玉米秸秆生物炭改善污泥脱水性能

郭俊元,文小英,羊润锦,林 越,赖雨隆,周育玉,杨 红

玉米秸秆生物炭改善污泥脱水性能

郭俊元*,文小英,羊润锦,林 越,赖雨隆,周育玉,杨 红

(成都信息工程大学资源环境学院,四川 成都 610225)

本实验以玉米秸秆为原料,制备了生物炭和AlCl3改性生物炭,研究了2种生物炭分别调理污泥后的脱水效果,并探讨了污泥脱水性能的改善机理.结果表明,经过2种生物炭调理后,污泥比阻(SRF)、泥饼含水率(MC)、污泥沉降体积指数(SV30)、毛细抽吸时间(CST)均下降,污泥净产率(N)升高,说明污泥脱水性能得到了改善,且AlCl3改性生物炭对污泥脱水性能的改善效果明显优于生物炭.当AlCl3(溶液浓度3mol/L)改性生物炭的用量为3g/L时,调理后的污泥SRF,MC,SV30,CST分别降低至1.3×1012m/kg,81.9%,78.6%,35s,N增加至17.8kg/(m2·h).分析原因:一方面,经过生物炭调理后,泥饼中会形成一定的骨架结构,使得污泥中的水和EPS能够更容易地释放;另一方面,经过AlCl3改性后,改性生物炭携带的正电荷(Al3+)能够与污泥颗粒所带的负电荷发生电中和作用,使得污泥颗粒更容易聚集,从而提高污泥的脱水效果.

AlCl3；玉米秸秆；生物炭；污泥脱水

城市污水处理厂剩余活性污泥含水率高达98%以上,在采用卫生填埋、污泥焚烧、污泥堆肥、污泥消化处理前,含水率必须降低至60%以下[1-3].目前,我国污泥的脱水技术主要有离心脱水、带式脱水和板框压滤脱水等,在脱水之前,常投加FeCl3、Al2(SO4)3、PAC、CPAM等化学药剂调理污泥,以提高污泥的脱水性能,但长期使用化学药剂会导致污泥中重金属富集等二次环境污染[4-5].研究表明,无机或有机骨架颗粒能够降低污泥饼的可压缩性,从而在污泥脱水过程中,保持泥饼的通透性和多孔性,有利于水和污泥EPS的释放,提高污泥的脱水效果[6-8].因此,开发安全,高效,绿色环保和廉价的骨架颗粒是我国环境工程领域污泥减量化和资源化研究的热点.我国每年农作物秸秆产量高达0.5~0.8Gt,约占世界秸秆总量的30%,其中大部分直接燃烧,导致严重的环境污染.农作物秸秆材料和粉煤灰、褐煤等骨架颗粒类似,具有良好的多孔性,同时秸秆中还含有大量的硅元素,使其结构坚硬,因此,农作物秸秆材料具有作为骨架颗粒调理污泥脱水的潜能[9].

本实验创造性地以玉米秸秆为原料制备了生物炭和AlCl3改性生物炭,用以改善城市污水处理厂污泥的脱水性能.通过污泥比阻(SRF)、泥饼含水率(MC)、污泥沉降比(SV30)、毛细吸水时间(CST)和污泥净产率(N)等表征污泥脱水性能,通过生物炭调理污泥前后污泥Zeta电位和压缩系数的变化说明AlCl3改性生物炭改善污泥脱水性能的原理.

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验污泥 实验污泥取自四川省航空港污水处理厂二沉池,污泥特征如表1所示.

表1 污泥特征

1.1.2 实验药品和玉米秸秆 AlCl3,HCl(分析纯,成都市科龙化工试剂厂),AlCl3配置为1、2、3、4、5mol/L的溶液,HCl配置为1mol/L的溶液;玉米秸秆取自四川省三台县近郊.

1.1.3 实验仪器 电子天平(SQP型,北京赛多利斯科学仪器有限公司),低速离心机(TDL-5-A型,上海安亭科学仪器厂),污泥真空脱水泵(上海安亭科学仪器厂),污泥毛细吸水时间测试仪(TR04-304M型,麦科仪(北京)科技有限公司),纳米粒度Zeta电位分析仪(NanoPlus,麦克默瑞提克(上海)仪器有限公司).

1.2 实验方法

1.2.1 玉米秸秆生物炭的制备 将玉米秸秆剪碎,置于一定容积的坩埚中,塞满压实填平,盖上盖子,放入马弗炉中,先向马弗炉中通入10min氮气以排除空气,马弗炉排气口接一根管子放入碱性液体中,以形成液封.在500℃条件下进行热解处理2h.热解结束后取出,自然冷却,研磨过筛,得到粒径大小为200μm的生物炭.

1.2.2 AlCl3改性生物炭的制备 将上述玉米秸秆生物炭以1:5(g:mL)的比例浸泡于1mol/L的HCl溶液中12h,之后在3000r/min条件下离心10min,收集沉淀物,用去离子水洗涤至洗涤液pH=7,自然晾干;将晾干的生物炭以1:5(g:mL)的比例浸泡于AlCl3溶液中,浸泡12h后,在3000r/min条件下离心10min,收集沉淀物,自然晾干,研磨过筛,得到AlCl3改性生物炭.

1.2.3 污泥脱水实验 将玉米秸秆生物炭和AlCl3改性生物炭分别加入体积为100mL污泥样品中,在200r/min条件下搅拌10min,测定污泥SRF,MC, SV30,CST和N,评价污泥脱水性能.测定玉米秸秆生物炭和AlCl3改性生物炭调理后污泥的EPS含量、Zeta电位和压缩性系数,阐明其改善污泥脱水性能的原理.

1.2.4 分析方法 污泥SV30和MC的测定参照文献[10];污泥SRF的测定参照Guo等[11]的方法;污泥N的测定参照Rebhun等[12]的方法;污泥EPS的提取和测定参照文献[13-14];污泥压缩性系数的测定参照Guo等[15]的方法;污泥CST采用污泥毛细吸水时间测试仪测定;污泥Zeta电位采用纳米粒度Zeta电位分析仪测定.本文涉及的实验数据均是3次平行实验数据的平均值.

2 结果与讨论

2.1 不同污泥调理剂对污泥脱水性能的影响

I-V分别为1、2、3、4、5mol/L AlCl3改性生物炭

基于Xia等[16]的研究,评价单独使用AlCl3对污泥脱水性能的影响,以佐证其用来改性玉米秸秆生物炭的可行性,结果如图1a所示.经过AlCl3单独调理后,污泥SRF降低,说明污泥脱水能力得到了提高,这是由于Al3+和带负电荷污泥颗粒之间发生了电中和作用,降低了污泥颗粒间的静电斥力,污泥颗粒更容易聚集的缘故[17].特别地,当AlCl3投加量为6g/L时,污泥SRF降到最低值,为5.4×1012m/kg.

由图1b可知,经过未改性的玉米秸秆生物炭和AlCl3改性生物炭调理后,污泥比阻出现了不同程度的降低,说明污泥脱水能力得到了提高.当玉米秸秆投加量为6g/L时,调理后SRF降低至6.8×1012m/kg,经过等量的1,2,3,4,5mol/L AlCl3改性生物炭处理后, SRF分别降低至5.6×1012、4.2×1012、1.3×1012、2.1×1012和2.9×1012m/kg.由此可知,不同浓度AlCl3改性生物炭对污泥脱水能力的提高幅度均远优于未改性的玉米秸秆生物炭和单独使用AlCl3,其中3mol/L AlCl3改性生物炭对污泥脱水性能的改善效果最佳.

2.2 AlCl3改性生物炭的理化特性

由表2可知,无论是否经过1mol/L的HCl溶液浸泡,在生物炭表面上, Al含量都非常低,而经过3mol/L AlCl3改性的生物炭,Al含量则明显增加,大约为23.2%,说明经过3mol/L AlCl3改性后,生物炭表面成功地覆盖了Al种,由此通过电中和作用可以有效地提高污泥的脱水性能.此外,经过1mol/L HCl溶液浸泡和3mol/L AlCl3改性后,生物炭比表面积显著增加,有利于污泥颗粒与生物炭的接触和附着,更有利于电中和作用和污泥脱水的发生[18].

表2 AlCl3(3mol/L)改性生物炭的理化特性

如图2所示,玉米秸秆生物炭表面上有一些微小颗粒,经过1mol/L HCl溶液浸泡后,这些颗粒消失了.再经过3mol/L AlCl3改性后,玉米秸秆生物炭表面又出现了很多颗粒物.分析认为,玉米秸秆生物炭表面上本来存在的微小颗粒可能是一些无机物碎片,可以通过HCl溶液清除,而最后出现的包裹在AlCl3改性生物炭表面的颗粒可能是Al物质,在玉米秸秆生物炭改性后,覆盖在其表面上[19].

2.3 AlCl3改性生物炭对污泥脱水性能的影响

从实际工程角度看,为降低成本,污泥脱水过程中往往不调节pH值.因此,本文在不调节污泥pH值的情况下,研究了玉米秸秆生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭对污泥脱水性能的改善,结果如图3所示. 随着玉米秸秆生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭用量的增加,污泥SRF、MC、SV30和CST均降低,N增加,说明污泥脱水性能得到了改善[20].当3mol/L AlCl3改性生物炭用量为3g/L时,污泥SRF、MC、SV30和CST分别降低至最小值1.3×1012m/kg、81.9%、78.6%、35s,N增加至最大值17.8kg/(m2·h),此时污泥的脱水能力提高至最大.当未改性的玉米秸秆生物炭用量同样为3g/L时,污泥SRF、MC、SV30和CST分别降低至7.4×1012m/kg、93.8%、91.7%、79s,N增加至最大值2.2kg/(m2·h).上述结果充分说明3mol/L AlCl3改性生物炭对污泥脱水能力的改善效果远远高于未改性的玉米秸秆生物炭.Wu等[6]采用FeCl3改性的稻壳生物炭调理污泥后,获得了类似的污泥脱水性能,但生物炭的用量高达0.6g(生物炭)/g(干固体),这是制备生物炭的原料和热解温度不同所导致的.

2.4 AlCl3改性生物炭改善污泥脱水性能的机理

2.4.1 污泥Zeta电位 通常情况下,由于城市污水处理厂污泥颗粒的电负性较强,使得污泥颗粒间的静电斥力较大,不易聚集,因此污泥的沉降性能和脱水性能较差[15].本实验中,原污泥Zeta电位值为-12.2mV,经过玉米秸秆生物炭或3mol/L AlCl3改性生物炭调理后,污泥Zeta电位值增大,根据DLVO理论,Zeta电位增加,使污泥颗粒与水之间的极性作用减弱,进而使得污泥颗粒内结合水更多的向自由水转化,有利于污泥颗粒与水分离,从而提高污泥脱水性能[21].由图4可知,污泥Zeta电位随着玉米秸秆生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭用量的增加而增加,这是由于生物炭对稳定污泥胶体系统的破坏,提高了污泥的脱水能力[7,20].在相同用量条件下,3mol/L AlCl3改性生物炭对污泥Zeta电位的增加幅度更大,说明改性生物炭的使用更有利于提高污泥脱水能力,例如:当3mol/L AlCl3改性生物炭用量为3g/L时,污泥Zeta电位由-12.2mV增加至-1.5mV,而当未改性玉米秸秆生物炭用量为3g/L时,污泥Zeta电位由-12.1mV增加至-9.3mV,这是因为3mol/L AlCl3改性生物炭表面负载的Al种,更有利于和带负电荷的污泥颗粒发生电中和作用,从而提高污泥脱水能力[15,19].

图4 2种不同生物炭调理污泥过程中污泥Zeta电位的变化

2.4.2 污泥EPS中蛋白质和多糖含量的变化 污泥EPS的释放有利于污泥脱水,污泥EPS的主要成分是糖和蛋白质[22].如图5所示,原污泥中含有182μg/gVSS蛋白质和83μg/gVSS多糖,其中85μg/gVSS蛋白质和38μg/gVSS多糖在溶解性EPS(S-EPS)中,71μg/gVSS蛋白质和29μg/gVSS多糖在紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)中,其余在松散附着型EPS(LB-EPS)中.经过玉米秸秆生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭调理后,污泥中蛋白质和糖含量均呈现下降趋势,当3mol/L AlCl3改性生物炭的用量为3g/L时,S-EPS和TB-EPS中的蛋白质迅速下降至24和25μg/gVSS,多糖则分别略下降至29和26μg/gVSS.作为对照,当未改性的玉米秸秆生物炭的用量为3g/L时,S-EPS和TB-EPS中的蛋白质迅速下降到48和52μg/gVSS,多糖则分别略下降至32和28μg/gVSS.污泥中蛋白质和糖含量的降低有利于污泥脱水,蛋白质下降幅度更大,说明蛋白质对污泥脱水的影响更大[23].Liu等[24]报道了相似的研究结论.

2.4.3 泥饼的微观结构和压缩系数 由图6可以看出,原污泥饼结构致密,多孔性不强,阻碍了大部分的水从泥饼中脱出,污泥的脱水能力较差.经过玉米秸秆生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭调理后,泥饼剖面出现比较明显的大孔,尤其是3mol/L AlCl3改性生物炭作为骨架颗粒调理污泥时,在生物炭的周围会出现比较大的裂缝,说明玉米秸秆生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭在泥饼中起到骨架支撑作用,能有效改善泥饼微观结构,提高泥饼的渗透性,有效促进污泥中水分的脱出,从而提高污泥的脱水能力[19].

图5 2种不同生物炭调理污泥后污泥中蛋白质和糖含量的变化

如图7所示,原泥饼的压缩性系数为2.05,经过玉米秸秆生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭调理后,泥饼的压缩系数分别降至1.14和0.59.污泥饼可压缩系数越低,表示污泥饼越能保持其渗透性,能有效防止污泥饼在抽滤压力下变形,有利于污泥中水分的脱出,从而提高污泥的脱水能力[20].

图7 2种不同生物炭调理后泥饼的压缩系数

3 结论

3.1 以玉米秸秆为原料,在无氧条件下焙烧制备得到生物炭,采用3mol/L AlCl3溶液对玉米秸秆生物炭进行改性处理,获得一种能够有效改善污泥脱水性能的生物炭骨架颗粒.

3.2 经过3mol/L AlCl3改性生物炭调理后,污泥的SRF、MC、SV30、CST均大幅降低,尤其当3mol/L AlCl3改性生物炭用量为3g/L时, SRF、MC、SV30、CST分别降低至1.3×1012m/kg、81.9%、78.6%、35s,N增加至17.8kg/(m2·h),说明污泥脱水性能得到了显著改善.

3.3 AlCl3改性生物炭通过在泥饼中会形成骨架结构释放污泥中水和EPS、增加生物炭比表面积促进污泥颗粒的聚集、以及生物炭携带的正电荷能够与污泥颗粒所带的负电荷发生电中和作用等,从而提高污泥的脱水效果.

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Preparation of corn stalks biochar and improvement of dewatering performance of sludge.

GUO Jun-yuan*, WEN Xiao-ying, YANG Run-jin, LIN Yue, LAI Yu-long, ZHOU Yu-yu, YANG Hong

(College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)., 2019,39(8)：3316~3322

Biochar and AlCl3-modified biochar were prepared by using corn stalks as materials to enhance the dewatering of the sludge. The performances of these two biochar for the enhancement of the dewatering of the sludge and possible enhancing mechanisms were discussed. Results showed that SRF, MC, SV30and CST of the sludge were decreased andNwas increased after conditioned by the two biochar, indicating higher sludge dewaterability. Furthermore, dewatering of the sludge conditioned by the AlCl3-modified biochar was significantly better than that conditioned by the biochar that without modification. Especially, when the dosage of the biochar modified by 3mol/L of AlCl3solution was adjusted to 3g/L, SRF, MC, SV30and CST were decreased to 1.3×1012m/kg, 81.9%, 78.6% and 35s, respectively,Nwas increased to 17.8kg/(m2·h). For the enhancing mechanism, on the one hand, after conditioned by the biochar, certain skeleton structures were formed in sludge cake to make water cut across easily by decreasing the sludge EPS; on the other hand, charge neutralization occurred when the AlCl3-modified biochar (loaded with positively charged aluminum species on its surface) was dosed into the sludge system, thus destroying the stable sludge colloidal system, thus far easier to congregate the sludge particles, which enhanced the dewatering of the sludge.

aluminum chloride (AlCl3)；corn stalks；biochar；sludge dewatering

X703.1

A

1000-6923(2019)08-3316-07

郭俊元(1985-),男,山西繁峙人,副教授,博士,从事水污染控制工程与资源化研究.发表论文30余篇.

2019-01-28

国家自然科学基金资助项目(51508043)

* 责任作者, 副教授, gjy@cuit.edu.cn