聚合硅酸铝铁的制备及其对污泥的调理改性研究

陈 涛,徐汝民,汪 军,陈 斌,杨 明,刘 程

(1.安徽省通源环境节能股份有限公司,安徽 合肥 230009;2.污泥处理处置合肥市技术创新中心,安徽 合肥 230009;3.安徽省市政污泥处置与资源化利用工程研究中心,安徽 合肥 230009)

1 前言

随着我国城市及农村污水收集管网和污水处理设施逐步完善,市政污泥产量也随之递增。据统计,我国当前市政污泥年产量已超过6 000万t,且每年仍以10%～20%的增长率增加,预计2025年将超过8 000万t(以80%含水率计),已然成为仅次于生活垃圾的第二大固体废弃物[1]。市政污泥如得不到妥善处理,将会在短时间内腐败发臭,滋生蚊蝇、传播疾病,严重污染生态环境和危害人体健康。然而市政污泥的高含水率和难脱水属性限制了污泥处理处置途径[2-3]。研究表明施加金属盐类调理剂能够显著降低泥质比阻,大幅度改善泥质的脱水性能,提高泥饼含固率[4-6]。山东大学张经祯[7]为提高脱水污泥的含固率,采用Na2SiO3和铁盐复配用于脱水污泥的二次脱水,结果表明Na2SiO3在铁盐作用下能进一步改善并提高污泥脱水性能。杨凡[8]发现Na2SiO3与铁盐(铝盐)复配调理的污泥脱水效果相比单一药剂调理效果有显著改善,原污泥经其改性后的pH值和黏度均有所下降,疏水性能增强,沉降性能也得到改善。研究以硅酸钠、铁锈和硫酸铝为原料,通过聚合反应将硅酸钠、铁锈和硫酸铝制备得到聚合硅酸铝铁。探究了聚合硅酸铝铁的微观结构,采用毛细管吸收时间测定仪测定污泥的CST值,采用液压机模拟板框压滤机进行压滤脱水,测定压滤后泥饼的含水率,以此反映通过聚合反应所制备的聚合硅酸铝铁对污泥脱水性能的影响。

2 试验

2.1 材料与仪器

试验试剂。硅酸钠Na2SiO3·9H2O(分析纯)、硫酸铝Al2(SO4)3(分析纯)、硫酸(优级纯)。

试验材料。市政污泥采集于安徽省无为市污泥处理处置中心。铁锈采集于安徽省通源环保科技有限公司,其中杂质含量约占18%。污泥的基本性质见表1。

表1 污泥的基本性质

试验仪器与设备。日本岛津AUY220电子天平,美国哈希LA-pH10实验室pH计;南京舜玛仪器设备有限公司SM-1000A超声波细胞粉碎仪;常州同创实验仪器厂HCJ-4D磁力搅拌水浴锅;金坛市城东盛联实验仪器厂JJ-4六联电动搅拌器;德国蔡司场发射扫描电子显微镜;上海精其仪器有限公司JQZL-CST毛细管吸收时间测定仪;冠喆机械上海有限公司10T带表压机;北京永光明医疗仪器有限公司101型电热鼓风干燥机。

2.2 试验检测指标

毛细管吸收时间测定仪记录污泥中的自由水在特制毛细滤纸上渗透7 mm距离间隔所需的时间,此值记录为CST值,单位s。它的大小与所测液体的固有属性直接相关,CST 值反映污泥脱水的难易程度,一般情况下CST值越低,污泥越容易脱水[9]。

压滤后泥饼含水率参照CJ/T 221《城市污水处理厂污泥检验方法》严格进行。

2.3 聚合硅酸铝铁的制备试验

硅酸钠溶于100 mL纯水中,采用浓度20%的硫酸溶液将硅酸钠溶液的pH值调至2。后将经800 ℃高温煅烧后的铁锈溶于浓度 20%的硫酸溶液,过滤除去杂质,得到硫酸铁溶液,并将硫酸铁溶液与硅酸钠溶液混合均匀;向上述硅酸钠与硫酸铁的混合液中添加硫酸铝,搅拌溶解混合均匀,控制混合液中m(Si) ∶m(Fe) ∶m(Al)≈1 ∶3 ∶1。而后在超声波细胞破碎仪中匀化处理15 min,取出置于恒温水浴锅中70 ℃磁力搅拌2 h。样品冷却后置于聚乙烯塑料瓶中封闭陈化24 h,即可制得聚合硅酸铝铁。

2.4 聚合硅酸铝铁的污泥调理改性试验

称取150 g的新鲜市政污泥6份,分别置于烧杯中,其中加入240 mL纯水,编号分别为1、2、3、4、5、6,此时市政污泥含水率均为95%。分别向6个烧杯中添加0、10、12、14、16、18 mL的聚合硅酸铝铁调理剂,置于全自动搅拌器500 r/min快速搅拌10 min,随后100 r/min慢速搅拌30 min。采用毛细管吸收时间测定仪记录污泥CST值,采用压机1 MPa稳定压滤5 min,测定压滤后泥饼含水率。

2.5 聚合硅酸铝铁的协同效应验证试验

称取150 g的新鲜市政污泥3份,分别置于烧杯中,其中加入240 mL纯水,使其含水率为95%,记编号为1、2、3。其中1、2、3号样分别作如下处理:1号样加入12 mL聚合硅酸铝铁(选择此添加量的原因是试验1.4中的最佳添加量);2号样加入硅酸钠1.35 g 、铁锈0.69 g和硫酸铝0.84 g,并加入12 mL纯水,原因是12 mL聚合硅酸铝铁理论含有硅酸钠1.35 g 、铁锈0.69 g和硫酸铝0.84 g;3号样加入12 mL纯水。3个烧杯分别置于全自动搅拌器500 r/min快速搅拌10 min,随后100 r/min慢速搅拌30 min。测定CST值和压滤后泥饼含水率。

3 结果与分析

3.1 聚合硅酸铝铁的扫描电镜分析

图1(a)、图1(b)分别为聚合硅酸铝铁粉末在500和3 000放大倍数下的SEM图。图1(a)聚合硅酸铝铁呈大小不同的三维凝胶团聚结构,粒径范围在10～200 μm之间,表面不规则,有颗粒感,基本维持圆形或者椭圆形结构,结构紧凑。图1(b)聚合硅酸铝铁局部表面不规则,孔隙复杂且深浅不一,凸起与凹陷明显,厚薄不一,部分孔隙之间存在片状架桥。造成此现象的原因是活化硅酸的加入,使得疏松的网状结构和分支粘结形成了致密的胶体粒子,该胶体粒子受到外界扰动的不同导致粒径不均。该胶体粒子性能稳定,团聚能力强,能够显著增强混凝剂的混凝效果[10-11]。

图1 聚合硅酸铝铁的扫描电镜图

3.2 聚合硅酸铝铁的调理改性分析

不同添加量的聚合硅酸铝铁调理后的污泥CST值和泥饼含水率曲线见图2,市政污泥中随着聚合硅酸铝铁添加量的增加,其CST值和压滤后泥饼的含水率均出现先减后增的现象,其中3号样添加12 mL的聚合硅酸铝铁对污泥脱水具有最大程度的促进作用,其CST值和泥饼含水率相较1号样分别下降53.12%和9.40%,表明聚合硅酸铝铁对污泥脱水具有促进作用。该研究总体趋势与吴炜[12]和Du[13]的研究成果一致。造成此现象的原因可能是过量的聚合硅酸铝铁改变了污泥的pH值,破坏了微生物的外在环境,胞外聚合物分解过度,富含亲水基团的多糖分子(羟基、羧基)大量溢出,导致絮凝体的亲水性能再次提高,从而抑制污泥脱水[14]。刘康安[15]通过实验分析,认为带Fe3+或Al3+的污泥调理剂投加量并非越多越好,在恰当的范围内可达到最佳的调理效果。当Fe3+或Al3+投加适量,其正电荷中和了污泥表面的负电荷,导致污泥表面同性电荷斥力减少,污泥颗粒团聚形成较大絮体,且絮体紧密压缩,间隙水分得到释放,沉降性能得到提高。当Fe3+或Al3+过量投加,带负电荷的污泥表面颗粒吸附较多Fe3+或Al3+转变为带正电荷,导致污泥Zeta电位再次升高,污泥颗粒之间斥力再次增大,从而引发CST和压滤后泥饼含水率再次上升。

图2 不同添加量的聚合硅酸铝铁的污泥CST和含水率曲线

3.3 聚合硅酸铝铁的协同效应分析(表2)

表2 协同效应分析参数

由表2可知,1号样的CST值和压滤后泥饼的含水率显著低于2号样,其中CST值下降28.00%,压滤后泥饼的含水率下降5.55%,说明硅酸钠、铁锈和硫酸铝之间通过聚合反应生成的聚合硅酸铝铁对污泥脱水的性能相比于硅酸钠 、铁锈和硫酸铝直接调理效果更佳。其原因是硅酸钠作为载体和助凝剂,使得硅酸钠、铁锈和硫酸铝之间产生了协同效应,生成了更加紧密的网状结构,该结构分子量更大,絮凝架桥能力更强[16]。

4 结论

聚合硅酸铝铁呈三维团粒结构,大小不均,有颗粒感,结构密实,表面粗糙,凸起与突出明显。聚合硅酸铝铁对市政污泥进行调理改性,其添加量直接影响调理后污泥的CST值和压滤后泥饼的含水率。添加12 mL的聚合硅酸铝铁对污泥脱水具有最大程度的促进作用,其压滤后泥饼含水率小于60%。其CST值和泥饼含水率较空白样分别下降53.12%和9.40%。硅酸钠、铁锈和硫酸铝之间通过聚合反应产生了协同效应,生成的聚合硅酸铝铁对污泥脱水的性能相比于硅酸钠、铁锈和硫酸铝直接调理效果更佳。