鐵鋁鹽復合硅酸鉀調理污泥脫水性能試驗研究

劉康安，李運寶，楊凡，高俊發，張佳寶，韓雙，秦晉一，馬智群

(1.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710054；2.深圳市深水水務咨詢有限公司，廣東 深圳 518003；3.長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

污水處理廠剩余污泥脫水性能主要受污泥顆粒粒徑分布、污泥膠體表面電荷及胞外聚合物EPS(extracellular polymeric substances) 的影響[1-3]。污泥調理方法主要有物理法、化學法、生物法[4]。傳統的化學調理法常用絮凝劑使污泥顆粒絮凝，以改善其脫水性能[5-7]，或利用芬頓試劑、雙氧水氧化等技術破壞污泥中的EPS[8-10]。近年來國內外也有很多利用復合藥劑調理污泥的研究[11-12]，使污泥脫水性能得到了較大改善。

硅酸鹽與鐵鹽或鋁鹽混合能形成聚硅酸鐵(鋁)鹽絮凝劑，具有較好的絮凝效果[13]。本文研究了4種鐵鋁鹽單獨調理和分別與K2SiO3復合投加調理時對污泥脫水性能的影響，以及各調理方式對污泥粘度和沉降性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

FeCl3、AlCl3、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、K2SiO3均為分析純；污泥，取自深圳市某水質凈化廠，樣品為投加PAM后并經帶式濃縮機濃縮之后的污泥，含水率為97.5%左右，樣品取回后置于實驗室冷藏箱中4 ℃下保存以待使用。污泥基本性質見表1。

表1 污泥基本性質

BSA224S-CW電子分析天平；DHG-9140A電熱鼓風干燥箱；JJ-4A電動六聯攪拌器；TH3354污泥比阻測定裝置；DFC-10A CST測定儀；NDJ-8S粘度計；PHS-3C pH計。

1.2 實驗方法

1.2.1 污泥調理 用量筒量取500 mL原污泥于燒杯中，啟動電動攪拌器，將攪拌器轉速設置為500 r/min，污泥攪拌均勻后，向原污泥中加入調理劑，維持攪拌器500 r/min轉速攪拌15 s，使藥劑與污泥快速混合，再將轉速降至300 r/min，調理15 min后關閉攪拌器，對調理后的污泥進行污泥比阻SRF(Specific Resistance to Filtration)、毛細吸水時間CST(Capillary Sunction Time)、污泥粘度、沉降性能等指標的測定。

1.2.2 SRF測定 采用布氏抽濾法測定，量取100 mL污泥倒入布氏漏斗(?=9 cm)中，在抽濾壓力0.02 MPa的恒壓下進行真空抽濾脫水，每隔一段時間記錄濾液的體積，抽濾至真空度破壞，繪制V～t/V曲線，并測定污泥濾餅的含水率，最后計算出污泥的比阻。比阻計算公式如下：

式中P——抽濾真空度，Pa；

A——過濾面積，m2；

μ——濾液的動力粘度系數，Pa·s；

b——直線V-t/V的斜率；

ω——濾過單位體積的濾液在過濾介質上截留的固體質量，kg/m3；

SRF——污泥比阻，s2/g。

1.2.3 CST測定 利用毛細吸水時間測定儀，將調理后污泥加入漏斗內，啟動儀器，讀取示數。

1.2.4 污泥粘度測定 取500 mL污泥于燒杯中，選擇合適的轉子與轉速，調平儀器，將轉子浸入污泥中，啟動儀器，待示數穩定后讀取示數即為粘度值。

1.2.5 污泥沉降性測定 用100 mL量筒量取100 mL 污泥，靜置，每隔5 min記錄沉淀污泥層與上清液分界處界面的刻度值，直至30 min后測定結束。

2 結果與討論

2.1 單一藥劑調理污泥對污泥脫水性能的影響

使用FeCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3按照污泥干重的2%，4%，6%，8%，10%，12%的投加量分別調理污泥。4種藥劑調理后對污泥SRF和CST的影響見圖1、圖2。

圖1 單一藥劑調理時投加量對SRF的影響

由圖1可知，原污泥分別經過4種調理劑調理后，SRF均有明顯下降趨勢。隨著投加量的增加，SRF先迅速下降，后緩慢上升。本研究所用原污泥SRF值為5.033×106s2/g，當使用FeCl3調理時，在投加量為4%時SRF值達到最低，為2.688×106s2/g；使用Fe2(SO4)3調理時，在投加量為8%時SRF值達到最低，為2.948×106s2/g；使用AlCl3調理時，在投加量8%時，SRF降至最低，為2.778×106s2/g；使用Al2(SO4)3調理時，在投加量為6%時SRF達到最低值，為3.305×106s2/g。

圖2 單一藥劑調理時投加量對CST的影響

由圖2可知，4種鐵鋁鹽分別調理污泥時，CST隨著投藥量的變化趨勢與SRF變化趨勢相似。原污泥CST為28.1 s，當使用FeCl3調理時，CST在投加量為4%時降至最小，為16.8 s；當使用Fe2(SO4)3調理時，在投加量為8%時CST達到最小，為19.4 s；當使用AlCl3調理時，在投加量為8%時CST降至最小，為17.0 s；當使用Al2(SO4)3調理時，在投加量為6%時，CST達到最小，為22.0 s。

通過以上現象分析可知，對于FeCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)34種藥劑而言，FeCl3的調理效果最佳，且并非藥劑的投加量越多，脫水性能越好，而是在一定范圍內才能達到最好的效果。可能是由于污泥顆粒表面一般帶有負電荷，污泥顆粒表面同性電荷的斥力作用使污泥顆粒無法聚集，使污泥中含有較多的間隙水[14]。而Fe3+或Al3+帶正電，隨著Fe3+或Al3+的增加，在一定投加量范圍內，可起到電性中和的作用，降低了污泥顆粒表面的Zeta電位，同性電荷斥力減小，污泥顆粒便發生聚集作用，形成較大絮體，且由于壓縮雙電層作用使絮體更加致密[15]，污泥過濾阻力減小，SRF值和CST降低；但當Fe3+或Al3+投加量過多時，帶負電的污泥顆粒膠核直接吸附了過多的正電荷離子，污泥顆粒可變成帶正電的粒子，Zeta電位開始升高，污泥顆粒重新開始穩定，SRF和CST則開始升高。

2.2 鐵鋁鹽和硅酸鹽聯合調理對污泥脫水性能的影響

通過對單一藥劑調理實驗結果分析可知，FeCl3、AlCl3、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)34種藥劑的最佳投加量分別為污泥干重的4%，8%，8%，6%。為探究這4種調理劑與K2SiO3聯合使用對污泥脫水性能的影響，本實驗在4種藥劑單獨投加時得出的最佳投藥量下分別與K2SiO3復合投加調理污泥。根據已有研究成果，本研究將K2SiO3的投加量固定為污泥干重的2%，并以向原污泥單獨投加2%的K2SiO3作為對照組。不同藥劑組合對SRF的影響見圖3，對污泥CST的影響見圖4。

由圖3可知，4種鐵、鋁鹽分別跟K2SiO3復合投加調理污泥后，SRF均比單一藥劑調理時有所降低。4%的FeCl3與K2SiO3復合投加時，SRF值降至1.652×106s2/g；8%的Fe2(SO4)3與K2SiO3復合投加時，SRF值降至2.324×106s2/g；8%的AlCl3在與K2SiO3復合投加時，SRF值降至1.842×106s2/g；6%的Al2(SO4)3與K2SiO3復合投加時，SRF值降至2.740×106s2/g。且在原污泥中單獨投加2%的K2SiO3時，SRF由原污泥的5.033×106s2/g升高至8.253×106s2/g。

圖3 復合藥劑調理對SRF的影響

圖4 復合藥劑調理對CST的影響

由圖4可知，4種鐵鋁鹽分別與K2SiO3復合投加后，對CST的影響與對SRF的影響一致，即與K2SiO3復合投加調理時，CST比單獨投加鐵鹽、鋁鹽時小，而單獨投加K2SiO3時，CST值比原污泥大。4%的FeCl3與K2SiO3復合投加時，CST降低至12.2 s；8%的Fe2(SO4)3與K2SiO3復合投加時，CST降低至13.1 s；8%的AlCl3在與K2SiO3復合投加時，CST降低到了15.2 s；6%的Al2(SO4)3與K2SiO3復合投加時，CST降低至15.4 s。而單獨投加2%的K2SiO3時，CST由原污泥的28.1 s增加至35.2 s。

由以上分析可知，鐵鋁鹽在與K2SiO3復合投加時，對污泥脫水性能的改善效果優于單一藥劑調理。且K2SiO3本身不能改善污泥脫水性能，甚至單獨使用時會增加污泥脫水的難度，其與鐵鋁鹽聯合使用時才能發揮效用，原因可能是Fe3+或Al3+在水溶液中水解呈酸性，與K2SiO3作用能形成聚硅酸，聚硅酸的高分子鏈可通過吸附架橋作用，增強污泥顆粒的絮凝效果[16]，使污泥脫水性能得到有效改善。

2.3 調理劑對污泥粘度的影響

對各種調理方式調理后的污泥粘度進行測定，結果見圖5。

由圖5可知，污泥經過鐵鹽、鋁鹽單獨調理或者復合K2SiO3調理后，污泥粘度比原污泥稍有降低，但單一藥劑調理與復合藥劑調理后的污泥粘度沒有明顯差異；原污泥單獨投加K2SiO3時，污泥粘度沒有明顯變化。由此可見，Fe3+或Al3+的作用能在一定程度上降低污泥粘度，而復合投加K2SiO3對污泥粘度沒有明顯影響。

圖5 調理劑對污泥粘度的影響

污泥粘度主要與污泥中EPS含量緊密相關，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被破壞，故污泥粘度降低。而鐵鹽、鋁鹽分別與K2SiO3復合投加時，雖然污泥脫水性能比單一藥劑調理時有改善，但污泥粘度沒有進一步改善，其原因可能是復合藥劑相對于單一藥劑僅僅是增強了污泥顆粒的絮凝效果，而不能增強對污泥中EPS的破壞效果。

2.4 調理劑對污泥沉降性的影響

對各調理方式調理后的污泥沉降性進行測定，結果見表2、圖6。表2為各調理方式調理后污泥的SV30值，即100 mL攪拌混合好的污泥在量筒中靜置30 min后所形成沉淀污泥占原混合液容積的百分比。圖6為調理效果最佳的FeCl3單獨調理及其與K2SiO3復合調理的污泥在30 min內的沉降過程圖線。

表2 調理劑對污泥沉降性能的影響

由表2和圖6可知，原污泥沉降性能較差，SV30為95%，經過鐵鋁鹽單獨調理或與K2SiO3復合投加調理后，污泥沉降性能均有明顯的改善，且復合藥劑調理后污泥沉降性能介于原污泥與單一藥劑調理污泥之間，而單獨投加K2SiO3的對照組污泥沉降性能較原污泥變差。單一藥劑調理時，FeCl3對SV30影響最大，使污泥SV30降至88%，復合藥劑調理時，FeCl3復合K2SiO3調理對SV30影響最大，使SV30降至90%。由此可見，污泥經過調理后沉降性得到較大改善，且K2SiO3的加入會對污泥沉降性能產生不利影響。原因可能是，污泥經鐵鋁鹽調理時通過電中和作用形成的絮體較小且密實，污泥沉降后體積較小，即沉降性能得到改善；而在復合投加K2SiO3時，由于鐵鋁鹽水解呈酸性，與K2SiO3作用形成聚硅酸，聚硅酸高分子鏈具有吸附架橋的作用，使污泥顆粒形成較大的絮體，由于絮體結構松散，具有一定的可壓縮性，所以污泥沉降后體積較單一藥劑調理時污泥體積大，即沉降性能不如單一藥劑調理后的污泥。

圖6 調理后污泥沉降過程曲線

3 結論

(1)在單一藥劑進行污泥調理改善脫水性能時，FeCl3、Fe2(SO4)3、AlCl3、Al2(SO4)3的最佳投藥量分別為4%，8%，8%，6%，且調理效果最優的為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種藥劑分別與2%的K2SiO3復合投加調理污泥后，污泥脫水性能比單一藥劑調理時有較大改善，且4%的FeCl3與2%的K2SiO3復合調理效果最優，使SRF降至1.652×106s2/g，CST降至12.2 s。

(3)調理劑在改善污泥脫水性能時，污泥粘度也會降低，且沉降性能也得到改善，復合投加K2SiO3后對污泥粘度沒有明顯影響，但K2SiO3的使用對污泥沉降性能略有不利影響。