增强垃圾渗滤液处理厂污泥脱水性能的研究

张洛红，成晶晶，赵亮，马保卫，崔炜，张京京

(1.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048；2.西安市江村沟垃圾渗滤液处理厂，陕西 西安 710038； 3.陕西华诚首创环保科技有限公司，陕西 西安 710000)

西安市江村沟垃圾填埋场长期运行以来，对渗滤液剩余污泥采取超滤、污泥浓缩、PAM脱水、外运处理，该法也是目前国内对渗滤液污泥处理的常用方法之一[1]。现有污泥脱水处理手段众多[2]，主要有热处理、冻结和解冻、生物水解、絮凝[3]、超声波预处理以及臭氧处理等，但这些方法存在污泥脱水难、费用高等问题[4]。

该厂经PAM脱水后的剩余污泥含水量仍高达75%，不满足填埋要求，为解决该问题，本研究将沿用PAM，并分别联用两种不同絮凝剂[5-6]的方法，以污泥比阻(SRF)、毛细吸水时间(CST)、Zeta电位作为污泥脱水性能的评价指标对显著影响污泥脱水性能的絮凝剂的添加条件进行优化以进一步提高污泥的脱水性能[7]，优化西安市江村沟垃圾填埋场渗滤液污泥脱水方案。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

剩余污泥、阳离子PAM(溶液质量浓度为0.77%)溶液均取自于西安市江村沟垃圾渗滤液处理厂；FeCl3(质量分数38%)、Al2(SO4)3(质量分数87%)均为工业品。

304B CST测定仪；DHG-9023A恒温鼓风干燥箱；B-88循环水真空泵；Zeta电位仪(JS94 K型微电泳仪)；FTIR-650红外光谱仪。

1.2 实验方法

取200 mL垃圾渗滤液剩余污泥于250 mL烧杯中，按0.77%PAM絮凝剂体积/污泥体积为1/6，加入0.77%的阳离子PAM，置于搅拌机上，先快速搅拌(150 r/min)30～60 s，后慢速搅拌(50 r/min)3～5 min。分别经滤纸润湿、蒸馏水稀释、抽滤、烘干等条件下测毛细吸水时间、Zeta电位、污泥比阻、FTIR光谱各项指标。

1.3 性能测试

1.3.1 污泥毛细吸水时间 (CST) 分别取50 mL经PAM、FeCl3、Al2(SO4)3调理过的污泥和空白污泥，倒入直径为15 mm的玻璃圆柱，滤纸润湿半径20 mm所用时间为CST。

1.3.2 Zeta电位 取一定量的调理后污泥，用蒸馏水稀释100倍，用Zeta电位仪测量。

1.3.3 污泥比阻(SRF) 取50 mL调理后的污泥样品于直径150 mm 的布氏漏斗，进行抽滤。记下过滤时间t(s)和滤液体积V(m3)，利用t/V对V作曲线，该曲线的斜率为b。根据下式(1)计算SRF。

SRF=2PA2/ωμ

(1)

式中P——过滤压强，MPa；

A——过滤面积，m2；

μ——动力黏度，Pa·s；

ω——单位体积滤液在滤纸上的干固体质量，kg/m3。

1.3.4 FTIR光谱 取空白和调理后污泥50 mL，在80 ℃下烘干，研磨成粉状，在FTIR光谱仪上测定。

2 结果与讨论

2.1 PAM对污泥脱水性能的影响

表1为PAM投加体积比对污泥脱水性能的影响，污泥体积为200 mL。

表1 PAM投加比对污泥脱水效果的影响Table 1 Effect of ratio of PAM on theefficiency sludge dewatering

由表1可知，在投加PAM之前[8]，CST显示为395.9 s，SRF为3.49×1011m/kg(>1.0×1011m/kg即为难脱水污泥)，Zeta电位为-28.4 mV。由于污泥是由带负电荷的颗粒组成。开始阶段，随着阳离子PAM投加比的增加，一方面由于PAM的絮凝作用；另一方面由于正电荷的引入，使得污泥间的静电斥力不断减小，更有利于絮体的形成，因此污泥的CST[9]与SRF[10]下降较为明显。当PAM体积投加比为1/6，渗滤液剩余污泥的CST和SRF达到最小值，分别为30.2 s、0.22×1011m/kg(<1.0×1011m/kg)，Zeta电位为-21.2 mV。当PAM体积投加比增大到1/5时，污泥的CST、SRF出现回升，此时可能由于过量的PAM而增大活性污泥颗粒表面的粘度，从而不利于水分子的分离，使得污泥表面的自由水减少。在整个反应过程中由于阳离子PAM投加体积比不断增加，使得污泥颗粒表面引入的阳离子不断增加，因此Zeta电位不断增加，但是Zeta电位的过分增大并不能使得污泥絮体更好的脱水。因此，从药剂节省和脱水性能优化两方面综合考虑，确定PAM最佳投加比为1/6。

2.2 PAM投加比为1/6时，FeCl3溶液投加量对污泥脱水性能的影响

见表2，先加入的阳离子PAM对污泥进行电荷中和作用，使污泥胶体脱稳。在开始阶段，一方面投加FeCl3发挥絮凝的作用，形成污泥絮团，在此过程中，部分结合水被转化为自由水，使得污泥中自由水[11]的含量升高；另一方面，由于正电荷的引入也使得Zeta电位不断增大，污泥间的静电斥力不断减小，更利于絮体的形成。因此，开始阶段污泥表面的CST和SRF不断减小，当FeCl3投加量为1 mL时CST和SRF达到最小值，分别为12.0 s、0.20×1011m/kg。随后继续增加FeCl3的投加量，反而导致污泥的CST与SRF回升，但是随着阳离子的不断引入，后阶段的Zeta电位也是呈上升趋势，此时由于Fe3+与PAM中阳离子基团同电相斥，使得污泥颗粒间排斥作用加大，絮体难以凝聚，不利于污泥脱水。从药剂节省和脱水性能优化两方面综合考虑，确定FeCl3最佳投加量为每毫升污泥中投加1 mL。

表2 FeCl3投加量对污泥脱水效果影响Table 2 Effect of dosage of FeCl3 on the efficiencysludge dewatering

2.3 PAM投加比为1/6时，Al2(SO4)3溶液投加量对污泥脱水性能的影响

如表3所示，先加入的阳离子PAM对污泥进行电荷中和作用，使污泥胶体脱稳。在开始阶段，一方面，投加Al2(SO4)3发挥絮凝的作用，形成污泥絮团。在此过程中，部分结合水被转化为自由水，使得污泥中自由水的含量升高；另一方面由于正电荷的引入，也使得Zeta电位不断增大，污泥间的静电斥力不断减小，更利于絮体的形成。当Al2(SO4)3投加量为1 mL时，CST和SRF达到最小值，分别为11.5 s、0.21×1011m/kg，随后继续增加Al2(SO4)3的投加量，反而导致污泥的CST与SRF回升。由于Al3+与PAM中阳离子基团同电相斥，使得污泥颗粒间排斥作用加大，絮体难以凝聚。但是后阶段的Zeta电位随着阳离子的不断引入仍然呈上升趋势。从药剂节省和脱水性能优化两方面综合考虑，确定Al2(SO4)3最佳投加量为每毫升污泥中投加1 mL。

表3 Al2(SO4)3投加量对污泥脱水效果影响Table 3 Effect of dosage of Al2(SO4)3 on theefficiency sludge dewatering

2.4 污泥FTIR光谱分析

PAM、PAM和FeCl3最佳投加比联用、PAM和Al2(SO4)3最佳投加比联用，分别处理污泥，不同投加条件下剩余污泥傅里叶转换红外光谱图见图1。

图1 剩余污泥傅里叶转换红外光谱图Fig.1 Fourier transform infrared spectra of residual sludge

1.原污泥；2.PAM最佳投加量的污泥；3.PAM和FeCl3最佳投加比的污泥；4.PAM和Al2(SO4)3最佳投加比的污泥

3 结论

(1)经PAM加FeCl3和PAM加Al2(SO4)3调理后，污泥脱水性能得到不同程度的改善，PAM与Al2(SO4)3联用相比于PAM与FeCl3联用能更好的改善污泥脱水性能，从经济和污泥脱水性能考虑，对于西安市江村沟垃圾渗滤液处理厂选择PAM投加体积比为1/6，Al2(SO4)3投加量为1 mL。此条件下，污泥脱水处理最为合理。

(2)PAM、Al2(SO4)3、FeCl3都能降低污泥絮体间的电荷斥力，使污泥的絮体增大增多，从而更好的降低污泥含水率，有效的提升污泥脱水性能。