滲瀝液濃縮液制酸調(diào)理對污泥脫水性能的研究

張 健，林姝燦，黃 皇

（上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201302）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市化進(jìn)程的加快，垃圾產(chǎn)量逐年遞增，滲瀝液處理行業(yè)迎來了高速發(fā)展時(shí)期。垃圾滲瀝液處理過程中會(huì)產(chǎn)生部分生化污泥和化學(xué)沉淀污泥，其含水率高，有機(jī)物含量高，還有大量病原體及微生物等有害物質(zhì)，易腐化產(chǎn)生異味[1]。由于其產(chǎn)生體量大，但顆粒比重小，組分復(fù)雜呈非均質(zhì)體狀，僅通過簡易沉降難以實(shí)現(xiàn)固液分離，易造成二次污染，必須進(jìn)行減量化與無害化處理。

污泥處理的關(guān)鍵在于對其中水分的去除。常見的脫水方法包括機(jī)械壓濾、熱干化、熱水解、水熱厭氧等[2]。本文主要針對機(jī)械壓濾前的預(yù)處理進(jìn)行分析。污泥在機(jī)械脫水之前，須通過化學(xué)調(diào)理改善污泥脫水性能。常見的化學(xué)調(diào)理方式是向污泥中投加絮凝劑、石灰干粉等一類調(diào)理劑。單一采用絮凝劑時(shí)，雖然污泥顆粒會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚效果，但由于絮凝劑屬于高分子結(jié)構(gòu)，溶于水后有一定黏性，脫水壓濾時(shí)，會(huì)對濾布產(chǎn)生黏堵，且團(tuán)聚沉降去除的主要為污泥的間隙水，經(jīng)絮凝劑調(diào)理后的泥餅含水率仍然較高。采用石灰干粉等進(jìn)行調(diào)理，雖然能使泥餅的含水率大大降低，但石灰增加了泥餅中的固體含量，且呈現(xiàn)強(qiáng)堿性，對濾液的后處理要求較高。石灰中的鈣離子也限制了泥餅后續(xù)的資源化。隨著污泥處理的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的提高，石灰粉劑已被市場淘汰。

何文遠(yuǎn)[3]等研究發(fā)現(xiàn)，酸處理作為脫水前預(yù)處理，能夠讓活性污泥中細(xì)胞外聚合物水解、微生物細(xì)胞瓦解，有效降低結(jié)合水含量，使污泥水分分布發(fā)生變化，從而改善污泥的脫水效果；李桃[4]等發(fā)現(xiàn)，酸化調(diào)理能夠改變污泥性質(zhì)，提高脫水性能，同時(shí)去除污泥中的部分重金屬，且不增加污泥干基物質(zhì)。垃圾滲瀝液濃縮液通過分子選擇膜后再經(jīng)兩道電驅(qū)動(dòng)膜，可分離出濃鹽水制備酸，將其用于替代傳統(tǒng)酸液調(diào)理劑，降低成本，兩廢共治，具備可行性。

為探究滲瀝液濃縮液酸和污泥的協(xié)同資源化與處置效益，本文設(shè)計(jì)將滲瀝液濃縮液電解制備酸用作調(diào)理劑，配合聚合氯化鋁作為助凝劑，酸化調(diào)理污泥，分析濃縮液酸調(diào)理對污泥脫水性能的影響與機(jī)制，為后續(xù)滲瀝液濃縮液酸調(diào)理污泥工藝提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)污泥：氧化塘的生化污泥和反滲透處理系統(tǒng)化學(xué)軟化處理系統(tǒng)所產(chǎn)生的化學(xué)沉淀污泥，以1∶1的比例混合后，靜置6 h 后，去除上清液，備用?；旌衔勰嗪搪蕿?4.5%～7.8%，pH 值為 8～9。

聚合氯化鋁：介于AlCl3和Al(OH)3之間的一種水溶性無機(jī)高分子聚合物，取質(zhì)量濃度為10%的工業(yè)級溶液。

實(shí)驗(yàn)酸：垃圾滲瀝液濃縮液制備的酸液，提取自上海市某滲瀝液處理廠膜濃縮液，pH 值為1～2。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室裝置：燒杯、電攪拌機(jī)、不銹鋼壓濾機(jī)、含水率測量儀。10 t/d 污泥深度脫水處理中試系統(tǒng)設(shè)備如表1 所示。

表1 中試系統(tǒng)設(shè)備

1.3 垃圾滲瀝液濃縮液酸制備

垃圾滲瀝液濃縮液制酸基本工藝如圖1 所示。

圖1 垃圾滲瀝液濃縮液制酸工藝

濃縮液通過分子選擇膜與電力驅(qū)動(dòng)膜兩道膜后，濃鹽水采用電位差定向遷移作用，實(shí)現(xiàn)離子分離和水的解離，從而實(shí)現(xiàn)由鹽向酸、堿的轉(zhuǎn)變。電位雙極的膜在外加反向直流電場作用下，H2O 分子在催化劑作用下解離成H+和OH-，并分別通過陽層和陰層向膜兩側(cè)的主體溶液遷移，實(shí)現(xiàn)水解離的發(fā)生。

1.4 污泥調(diào)理

1.4.1 小試實(shí)驗(yàn)

設(shè)置酸化時(shí)間為2 d，聚合氯化鋁投加量為干基質(zhì)量的5%。酸液投加量以污泥的干基為基準(zhǔn)，設(shè)置10%、20%、30%、40%、50%共 5 個(gè)梯度。

實(shí)驗(yàn)步驟：1）取等量混合污泥濃縮液各500 mL，pH 值為8，含固率為6.5%；2）分別向樣品 1 到樣品5 中投加干基的 10%、20%、30%、40%、50%的酸液，攪拌均勻后，測定pH 值，靜置2 d，以樣品6 作為空白對照，不添加酸液；3）向酸化處理過的泥漿投加干基5%的聚合氯化鋁，攪拌5 min；4）將前步驟中的調(diào)理泥漿泵入到不銹鋼壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾，保壓時(shí)間為30 min。測定壓濾后泥餅的含水率。

1.4.2 中試試驗(yàn)

設(shè)置酸化時(shí)間為2 d，聚合氯化鋁投加量為干基的5%。酸液投加量以污泥的干基為基準(zhǔn)，設(shè)置小試實(shí)驗(yàn)最優(yōu)的投加量，重復(fù)5 組。

試驗(yàn)步驟：1）取生化污泥與化學(xué)污泥1∶1 混合后置于污泥儲(chǔ)罐1，靜置1 d 后，測污泥含固率，適當(dāng)去除上清液，以控制含固率在6%左右，測定pH 值在8～9；2）向污泥儲(chǔ)罐1 中加入最優(yōu)設(shè)計(jì)量的酸液并攪拌均勻，測定pH 后靜置2 d；3）用泵抽取一定量的泥漿送入儲(chǔ)罐2，并向其中加入干基5%的聚合氯化鋁，攪拌20 min；4）利用泵將前步驟的污泥送入高壓壓濾機(jī)脫水，保壓時(shí)間為60 min，對壓濾后的泥餅測定含水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 小試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 小試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出不同濃縮液酸添加量對污泥含水率影響的變化關(guān)系：隨著濃縮液酸含量的增加，溶液pH 值由弱堿性轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?，污泥的含水率也呈逐漸下降的趨勢，說明垃圾滲瀝液濃縮液制備的酸液可用于污泥調(diào)理，見圖2。

圖2 酸液投加量與脫水后泥餅pH 值和含水率的關(guān)系

酸處理主要是通過創(chuàng)造酸性環(huán)境讓活性污泥中胞外聚合物水解，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。當(dāng)溶液pH 值較高時(shí)，膠體顆粒間的排斥力增強(qiáng)，污泥脫水性能較差。反之，當(dāng)溶液pH 值較低時(shí)，H+的濃度較高，污泥膠體顆粒的擴(kuò)散層厚度被壓縮，膠體電位降低；同時(shí)，一部分間隙水也能得到釋放，從而提高污泥的脫水程度，反應(yīng)時(shí)間較短。李超等研究表明，溶液pH 值在5～10 時(shí)，膠體顆粒表面電荷變化較小，因此斥力變化不大，脫水性能較為穩(wěn)定[2]。故在酸液投加量達(dá)到30%之前，污泥pH 值變化小，泥餅含水率變化趨勢?。灰虼?，濃縮液酸的投加量應(yīng)大于30%，在投加量在40%～50%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖2 所示的變化坡度，實(shí)現(xiàn)酸調(diào)理的效果。

此外，聚合氯化鋁混凝劑對水中膠體和顆粒物具有高度電中和及橋聯(lián)作用，可去除微有毒物及重金屬離子，主要適用于 pH 值在 5.0～9.0 的原水。其作用效能與液體的堿化度相關(guān)，堿化度太高或太低，其膠結(jié)強(qiáng)度均不好，一般要求液體堿化度在46%～72%，對應(yīng)的pH 值約在3.4～3.9。由圖2 可以看出，取投加量30%的濃縮液酸時(shí)，pH 值為3.9。

綜上，配比5%聚合氯化鋁與30%濃縮液酸作為調(diào)理劑，是理論上可行的最優(yōu)投加量。但實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此時(shí)，脫水泥餅含水率為63%，雖然效果明顯，但距離含水率60%的要求仍有一定差距，需要擴(kuò)大試驗(yàn)考察范圍及重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)，確認(rèn)其具體性能。

2.2 中試試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證酸化減量處理的可行性，設(shè)計(jì)搭建1 條處理規(guī)模為10 t/d 的污泥深度脫水處理中試系統(tǒng)，以上一節(jié)中樣品3 的投加量（聚合氯化鋁5%和酸液30%）作為中試試驗(yàn)設(shè)定條件。

5 次中試試驗(yàn)后，有2 組試驗(yàn)因過程中發(fā)生系統(tǒng)設(shè)備故障，得到有效數(shù)據(jù)3 組，如表3 所示。在與小試實(shí)驗(yàn)樣品3 條件相同的情況下，泥餅含水率小于小試值，且都滿足泥餅含水率小于60%的末端處置要求，優(yōu)于小試實(shí)驗(yàn)的效果。這是由于在中試試驗(yàn)中使用的高壓壓濾機(jī)的壓濾壓力大于小試實(shí)驗(yàn)用的不銹鋼壓濾機(jī)，保壓時(shí)間長，且存在二次壓濾過程。

表3 濃縮液酸調(diào)理污泥中試情況

張誼彬等研究污泥化學(xué)調(diào)理中混凝劑對污泥脫水性能的影響，當(dāng)混凝劑投藥量為污泥干基質(zhì)量的27 %，污泥脫水效果最好；也有研究通過滲透劑與聚醚胺的組合藥劑實(shí)現(xiàn)機(jī)械脫水前的調(diào)理，組合試劑的用量為干污泥（質(zhì)量）的50%。這類化學(xué)調(diào)理過程需要耗費(fèi)大量的化學(xué)合成試劑，成本較高。本文所研究的垃圾滲瀝液濃縮液經(jīng)過兩道膜處理后制備的酸，可應(yīng)用于污泥酸化調(diào)理，且上述研究表明，最優(yōu)濃縮液酸投加量僅為干污泥（質(zhì)量）的30%，與其他調(diào)理方法相比，擴(kuò)容體積較低或持平；且其屬于污染物的資源化產(chǎn)物，達(dá)到了濃縮液與污泥兩廢共治、廢物利用的目的，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。但目前的試驗(yàn)設(shè)計(jì)尚有一定的局限性，且重復(fù)次數(shù)少，有效性無法擔(dān)保，在實(shí)際應(yīng)用中，工藝過程的投加量、絮凝劑的配合量及具體條件設(shè)定和參數(shù)選定都需要更強(qiáng)的針對性。

3 結(jié)論

綜上所述，垃圾滲瀝液處理過程中所產(chǎn)生的生化污泥與化學(xué)沉淀污泥，可通過投加酸液的化學(xué)調(diào)理方式，改變污泥性質(zhì)、提高脫水性能。將滲瀝液濃縮液制酸替代傳統(tǒng)酸液調(diào)理劑，不僅能起到酸調(diào)理污泥的作用，還能達(dá)到兩廢共治、廢物利用的目的。試驗(yàn)證明，投加占污泥干基（質(zhì)量）5%的聚合氯化鋁與30%的濃縮液酸為較優(yōu)的投加條件，在中試中能實(shí)現(xiàn)污泥脫水性能的提升，且滿足泥餅含水率小于60%的處置要求。但在投入應(yīng)用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化前，仍需繼續(xù)以酸化調(diào)理后的pH 值、 酸化時(shí)間和聚合氯化鋁投加量等數(shù)值作為可變量進(jìn)行交叉對比，獲取垃圾滲瀝液污泥酸化調(diào)理的最優(yōu)條件。