改性煤氣化灰渣調(diào)理污泥脫水性能研究

凌　琪，鮑　超，伍昌年，方　濤，趙秋燕，孫冰香，張　睿，孔張成，楊　浩

改性煤氣化灰渣調(diào)理污泥脫水性能研究

凌琪，鮑超，伍昌年，方濤，趙秋燕，孫冰香，張睿，孔張成，楊浩

（安徽建筑大學(xué)水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

采用改性煤氣化灰渣對污泥進(jìn)行調(diào)理，通過測定污泥比阻(SRF)、毛細(xì)吸水時間（CST）、污泥上清液中胞外聚合物（EPS）含量、Zeta電位，同時結(jié)合污泥粒徑分析，研究了不同煤氣化灰渣投加量對污泥脫水性能影響。結(jié)果表明：在改性煤氣化灰渣投加量為污泥干重的20%時，污泥脫水性能達(dá)到最好，SRF、CST分別為5.11×1011m/kg、51.2 s；隨投加量增加，污泥上清液中EPS含量減少，Zeta電位減小，調(diào)理后污泥粒徑中d10增大，而d50、d90減小。改性煤氣化灰渣調(diào)理脫水性能的機(jī)理可能是通過構(gòu)建透水骨架、吸附架橋及靜電中作用共同實(shí)現(xiàn)的。該研究可為改性煤氣化灰渣的工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

改性煤氣化灰渣；污泥脫水性能；胞外聚合物（EPS）；粒徑

0　引 言

市政污泥含水率高，產(chǎn)量巨大且難以處置，市政污泥的脫水已成為污泥處置中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[1]。而污泥調(diào)理又是污泥脫水中重要步驟，因此尋求一種高效、廉價(jià)的調(diào)理劑是當(dāng)今水處理技術(shù)面臨的一項(xiàng)重要課題。

煤氣化灰渣是氣流床煤氣化過程中不可避免的副產(chǎn)物，我國每年排放量巨大，不僅占用大量的土地，并且其滲濾液會對水體、土壤造成嚴(yán)重污染。目前，其資源化綜合利用主要用于建材、道路、填筑等方面[2-3]。盧珊珊[4]等研究表明，煤粉氣化過程，大量氣體從內(nèi)部逸出，煤氣化灰渣內(nèi)部含有氣體甬道，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，但表面存在致密的玻璃相，通過破壞表層結(jié)構(gòu)，可以打開內(nèi)部通道，激發(fā)化學(xué)活性。關(guān)于煤氣化灰渣在水處理中的研究多集中在其吸附性能，而改善污泥脫水性能的方面鮮有報(bào)道。本研究取煤氣化灰渣研磨和改性后作為污泥調(diào)理劑，選用合肥經(jīng)開區(qū)污水廠剩余污泥，采用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)考察改性煤氣化灰渣投加量對剩余污泥脫水性能的影響，通過對污泥上清液中EPS含量、Zeta電位、污泥粒徑等檢測，對煤氣化灰渣調(diào)理污泥脫水性能的機(jī)理進(jìn)行探討。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料與儀器

污泥取自合肥經(jīng)開區(qū)污水處理廠貯泥池，采樣后靜止2 h撇去上清液，置于冰箱，4℃下冷藏保存，污泥含水率93.1%。煤氣化灰渣的改性：取適量煤氣化灰渣，先用50目標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩篩分，研磨后，再取經(jīng)200目標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩篩下的煤氣化灰渣備用。配置濃度為3.0 mol/L的氫氟酸溶液，按渣水比1:1（g/mL）混合后，經(jīng)攪拌后抽濾，同時用去離子水沖洗至濾液為中性，烘干，碾磨，即制得改性煤氣化灰渣。

掃描電鏡（JEOL JSM-7500F）；電子天平（MS104S）；馬爾文激光粒度儀（Malvernsizer 2000）；六聯(lián)攪拌器（ZR4-6）。電熱恒溫鼓風(fēng)干 燥 箱（DHG-9101-3）；CST測 定 儀（Triton Electronics Ltd，340M）；Zeta電 位 分 析 儀（Zetasizer-NS90）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

在9個1 L燒杯中各加入400 ml污泥，投加改性煤氣化灰渣0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%（基于污泥干重百分比），快速攪拌30 s，慢速攪拌5 min后待測。

1.3分析方法

污泥比阻測定（SRF）采用真空過濾法[5]，記錄時間t及其所對應(yīng)的濾液量V，利用線性回歸求出t/V-V線的斜率，同時測定原泥以及濾餅中固體含量，根據(jù)污泥比阻公式計(jì)算得出；毛細(xì)吸水時間[6]（CST）測定采用毛細(xì)吸水儀；多糖及蛋白質(zhì)的測定分別采用苯酚硫酸法和考馬斯亮藍(lán)G-250法[7]。Zeta電位測定采用Zeta電位分析儀；粒徑測定采用馬爾文激光粒度儀。

2　結(jié)果與討論

2.1改性煤氣化灰渣的表征

煤氣化灰渣及改性煤氣化灰渣的的掃描電鏡照片如圖1所示。對比改性前后照片可以看出，改性前煤氣化灰渣（圖1.a）形貌為不規(guī)則的玻璃相，表面較為光滑。改性后的煤氣化灰渣（圖1.b）結(jié)構(gòu)松散，表面粗糙。由于煤氣化灰渣主要成分為碳質(zhì)、二氧化硅等，氫氟酸加入后能與二氧化硅等作用，破壞表層結(jié)構(gòu)，有利于激發(fā)煤氣化灰渣的化學(xué)活性。

圖1　煤氣化灰渣（a）和改性后煤氣化灰渣（b）的SEM照片

2.2 改性煤氣化灰渣SRF及CST的影響

改性煤氣化灰渣投加量對污泥的SRF及CST影響如圖2所示。由圖2可見，原泥SRF值為1.02×1012m/kg，投加改性煤氣化灰渣后脫水性能得到顯著改善。隨著投加量的增加，SRF呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，在投加量為20%時，SRF最小為5.11×1011m/kg，投加量繼續(xù)增加，SRF逐漸增大。這可能因?yàn)楦男悦簹饣以Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以在污泥調(diào)理過程中可起到骨架構(gòu)建體作用，降低泥餅的可壓縮性，減小了過濾阻力，但投加量過大時，在真空壓力作用下導(dǎo)致濾層壓縮，污泥中細(xì)小顆粒阻塞煤氣化灰渣顆粒形成的透水通道，反而會降低污泥脫水性能，同時也會導(dǎo)致泥餅增容，不利于后期處置。

圖2　圖改2性改煤性煤氣氣化化灰灰渣渣投投加量對SSRRFF及及CSCTS影T影響響

CST與SRF總體變化趨勢大致相同。原泥CST為78 s，當(dāng)改性煤氣化灰渣投加量低于20%時，CST下降速度較快，在投加量大于20%后，CST穩(wěn)定在50 s左右。這可能由于部分煤氣化灰渣能夠進(jìn)入污泥顆粒之間的空隙，使得部分毛細(xì)水能夠釋放，脫水性能得到一定改善。

2.3改性煤氣化灰渣對污泥上清液中EPS的影響

污泥的化學(xué)組成是決定其脫水性能的關(guān)鍵因素[8-9]。研究表明，胞外聚合物（EPS）組成和分布對污泥脫水性能的影響最為顯著。EPS中最主要成分為多糖和蛋白質(zhì)，占70%~80%[10]。本研究以多糖和蛋白質(zhì)對污泥上清液中的EPS進(jìn)行表征。圖3顯示了煤氣化灰渣投加量對污泥上清液中EPS含量的影響情況。由圖可以看出，隨投加量的增加，上清液中多糖和蛋白質(zhì)含量均下降，投加量為20%時，蛋白質(zhì)和多糖的含量分別從75.51 mg/L、60.23 mg/L降至63.8 mg/L、46.9 mg/L，這說明改性煤氣化灰渣對污泥中的EPS存在一定程度吸附作用。EPS與絮體水有極強(qiáng)的結(jié)合能力，隨著上清液中EPS含量減少，污泥絮體與水的結(jié)合能力減弱，污泥疏水性增強(qiáng)，這對污泥脫水性能改善有一定貢獻(xiàn)[11~12]。

圖3　改性煤氣化灰渣投加量對上清液中EPS 的影響

2.4煤氣化灰渣對污泥上清液中Zeta電位影響

Zeta電位是對顆粒之間斥力或引力的強(qiáng)度的度量，是表征膠體分散系穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。Zeta電位較高的體系，質(zhì)點(diǎn)間排斥力較大，不易發(fā)生聚沉，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；而Zeta電位較低的體系，質(zhì)點(diǎn)間排斥力最小，不穩(wěn)定，容易發(fā)生聚沉[13]。

圖4　改圖性4 改煤性氣煤氣化化灰灰渣渣投加投量加對Z量eta對電位Z影et響a電位影響

污泥經(jīng)投加改性煤氣化灰渣后，上清液中Zeta電位發(fā)生變化見圖4。由圖可知，原污泥上清液中的Zeta電位為-16.1 mV。隨著投加量增加，上清液中的Zeta電位迅速減小，而后變化緩慢，最后穩(wěn)定在-2.3~0 mV。這可能由于煤氣化灰渣經(jīng)改性后，內(nèi)部被包裹的硅鋁等活性點(diǎn)得以暴露，這些活性點(diǎn)帶正電，污泥顆粒帶負(fù)電荷，改性煤氣化灰渣加入污泥后起到靜電中和作用，減弱了與水分子之間的極性作用，因此污泥疏水性增強(qiáng)[14]，有利于污泥脫水性能的改善。

2.5煤氣化灰渣對污泥顆粒粒徑分布影響

改性煤氣化灰渣投加量對污泥粒徑的影響見表1，隨投加量的增加，d10呈現(xiàn)增大趨勢，而d50、d90逐漸減小。d10、d50、d90起始為15.20μm、48.49 μm、126.11 μm，在投加量為40%時，分別變化為26.13 μm、35.74 μm、88.10 μm。這可能由于改性煤氣化灰渣對污泥中EPS等的吸附作用，使污泥絮體與高水和性的有機(jī)物之間黏附作用被削弱，較大粒徑污泥絮體出現(xiàn)部分分解而釋放結(jié)合水。改性煤氣化灰渣對小粒徑（≤10 μm）污泥顆粒具有一定吸附能力，使之形成小的污泥絮體，減少了細(xì)小污泥顆粒對透水通道阻塞作用，從而達(dá)到改善污泥脫水性能的目的。

表1　改性煤氣化灰渣投加量對污泥粒徑的影響

3　結(jié)論

（1）隨改性煤氣化灰渣投加量增加，SRF呈先減小后增大趨勢，CST逐漸減小，在投加量為20%時，SRF、CST達(dá)到最佳值（5.11×1011m?kg、51.2 s），污泥上清液中EPS含量減少，Zeta電位減小，調(diào)理后污泥粒徑中d10增大，而d50、d90減小。

（2）經(jīng)改性煤氣化灰渣調(diào)理后，污泥脫水性能得到顯著改善，這有利于提高后期污泥機(jī)械脫水效率和機(jī)械脫水設(shè)備的生產(chǎn)能力。污泥經(jīng)脫水、干化后可利用焚化等方法使污泥固體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的物質(zhì)，最終處置可作為建筑材料、填地與填地填海材料等。改性煤氣化灰渣調(diào)理污泥脫水性能機(jī)理可能是通過構(gòu)建透水骨架、吸附架橋及靜電中作用共同實(shí)現(xiàn)的。該研究可為改性煤氣化灰渣的工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)，但投入應(yīng)用還需進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，降低氣化渣投加量和處理過程中的能耗問題。

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Study on the Effect of Modified Coal Gasification Slag on Sludge Dewatering Performance

LING Qi，BAO Chao，WU Changnian， FANG Tao， ZHAO Qiuyan，SUN Bingxiang, ZHANG Rui， KONG Zhangcheng， YANG Hao
(Key Laboratory of AnHui Province, Water Pollution Control and Waste Water Resources of AnHui JianZhu University, Hefei, Anhui, 230601, China)

The effect of dosage of modified coal gasification slag(MCGS) on sludge dewatering performance was investigated and some parameters were determined such as specific resistance to filtration (SRF), capillary suction time(CST), the concentration of extracellular polymeric substances(EPS) in the supernatant, Zeta potential and the size of sludge in the experiment. The results showed that sludge dewatering achieved the best performance with the ratio of MCGS to dewatered sludge of 20%. SRF and CST were 5.11×1011m.kg, 51.2 s, respectively. The EPS concentration and Zeta potential decreased with the dosage of MCGS increased. The particle size of dewatered sludge showed that d10increased ,while d50and d90decreased. The mechanism of sludge dewatering conditioned by MCGS maybe based on the actions of skeleton builders, adsorption bridging and electrical neutralization. The results could provide theoretical instruction for the industrial application of MCGS.

the modified coal gasification slag；sludge dewaterability；extracellular polymeric substances(EPS)；particle size.

X703

A

2095-8382(2016)03-050-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160311

2015-11-26

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)課題(2014ZX07405003)

凌琪（1960-），女，教授，主要從事水污染控制與理論科研與教學(xué)工作。