木屑對(duì)印染污泥過(guò)濾脫水的調(diào)理作用及其機(jī)理研究
行業(yè)動(dòng)態(tài)
印染污泥有機(jī)含量高且組分復(fù)雜，通常含有大量的染料、助劑、表面活性劑和重金屬，如不妥善處置，容易對(duì)環(huán)境造成二次污染。污泥脫水是污泥處置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前對(duì)印染污泥處理處置的常用方式是通過(guò)壓濾脫水后進(jìn)行焚燒處置。由于污泥脫水性能差，脫水困難，使得脫水后的泥餅量大且含水率高，增加了后續(xù)處理處置成本。通過(guò)調(diào)理改善印染污泥的過(guò)濾脫水性能，實(shí)現(xiàn)污泥的深度脫水，進(jìn)一步降低泥餅的含水率和泥餅的產(chǎn)量，是降低污泥處置成本的有效途徑。
眾多研究者將一些通常稱為物理調(diào)理劑的惰性材料摻到污泥中進(jìn)行調(diào)理，使其能在污泥中作為骨架構(gòu)建體形成出水通道，從而提高污泥脫水性能。含碳材料褐煤、煤粉、礦物廢物飛灰、石膏、硅藻土等，生物廢棄物如稻殼、甘蔗渣、木屑和麥渣等都被用作調(diào)理劑調(diào)理污泥，研究表明均能一定程度提高污泥脫水性能。
木屑作為農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)物，具有吸附、助濾和助燃等作用，在環(huán)境污染治理中具有廣泛的應(yīng)用前景。研究表明，木屑作為污泥處理助濾劑，有利于污泥處理效果，增加污泥的燃燒熱值。Liu等用木屑調(diào)理污泥進(jìn)行壓濾脫水，發(fā)現(xiàn)木屑有利于泥餅的自然干化，同時(shí)提高了泥餅的熱值，有利于污泥焚燒處置。Li等將木屑摻在污泥中，研究其對(duì)污泥干化過(guò)程的影響，結(jié)果表明木屑能夠增加泥餅空隙和水分散失的通道，從而提高污泥的干化速度。姚尚安等利用木屑調(diào)理污泥，用自制的壓濾裝置對(duì)污泥進(jìn)行二次脫水，結(jié)果表明木屑調(diào)理能顯著降低泥餅的含水率。
投加木屑能改善污泥的過(guò)濾脫水過(guò)程，其對(duì)泥餅的骨架構(gòu)建作用得到充分肯定，但現(xiàn)有文獻(xiàn)均以降低過(guò)濾比阻和降低泥餅的含水率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從未提及木屑作為助濾劑對(duì)過(guò)濾得到的泥餅質(zhì)量的影響。本文以木屑作為物理調(diào)理劑，單獨(dú)或結(jié)合FeCl3和CaO進(jìn)行試驗(yàn)，以污泥比阻、泥餅含水率和泥餅質(zhì)量變化率為指標(biāo)，研究木屑單一調(diào)理以及FeCl3-木屑、CaO-木屑聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥脫水性能的影響。結(jié)合SEM觀察和污泥可壓縮性變化，探究木屑調(diào)理的動(dòng)力學(xué)因素，從污泥與木屑混合物的吸水平衡原理，分析木屑在污泥脫水過(guò)程中的熱力學(xué)因素，從正反兩個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)木屑對(duì)印染污泥過(guò)濾脫水的作用。
1 材料與方法
1.1 材料
供試污泥取自寧波市華美線業(yè)有限公司污水處理站生化池，取回放于實(shí)驗(yàn)室靜置濃縮。濃縮污泥置于4℃冰箱冷藏，防止變質(zhì)，測(cè)定污泥中的含水率、揮發(fā)性固體懸浮物（VSS）質(zhì)量濃度、pH、總懸浮固體（TSS）質(zhì)量濃度、比阻（SRF）等指標(biāo)，測(cè)定結(jié)果如下：
含水率（%） | VSS（g/L） | pH | TSS（g/L） | SRF（109s2/g） |
98.79～98.88 | 8.99～9.09 | 6.7～7.1 | 11.4～12.1 | 2.38～2.53 |
材料與試劑：木屑（松木木屑，粉碎后過(guò)篩得到粒徑在0.125～0.425mm之間的顆粒）、FeCl3（分析純）、CaO（分析純）。
1.2 儀器
污泥比阻測(cè)定裝置，JJ-4A型六聯(lián)同步自動(dòng)升降攪拌機(jī)，BSA224S-CW型電子天平，TM-3000臺(tái)式掃描電鏡，DZF真空干燥箱，秒表，溫度計(jì)。
1.3 方法
試驗(yàn)前先從冰箱內(nèi)取一定量污泥靜置升至室溫，每次取300mL污泥于500mL燒杯中，按一定干基比（調(diào)理劑與污泥中干固體的比例）加入調(diào)理劑，攪拌混勻，分3組進(jìn)行比阻測(cè)定試驗(yàn)，取其中數(shù)值較接近2組試驗(yàn)結(jié)果的平均值。稱取泥餅質(zhì)量，然后測(cè)定其含水率，再將干燥的泥餅置于掃描電鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)。
泥餅含水率測(cè)定采用重量差法，將泥餅放入干燥的表面皿中，置于105℃烘箱內(nèi)干燥2h，取出待冷卻后稱取質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量差計(jì)算出其含水率。
2 結(jié)果與分析
2.1 單一調(diào)理
2.1.1 FeCl3實(shí)驗(yàn)
配制500mL質(zhì)量濃度為100g/L的FeCl3溶液，按干基比投加至污泥中，對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，攪拌均勻后進(jìn)行污泥比阻試驗(yàn)，分別測(cè)定污泥比阻、泥餅含水率并計(jì)算泥餅的質(zhì)量變化率。
未調(diào)理污泥的比阻為2.45×109s2/g，泥餅含水率為85.87%。FeCl3調(diào)理污泥后，污泥比阻和泥餅含水率下降明顯。FeCl3的投加量為3%DS時(shí)，污泥比阻下降至1.32×109s2/g，泥餅含水率下降至78.05%，脫水性能得到改善。同時(shí)泥餅質(zhì)量減少了25.52%，質(zhì)量顯著減少，實(shí)現(xiàn)了污泥減量化。繼續(xù)增加投加量，污泥比阻和泥餅含水率下降不明顯，泥餅的質(zhì)量減少率沒(méi)明顯提高，說(shuō)明FeCl3投加量為3%DS，污泥調(diào)理作用已經(jīng)達(dá)到較理想的效果。
2.1.2 CaO實(shí)驗(yàn)
按上述試驗(yàn)步驟，投加CaO粉末調(diào)理污泥，進(jìn)行比阻試驗(yàn)。投加CaO于污泥中與水反應(yīng)放熱，提高溫度能降低液體的黏度，從而提高了污泥脫水速率，降低污泥比阻，CaO投加量為60%DS時(shí)，污泥比阻從2.45×109s2/g降至0.95×109s2/g，泥餅含水率從85.87%降至73.21%。然而由于CaO投加于污泥中，形成微溶于水的Ca(OH)2，從而增加了泥餅的質(zhì)量；投加60%DS CaO，泥餅質(zhì)量增長(zhǎng)了6.68%。增加CaO的投加量時(shí)，泥餅質(zhì)量繼續(xù)增長(zhǎng)，且質(zhì)量增長(zhǎng)更加明顯。CaO投加量增加至100%DS時(shí)，污泥比阻降至0.62×109s2/g，泥餅含水率降至70.03%。泥餅質(zhì)量增加16.40%。大量的CaO會(huì)吸收大量的水分，從而顯著增加泥餅的質(zhì)量。
2.1.3 木屑實(shí)驗(yàn)
按一定干基比投加木屑調(diào)理污泥，進(jìn)行比阻試驗(yàn)。
投加木屑調(diào)理污泥能降低污泥比阻和泥餅含水率。當(dāng)木屑投加量為60%DS時(shí)，污泥比阻下降至1.91×109s2/g，泥餅含水率下降至75.67%，污泥脫水性能得到改善，當(dāng)繼續(xù)增加投加量至100%DS時(shí)，比阻和含水率分別降至1.79×109s2/g和74.29%，下降幅度有所降低。隨著木屑投加量增加，泥餅增長(zhǎng)幅度越來(lái)越大。投加60%DS木屑，泥餅質(zhì)量增長(zhǎng)了10.74%；投加100%DS木屑時(shí)，泥餅質(zhì)量增長(zhǎng)了28.24%。這是由于木屑本身吸水，吸收的水分很難被脫除，投加過(guò)多的木屑使得脫除的水分減少，含水率下降不明顯。
2.2 聯(lián)合調(diào)理
2.2.1 FeCl3-木屑實(shí)驗(yàn)
一般認(rèn)為，物理與化學(xué)聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥的過(guò)濾脫水作用更好。試驗(yàn)先投加3%DS的FeCl3對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，然后再分別投加一定量的木屑，對(duì)污泥進(jìn)行二次調(diào)理，攪拌均勻后進(jìn)行污泥比阻試驗(yàn)。
FeCl3和木屑聯(lián)合調(diào)理具有協(xié)同作用，對(duì)污泥比阻和泥餅含水率的降低作用更顯著。投加3%DS FeCl3和60%DS木屑聯(lián)合調(diào)理時(shí)，污泥比阻降至0.87×109s2/g，比未調(diào)理的污泥降低了64.49%；泥餅含水率降至73.32%，比未調(diào)理污泥降低了12.55%，與單一木屑或FeCl3調(diào)理相比，FeCl3-木屑聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥脫水性能作用更優(yōu)。同時(shí)由于木屑吸水，導(dǎo)致污泥中可脫除的水分減少，使得泥餅質(zhì)量增加，削弱了FeCl3對(duì)污泥的減量作用，投加60%DS木屑調(diào)理后，比FeCl3單獨(dú)調(diào)理的泥餅的質(zhì)量增加了13.42%；投加100%DS木屑，泥餅的質(zhì)量增加了21.26%。
2.2.2 CaO-木屑實(shí)驗(yàn)
根據(jù)CaO對(duì)污泥的調(diào)理結(jié)果，也同時(shí)考慮到CaO投加量過(guò)多會(huì)使泥餅增加，先投加60%DS CaO對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，然后再投加一定量的木屑對(duì)污泥進(jìn)行二次調(diào)理試驗(yàn)，研究聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥脫水性能的影響。
CaO-木屑聯(lián)合調(diào)理能顯著降低污泥比阻和泥餅含水率。當(dāng)CaO和木屑的投加量都為60%DS時(shí)，污泥比阻降至0.58×109s2/g，比未調(diào)理的污泥降低了76.33%；泥餅含水率降至68.56%，比未調(diào)理污泥降低了21.29%，含水率下降明顯。當(dāng)木屑投加量為100%DS時(shí)，污泥比阻下降至0.49×109s2/g，泥餅含水率下降至67.04%。由于CaO和木屑都會(huì)吸收水分，導(dǎo)致污泥泥餅的質(zhì)量顯著增加。CaO和木屑投加量均為60%DS時(shí)，泥餅質(zhì)量增長(zhǎng)11.16%，木屑投加量為100%DS時(shí)，泥餅質(zhì)量增長(zhǎng)24.35%。
3 討論
FeCl3可通過(guò)壓縮雙電子層、網(wǎng)捕、架橋等作用，將污泥顆粒聚集起來(lái)，形成大絮團(tuán)，擠出顆粒間的間隙水，提高污泥的脫水性能。CaO通過(guò)提高污泥的pH和水解放熱，破壞以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的細(xì)胞壁和酶、酸性RNA、碳水化合物等細(xì)胞組織和油脂，并釋放少量細(xì)胞內(nèi)部水，同時(shí)石灰在污泥中形成多孔網(wǎng)格狀骨架，改善污泥的過(guò)濾性能。
木屑作為一種物理助濾劑，主要作用在于構(gòu)建骨架，與前兩者明顯不同，可從SEM觀察中得到解釋，其對(duì)印染污泥進(jìn)行單一或聯(lián)合調(diào)理的作用機(jī)理，可從以下方面進(jìn)行討論。
3.1 泥餅結(jié)構(gòu)SEM觀察
將干燥后的泥餅預(yù)置于掃描電鏡下，觀察它們的微觀結(jié)構(gòu)，從微觀角度分析調(diào)理機(jī)理。
污泥在抽濾過(guò)程中，水分不斷減少，污泥底部逐漸形成一層泥餅，隨著脫水過(guò)程的進(jìn)行，泥餅越來(lái)越致密，出水通道越來(lái)越小，導(dǎo)致出水越來(lái)越困難。未調(diào)理污泥的泥餅致密，沒(méi)有任何通道。FeCl3和CaO調(diào)理過(guò)的污泥泥餅仍舊致密，沒(méi)有形成任何通道。投加木屑調(diào)理污泥時(shí)，因?yàn)槟拘记度胛勰嘀校l(fā)揮骨架構(gòu)建作用，提供了許多的通道。同時(shí)木屑本身具有一定強(qiáng)度，降低污泥可壓縮性，使污泥在壓縮過(guò)程中不易變形，保持泥餅通透性。木屑調(diào)理污泥的泥餅疏松，形成許多通道，從而改善污泥脫水性能。
3.2 泥餅的可壓縮性
泥餅可壓縮性是用來(lái)表征污泥物理結(jié)構(gòu)是否結(jié)實(shí)。低可壓縮性意味著污泥結(jié)實(shí)，在壓縮過(guò)程中不易變形，不易導(dǎo)致污泥致密堵塞出水孔道，可滲透性強(qiáng)。
原污泥的可壓縮性系數(shù)（可壓縮性系數(shù)就是反應(yīng)污泥可壓縮性能的指標(biāo)）為1.18，木屑調(diào)理的污泥可壓縮性系數(shù)降低至0.98。原因是木屑顆粒堅(jiān)硬，與污泥顆粒結(jié)合提高了污泥的抗壓強(qiáng)度，從而降低了污泥的可壓縮性。此外FeCl3-木屑聯(lián)合調(diào)理的污泥可壓縮性系數(shù)為0.85，CaO與木屑聯(lián)合調(diào)理污泥時(shí)，污泥可壓縮性降低至0.73。
3.3 泥餅的吸水平衡
印染污泥中投加木屑后形成混合污泥，過(guò)濾脫水后得到的是混合泥餅。物理調(diào)理劑并不能改變印染污泥顆粒的性質(zhì)，混合泥餅中木屑與污泥顆粒在一定壓力下各自保持吸水平衡，平衡狀態(tài)下木屑的飽和含水率低于污泥的含水率，導(dǎo)致混合泥餅的飽和含水率介于兩者之間。
木屑調(diào)理降低了泥餅含水率，但以泥餅質(zhì)量顯著增加為代價(jià)，這顯然不利于污泥的減量化。含水率降低的實(shí)質(zhì)是木屑投加使得泥餅中的固體質(zhì)量增加，而并非是因?yàn)槟拘颊{(diào)理使得更多的水分被脫除，相當(dāng)于采用木屑對(duì)印染污泥進(jìn)行一定程度的稀釋作用。
其他物理助濾劑如褐煤、粉煤灰、石膏、稻殼等對(duì)污泥的調(diào)理作用與木屑一樣，也只起到骨架構(gòu)建作用，加速污泥的過(guò)濾速度，雖然能降低污泥的含水率，但并非是因?yàn)槎嗝摮宋勰嘀械乃?，而僅僅是因?yàn)橥都拥恼{(diào)理劑在污泥中起到稀釋作用，而泥餅質(zhì)量反而是增加的，無(wú)法達(dá)到污泥減量的效果。
4 結(jié)論
通過(guò)試驗(yàn)研究和機(jī)理分析，驗(yàn)證木屑助濾劑對(duì)印染污泥脫水過(guò)程具有正反兩方面的作用：
（1）木屑助濾劑作為骨架構(gòu)建劑能起到良好調(diào)理作用，能有效降低污泥比阻，改善污泥的脫水性能，提高污泥的脫水速度。當(dāng)木屑投加量為干固體的100%時(shí)，污泥比阻2.45×109s2/g降至1.79×109s2/g。聯(lián)合調(diào)理投加量分別為3%DS FeCl3-100%DS木屑、60%DS CaO-100%DS木屑時(shí)，比阻分別降至0.93×109s2/g、0.49×109s2/g。
（2）木屑調(diào)理能夠降低泥餅含水率，但以泥餅質(zhì)量顯著增大為代價(jià)，不利于污泥減量化。當(dāng)木屑投加量為干固體的100%時(shí)，含水率從85.87%降至74.29%，但泥餅質(zhì)量增加28.24%。聯(lián)合調(diào)理投加量分別為3%DS FeCl3-100%DS木屑、60%DS CaO-100%DS木屑時(shí)，泥餅含水率分別降至69.18%和67.04%，泥餅的質(zhì)量分別增加了21.26%和24.35%。
