鐵鋁鹽復(fù)合硅酸鉀調(diào)理污泥脫水性能試驗(yàn)研究

劉康安，李運(yùn)寶，楊凡，高俊發(fā)，張佳寶，韓雙，秦晉一，馬智群

(1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司，廣東 深圳 518003；3.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

污水處理廠剩余污泥脫水性能主要受污泥顆粒粒徑分布、污泥膠體表面電荷及胞外聚合物EPS(extracellular polymeric substances) 的影響[1-3]。污泥調(diào)理方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法[4]。傳統(tǒng)的化學(xué)調(diào)理法常用絮凝劑使污泥顆粒絮凝，以改善其脫水性能[5-7]，或利用芬頓試劑、雙氧水氧化等技術(shù)破壞污泥中的EPS[8-10]。近年來國內(nèi)外也有很多利用復(fù)合藥劑調(diào)理污泥的研究[11-12]，使污泥脫水性能得到了較大改善。

硅酸鹽與鐵鹽或鋁鹽混合能形成聚硅酸鐵(鋁)鹽絮凝劑，具有較好的絮凝效果[13]。本文研究了4種鐵鋁鹽單獨(dú)調(diào)理和分別與K2SiO3復(fù)合投加調(diào)理時(shí)對污泥脫水性能的影響，以及各調(diào)理方式對污泥粘度和沉降性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

FeCl3、AlCl3、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、K2SiO3均為分析純；污泥，取自深圳市某水質(zhì)凈化廠，樣品為投加PAM后并經(jīng)帶式濃縮機(jī)濃縮之后的污泥，含水率為97.5%左右，樣品取回后置于實(shí)驗(yàn)室冷藏箱中4 ℃下保存以待使用。污泥基本性質(zhì)見表1。

表1 污泥基本性質(zhì)

BSA224S-CW電子分析天平；DHG-9140A電熱鼓風(fēng)干燥箱；JJ-4A電動六聯(lián)攪拌器；TH3354污泥比阻測定裝置；DFC-10A CST測定儀；NDJ-8S粘度計(jì)；PHS-3C pH計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 污泥調(diào)理 用量筒量取500 mL原污泥于燒杯中，啟動電動攪拌器，將攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)置為500 r/min，污泥攪拌均勻后，向原污泥中加入調(diào)理劑，維持?jǐn)嚢杵?00 r/min轉(zhuǎn)速攪拌15 s，使藥劑與污泥快速混合，再將轉(zhuǎn)速降至300 r/min，調(diào)理15 min后關(guān)閉攪拌器，對調(diào)理后的污泥進(jìn)行污泥比阻SRF(Specific Resistance to Filtration)、毛細(xì)吸水時(shí)間CST(Capillary Sunction Time)、污泥粘度、沉降性能等指標(biāo)的測定。

1.2.2 SRF測定 采用布氏抽濾法測定，量取100 mL污泥倒入布氏漏斗(?=9 cm)中，在抽濾壓力0.02 MPa的恒壓下進(jìn)行真空抽濾脫水，每隔一段時(shí)間記錄濾液的體積，抽濾至真空度破壞，繪制V～t/V曲線，并測定污泥濾餅的含水率，最后計(jì)算出污泥的比阻。比阻計(jì)算公式如下：

式中P——抽濾真空度，Pa；

A——過濾面積，m2；

μ——濾液的動力粘度系數(shù)，Pa·s；

b——直線V-t/V的斜率；

ω——濾過單位體積的濾液在過濾介質(zhì)上截留的固體質(zhì)量，kg/m3；

SRF——污泥比阻，s2/g。

1.2.3 CST測定 利用毛細(xì)吸水時(shí)間測定儀，將調(diào)理后污泥加入漏斗內(nèi)，啟動儀器，讀取示數(shù)。

1.2.4 污泥粘度測定 取500 mL污泥于燒杯中，選擇合適的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)速，調(diào)平儀器，將轉(zhuǎn)子浸入污泥中，啟動儀器，待示數(shù)穩(wěn)定后讀取示數(shù)即為粘度值。

1.2.5 污泥沉降性測定 用100 mL量筒量取100 mL 污泥，靜置，每隔5 min記錄沉淀污泥層與上清液分界處界面的刻度值，直至30 min后測定結(jié)束。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一藥劑調(diào)理污泥對污泥脫水性能的影響

使用FeCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3按照污泥干重的2%，4%，6%，8%，10%，12%的投加量分別調(diào)理污泥。4種藥劑調(diào)理后對污泥SRF和CST的影響見圖1、圖2。

圖1 單一藥劑調(diào)理時(shí)投加量對SRF的影響

由圖1可知，原污泥分別經(jīng)過4種調(diào)理劑調(diào)理后，SRF均有明顯下降趨勢。隨著投加量的增加，SRF先迅速下降，后緩慢上升。本研究所用原污泥SRF值為5.033×106s2/g，當(dāng)使用FeCl3調(diào)理時(shí)，在投加量為4%時(shí)SRF值達(dá)到最低，為2.688×106s2/g；使用Fe2(SO4)3調(diào)理時(shí)，在投加量為8%時(shí)SRF值達(dá)到最低，為2.948×106s2/g；使用AlCl3調(diào)理時(shí)，在投加量8%時(shí)，SRF降至最低，為2.778×106s2/g；使用Al2(SO4)3調(diào)理時(shí)，在投加量為6%時(shí)SRF達(dá)到最低值，為3.305×106s2/g。

圖2 單一藥劑調(diào)理時(shí)投加量對CST的影響

由圖2可知，4種鐵鋁鹽分別調(diào)理污泥時(shí)，CST隨著投藥量的變化趨勢與SRF變化趨勢相似。原污泥CST為28.1 s，當(dāng)使用FeCl3調(diào)理時(shí)，CST在投加量為4%時(shí)降至最小，為16.8 s；當(dāng)使用Fe2(SO4)3調(diào)理時(shí)，在投加量為8%時(shí)CST達(dá)到最小，為19.4 s；當(dāng)使用AlCl3調(diào)理時(shí)，在投加量為8%時(shí)CST降至最小，為17.0 s；當(dāng)使用Al2(SO4)3調(diào)理時(shí)，在投加量為6%時(shí)，CST達(dá)到最小，為22.0 s。

通過以上現(xiàn)象分析可知，對于FeCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)34種藥劑而言，F(xiàn)eCl3的調(diào)理效果最佳，且并非藥劑的投加量越多，脫水性能越好，而是在一定范圍內(nèi)才能達(dá)到最好的效果。可能是由于污泥顆粒表面一般帶有負(fù)電荷，污泥顆粒表面同性電荷的斥力作用使污泥顆粒無法聚集，使污泥中含有較多的間隙水[14]。而Fe3+或Al3+帶正電，隨著Fe3+或Al3+的增加，在一定投加量范圍內(nèi)，可起到電性中和的作用，降低了污泥顆粒表面的Zeta電位，同性電荷斥力減小，污泥顆粒便發(fā)生聚集作用，形成較大絮體，且由于壓縮雙電層作用使絮體更加致密[15]，污泥過濾阻力減小，SRF值和CST降低；但當(dāng)Fe3+或Al3+投加量過多時(shí)，帶負(fù)電的污泥顆粒膠核直接吸附了過多的正電荷離子，污泥顆?？勺兂蓭д姷牧Ｗ?，Zeta電位開始升高，污泥顆粒重新開始穩(wěn)定，SRF和CST則開始升高。

2.2 鐵鋁鹽和硅酸鹽聯(lián)合調(diào)理對污泥脫水性能的影響

通過對單一藥劑調(diào)理實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，F(xiàn)eCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)34種藥劑的最佳投加量分別為污泥干重的4%，8%，8%，6%。為探究這4種調(diào)理劑與K2SiO3聯(lián)合使用對污泥脫水性能的影響，本實(shí)驗(yàn)在4種藥劑單獨(dú)投加時(shí)得出的最佳投藥量下分別與K2SiO3復(fù)合投加調(diào)理污泥。根據(jù)已有研究成果，本研究將K2SiO3的投加量固定為污泥干重的2%，并以向原污泥單獨(dú)投加2%的K2SiO3作為對照組。不同藥劑組合對SRF的影響見圖3，對污泥CST的影響見圖4。

由圖3可知，4種鐵、鋁鹽分別跟K2SiO3復(fù)合投加調(diào)理污泥后，SRF均比單一藥劑調(diào)理時(shí)有所降低。4%的FeCl3與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，SRF值降至1.652×106s2/g；8%的Fe2(SO4)3與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，SRF值降至2.324×106s2/g；8%的AlCl3在與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，SRF值降至1.842×106s2/g；6%的Al2(SO4)3與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，SRF值降至2.740×106s2/g。且在原污泥中單獨(dú)投加2%的K2SiO3時(shí)，SRF由原污泥的5.033×106s2/g升高至8.253×106s2/g。

圖3 復(fù)合藥劑調(diào)理對SRF的影響

圖4 復(fù)合藥劑調(diào)理對CST的影響

由圖4可知，4種鐵鋁鹽分別與K2SiO3復(fù)合投加后，對CST的影響與對SRF的影響一致，即與K2SiO3復(fù)合投加調(diào)理時(shí)，CST比單獨(dú)投加鐵鹽、鋁鹽時(shí)小，而單獨(dú)投加K2SiO3時(shí)，CST值比原污泥大。4%的FeCl3與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，CST降低至12.2 s；8%的Fe2(SO4)3與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，CST降低至13.1 s；8%的AlCl3在與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，CST降低到了15.2 s；6%的Al2(SO4)3與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，CST降低至15.4 s。而單獨(dú)投加2%的K2SiO3時(shí)，CST由原污泥的28.1 s增加至35.2 s。

由以上分析可知，鐵鋁鹽在與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，對污泥脫水性能的改善效果優(yōu)于單一藥劑調(diào)理。且K2SiO3本身不能改善污泥脫水性能，甚至單獨(dú)使用時(shí)會增加污泥脫水的難度，其與鐵鋁鹽聯(lián)合使用時(shí)才能發(fā)揮效用，原因可能是Fe3+或Al3+在水溶液中水解呈酸性，與K2SiO3作用能形成聚硅酸，聚硅酸的高分子鏈可通過吸附架橋作用，增強(qiáng)污泥顆粒的絮凝效果[16]，使污泥脫水性能得到有效改善。

2.3 調(diào)理劑對污泥粘度的影響

對各種調(diào)理方式調(diào)理后的污泥粘度進(jìn)行測定，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，污泥經(jīng)過鐵鹽、鋁鹽單獨(dú)調(diào)理或者復(fù)合K2SiO3調(diào)理后，污泥粘度比原污泥稍有降低，但單一藥劑調(diào)理與復(fù)合藥劑調(diào)理后的污泥粘度沒有明顯差異；原污泥單獨(dú)投加K2SiO3時(shí)，污泥粘度沒有明顯變化。由此可見，F(xiàn)e3+或Al3+的作用能在一定程度上降低污泥粘度，而復(fù)合投加K2SiO3對污泥粘度沒有明顯影響。

圖5 調(diào)理劑對污泥粘度的影響

污泥粘度主要與污泥中EPS含量緊密相關(guān)，EPS含量越高，污泥粘度越大[17]。污泥在Fe3+或Al3+的作用下，污泥中EPS被破壞，故污泥粘度降低。而鐵鹽、鋁鹽分別與K2SiO3復(fù)合投加時(shí)，雖然污泥脫水性能比單一藥劑調(diào)理時(shí)有改善，但污泥粘度沒有進(jìn)一步改善，其原因可能是復(fù)合藥劑相對于單一藥劑僅僅是增強(qiáng)了污泥顆粒的絮凝效果，而不能增強(qiáng)對污泥中EPS的破壞效果。

2.4 調(diào)理劑對污泥沉降性的影響

對各調(diào)理方式調(diào)理后的污泥沉降性進(jìn)行測定，結(jié)果見表2、圖6。表2為各調(diào)理方式調(diào)理后污泥的SV30值，即100 mL攪拌混合好的污泥在量筒中靜置30 min后所形成沉淀污泥占原混合液容積的百分比。圖6為調(diào)理效果最佳的FeCl3單獨(dú)調(diào)理及其與K2SiO3復(fù)合調(diào)理的污泥在30 min內(nèi)的沉降過程圖線。

表2 調(diào)理劑對污泥沉降性能的影響

由表2和圖6可知，原污泥沉降性能較差，SV30為95%，經(jīng)過鐵鋁鹽單獨(dú)調(diào)理或與K2SiO3復(fù)合投加調(diào)理后，污泥沉降性能均有明顯的改善，且復(fù)合藥劑調(diào)理后污泥沉降性能介于原污泥與單一藥劑調(diào)理污泥之間，而單獨(dú)投加K2SiO3的對照組污泥沉降性能較原污泥變差。單一藥劑調(diào)理時(shí)，F(xiàn)eCl3對SV30影響最大，使污泥SV30降至88%，復(fù)合藥劑調(diào)理時(shí)，F(xiàn)eCl3復(fù)合K2SiO3調(diào)理對SV30影響最大，使SV30降至90%。由此可見，污泥經(jīng)過調(diào)理后沉降性得到較大改善，且K2SiO3的加入會對污泥沉降性能產(chǎn)生不利影響。原因可能是，污泥經(jīng)鐵鋁鹽調(diào)理時(shí)通過電中和作用形成的絮體較小且密實(shí)，污泥沉降后體積較小，即沉降性能得到改善；而在復(fù)合投加K2SiO3時(shí)，由于鐵鋁鹽水解呈酸性，與K2SiO3作用形成聚硅酸，聚硅酸高分子鏈具有吸附架橋的作用，使污泥顆粒形成較大的絮體，由于絮體結(jié)構(gòu)松散，具有一定的可壓縮性，所以污泥沉降后體積較單一藥劑調(diào)理時(shí)污泥體積大，即沉降性能不如單一藥劑調(diào)理后的污泥。

圖6 調(diào)理后污泥沉降過程曲線

3 結(jié)論

(1)在單一藥劑進(jìn)行污泥調(diào)理改善脫水性能時(shí)，F(xiàn)eCl3、Fe2(SO4)3、AlCl3、Al2(SO4)3的最佳投藥量分別為4%，8%，8%，6%，且調(diào)理效果最優(yōu)的為4%的FeCl3，使SRF降至2.688×106s2/g，CST降至16.8 s。

(2)FeCl3、Fe2(SO4)3、AlCl3、Al2(SO4)34種藥劑分別與2%的K2SiO3復(fù)合投加調(diào)理污泥后，污泥脫水性能比單一藥劑調(diào)理時(shí)有較大改善，且4%的FeCl3與2%的K2SiO3復(fù)合調(diào)理效果最優(yōu)，使SRF降至1.652×106s2/g，CST降至12.2 s。

(3)調(diào)理劑在改善污泥脫水性能時(shí)，污泥粘度也會降低，且沉降性能也得到改善，復(fù)合投加K2SiO3后對污泥粘度沒有明顯影響，但K2SiO3的使用對污泥沉降性能略有不利影響。