聚合硅酸鋁鐵的制備及其對污泥的調(diào)理改性研究

陳 濤,徐汝民,汪 軍,陳 斌,楊 明,劉 程

(1.安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司,安徽 合肥 230009;2.污泥處理處置合肥市技術(shù)創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230009;3.安徽省市政污泥處置與資源化利用工程研究中心,安徽 合肥 230009)

1 前言

隨著我國城市及農(nóng)村污水收集管網(wǎng)和污水處理設(shè)施逐步完善,市政污泥產(chǎn)量也隨之遞增。據(jù)統(tǒng)計,我國當前市政污泥年產(chǎn)量已超過6 000萬t,且每年仍以10%～20%的增長率增加,預(yù)計2025年將超過8 000萬t(以80%含水率計),已然成為僅次于生活垃圾的第二大固體廢棄物[1]。市政污泥如得不到妥善處理,將會在短時間內(nèi)腐敗發(fā)臭,滋生蚊蠅、傳播疾病,嚴重污染生態(tài)環(huán)境和危害人體健康。然而市政污泥的高含水率和難脫水屬性限制了污泥處理處置途徑[2-3]。研究表明施加金屬鹽類調(diào)理劑能夠顯著降低泥質(zhì)比阻,大幅度改善泥質(zhì)的脫水性能,提高泥餅含固率[4-6]。山東大學張經(jīng)禎[7]為提高脫水污泥的含固率,采用Na2SiO3和鐵鹽復(fù)配用于脫水污泥的二次脫水,結(jié)果表明Na2SiO3在鐵鹽作用下能進一步改善并提高污泥脫水性能。楊凡[8]發(fā)現(xiàn)Na2SiO3與鐵鹽(鋁鹽)復(fù)配調(diào)理的污泥脫水效果相比單一藥劑調(diào)理效果有顯著改善,原污泥經(jīng)其改性后的pH值和黏度均有所下降,疏水性能增強,沉降性能也得到改善。研究以硅酸鈉、鐵銹和硫酸鋁為原料,通過聚合反應(yīng)將硅酸鈉、鐵銹和硫酸鋁制備得到聚合硅酸鋁鐵。探究了聚合硅酸鋁鐵的微觀結(jié)構(gòu),采用毛細管吸收時間測定儀測定污泥的CST值,采用液壓機模擬板框壓濾機進行壓濾脫水,測定壓濾后泥餅的含水率,以此反映通過聚合反應(yīng)所制備的聚合硅酸鋁鐵對污泥脫水性能的影響。

2 試驗

2.1 材料與儀器

試驗試劑。硅酸鈉Na2SiO3·9H2O(分析純)、硫酸鋁Al2(SO4)3(分析純)、硫酸(優(yōu)級純)。

試驗材料。市政污泥采集于安徽省無為市污泥處理處置中心。鐵銹采集于安徽省通源環(huán)保科技有限公司,其中雜質(zhì)含量約占18%。污泥的基本性質(zhì)見表1。

表1 污泥的基本性質(zhì)

試驗儀器與設(shè)備。日本島津AUY220電子天平,美國哈希LA-pH10實驗室pH計;南京舜瑪儀器設(shè)備有限公司SM-1000A超聲波細胞粉碎儀;常州同創(chuàng)實驗儀器廠HCJ-4D磁力攪拌水浴鍋;金壇市城東盛聯(lián)實驗儀器廠JJ-4六聯(lián)電動攪拌器;德國蔡司場發(fā)射掃描電子顯微鏡;上海精其儀器有限公司JQZL-CST毛細管吸收時間測定儀;冠喆機械上海有限公司10T帶表壓機;北京永光明醫(yī)療儀器有限公司101型電熱鼓風干燥機。

2.2 試驗檢測指標

毛細管吸收時間測定儀記錄污泥中的自由水在特制毛細濾紙上滲透7 mm距離間隔所需的時間,此值記錄為CST值,單位s。它的大小與所測液體的固有屬性直接相關(guān),CST 值反映污泥脫水的難易程度,一般情況下CST值越低,污泥越容易脫水[9]。

壓濾后泥餅含水率參照CJ/T 221《城市污水處理廠污泥檢驗方法》嚴格進行。

2.3 聚合硅酸鋁鐵的制備試驗

硅酸鈉溶于100 mL純水中,采用濃度20%的硫酸溶液將硅酸鈉溶液的pH值調(diào)至2。后將經(jīng)800 ℃高溫煅燒后的鐵銹溶于濃度 20%的硫酸溶液,過濾除去雜質(zhì),得到硫酸鐵溶液,并將硫酸鐵溶液與硅酸鈉溶液混合均勻;向上述硅酸鈉與硫酸鐵的混合液中添加硫酸鋁,攪拌溶解混合均勻,控制混合液中m(Si) ∶m(Fe) ∶m(Al)≈1 ∶3 ∶1。而后在超聲波細胞破碎儀中勻化處理15 min,取出置于恒溫水浴鍋中70 ℃磁力攪拌2 h。樣品冷卻后置于聚乙烯塑料瓶中封閉陳化24 h,即可制得聚合硅酸鋁鐵。

2.4 聚合硅酸鋁鐵的污泥調(diào)理改性試驗

稱取150 g的新鮮市政污泥6份,分別置于燒杯中,其中加入240 mL純水,編號分別為1、2、3、4、5、6,此時市政污泥含水率均為95%。分別向6個燒杯中添加0、10、12、14、16、18 mL的聚合硅酸鋁鐵調(diào)理劑,置于全自動攪拌器500 r/min快速攪拌10 min,隨后100 r/min慢速攪拌30 min。采用毛細管吸收時間測定儀記錄污泥CST值,采用壓機1 MPa穩(wěn)定壓濾5 min,測定壓濾后泥餅含水率。

2.5 聚合硅酸鋁鐵的協(xié)同效應(yīng)驗證試驗

稱取150 g的新鮮市政污泥3份,分別置于燒杯中,其中加入240 mL純水,使其含水率為95%,記編號為1、2、3。其中1、2、3號樣分別作如下處理:1號樣加入12 mL聚合硅酸鋁鐵(選擇此添加量的原因是試驗1.4中的最佳添加量);2號樣加入硅酸鈉1.35 g 、鐵銹0.69 g和硫酸鋁0.84 g,并加入12 mL純水,原因是12 mL聚合硅酸鋁鐵理論含有硅酸鈉1.35 g 、鐵銹0.69 g和硫酸鋁0.84 g;3號樣加入12 mL純水。3個燒杯分別置于全自動攪拌器500 r/min快速攪拌10 min,隨后100 r/min慢速攪拌30 min。測定CST值和壓濾后泥餅含水率。

3 結(jié)果與分析

3.1 聚合硅酸鋁鐵的掃描電鏡分析

圖1(a)、圖1(b)分別為聚合硅酸鋁鐵粉末在500和3 000放大倍數(shù)下的SEM圖。圖1(a)聚合硅酸鋁鐵呈大小不同的三維凝膠團聚結(jié)構(gòu),粒徑范圍在10～200 μm之間,表面不規(guī)則,有顆粒感,基本維持圓形或者橢圓形結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)緊湊。圖1(b)聚合硅酸鋁鐵局部表面不規(guī)則,孔隙復(fù)雜且深淺不一,凸起與凹陷明顯,厚薄不一,部分孔隙之間存在片狀架橋。造成此現(xiàn)象的原因是活化硅酸的加入,使得疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和分支粘結(jié)形成了致密的膠體粒子,該膠體粒子受到外界擾動的不同導致粒徑不均。該膠體粒子性能穩(wěn)定,團聚能力強,能夠顯著增強混凝劑的混凝效果[10-11]。

圖1 聚合硅酸鋁鐵的掃描電鏡圖

3.2 聚合硅酸鋁鐵的調(diào)理改性分析

不同添加量的聚合硅酸鋁鐵調(diào)理后的污泥CST值和泥餅含水率曲線見圖2,市政污泥中隨著聚合硅酸鋁鐵添加量的增加,其CST值和壓濾后泥餅的含水率均出現(xiàn)先減后增的現(xiàn)象,其中3號樣添加12 mL的聚合硅酸鋁鐵對污泥脫水具有最大程度的促進作用,其CST值和泥餅含水率相較1號樣分別下降53.12%和9.40%,表明聚合硅酸鋁鐵對污泥脫水具有促進作用。該研究總體趨勢與吳煒[12]和Du[13]的研究成果一致。造成此現(xiàn)象的原因可能是過量的聚合硅酸鋁鐵改變了污泥的pH值,破壞了微生物的外在環(huán)境,胞外聚合物分解過度,富含親水基團的多糖分子(羥基、羧基)大量溢出,導致絮凝體的親水性能再次提高,從而抑制污泥脫水[14]。劉康安[15]通過實驗分析,認為帶Fe3+或Al3+的污泥調(diào)理劑投加量并非越多越好,在恰當?shù)姆秶鷥?nèi)可達到最佳的調(diào)理效果。當Fe3+或Al3+投加適量,其正電荷中和了污泥表面的負電荷,導致污泥表面同性電荷斥力減少,污泥顆粒團聚形成較大絮體,且絮體緊密壓縮,間隙水分得到釋放,沉降性能得到提高。當Fe3+或Al3+過量投加,帶負電荷的污泥表面顆粒吸附較多Fe3+或Al3+轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姾?導致污泥Zeta電位再次升高,污泥顆粒之間斥力再次增大,從而引發(fā)CST和壓濾后泥餅含水率再次上升。

圖2 不同添加量的聚合硅酸鋁鐵的污泥CST和含水率曲線

3.3 聚合硅酸鋁鐵的協(xié)同效應(yīng)分析(表2)

表2 協(xié)同效應(yīng)分析參數(shù)

由表2可知,1號樣的CST值和壓濾后泥餅的含水率顯著低于2號樣,其中CST值下降28.00%,壓濾后泥餅的含水率下降5.55%,說明硅酸鈉、鐵銹和硫酸鋁之間通過聚合反應(yīng)生成的聚合硅酸鋁鐵對污泥脫水的性能相比于硅酸鈉 、鐵銹和硫酸鋁直接調(diào)理效果更佳。其原因是硅酸鈉作為載體和助凝劑,使得硅酸鈉、鐵銹和硫酸鋁之間產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng),生成了更加緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)分子量更大,絮凝架橋能力更強[16]。

4 結(jié)論

聚合硅酸鋁鐵呈三維團粒結(jié)構(gòu),大小不均,有顆粒感,結(jié)構(gòu)密實,表面粗糙,凸起與突出明顯。聚合硅酸鋁鐵對市政污泥進行調(diào)理改性,其添加量直接影響調(diào)理后污泥的CST值和壓濾后泥餅的含水率。添加12 mL的聚合硅酸鋁鐵對污泥脫水具有最大程度的促進作用,其壓濾后泥餅含水率小于60%。其CST值和泥餅含水率較空白樣分別下降53.12%和9.40%。硅酸鈉、鐵銹和硫酸鋁之間通過聚合反應(yīng)產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng),生成的聚合硅酸鋁鐵對污泥脫水的性能相比于硅酸鈉、鐵銹和硫酸鋁直接調(diào)理效果更佳。