无机复合调理剂对污泥脱水性能的影响*

刘 欢 李亚林 时亚飞 李 野 何 姝 杨家宽＊＊

(1.华中科技大学环境科学与工程学院，武汉，430074;2.宇星科技发展(深圳)有限公司，深圳，518057)

无机复合调理剂对污泥脱水性能的影响*

刘 欢1李亚林1时亚飞1李 野2何 姝2杨家宽1＊＊

(1.华中科技大学环境科学与工程学院，武汉，430074;2.宇星科技发展(深圳)有限公司，深圳，518057)

针对污泥的固化填埋或建材化利用等后续处置方式，采用FeCl3与生石灰、粉煤灰两种骨架构建体为主要成分的无机复合调理剂对市政污泥进行调理.通过污泥真空抽滤、离心脱水及比阻测定实验，分别确定FeCl3、生石灰、粉煤灰的优化投加量为 2.0 g·L－1、20.0 g·L－1、30.0 g·L－1.在优化投加量下，污泥比阻可降到0.27×109s2·g－1以下，降低率超过93%，脱水泥饼的含水率可降至73%左右，相应的脱水率为77%—79%.

污泥调理，无机复合调理剂，骨架构建体，脱水性能.

由于市政污泥有机物含量高，其脱水困难一直是影响污泥处理与处置的技术难题.国内外学者致力于开发和研究新型絮凝剂，但目前仍以有机高分子絮凝剂为主，脱水效果不理想.此外，若采用建材化利用或填埋等后续处置，使用无机调理剂则更为有利［1］.物理调理剂(physical conditioner)是一种常见的无机调理剂，加入到污泥中起到骨架构建体(skeleton builder)的作用，在污泥中形成坚硬网格骨架，即使在高压作用下仍然保持多孔结构，可以有效地解决污泥中有机质的可压缩性问题.国内外学者围绕骨架构建体在污泥脱水中的应用开展了广泛研究.Zhao［2］、Lee［3］、Benitez［4］分别采用石膏、食物残渣磨细粉、水泥尘及布袋收尘等提高污泥的脱水能力.杨斌［5］、师荣梅［6］等利用粉煤灰、石灰、锯末、硅藻土来改善污泥脱水性能.但是单独使用骨架构建体往往投加量太高，容易造成泥饼增容等问题.目前利用高价阳离子与骨架构建体复配，强化其调理效果的研究并不多见.

本文采用FeCl3与石灰、粉煤灰两种骨架构建体联合投加的方式，考察了对污泥比阻及泥饼含水率的实验效果，探讨了该无机复合调理剂对污泥脱水性能的影响.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用污泥取自武汉市龙王嘴污水处理厂初沉池和二沉池排出的混合污泥，基本特性见表1.

表1 污泥的基本特性Table 1 Basic properties of sludge

实验所用一级粉煤灰由平顶山姚孟电厂提供，其化学成分见表2.生石灰过0.5 mm标准方孔筛，有效氧化钙为60.0%.FeCl3(工业级)为河南佰利联化学有限公司生产.

表2 粉煤灰化学组成/(%)Table 2 Chemical composition of fly ash/(%)

1.2 实验方法

1.2.1 调理方法

在前期实验基础上，将调理方式确定为:加入 50.0 g·L－1FeCl3，快速(200 r·min－1)搅拌 15 s;接着投入粉煤灰，慢速(50 r·min－1)搅拌5 min;最后投加生石灰，继续慢速搅拌10 min.调理剂投加量范围变化由前期探索性实验确定，每项单因子实验得出的最优投加量将作为下一部实验的固定投加量，单组实验重复次数为8次，具体如表3所示.

表3 实验方案设计表Table 3 Table of experimental plan

1.2.2 污泥过滤性能表征

污泥过滤性能一般用比阻(specific resistance to filtration，简称SRF)表征，比阻越大，污泥脱水性能越差.一般认为比阻值低于0.4×109s2·g－1的污泥较易脱水［7］.本研究中比阻测定采用图1所示的自制装置［8］.比阻降低率计算公式为:

式中，SRFr为原污泥的比阻(s2·g－1)，SRFc为调理后污泥比阻测定结果的平均值(s2·g－1).

图1 多联式污泥比阻测定装置Fig.1 Multi-coupled measuring device of sludge SRF

1.2.3 污泥脱水性能表征

以真空抽滤及离心脱水后泥饼的含水率(按照城市污水处理厂污泥检验方法CJ/T 221—2005测定)、折算的脱水率为标准衡量调理后污泥的脱水性能.脱水率计算公式如下:

式中，Qr为原污泥中的总水量(g)，Qc为泥饼中残留的水量(g).

真空抽滤脱水实验采用上述比阻测定装置，通过调节转子流量计将压力保持在0.08 MPa，抽滤2 min后测定泥饼的含水率.离心脱水采用LD5-10型离心机，设定转速为4000 r·min－1，离心时间为20 min.

2 结果与讨论

2.1 投加量对污泥过滤性能的影响

实验分别考察了不同FeCl3、生石灰、粉煤灰投加量对污泥比阻的影响.

由于污泥胶体颗粒带有负电荷，FeCl3属于无机高价阳离子调理剂，起到电性中和作用.当生石灰及粉煤灰投加量分别固定为 15.0 g·L－1、30.0 g·L－1，FeCl3投加量对污泥比阻的影响如图2 所示，FeCl3投加量从0 g·L－1增加到2.0 g·L－1时，Fe3+电性中和作用增强，同时与生石灰产生较强的协同效应，污泥比阻呈现下降趋势并在2.0 g·L－1时达到最低值为0.195×109s2·g－1，比阻降低率达95.06%，当FeCl3投加量超过2.0 g·L－1，污泥比阻呈现回升趋势.

图2 FeCl3投加量对污泥比阻的影响Fig.2 Effect of FeCl3dosage on SRF

当 FeCl3及粉煤灰投加量分别固定为2.0 g·L－1、30.0 g·L－1，生石灰投加量对污泥比阻的影响如图3所示.生石灰投加量从0 g·L－1增加到20.0 g·L－1时，污泥比阻小幅度减少，比阻降低率仅上升3.79%，当生石灰投加量为20.0 g·L－1时，比阻达到最低值0.265×109s2·g－1，降低率为93.29%.这一结果与Tiller的新过滤理论一致［9］，随着生石灰投加量的增大，污泥浓度升高，大或稍大粒径的颗粒相对增多，颗粒架桥现象明显增大，细小颗粒进入过滤介质，堵塞孔隙的现象会减小，比阻随之逐渐降低.但投加量增大到一定程度时比阻值将不再下降.

图3 生石灰投加量对污泥比阻的影响Fig.3 Effect of lime dosage on SRF

当 FeCl3及生石灰投加量分别固定为 2.0 g·L－1时、20.0 g·L－1，图4 表明，粉煤灰投加量从 0 g·L－1增加到60.0 g·L－1时，污泥比阻变化不大，比阻降低率相差不足2%.

2.2 投加量对污泥脱水性能的影响

泥饼含水率是考察污泥脱水性能的首要指标，考虑到无机复合调理剂的加入会使污泥固含量在一定程度上增大，故将含水率折算成相应的脱水率进行比较.

图4 粉煤灰投加量对污泥比阻的影响Fig.4 Effect of fly ash dosage on SRF

由图5可见，当FeCl3投加量从0 g·L－1增加到2.0 g·L－1时，真空抽滤及离心脱水泥饼含水率呈现微弱的下降趋势.当投加量在2.0 g·L－1时，真空抽滤泥饼含水率达到最低值72.75%，脱水率为79.06%;离心脱水泥饼含水率达最低值73.05%，脱水率为77.03%.当投加量超过2.0 g·L－1时，泥饼含水率增大.这一变化趋势与污泥过滤性能变化趋势一致.

图5 FeCl3投加量对污泥脱水性能的影响(a)真空抽滤;(b)离心脱水Fig.5 Effect of FeCl3dosage on dewatering performance of sludge

与对过滤性能的影响相比，生石灰投加量的变化对脱水性能的影响更加明显，如图6所示.

图6 生石灰投加量对污泥脱水性能的影响(a)真空抽滤;(b)离心脱水Fig.6 Effect of lime dosage on dewatering performance of sludge

生石灰投加量从0 g·L－1增加到5.0 g·L－1时，两种方式下脱水泥饼的含水率均有所下降，但相应的脱水率却并未上升.这是因为含水率下降效果因调理剂投加量的差异而发生了“均化”.当生石灰投加量继续增大到20.0 g·L－1时，离心脱水泥饼含水率从生石灰投加量5.0 g·L－1时的83.79%下降至73.60%，脱水率从64.81%上升到76.71%.而真空抽率泥饼含水率则从83.63%下降至73.65%，脱水率由65.23%上升至76.65%.

由图7可以看出，当粉煤灰投加量为30.0 g·L－1时，经真空抽滤、离心脱水的污泥含水率分别为76.61%、76.10%.随着投加量增加，泥饼含水率增加不明显，但相应的脱水率则大幅度下降.

图7 粉煤灰投加量对污泥脱水性能的影响(a)真空抽滤;(b)离心脱水Fig.7 Effect of fly ash dosage on dewatering performance of sludge

在单因子实验中，FeCl3、生石灰以及粉煤灰的优化投加量分别为 2.0 g·L－1、20.0 g·L－1、30.0 g·L－1.当 FeCl3的投加量大于2.0 g·L－1，石灰与粉煤灰的投加量在设定范围内变化，污泥比阻均小于0.4×109s·2g－1，属于较易脱水的污泥.由于FeCl3与骨架构建体复配使用起到电性中和和吸附架桥的作用，破坏污泥胶体颗粒的稳定，使分散的小颗粒之间相互聚集形成大颗粒，而石灰、粉煤灰在泥饼中形成的坚硬网格骨架，保持了水分过滤通道，降低了污泥有机质的可压缩性［2，4，10，11］.另外，Fe3+/石灰的联合投加使絮体形成多孔结构［12］，增大了污泥的空隙度及降低污泥的粘度.因此，FeCl3、生石灰以及粉煤灰复配而成的无机复合调理剂能够有效地改善污泥的过滤性能及脱水性能.

3 结论

当生石灰、粉煤灰投加量分别为 15.0 g·L－1、30.0 g·L－1，FeCl3投加量超过 1.0 g·L－1时，调理后污泥易脱水(比阻小于0.4×109s2·g－1)，比阻降低率最高可达95.06%.当FeCl3的投加量大于2.0 g·L－1，生石灰与粉煤灰的投加量分别在 5.0 g·L－1—30.0 g·L－1、10.0 g·L－1—60.0 g·L－1内变化，调理污泥均较易脱水.

实验确定 FeCl3、生石灰、粉煤灰各自的优化投加量分别为 2.0 g·L－1、20.0 g·L－1、30.0 g·L－1，在优化投加量下，污泥比阻降低率达93%以上，脱水泥饼的含水率可降至73%左右.

无机复合调理剂中的生石灰、粉煤灰可在污泥固化填埋、建材化利用时提供一定的强度，因此，将无机复合调理剂的预处理技术与后续处置技术结合起来考虑，具有广泛的应用前景.

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INFLUENCE OF INORGANIC COMPOSITE CONDITIONER ON DEWATERING PERFORMANCE OF SEWAGE SLUDGE

LIU Huan1LI Yalin1SHI Yafei1LI Ye2HE Shu2YANG Jiakuan1
(1.School of Environmental Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，430074，China;2.Universtar Science and Technology(Shenzhen)Co.Ltd.，Shenzhen，518057，China)

FeCl3and two skeleton builders(lime and fly ash)were used as an inorganic composite conditioner to improve the dewatering performance of sewage sludge.The experimental results of vacuum filtration，centrifugal dewatering and tests of specific resistance to filtration(SRF)show that the optimum dosages of FeCl3，lime，and fly ash were 2.0 g·L－1，20.0 g·L－1，and 30.0 g·L－1，respectively.Under the optimum condition，SRF was reduced to below 0.27×109s2·g－1，and the reduction ratio of SRF reached over 93%.Moreover，the water content of dewatered sludge cake was about 73%with a dewatering efficiency of 77%—79%.

sludge conditioning， inorganic composite conditioner， skeleton builder， dewatering performance

2011年2月16日收稿.

*国家自然科学基金项目(51078162);教育部新世纪人才支持计划项目(NCET-09-0392);华中科技大学自主创新研究基金项目(2011TS123)资助.

＊＊通讯联系人，Tel:027-87792207;E-mail:jkyang@mail.hust.edu.cn