无机混凝剂与壳聚糖联合调理对污泥脱水影响

2017-03-15 08:55:51 3

  生活污水处理过程中产生的大量剩余污泥,颗粒较小,含水率高且脱水性能差,制约着污泥资源化和减量化利用。而化学调理是改善污泥脱水效果应用最广泛的一种手段,其具有操作简便、效果显著的特点。常用的化学调理剂有CaO、聚合氯化铝铁(PAFC)和聚合氯化铝(PAC)等无机混凝剂和PAM等有机高分子混凝剂〔1〕。单一混凝剂调理容易出现投加量过大而使脱水效果下降的现象;而无机混凝剂对过滤速度的提高不如有机混凝剂,但其“骨架”作用却有利于污泥脱水程度的提高〔2〕。因此,2种混凝剂联合调理则成为近年来污泥处理领域的研究热点。另外,因PAM具有生物毒性,难以被生物降解,天然、无毒、易生物降解的高分子絮凝剂壳聚糖(CTS)替代有机合成高分子絮凝剂成为了人们关注的焦点。到目前为止,无机混凝剂与CTS协同作用已在给水净化、海水淡化〔3, 4〕等方面有较多的研究和应用,但在污泥脱水方面的研究还较少。基于此,本研究选取2种无机混凝剂(PAFC、PAC)与CTS联合调理污泥,以期利用壳聚糖的架桥、电中和及螯合作用〔5〕,以及无机混凝剂的“骨架”等作用实现对污泥的高效脱水。

  1 材料与方法

  1.1 污泥样品

  实验所用污泥取自广州市大坦沙污水处理厂浓缩池,该厂处理规模为55万m3/d,采用A2O工艺。实验污泥在分析基本性质后放在4 ℃冰箱中保存,所有污泥均在5 d内使用。污泥的基本性质见表 1。

  1.2 实验材料与仪器

  实验材料:CTS,脱乙酰度≥90%,实验时用体积分数为1%的乙酸溶液配制成1 g/L的壳聚糖溶液,临用前配制。PAC、PAFC,均为工业级。

  实验仪器:ZR4-6型六联混凝搅拌仪,深圳中润水工业技术发展有限公司;比阻装置,自制;WGZ-1型浊度计,上海昕瑞仪器仪表有限公司; Agilent 8453型紫外-可见分光光度计,安捷伦科技有限公司; Nano-2990 Zeta电位分析仪,英国马尔文仪器有限公司; Eye Tech激光粒度粒形分析仪,荷兰安米德有限公司;S-3400N型扫描电子显微镜,日本日立公司。

  1.3 污泥调理

  取200 mL 污泥于烧杯中,启动混凝搅拌仪,迅速加入混凝剂。先于250 r/min 下快速搅拌30 s,再在80 r/min下慢搅5 min。静置30 min后,测定各项指标。每组实验做3个平行,实验数据取其平均值。混凝剂投加量按干污泥量计。

  1.4 分析方法

  以污泥比阻(SRF)和滤饼含水率来评价污泥脱水效果,辅以测定滤液中SCOD和EPS(蛋白质和多糖)来研究调理对污泥脱水效果的影响。

  污泥比阻的测定:取100 mL污泥倒入布氏漏斗,在恒定气压0.04 MPa下真空抽滤,直至滤饼龟裂,真空度破坏时结束。记录抽滤时间和滤液体积,测定滤饼含水率,计算污泥比阻。滤饼含水率采用重量法测定。

  滤液中SCOD、EPS含量的测定:取40 mL污泥,在4 000 r/min的转速下离心30 min后,测定滤液EPS和SCOD含量。SCOD采用标准重铬酸钾法测定;多糖采用蒽酮比色法测定;蛋白质采用考马斯亮蓝法测定。

  2 实验结果与讨论

  2.1 CTS调理对污泥脱水效果的影响

  2.1.1 CTS投加量对污泥脱水效果的影响

  取200 mL污泥,采用不同量的CTS对其进行调理,结果见表 2。

  从表象观察,随着CTS投加量的增加,所形成的絮体增大,上清液增多;但CTS投加超过一定量后,不但不能使污泥形成絮体,反而使污泥混浊,恶化了脱水效果。因此,控制CTS投加量对提高污泥脱水性能较为重要。由表 2可知,污泥比阻、滤饼含水率以及滤液浊度均随着CTS投加量的增加而先减小后增大。当CTS投加量为3.0 mg/g时,污泥比阻比原泥降低了80.6%,滤饼含水率降至78.37%;当CTS投加量为5.0 mg/g时,污泥比阻和滤饼含水率最低,滤液浊度仅为7.2 NTU,此时污泥的脱水性能最好,抽滤仅需41 s;继续增加CTS投加量,污泥比阻、滤饼含水率均有小幅度上升,这是因为过量的CTS会增加污泥絮体间的黏度〔5〕,阻碍絮凝剂分子的完全伸展,减弱了颗粒间的相互碰撞,使污泥混浊,进而影响污泥胶体颗粒的沉降,导致污泥絮凝脱水效果下降。

  2.1.2 CTS投加量对污泥滤液EPS和SCOD的影响

  胞外聚合物(EPS)是微生物代谢过程中分泌的包围在细胞壁外的有机大分子物质,包括多糖、蛋白质、少量DNA和脂类等〔6, 7〕,其组成和浓度直接影响着污泥的表面特性、絮凝沉降性和脱水性能。对污泥采用CTS调理后,滤液中EPS和SCOD浓度的变化如图 1所示。

 图 1 CTS 调理对滤液EPS和SCOD的影响

  从图 1可以看出,污泥滤液EPS中蛋白质和多糖浓度随着CTS投加量的增加呈现先降低后上升的趋势,与污泥比阻的变化趋势一致,说明污泥的脱水性能与污泥中EPS及CTS与EPS的相互作用相关。当CTS投加量为3.0 mg/g时,滤液EPS中蛋白质和多糖质量浓度达到最小,分别为0.14、10.16 μg/mL;继续增加CTS投加量,EPS含量有所上升,相应的污泥脱水性能会有所下降。分析认为,污泥絮体中EPS属于亲水性物质,其通过极性基团吸附水分子,使其表面形成一层水化膜,阻碍颗粒的相互凝结,保持颗粒的稳定性〔8〕。加入CTS后,由于吸附架桥和电中和作用,水化作用及水化膜随之减弱或消失,污泥颗粒脱稳,释放水分子,同时通过絮凝及凝聚作用形成大的絮体,因此,释放到滤液中的EPS含量减少。 CTS投加量增加到一定程度后,继续增加CTS投加量,CTS对蛋白质和多糖的凝集能力减弱,污泥黏度增大,导致混凝作用减弱,滤液EPS含量升高,污泥脱水性变差。

  污泥滤液SCOD含量随CTS投加量的增加持续上升,这可能与EPS溶解和CTS本身也会引起水中有机物含量的增多有关。

  2.2 无机混凝剂与CTS联合调理对污泥脱水效果的影响

  取200 mL污泥,分别采用PAFC、PAC、PAFC+CTS、PAC+CTS对其进行调理,CTS投加量为3.0 mg/g,结果如图 2所示。

 图 2 无机混凝剂与CTS联合调理对污泥比阻和滤饼含水率的影响

  由图 2可知,对于单独使用无机混凝剂调理,污泥比阻和滤饼含水率随着PAFC、PAC投加量的增加呈现先快速降低,再趋于平稳,后略有上升的趋势。当PAFC、PAC投加量为60 mg/g时,PAFC、PAC调理污泥比阻比原泥分别降低了73.2%和77.2%,滤饼含水率分别为77.6%和77.89%。对于无机混凝剂与CTS联合调理,随着无机混凝剂的增多,污泥比阻无明显变化,滤饼含水率则呈小幅减少再升高的趋势。当PAFC、PAC投加量为60 mg/g,CTS投加量为3.0 mg/g时,PAFC+CTS、PAC+CTS调理污泥比阻比原泥分别降低了87.9%和84.9%,滤饼含水率分别为76.3%和76.9%。可以看出,对于污泥脱水,无机混凝剂与CTS联合调理优于单一混凝剂调理。这是因为无机混凝剂水解生成大量疏水性氢氧化物聚合体,可充分发挥其电中和作用,破坏污泥的稳定性;而后加入CTS,在强化电中和的同时,CTS分子上的氨基可以与污泥中金属离子发生螯合,并充分发挥其立体环式结构及尾式结构的桥连作用,使其分子链在已经脱稳的颗粒物之间架桥,增强凝聚能力〔9〕。无机混凝剂与CTS的协同作用使污泥絮体结构发生明显变化,进而提高了污泥脱水性。

  相比于单独使用无机混凝剂调理,采用无机混凝剂与CTS联合调理污泥,要达到相同的脱水效果,无机混凝剂的投加量减少了,减少了剩余污泥的绝干量,也减少了含金属污泥的生成。

  2.3 不同调理条件对污泥微观形态的影响

  不同调理条件对污泥微观形态的影响见表 3,不同调理条件下污泥絮体形态的变化见图 3


 

 图 3 不同调理条件下污泥絮体形态的变化

  由表 3和图 3(a)可知,原泥粒径较小,颗粒排列分散。采用单一PAFC、PAC调理后,污泥平均粒径分别增至18.99、16.81 μm,Zeta电位分别升至-6.06、-5.78 mV(见表 3);调理后絮体呈现较为平坦的均匀的絮状形态,同时也存在孔洞〔如图 3(b)、图 3(c)所示〕,这是因为PAFC、PAC发挥了电中和、吸附架桥的作用。经无机混凝剂调理再投加CTS调理后,污泥平均粒径分别增至59.07、54.69 μm,Zeta电位分别升至-3.20、-3.35 mV(见表 3),联合调理后污泥粒径明显增大,Zeta电位上升。这是由于CTS可以中和颗粒表面的负电荷,减少污泥颗粒间的排斥力,且其又具有较好的吸附架桥作用,可使已脱稳的颗粒迅速形成大的絮体,絮体呈现出不同特点的聚集形态,并具有起伏不平的链网状结构,比单一无机混凝剂调理时团聚性显著增强,孔洞增大〔如图 3(d)、图 3(e)所示〕,所以联合调理具有更好的脱水效果。此外,由表 3还可以看出,相比PAC+CTS调理,PAFC+CTS调理后形成的絮体粒径更大,Zeta电位也更趋于电中性,脱水效果更好。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  (1)单独采用CTS进行污泥调理,当CTS投加量为3.0 mg/g时,CTS的电中和与吸附架桥作用发挥充分,污泥比阻比原泥降低了80.6%,滤饼含水率低至78.37%;当CTS投加量为5.0 mg/g时,污泥比阻和滤饼含水率均为最低,脱水效果最好。

  (2)采用CTS进行污泥调理,滤液中EPS含量随着CTS投加量的增加呈先减少后有所上升的趋势,当CTS投加量为3.0 mg/g时,滤液中EPS含量最低;而滤液中SCOD含量则随着CTS投加量的增加而持续升高。

  (3)采用无机混凝剂与CTS联合调理污泥,污泥絮体团聚性显著增强,粒径增大,脱水效果明显优于单一无机混凝剂。当无机混凝剂PAFC和PAC投加量分别为60 mg/g ,CTS投加量为3.0 mg/g时,污泥比阻比原泥分别下降了87.90%和84.93%,滤饼含水率降至76.3%和76.9%。其中,PAFC与CTS联合调理污泥形成的絮体更大,Zeta电位也更趋于电中性,效果更佳。

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