铁铝盐复合硅酸钾调理污泥脱水性能试验研究

刘康安，李运宝，杨凡，高俊发，张佳宝，韩双，秦晋一，马智群

(1.长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710054；2.深圳市深水水务咨询有限公司，广东 深圳 518003；3.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

污水处理厂剩余污泥脱水性能主要受污泥颗粒粒径分布、污泥胶体表面电荷及胞外聚合物EPS(extracellular polymeric substances) 的影响[1-3]。污泥调理方法主要有物理法、化学法、生物法[4]。传统的化学调理法常用絮凝剂使污泥颗粒絮凝，以改善其脱水性能[5-7]，或利用芬顿试剂、双氧水氧化等技术破坏污泥中的EPS[8-10]。近年来国内外也有很多利用复合药剂调理污泥的研究[11-12]，使污泥脱水性能得到了较大改善。

硅酸盐与铁盐或铝盐混合能形成聚硅酸铁(铝)盐絮凝剂，具有较好的絮凝效果[13]。本文研究了4种铁铝盐单独调理和分别与K2SiO3复合投加调理时对污泥脱水性能的影响，以及各调理方式对污泥粘度和沉降性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

FeCl3、AlCl3、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、K2SiO3均为分析纯；污泥，取自深圳市某水质净化厂，样品为投加PAM后并经带式浓缩机浓缩之后的污泥，含水率为97.5%左右，样品取回后置于实验室冷藏箱中4 ℃下保存以待使用。污泥基本性质见表1。

表1 污泥基本性质

BSA224S-CW电子分析天平；DHG-9140A电热鼓风干燥箱；JJ-4A电动六联搅拌器；TH3354污泥比阻测定装置；DFC-10A CST测定仪；NDJ-8S粘度计；PHS-3C pH计。

1.2 实验方法

1.2.1 污泥调理 用量筒量取500 mL原污泥于烧杯中，启动电动搅拌器，将搅拌器转速设置为500 r/min，污泥搅拌均匀后，向原污泥中加入调理剂，维持搅拌器500 r/min转速搅拌15 s，使药剂与污泥快速混合，再将转速降至300 r/min，调理15 min后关闭搅拌器，对调理后的污泥进行污泥比阻SRF(Specific Resistance to Filtration)、毛细吸水时间CST(Capillary Sunction Time)、污泥粘度、沉降性能等指标的测定。

1.2.2 SRF测定 采用布氏抽滤法测定，量取100 mL污泥倒入布氏漏斗(Ø=9 cm)中，在抽滤压力0.02 MPa的恒压下进行真空抽滤脱水，每隔一段时间记录滤液的体积，抽滤至真空度破坏，绘制V～t/V曲线，并测定污泥滤饼的含水率，最后计算出污泥的比阻。比阻计算公式如下：

式中P——抽滤真空度，Pa；

A——过滤面积，m2；

μ——滤液的动力粘度系数，Pa·s；

b——直线V-t/V的斜率；

ω——滤过单位体积的滤液在过滤介质上截留的固体质量，kg/m3；

SRF——污泥比阻，s2/g。

1.2.3 CST测定 利用毛细吸水时间测定仪，将调理后污泥加入漏斗内，启动仪器，读取示数。

1.2.4 污泥粘度测定 取500 mL污泥于烧杯中，选择合适的转子与转速，调平仪器，将转子浸入污泥中，启动仪器，待示数稳定后读取示数即为粘度值。

1.2.5 污泥沉降性测定 用100 mL量筒量取100 mL 污泥，静置，每隔5 min记录沉淀污泥层与上清液分界处界面的刻度值，直至30 min后测定结束。

2 结果与讨论

2.1 单一药剂调理污泥对污泥脱水性能的影响

使用FeCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3按照污泥干重的2%，4%，6%，8%，10%，12%的投加量分别调理污泥。4种药剂调理后对污泥SRF和CST的影响见图1、图2。

图1 单一药剂调理时投加量对SRF的影响

由图1可知，原污泥分别经过4种调理剂调理后，SRF均有明显下降趋势。随着投加量的增加，SRF先迅速下降，后缓慢上升。本研究所用原污泥SRF值为5.033×106s2/g，当使用FeCl3调理时，在投加量为4%时SRF值达到最低，为2.688×106s2/g；使用Fe2(SO4)3调理时，在投加量为8%时SRF值达到最低，为2.948×106s2/g；使用AlCl3调理时，在投加量8%时，SRF降至最低，为2.778×106s2/g；使用Al2(SO4)3调理时，在投加量为6%时SRF达到最低值，为3.305×106s2/g。

图2 单一药剂调理时投加量对CST的影响

由图2可知，4种铁铝盐分别调理污泥时，CST随着投药量的变化趋势与SRF变化趋势相似。原污泥CST为28.1 s，当使用FeCl3调理时，CST在投加量为4%时降至最小，为16.8 s；当使用Fe2(SO4)3调理时，在投加量为8%时CST达到最小，为19.4 s；当使用AlCl3调理时，在投加量为8%时CST降至最小，为17.0 s；当使用Al2(SO4)3调理时，在投加量为6%时，CST达到最小，为22.0 s。

通过以上现象分析可知，对于FeCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)34种药剂而言，FeCl3的调理效果最佳，且并非药剂的投加量越多，脱水性能越好，而是在一定范围内才能达到最好的效果。可能是由于污泥颗粒表面一般带有负电荷，污泥颗粒表面同性电荷的斥力作用使污泥颗粒无法聚集，使污泥中含有较多的间隙水[14]。而Fe3+或Al3+带正电，随着Fe3+或Al3+的增加，在一定投加量范围内，可起到电性中和的作用，降低了污泥颗粒表面的Zeta电位，同性电荷斥力减小，污泥颗粒便发生聚集作用，形成较大絮体，且由于压缩双电层作用使絮体更加致密[15]，污泥过滤阻力减小，SRF值和CST降低；但当Fe3+或Al3+投加量过多时，带负电的污泥颗粒胶核直接吸附了过多的正电荷离子，污泥颗粒可变成带正电的粒子，Zeta电位开始升高，污泥颗粒重新开始稳定，SRF和CST则开始升高。

2.2 铁铝盐和硅酸盐联合调理对污泥脱水性能的影响

通过对单一药剂调理实验结果分析可知，FeCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)34种药剂的最佳投加量分别为污泥干重的4%，8%，8%，6%。为探究这4种调理剂与K2SiO3联合使用对污泥脱水性能的影响，本实验在4种药剂单独投加时得出的最佳投药量下分别与K2SiO3复合投加调理污泥。根据已有研究成果，本研究将K2SiO3的投加量固定为污泥干重的2%，并以向原污泥单独投加2%的K2SiO3作为对照组。不同药剂组合对SRF的影响见图3，对污泥CST的影响见图4。

由图3可知，4种铁、铝盐分别跟K2SiO3复合投加调理污泥后，SRF均比单一药剂调理时有所降低。4%的FeCl3与K2SiO3复合投加时，SRF值降至1.652×106s2/g；8%的Fe2(SO4)3与K2SiO3复合投加时，SRF值降至2.324×106s2/g；8%的AlCl3在与K2SiO3复合投加时，SRF值降至1.842×106s2/g；6%的Al2(SO4)3与K2SiO3复合投加时，SRF值降至2.740×106s2/g。且在原污泥中单独投加2%的K2SiO3时，SRF由原污泥的5.033×106s2/g升高至8.253×106s2/g。

图3 复合药剂调理对SRF的影响

图4 复合药剂调理对CST的影响

由图4可知，4种铁铝盐分别与K2SiO3复合投加后，对CST的影响与对SRF的影响一致，即与K2SiO3复合投加调理时，CST比单独投加铁盐、铝盐时小，而单独投加K2SiO3时，CST值比原污泥大。4%的FeCl3与K2SiO3复合投加时，CST降低至12.2 s；8%的Fe2(SO4)3与K2SiO3复合投加时，CST降低至13.1 s；8%的AlCl3在与K2SiO3复合投加时，CST降低到了15.2 s；6%的Al2(SO4)3与K2SiO3复合投加时，CST降低至15.4 s。而单独投加2%的K2SiO3时，CST由原污泥的28.1 s增加至35.2 s。

由以上分析可知，铁铝盐在与K2SiO3复合投加时，对污泥脱水性能的改善效果优于单一药剂调理。且K2SiO3本身不能改善污泥脱水性能，甚至单独使用时会增加污泥脱水的难度，其与铁铝盐联合使用时才能发挥效用，原因可能是Fe3+或Al3+在水溶液中水解呈酸性，与K2SiO3作用能形成聚硅酸，聚硅酸的高分子链可通过吸附架桥作用，增强污泥颗粒的絮凝效果[16]，使污泥脱水性能得到有效改善。

2.3 调理剂对污泥粘度的影响

对各种调理方式调理后的污泥粘度进行测定，结果见图5。

由图5可知，污泥经过铁盐、铝盐单独调理或者复合K2SiO3调理后，污泥粘度比原污泥稍有降低，但单一药剂调理与复合药剂调理后的污泥粘度没有明显差异；原污泥单独投加K2SiO3时，污泥粘度没有明显变化。由此可见，Fe3+或Al3+的作用能在一定程度上降低污泥粘度，而复合投加K2SiO3对污泥粘度没有明显影响。

图5 调理剂对污泥粘度的影响

污泥粘度主要与污泥中EPS含量紧密相关，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被破坏，故污泥粘度降低。而铁盐、铝盐分别与K2SiO3复合投加时，虽然污泥脱水性能比单一药剂调理时有改善，但污泥粘度没有进一步改善，其原因可能是复合药剂相对于单一药剂仅仅是增强了污泥颗粒的絮凝效果，而不能增强对污泥中EPS的破坏效果。

2.4 调理剂对污泥沉降性的影响

对各调理方式调理后的污泥沉降性进行测定，结果见表2、图6。表2为各调理方式调理后污泥的SV30值，即100 mL搅拌混合好的污泥在量筒中静置30 min后所形成沉淀污泥占原混合液容积的百分比。图6为调理效果最佳的FeCl3单独调理及其与K2SiO3复合调理的污泥在30 min内的沉降过程图线。

表2 调理剂对污泥沉降性能的影响

由表2和图6可知，原污泥沉降性能较差，SV30为95%，经过铁铝盐单独调理或与K2SiO3复合投加调理后，污泥沉降性能均有明显的改善，且复合药剂调理后污泥沉降性能介于原污泥与单一药剂调理污泥之间，而单独投加K2SiO3的对照组污泥沉降性能较原污泥变差。单一药剂调理时，FeCl3对SV30影响最大，使污泥SV30降至88%，复合药剂调理时，FeCl3复合K2SiO3调理对SV30影响最大，使SV30降至90%。由此可见，污泥经过调理后沉降性得到较大改善，且K2SiO3的加入会对污泥沉降性能产生不利影响。原因可能是，污泥经铁铝盐调理时通过电中和作用形成的絮体较小且密实，污泥沉降后体积较小，即沉降性能得到改善；而在复合投加K2SiO3时，由于铁铝盐水解呈酸性，与K2SiO3作用形成聚硅酸，聚硅酸高分子链具有吸附架桥的作用，使污泥颗粒形成较大的絮体，由于絮体结构松散，具有一定的可压缩性，所以污泥沉降后体积较单一药剂调理时污泥体积大，即沉降性能不如单一药剂调理后的污泥。

图6 调理后污泥沉降过程曲线

3 结论

(1)在单一药剂进行污泥调理改善脱水性能时，FeCl3、Fe2(SO4)3、AlCl3、Al2(SO4)3的最佳投药量分别为4%，8%，8%，6%，且调理效果最优的为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种药剂分别与2%的K2SiO3复合投加调理污泥后，污泥脱水性能比单一药剂调理时有较大改善，且4%的FeCl3与2%的K2SiO3复合调理效果最优，使SRF降至1.652×106s2/g，CST降至12.2 s。

(3)调理剂在改善污泥脱水性能时，污泥粘度也会降低，且沉降性能也得到改善，复合投加K2SiO3后对污泥粘度没有明显影响，但K2SiO3的使用对污泥沉降性能略有不利影响。