰與粉煤灰的投加量在設(shè)定范圍內(nèi)變化，污泥比阻均小于0.4×109s·2g－1，屬于較易脫水的污泥.由于FeCl3與骨架構(gòu)建體復(fù)配使用起到電性中和和吸附架橋的作用，破壞污泥膠體顆粒的穩(wěn)定，使分散的小顆粒之間相互聚集形成大顆粒，而石灰、粉煤灰在泥餅中形成的堅硬網(wǎng)格骨架，保持了水分過濾通道，降低了污泥有機質(zhì)的可壓縮性［2，4，10，11］.另外，F(xiàn)e3+/石灰的聯(lián)合投加使絮體形成多孔結(jié)構(gòu)［12］，增大了污泥的空隙度及降低污泥的粘度.因此，F(xiàn)eCl3、生石灰以及粉煤灰復(fù)配而成的無機復(fù)合調(diào)理劑能夠有效地改善污泥的過濾性能及脫水性能.

3 結(jié)論

當生石灰、粉煤灰投加量分別為 15.0 g·L－1、30.0 g·L－1，F(xiàn)eCl3投加量超過 1.0 g·L－1時，調(diào)理后污泥易脫水(比阻小于0.4×109s2·g－1)，比阻降低率最高可達95.06%.當FeCl3的投加量大于2.0 g·L－1，生石灰與粉煤灰的投加量分別在 5.0 g·L－1—30.0 g·L－1、10.0 g·L－1—60.0 g·L－1內(nèi)變化，調(diào)理污泥均較易脫水.

實驗確定 FeCl3、生石灰、粉煤灰各自的優(yōu)化投加量分別為 2.0 g·L－1、20.0 g·L－1、30.0 g·L－1，在優(yōu)化投加量下，污泥比阻降低率達93%以上，脫水泥餅的含水率可降至73%左右.

無機復(fù)合調(diào)理劑中的生石灰、粉煤灰可在污泥固化填埋、建材化利用時提供一定的強度，因此，將無機復(fù)合調(diào)理劑的預(yù)處理技術(shù)與后續(xù)處置技術(shù)結(jié)合起來考慮，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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INFLUENCE OF INORGANIC COMPOSITE CONDITIONER ON DEWATERING PERFORMANCE OF SEWAGE SLUDGE

LIU Huan1LI Yalin1SHI Yafei1LI Ye2HE Shu2YANG Jiakuan1
(1.School of Environmental Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，430074，China;2.Universtar Science and Technology(Shenzhen)Co.Ltd.，Shenzhen，518057，China)

FeCl3and two skeleton builders(lime and fly ash)were used as an inorganic composite conditioner to improve the dewatering performance of sewage sludge.The experimental results of vacuum filtration，centrifugal dewatering and tests of specific resistance to filtration(SRF)show that the optimum dosages of FeCl3，lime，and fly ash were 2.0 g·L－1，20.0 g·L－1，and 30.0 g·L－1，respectively.Under the optimum condition，SRF was reduced to below 0.27×109s2·g－1，and the reduction ratio of SRF reached over 93%.Moreover，the water content of dewatered sludge cake was about 73%with a dewatering efficiency of 77%—79%.

sludge conditioning， inorganic composite conditioner， skeleton builder， dewatering performance

2011年2月16日收稿.

*國家自然科學(xué)基金項目(51078162);教育部新世紀人才支持計劃項目(NCET-09-0392);華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項目(2011TS123)資助.

＊＊通訊聯(lián)系人，Tel:027-87792207;E-mail:jkyang@mail.hust.edu.cn