增强垃圾渗滤液处理厂污泥脱水性能的研究

摘 要: 以污泥比阻( SＲF)、毛细吸水时间(CST)、Zeta 电位作为污泥脱水性能的评价指标，对显著影响污泥脱水性能的絮凝剂的添加条件进行优化，并结合傅里叶转换红外光谱(FTIＲ)对污泥脱水机理进行阐述。结果表明， 最佳投加条件下，相比 PAM 和 FeCl₃ 联用，PAM 和 Al₂ ( SO₄ )₃ 联用对污泥脱水性能更好。投加比为:6 mL 的污 泥投加1 mL 的 0． 77% PAM 联用 6 mg Al2 ( SO4 )3，此条件下，SＲF 由 3． 49 × 1011m /kg 降至 0． 2 × 1011m /kg，CST 由 30． 2 s 降至 11． 5 s，Zeta 由 － 21． 2 mV 升至 － 6． 4 mV。FTIＲ 光谱研究也从机理上表明，PAM、Al^{3 +} 、Fe^{3 +} 能够与 污泥的 O—H 等官能团相互作用，并且在最佳投加条件下，PAM 与 Al₂ ( SO₄ )₃ 联用在 3 284． 23 cm － 1 处的红外吸 收峰峰值明显高于 PAM 与 FeCl₃ 联用的红外吸收峰峰值。研究证明，此方法可提高西安市江村沟垃圾填埋场污 泥脱水性能。

关键词: 污泥脱水性能;毛细吸水时间;污泥比阻;Zeta 电位;FTIＲ 光谱

西安市江村沟垃圾填埋场长期运行以来，对渗滤液剩余污泥采取超滤、污泥浓缩、PAM 脱水、外运处理，该法也是目前国内对渗滤液污泥处理的常用方法之一。现有污泥脱水处理手段众多，主要有热处理、冻结和解冻、生物水解、絮凝、超声波预处理以及臭氧处理等，但这些方法存在污泥脱水难、费用高等问题。

该厂经 PAM 脱水后的剩余污泥含水量仍高达75% ，不满足填埋要求，为解决该问题，本研究将沿用 PAM，并分别联用两种不同絮凝剂的方法，以污泥比阻(SＲF)、毛细吸水时间(CST)、Zeta 电位作为污泥脱水性能的评价指标对显著影响污泥脱水性能的絮凝剂的添加条件进行优化以进一步提高污泥的脱水性能，优化西安市江村沟垃圾填埋场渗滤液污泥脱水方案。

1 实验部分

1． 1 材料与仪器

剩余污泥、阳离子 PAM ( 溶 液 质 量 浓 度 为0． 77% )溶液均取自于西安市江村沟垃圾渗滤液处理厂;FeCl₃ (质量分数 38% )、Al₂ ( SO₄ )₃ (质量分数87% )均为工业品。 304B CST 测定仪;DHG-9023A 恒温鼓风干燥箱;B-88 循环水真空泵;Zeta 电位仪(JS94 K 型微电泳仪);FTIＲ-650 红外光谱仪。

1． 2 实验方法取

200 mL 垃圾渗滤液剩余污泥于 250 mL 烧杯中，按 0． 77% PAM 絮凝剂体积/污泥体积为 1 /6，加 入 0． 77% 的阳离子 PAM，置于搅拌机上，先快速搅拌(150 r/min)30 ～ 60 s，后慢速搅拌(50 r/min)3 ～ 5 min。分别经滤纸润湿、蒸馏水稀释、抽滤、烘干等条件下测毛细吸水时间、Zeta 电位、污泥比阻、FTIＲ光谱各项指标。

1． 3 性能测试

1.3.1 污泥毛细吸水时间 ( CST)

分别取 50 mL 经 PAM、FeCl3、Al2 ( SO4 )3 调理过的污泥和空白污泥，倒入直径为 15 mm 的玻璃圆柱，滤纸润湿半径20 mm 所用时间为 CST。

1.3.2 Zeta 电位

取一定量的调理后污泥，用蒸馏水稀释 100 倍，用 Zeta 电位仪测量。

1.3.3 污泥比阻( SＲF)

取 50 mL 调理后的污泥样品于直径 150 mm 的布氏漏斗，进行抽滤。记下过滤时间 t(s)和滤液体积 V(m³)，利用 t /V 对 V 作曲线，该曲线的斜率为 b。根据下式(1)计算 SＲF。

1.3.4  FTIＲ 光谱

取空白和调理后污泥50 mL，在 80 ℃下烘干，研磨成粉状，在 FTIＲ 光谱仪上测定。

2 结果与讨论

2． 1 PAM 对污泥脱水性能的影响

表 1 为 PAM 投加体积比对污泥脱水性能的影响，污泥体积为 200 mL。

由表 1 可知，在投加 PAM 之前，CST 显示为395． 9 s，SＲF 为 3． 49 × 1011 m /kg( ＞ 1． 0 × 1011 m /kg即为难脱水污泥)，Zeta 电位为 － 28． 4 mV。由于污泥是由带负电荷的颗粒组成。开始阶段，随着阳离子 PAM 投加比的增加，一方面由于 PAM 的絮凝作用;另一方面由于正电荷的引入，使得污泥间的静电斥力不断减小，更有利于絮体的形成，因此污泥的CST与 SＲF下降较为明显。当 PAM 体积投加比为 1 /6，渗滤液剩余污泥的 CST 和 SＲF 达到最小值，分别为 30． 2 s、0． 22 × 1011 m /kg ( ＜ 1． 0 × 1011m /kg)，Zeta 电位为 － 21． 2 mV。当 PAM 体积投加比增大到 1 /5 时，污泥的 CST、SＲF 出现回升，此时可能由于过量的 PAM 而增大活性污泥颗粒表面的粘度，从而不利于水分子的分离，使得污泥表面的自由水减少。在整个反应过程中由于阳离子 PAM投加体积比不断增加，使得污泥颗粒表面引入的阳离子不断增加，因此 Zeta 电位不断增加，但是 Zeta电位的过分增大并不能使得污泥絮体更好的脱水。因此，从药剂节省和脱水性能优化两方面综合考虑，确定 PAM 最佳投加比为 1 /6。

2.2 PAM 投加比为 1 /6 时，FeCl₃ 溶液投加量对污泥脱水性能的影响见表 2，先加入的阳离子 PAM 对污泥进行电荷中和作用，使污泥胶体脱稳。在开始阶段，一方面投加 FeCl₃ 发挥絮凝的作用，形成污泥絮团，在此过程中，部分结合水被转化为自由水，使得污泥中自由水的含量升高;另一方面，由于正电荷的引入也使得 Zeta 电位不断增大，污泥间的静电斥力不断减小，更利于絮体的形成。因此，开始阶段污泥表面的 CST 和 SＲF 不断减小，当 FeCl₃ 投加量为 1 mL 时 CST 和 SＲF 达到最小值，分别为12． 0 s、0． 20 × 1011 m /kg。随后继续增加 FeCl₃ 的投加量，反而导致污泥的 CST 与 SＲF 回升，但是随着阳离子的不断引入，后阶段的 Zeta 电位也是呈上升趋势，此时由于 Fe^{3 +} 与 PAM 中阳离子基团同电相斥，使得污泥颗粒间排斥作用加大，絮体难以凝聚，不利于污泥脱水。从药剂节省和脱水性能优化两方面综合考虑，确定 FeCl3 最佳投加量为每毫升污泥中投加 1 mL。

2.3 PAM 投加比为 1 /6 时，Al₂ ( SO₄ ) ₃ 溶液投加量对污泥脱水性能的影响如表 3 所示，先加入的阳离子 PAM 对污泥进行电荷中和作用，使污泥胶体脱稳。在开始阶段，一方面，投加 Al₂ ( SO₄ )₃ 发挥絮凝的作用，形成污泥絮团。在此过程中，部分结合水被转化为自由水，使得污泥中自由水的含量升高;另一方面由于正电荷的引入，也使得 Zeta 电位不断增大，污泥间的静电斥力不断减小，更利于絮体的形成。当 Al₂ ( SO₄ )₃投加量为 1 mL 时，CST 和 SＲF 达到最小值，分别为 11． 5 s、0． 21 × 1011 m /kg，随后继续增加 Al₂ ( SO₄ )₃ 的投加量，反而导致污泥的 CST 与 SＲF 回升。由于 Al^{3 +} 与 PAM 中阳离子基团同电相斥，使得污泥颗粒间排斥作用加大，絮体难以凝聚。但是后阶段的 Zeta 电位随着阳离子的不断引入仍然呈上升趋势。从药剂节省和脱水性能优化两方面综合考虑，确定 Al₂ ( SO₄ )₃ 最佳投加量为每毫升污泥中投加 1 mL。

2.4 污泥 FTIＲ 光谱分析

PAM、PAM 和 FeCl3 最佳投加比联用、PAM 和 Al2 (SO4 )3 最佳投加比联用，分别处理污泥，不同投加条件下剩余污泥傅里叶转换红外光谱图见图 1。

1． 原污泥;2． PAM 最佳投加量的污泥;3． PAM 和 FeCl3 最佳投加比的污泥;4． PAM 和 Al2 (SO4 )3 最佳投加比的污泥

由图 1 可知，相比较原污泥，不同投加条件下， 在 3 284． 23，1 646． 94，1 517． 73 cm － 1处(分别对应于 O—H 的伸缩振动带和 PAM 官能团C ＝O、C—N的伸展带，官能团和 Gulnaz 等、Laurent 等的报道相似)吸收峰逐渐增强，表明在剩余污泥中投加最佳投加量 的 PAM、PAM 和 Al₂ ( SO₄ )₃ 联 用、 PAM 和 FeCl₃ 联用，可以从污泥絮体中检测出更多的 O—H 官能团以及 C ＝O、C—N 官能团。正是由

于 O—H 官能团和 C ＝O、C—N 官能团、Fe^{3 +} 、Al^{3 +}之间发生的相互作用，使得污泥絮体中的游离水增多，污泥脱水性能增强。PAM 与 Al₂ (SO₄ )₃ 联用最佳投加比在 3 284． 23 cm － 1处的红外吸收峰峰值明显高于 PAM 与 FeCl₃ 联用最佳投加比的红外吸收峰峰值，表明 PAM 和 Al^{3 +} 更容易与污泥絮体发生作用，提高了污泥絮体之间的结合能力，产生更多O—H，从而使得游离水大量增加，污泥的脱水性能得到较大的增强。

3 结论

(1)经 PAM 加 FeCl₃ 和 PAM 加 Al₂ ( SO₄ )₃ 调理后，污泥脱水性能得到不同程度的改善，PAM 与Al₂ (SO₄ )₃ 联用相比于 PAM 与 FeCl₃ 联用能更好的改善污泥脱水性能，从经济和污泥脱水性能考虑，对于西安市江村沟垃圾渗滤液处理厂选择 PAM 投加体积比为 1 /6，Al2 ( SO₄ )₃ 投加量为 1 mL。此条件下，污泥脱水处理最为合理。 (2)PAM、Al₂ ( SO₄ )₃、FeCl₃ 都能降低污泥絮体间的电荷斥力，使污泥的絮体增大增多，从而更好的降低污泥含水率，有效的提升污泥脱水性能。

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