典型吸附劑對污泥脫水性能的影響研究

楊亞紅,林秀鋒,王 惠,馬 江,汪 萱

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州興蓉環(huán)境發(fā)展有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730070)

隨著城市人口增多,污水廠規(guī)模也越來越大,污泥產(chǎn)量逐年遞增[1]。國務(wù)院令第641號《城鎮(zhèn)排水與污水處理條例》中提到了污泥處理處置的問題,國家和政府鼓勵污泥的資源化,但污泥的高含水率卻是污泥無害化和再利用必須要面對的問題,高含水率使污泥運輸成本和處置成本都居高不下,所以探究降低污泥含水率和提高污泥脫水性能變得尤為重要[2]。

污泥難以脫水的主要原因是部分水與污泥顆粒結(jié)合緊密或者被污泥團包裹難以去除,因此改變污泥基團結(jié)構(gòu)和性能顯得尤為重要[3]。調(diào)理劑被廣泛用于調(diào)節(jié)污泥性能,其中常見的化學(xué)調(diào)理劑有無機絮凝劑、表面活性劑以及以聚丙烯酰胺為代表的高分子助凝劑。部分藥劑通過改變污泥顆粒結(jié)構(gòu)和狀態(tài)來達到效果,如聚丙烯酰胺(PAM,polyacrylamide)[4];部分藥劑通過形成通道來達到脫水效果,如沸石[5];同時還發(fā)現(xiàn)活性炭以及改性活性炭也可提高污泥脫水性能[6]。PAM、沸石、活性炭都是典型的吸附劑,探究不同化學(xué)調(diào)理劑對污泥脫水性能影響的研究很多,探究吸附作用對污泥脫水性能改變的研究亦有[7],但是系統(tǒng)性地對比各種吸附劑卻鮮有研究。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

(1) 污泥 實驗污泥來自蘭州市某污水處理廠回流污泥,該廠處理規(guī)模為20萬m3/d,采用A2O(anaerobic-anoxic-oxic)處理工藝。污泥取回后,立即放入4 ℃環(huán)境冷藏保存,且只能保存使用3 d[8],故結(jié)合實驗周期,將樣品分為3批取樣并保存,污泥基本參數(shù)見表1。

表1 污泥基本參數(shù)Table 1 Basic properties of sludge

(2) 調(diào)理劑 實驗采用調(diào)理劑為常見且典型的吸附劑,見表2。

表2 吸附劑樣品參數(shù)Table 2 Sample parameters of adsorbent

1.2 實驗方法

(1) 污泥調(diào)理方法 取500 mL污泥于燒杯中,分批加入一定量的吸附劑處理。吸附劑處理污泥方案見表3,所有實驗均重復(fù)3次取均值。加入吸附劑后,先在200 r/min轉(zhuǎn)速下快速攪拌30 s,然后在80 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌15 min,充分混合之后,測試相關(guān)參數(shù)。硅膠和PAM單獨調(diào)理采用第1批污泥,沸石、中性氧化鋁、活性炭單獨調(diào)理采用第2批污泥,最優(yōu)吸附劑對比實驗采用第3批污泥。

表3 污泥調(diào)理方案Table 3 Sludge conditioning schemes

(2) 測定指標(biāo) ① 污泥毛細(xì)吸水時間(CST,capillary suction time):CST采用DP139530型號測定儀(北京亞歐德鵬科技有限公司)配合原裝濾紙進行測試。

② 污泥比阻(SRF,specific resistance to filtration):SRF采用型號為PJK02(上海江科實驗設(shè)備有限公司)的污泥比阻實驗裝置進行測試。測試結(jié)束后,采用以下公式[9]進行計算:

其中:SRF為污泥比阻(m/kg);P為過濾壓力(kg/m2);A為過濾面積(m2);b為斜率,由實驗求得,為污泥過濾時間和濾液體積比值(t/V)與濾液體積(V)之間的斜率;C為濾過單位體積的濾液在過濾介質(zhì)上的截留干固體含量(kg/m3);μ為濾液的動力粘度(kg·s/m2)。

③ CST下降率:為了更直觀地反映處理效果,引入下降率的概念,CST下降率定義為

其中:CST0為原泥3次CST測定實驗的平均值,CST1為該種調(diào)理劑最優(yōu)投加量下3次實驗CST參數(shù)的平均值。

④ SRF下降率[10]:

其中:SRF0為原泥3次SRF測定實驗的平均值,SRF1為該種調(diào)理劑最優(yōu)投加量下3次實驗SRF參數(shù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同吸附劑調(diào)理效果及最佳劑量分析

CST和SRF均表現(xiàn)污泥的脫水難易程度,值越小說明脫水性能越佳,故每組吸附劑調(diào)理污泥后CST和SRF參數(shù)的最低點對應(yīng)的投加量便是最佳投加量[11-13]。

污泥按照表3所列方案調(diào)理后,相關(guān)參數(shù)檢測結(jié)果如圖1所示。由圖1(a)觀察易得硅膠在投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時達到最佳,兩項指標(biāo)都達到最低值;CST由原泥的55.47 s下降到31.37 s,SRF由原泥的3.07×1013m/kg下降到2.55×1013m/kg。由圖1(b)發(fā)現(xiàn)PAM最佳投加量為20 mg/L,CST由原泥的54.13 s下降到40.87 s,SRF由原泥的3.15×1013m/kg下降到2.76×1013m/kg。圖1(c)表明沸石的最佳投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,CST由原泥的71.50 s下降到62.87 s,SRF由原泥的2.18×1013m/kg下降到1.95×1013m/kg。圖1(d)顯示中性氧化鋁的最佳投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%,CST由原泥的82.93 s下降到71.55 s,SRF由原泥的2.96×1013m/kg下降到2.61×1013m/kg。圖1(e)表明活性炭的最佳投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,CST由原泥的90.83 s下降到78.20 s,SRF由原泥的2.88×1013m/kg下降到2.65×1013m/kg。對比發(fā)現(xiàn)除了硅膠組兩項指標(biāo)持續(xù)性下降,在0.5%處達到最低,其余4個實驗組均出現(xiàn)先下降后上升的態(tài)勢,均出現(xiàn)效果最優(yōu)點。

圖1 投加量對脫水性能的影響Fig.1 Influence of dosage on sludge dewatering performance

從數(shù)據(jù)上可以看出,選用的典型吸附劑均在一定程度上提高了污泥的脫水性能。當(dāng)濃度適合時,污泥脫水性能隨著添加量增大而提高,但過量添加之后,卻使得污泥脫水性能變差,甚至變得比原泥脫水性能更差。

通過分析污泥脫水性能的變化,發(fā)現(xiàn)吸附劑的作用原理與混凝作用類似,其對污泥顆粒有吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃和電性中和的作用。添加的硅膠、沸石等顆粒,由于其吸附性能破壞了污泥顆粒之間的靜電斥力,壓縮了雙電層,破壞部分污泥膠體穩(wěn)定性,從而提高了污泥的絮凝效果。同時,吸附劑的吸附能力又使得污泥顆粒可以吸附在其周圍形成大顆粒,部分還會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),比如PAM,沉降過程中產(chǎn)生網(wǎng)捕卷掃的效果,從而提高沉降性和脫水性能[14]。

污泥中的水分可分為自由水和非自由水,其中自由水占比最高達70%左右,同時也是最好去除的水;非自由水包括毛細(xì)水、吸附水、內(nèi)部水,分別占比約20%、7%、3%,這3種水去除難度也是依次遞增的[15-16]。由于選用的物質(zhì)具有大量的孔結(jié)構(gòu)等不飽和結(jié)構(gòu)或者大的比表面積,其吸附作用便尤為明顯,推測其作用原理如下,原污泥顆粒外充滿了吸附水,且污泥顆粒之間彼此保持穩(wěn)定,加入吸附劑之后,吸附劑具有很強的吸附作用,該作用使一部分吸附水脫落,并且將各污泥顆粒吸附粘結(jié)在一起,形成大的污泥顆粒,從而減少了吸附水的吸附位點,使其成為自由水更容易被去除。同時小污泥顆粒因為形成大顆粒,從而具有更好的沉降性,可進一步減少毛細(xì)水和吸附水的形成。

此外,也有部分文獻指出,污泥的脫水性能與污泥胞外聚合物的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān),所以吸附劑造成的污泥性能改變也與胞外聚合物有關(guān)[17]。

2.2 吸附劑效果對比分析及最優(yōu)吸附劑篩選

(1) 脫水效果分析 將5種吸附劑在單獨調(diào)理中所得的最佳劑量參數(shù)篩選出來并使用同一批污泥做對比實驗,實驗結(jié)果如圖2所示。5種吸附劑均對促進污泥脫水有正面作用,最適投加比例情況下,硅膠將污泥的CST和SRF分別從67.40 s和4.86×1013m/kg降低到56.37 s和3.60×1013m/kg;PAM將原泥參數(shù)降低到59.06 s和3.77×1013m/kg;沸石將其降低到54.21 s和3.46×1013m/kg;中性氧化鋁將其降低到60.15 s和3.84×1013m/kg;活性炭將其降低到58.56 s和3.74×1013m/kg。不難發(fā)現(xiàn),不管是從CST方面來看,還是從SRF方面來看,表現(xiàn)最好的均是沸石,其次是硅膠,而表現(xiàn)最差則是中性氧化鋁。

圖2 吸附劑效果對比Fig.2 Comparison of adsorbent effects

沸石表現(xiàn)最優(yōu),其原因是沸石還起到了骨架構(gòu)建體的作用。沸石的孔隙結(jié)構(gòu)和其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及良好的機械性能使其具有了骨架構(gòu)建體的作用[18]。沸石可以利用自身的多孔結(jié)構(gòu),形成穩(wěn)定牢固的晶格結(jié)構(gòu),從而保證脫水的通透性,提高脫水效果[19]。

在沒有骨架構(gòu)建體時,污泥壓縮性能明顯,壓縮的過程堵塞了污泥脫水的路徑,骨架構(gòu)建體可在污泥中形成穩(wěn)定且堅固的骨架網(wǎng)格,降低了污泥的壓縮性,留出了脫水的水分通道,從而提高了脫水性能[20-21]。

(2) 經(jīng)濟性分析 通過實驗所得最佳投加量計算調(diào)理每千克原污泥所需要的吸附劑質(zhì)量,結(jié)合吸附劑價格計算出調(diào)理每千克污泥所需的價格,然后,用此價格結(jié)合該藥劑的CST下降率和SRF下降率,分別計算得單位去除效果(100%)的價格成本,計算結(jié)果如表4所列。計算結(jié)果表明沸石為經(jīng)濟性最高的吸附調(diào)理劑,CST和SRF的單位去除效果只需0.17元和0.11元。

表4 經(jīng)濟成本分析Table 4 Economic cost analysis

3 結(jié)論

(1) 通過CST、SRF參數(shù)檢測可得出吸附劑能在一定程度上改善污泥的脫水性能,各種吸附劑的最佳調(diào)理參數(shù)分別是:硅膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%;PAM質(zhì)量濃度為20 mg/L;沸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%;中性氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%;活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%。

(2) 從處理效果和經(jīng)濟性兩方面分析均發(fā)現(xiàn)沸石為最優(yōu)吸附調(diào)理劑。

污泥脫水一直是困擾污泥處理處置行業(yè)的一個難題,市政環(huán)保行業(yè)中“重水輕泥”現(xiàn)象也依然存在,此研究能在污泥資源化、減量化方面產(chǎn)生一些積極價值,為污泥脫水研究提供一定的參考。