聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑的制備 及污泥高效調(diào)理研究

文_廖欽雄 孫世昌 李桐 張培新 權(quán)宗剛

1.深圳大學化學與環(huán)境工程學院 2.西安墻體材料研究設計院

城市污泥的深度脫水處理研究對城市發(fā)展和污泥資源化利用具有重要意義。在污泥脫水過程中，通過添加絮凝劑并對進行壓濾處理是污泥減量化的有效方法之一。由于單一絮凝劑難以實現(xiàn)污泥高效脫水，復合型絮凝劑是絮凝劑深入研究的新趨向。復合型絮凝劑可以克服單一絮凝劑普遍存在的劣勢，且復合組分之間的 “協(xié)同作用”可強化氣絮凝性能。本研究旨在制備一種新型無機-有機高分子復合絮凝劑并探究其最佳的制備條件；采用三步污泥調(diào)理法（NaCl-聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑-污泥熱解殘渣）來對污泥進行調(diào)理，并考察其對污泥絮凝效果和深度脫水效果，為城市污泥深度脫水提供一種新型高效污泥調(diào)理方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與藥劑

本研究所用的活性污泥取自深圳市某污水處理廠，污泥含水率為96%～99%。實驗過程中所用試劑如下，殼聚糖（脫乙酰度≥90%）、冰醋酸（AR）、氯化鐵（AR）、氫氧化鈉（AR）、鹽酸、去離子水。

1.2 聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑的制備

殼聚糖絮凝劑制備：稱取1g 殼聚糖，將其溶于100mL 1%的HAc 溶液中并利用磁力攪拌器上攪拌24h。

聚合氯化鐵絮凝劑制備：量取20mL 0.5mol/L FeCl3溶液加水稀釋至400mL。加入100mL 0.25mol/L 的NaOH 溶液，采用六聯(lián)攪拌儀充分攪拌。

聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑制備：根據(jù)PFC：CTS質(zhì)量比為1：1；2：1；3：1；1：2；1：3；2：3，分別稱取一定質(zhì)量的PFC和CTS，充分攪拌后緩慢加熱至70℃并靜置24h。

1.3 絮凝效果實驗

取1000mL 活性污泥于2000mL 燒杯中，分別加入10g 絮凝劑，采用六聯(lián)攪拌先以100r/min 攪拌2min，然后50r/min慢速攪拌10min，靜置沉淀20 ～30min。污泥比阻用布氏漏斗真空過濾法，并根據(jù)公式（1）計算污泥比阻。污泥濾餅含固率通過公式（2）計算。

1.4 污泥三步調(diào)理法

取2000mL 待處理的活性污泥置于燒杯中，先用濃度為0.1～0.5mol/L NaCl 預處理，充分攪拌后，接著加入上述“1.2”實驗所制備的復合絮凝劑，投加量為20 ～50mg/L，充分攪拌后，最后加入污泥熱解殘渣，投加量為前述污泥總質(zhì)量的40%～60%，充分攪拌后，進行抽濾處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 復合絮凝劑對污泥比阻的影響

為探究有機-無機復合絮凝劑的最佳復合質(zhì)量比，在污泥絮凝實驗過程中，分別投加不同m（PFC）：m（CTS）質(zhì)量比復合絮凝劑，并采用污泥比阻作為衡量指標，結(jié)果如圖1（a）所示。當m（PFC）：m（CTS）=1：2 時，比阻最小為8.5×108s2/g，此條件下絮凝效果最佳。單體殼聚糖絮凝劑和聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑投加量對污泥比阻的影響如圖1（b）所示。隨著兩種絮凝劑投加量的增加，污泥比阻都先顯著降低后逐漸升高，適量的投加量可有效發(fā)揮絮凝劑吸附膠團、中和污泥中帶電基團、架橋連接小顆粒形成大絮體，能有效降低污泥比阻，提高污水脫水性能。然而，過量的絮凝劑會使污泥液相粘度增加和絮體流動性變差，形成絮體不會聚團沉淀。這種松散、細小的絮體容易堵塞過濾設備導致過濾脫水難度增加，從而使污泥比阻增加。當CTS 在投加量約為30mg/L 時污泥比阻達最小值為3.7×108s2/g，PFC-CTS 的污泥比阻最小值為2.2×108s2/g時其投加量為35mg/L。

圖1 不同絮凝條件對污泥比阻的影響

2.2 復合絮凝劑對污泥濾餅含固率的影響

單體殼聚糖絮凝劑和聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑投加量對濾餅含固率的影響如圖2 所示。隨著絮凝劑投加量的增加，泥餅的含固率都先增加后減小。單體殼聚糖絮凝劑最佳投加量為35mg/L 時濾餅含固率為23.7%，而聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑最佳投加量為40mg/L 時濾餅含固率為28.1%。由此可知，使用復合絮凝劑比單體殼聚糖絮凝劑效果好，得到含固率高的濾餅，大大減小污泥體積同時便于污泥后續(xù)資源化處置。由于添加的聚合氯化鐵中的Fe3+易水解成氫氧化鐵膠體，提供大量絡合離子，其表面積大且還帶正電荷能吸附和電中和膠體微粒，形成大顆粒沉淀。同時聚合氯化鐵中Fe3+能與殼聚糖分子中氨基、羥基形成穩(wěn)定的螯合物，增加分子量和分子鏈長度，有利于絮凝劑吸附、卷掃、架橋、交聯(lián)和電中和作用，從而復合絮凝劑脫水效果更好，得到濾餅含固率更高。

圖2 殼聚糖絮凝劑和聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑投加量對濾餅含固率的影響

2.3 三步調(diào)理法對污泥脫水性能優(yōu)化研究

由上述實驗結(jié)論可知，使用m（CTS）/m（PFC）為2：1 的有機-無機復合絮凝劑處理污泥，當絮凝劑投加量為40mg/L時污泥脫水性能最佳，污泥濾餅的含固率可達27.6%。為了使污泥脫水性能更優(yōu)化，采用三步調(diào)理法進一步提高污泥脫水效率，污泥含固率由27.6%顯著升高至35.4%。首先，NaCl 破壞污泥中EPS 結(jié)構(gòu)，釋放其內(nèi)部結(jié)合水。然后，PFC-CTS 絮凝劑通過電中和、架橋和卷掃作用使污泥膠體粒子發(fā)生絮凝。最后，污泥熱解殘渣中無機灰分在污泥絮凝沉降過程中發(fā)揮骨架支撐作用，使污泥顆粒生成緊實、體積較大的團聚物沉降下來，并增強沉降團聚物的剛性，使其更易于被機械壓縮，有利于脫水過程，從而獲得含固率更高的濾餅，有利于濾餅后續(xù)的資源化利用。

3 結(jié)論

通過實驗確定了PFC-C T S 復合絮凝劑質(zhì)量配比m（PFC）：m（CTS）=1：2，投加量為35mg/L 時，污泥可以達到最佳的絮凝脫水效果。在三步調(diào)理法調(diào)理中，NaCl 呈電中性且陽離子可以中和胞外聚合物的陰離子，對細胞的破壞及釋水有積極作用，而加入的污泥熱解殘渣起到骨架構(gòu)建的作用，使污泥過濾過程中形成多孔結(jié)構(gòu)，保證水的過濾通道，使水分在高壓下仍易于脫出。三步調(diào)理法的協(xié)同作用顯著提高了污泥脫水性能，實現(xiàn)污泥高效減量化處理。大大減小了污泥體積，為其后續(xù)的運輸處置等環(huán)節(jié)節(jié)約了成本。