典型吸附剂对污泥脱水性能的影响研究

2022-06-20杨亚红林秀锋

甘肃科学学报 2022年3期

杨亚红,林秀锋,王惠,马江,汪萱

(1.兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050;2.兰州兴蓉环境发展有限责任公司,甘肃兰州 730070)

随着城市人口增多,污水厂规模也越来越大,污泥产量逐年递增[1]。国务院令第641号《城镇排水与污水处理条例》中提到了污泥处理处置的问题,国家和政府鼓励污泥的资源化,但污泥的高含水率却是污泥无害化和再利用必须要面对的问题,高含水率使污泥运输成本和处置成本都居高不下,所以探究降低污泥含水率和提高污泥脱水性能变得尤为重要[2]。

污泥难以脱水的主要原因是部分水与污泥颗粒结合紧密或者被污泥团包裹难以去除,因此改变污泥基团结构和性能显得尤为重要[3]。调理剂被广泛用于调节污泥性能,其中常见的化学调理剂有无机絮凝剂、表面活性剂以及以聚丙烯酰胺为代表的高分子助凝剂。部分药剂通过改变污泥颗粒结构和状态来达到效果,如聚丙烯酰胺(PAM,polyacrylamide)[4];部分药剂通过形成通道来达到脱水效果,如沸石[5];同时还发现活性炭以及改性活性炭也可提高污泥脱水性能[6]。PAM、沸石、活性炭都是典型的吸附剂,探究不同化学调理剂对污泥脱水性能影响的研究很多,探究吸附作用对污泥脱水性能改变的研究亦有[7],但是系统性地对比各种吸附剂却鲜有研究。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

(1) 污泥实验污泥来自兰州市某污水处理厂回流污泥,该厂处理规模为20万m3/d,采用A2O(anaerobic-anoxic-oxic)处理工艺。污泥取回后,立即放入4 ℃环境冷藏保存,且只能保存使用3 d[8],故结合实验周期,将样品分为3批取样并保存,污泥基本参数见表1。

表1 污泥基本参数Table 1 Basic properties of sludge

(2) 调理剂实验采用调理剂为常见且典型的吸附剂,见表2。

表2 吸附剂样品参数Table 2 Sample parameters of adsorbent

1.2 实验方法

(1) 污泥调理方法取500 mL污泥于烧杯中,分批加入一定量的吸附剂处理。吸附剂处理污泥方案见表3,所有实验均重复3次取均值。加入吸附剂后,先在200 r/min转速下快速搅拌30 s,然后在80 r/min转速下搅拌15 min,充分混合之后,测试相关参数。硅胶和PAM单独调理采用第1批污泥,沸石、中性氧化铝、活性炭单独调理采用第2批污泥,最优吸附剂对比实验采用第3批污泥。

表3 污泥调理方案Table 3 Sludge conditioning schemes

(2) 测定指标 ① 污泥毛细吸水时间(CST,capillary suction time):CST采用DP139530型号测定仪(北京亚欧德鹏科技有限公司)配合原装滤纸进行测试。

② 污泥比阻(SRF,specific resistance to filtration):SRF采用型号为PJK02(上海江科实验设备有限公司)的污泥比阻实验装置进行测试。测试结束后,采用以下公式[9]进行计算:

其中:SRF为污泥比阻(m/kg);P为过滤压力(kg/m2);A为过滤面积(m2);b为斜率,由实验求得,为污泥过滤时间和滤液体积比值(t/V)与滤液体积(V)之间的斜率;C为滤过单位体积的滤液在过滤介质上的截留干固体含量(kg/m3);μ为滤液的动力粘度(kg·s/m2)。

③ CST下降率:为了更直观地反映处理效果,引入下降率的概念,CST下降率定义为

其中:CST0为原泥3次CST测定实验的平均值,CST1为该种调理剂最优投加量下3次实验CST参数的平均值。

④ SRF下降率[10]:

其中:SRF0为原泥3次SRF测定实验的平均值,SRF1为该种调理剂最优投加量下3次实验SRF参数的平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同吸附剂调理效果及最佳剂量分析

CST和SRF均表现污泥的脱水难易程度,值越小说明脱水性能越佳,故每组吸附剂调理污泥后CST和SRF参数的最低点对应的投加量便是最佳投加量[11-13]。

污泥按照表3所列方案调理后,相关参数检测结果如图1所示。由图1(a)观察易得硅胶在投加质量分数为0.5%时达到最佳,两项指标都达到最低值;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。由图1(b)发现PAM最佳投加量为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。图1(c)表明沸石的最佳投加质量分数为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。图1(d)显示中性氧化铝的最佳投加质量分数为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。图1(e)表明活性炭的最佳投加质量分数为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。对比发现除了硅胶组两项指标持续性下降,在0.5%处达到最低,其余4个实验组均出现先下降后上升的态势,均出现效果最优点。

图1 投加量对脱水性能的影响Fig.1 Influence of dosage on sludge dewatering performance

从数据上可以看出,选用的典型吸附剂均在一定程度上提高了污泥的脱水性能。当浓度适合时,污泥脱水性能随着添加量增大而提高,但过量添加之后,却使得污泥脱水性能变差,甚至变得比原泥脱水性能更差。

通过分析污泥脱水性能的变化,发现吸附剂的作用原理与混凝作用类似,其对污泥颗粒有吸附架桥、网捕卷扫和电性中和的作用。添加的硅胶、沸石等颗粒,由于其吸附性能破坏了污泥颗粒之间的静电斥力,压缩了双电层,破坏部分污泥胶体稳定性,从而提高了污泥的絮凝效果。同时,吸附剂的吸附能力又使得污泥颗粒可以吸附在其周围形成大颗粒,部分还会形成网状结构,比如PAM,沉降过程中产生网捕卷扫的效果,从而提高沉降性和脱水性能[14]。

污泥中的水分可分为自由水和非自由水,其中自由水占比最高达70%左右,同时也是最好去除的水;非自由水包括毛细水、吸附水、内部水,分别占比约20%、7%、3%,这3种水去除难度也是依次递增的[15-16]。由于选用的物质具有大量的孔结构等不饱和结构或者大的比表面积,其吸附作用便尤为明显,推测其作用原理如下,原污泥颗粒外充满了吸附水,且污泥颗粒之间彼此保持稳定,加入吸附剂之后,吸附剂具有很强的吸附作用,该作用使一部分吸附水脱落,并且将各污泥颗粒吸附粘结在一起,形成大的污泥颗粒,从而减少了吸附水的吸附位点,使其成为自由水更容易被去除。同时小污泥颗粒因为形成大颗粒,从而具有更好的沉降性,可进一步减少毛细水和吸附水的形成。

此外,也有部分文献指出,污泥的脱水性能与污泥胞外聚合物的结构和状态有关,所以吸附剂造成的污泥性能改变也与胞外聚合物有关[17]。

2.2 吸附剂效果对比分析及最优吸附剂筛选

(1) 脱水效果分析将5种吸附剂在单独调理中所得的最佳剂量参数筛选出来并使用同一批污泥做对比实验,实验结果如图2所示。5种吸附剂均对促进污泥脱水有正面作用,最适投加比例情况下,硅胶将污泥的CST和SRF分别从67.40 s和4.86×1013m/kg降低到56.37 s和3.60×1013m/kg;PAM将原泥参数降低到59.06 s和3.77×1013m/kg;沸石将其降低到54.21 s和3.46×1013m/kg;中性氧化铝将其降低到60.15 s和3.84×1013m/kg;活性炭将其降低到58.56 s和3.74×1013m/kg。不难发现,不管是从CST方面来看,还是从SRF方面来看,表现最好的均是沸石,其次是硅胶,而表现最差则是中性氧化铝。

图2 吸附剂效果对比Fig.2 Comparison of adsorbent effects

沸石表现最优,其原因是沸石还起到了骨架构建体的作用。沸石的孔隙结构和其稳定的化学性质以及良好的机械性能使其具有了骨架构建体的作用[18]。沸石可以利用自身的多孔结构,形成稳定牢固的晶格结构,从而保证脱水的通透性,提高脱水效果[19]。

在没有骨架构建体时,污泥压缩性能明显,压缩的过程堵塞了污泥脱水的路径,骨架构建体可在污泥中形成稳定且坚固的骨架网格,降低了污泥的压缩性,留出了脱水的水分通道,从而提高了脱水性能[20-21]。

(2) 经济性分析通过实验所得最佳投加量计算调理每千克原污泥所需要的吸附剂质量,结合吸附剂价格计算出调理每千克污泥所需的价格,然后,用此价格结合该药剂的CST下降率和SRF下降率,分别计算得单位去除效果(100%)的价格成本,计算结果如表4所列。计算结果表明沸石为经济性最高的吸附调理剂,CST和SRF的单位去除效果只需0.17元和0.11元。