污泥脱水性能改善技术-污泥处理

2019-02-27 16:47:22 湖北万安环保石化设备有限公司

    在污水处理技术中,活性污泥法是技术最为成熟和稳定的方法。它是利用活性污泥的生物凝聚、吸附?#33073;?#21270;作用,将水相中的有机物转化到固相中,以实现有机物的去除。在此过程中,往往会产生大量的含水率极高的剩余污泥,其含水率高达95.0%~99.5%,体积约占总处理水量的0.3%~0.5%。因此必须对污泥进行浓缩,以减少污泥的质量和体积。目前,大多数污水处理厂采用投加阳离?#26377;?#20957;剂的方法来改善污泥的脱水性能。其中阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)以其优秀的絮凝效果在水处理行业得到广泛的应用。但合成聚丙烯酰胺的单体丙烯酰胺是一种神经毒素,是强致癌物,且聚丙烯酰胺难于生物?#21040;狻?#20854;絮凝的污泥也只能进行填埋,丧失了再利用的价值。

    研究表明,改性天然高分?#26377;?#20957;剂与合成有机高分?#26377;?#20957;剂相比,具有选择性大、无毒、价廉?#35748;?#33879;优点。我国是制革大国,每年产生140万t的皮革固体废弃物,在这些废弃物中除少量的非胶原蛋白外,大约80%以上都是由胶原蛋白构成的。将基于胶原蛋白改性的阳离子胶原蛋白絮凝剂(PCDMC)用于污水中的絮凝处理,起到了“以?#29616;?#27745;”的作用,具有广阔的应用前景。本研究以实验室自制的PCDMC为絮凝剂,考察其对污泥脱水效果的影响及脱水机制。

1 实验部分

    1.1 ?#32422;?#19982;仪器

?#32422;粒篜CDMC(自制);活性污泥取自西安市第五污水处理厂二沉池,测定污泥的含水率为98.72%,pH=7.35,经30 min沉淀后,测其SV30为35%,污泥比阻为2.174×1013 m/kg。

仪器:LiquiTOCⅡ测定仪,德国Elementar公司;DZ-2BC电子万用炉,南京飞达干燥设备有限公司;Anke TDL-40B高速离心机,上海安亭科学仪器厂;KH-111循环水多用真空泵,上海科恒实业发展有限公司;Metrohm 905 Titrando电位滴定仪,深圳市凯铭杰仪器设备有限公司。

1.2 PCDMC的制备

从皮革固体废弃物中提取胶原蛋白,以甲基丙烯酰氧?#19968;?#19977;甲基氯化铵为单体,叔丁基过氧化氢和焦亚硫酸钠为引发剂在氮气保护下对其改性,制备了阳离子胶原蛋白絮凝剂(PCDMC)
将制备的絮凝剂溶液喷雾干燥后,便可得到固含量大于95.8%,pH=5.80(质量?#36136;?#20026;10%的水溶液),含有阳离子官能团的白色粉末状PCDMC。

1.3 实验方法 

    1.3.1 污泥比阻的测定

污泥比阻是单位质量的污泥在一定的压强下过滤?#20445;?#22312;单位过滤面积所具有的阻力,它是表征污泥脱水性能的综合指标。滤液体积与过滤时间遵从过滤基本公式(1),根据该公式可计算出污泥比阻。污泥比阻愈大,脱水性能愈差,反之,脱水性能愈好。本实验采用自制的污泥比阻测试装置。
式中:r——污泥比阻,m/kg;

t——过滤时间,s;

P——过滤压强,Pa;

A——过滤面积,m2;

V——滤液体积,m3;

μ——滤液的动力黏?#25237;齲琍a·s;

ω——滤过单位体积的滤液在过滤介质上截留的固体质量,kg/m3;

b ——公式中t/V-V直线的斜率。

取100 mL污泥倒入实验装置的布?#19979;?#26007;中,在重力作用下过滤1 min(记录量筒中的滤液量,在?#27835;?#26102;减去此值),随后在0.05 MPa真空?#35748;?#36827;行定压抽滤,每隔10 s记录不同抽滤时间t时的滤液体积V,等滤速减慢后,每隔30 s或60 s记录滤液体积,直到真空度破坏或过滤时间达到20 min时结束。

1.3.2 COD的测定

采用《快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)测定经过不同用量的PCDMC在不同条件下调质后的浓缩污泥上清液的COD。

1.3.3 Zeta电位的测定

将经过不同用量的PCDMC调质后的浓缩污泥放置在Metrohm 905 Titrando电位滴定仪的测试槽中,自动检测经调质后的浓缩污泥的Zeta电位。

2 结果与?#33268;?nbsp;
2.1 絮凝剂投加量对污泥脱水性能的影响

每次测定前,将活性污泥沉淀30 min后去掉上清?#28023;?#22312;室温下搅拌均?#21462;?#38543;后?#30452;?#20498;入9个100 mL的量筒中,并?#26469;?#21152;入质量浓度为1 g/L的PCDMC溶液1、2、3、4、5、6、7、8、9 mL,快速搅拌30 s后再低速搅拌2 min。进行污泥上清液COD及污泥比阻的测定。
随着PCDMC投加量的增加,污泥上清液COD和污泥比阻均呈现先降低后升高的趋势。PCDMC的投加量在1~4 mL?#20445;?#25152;形成的污泥絮体大而紧密,污泥上清液COD和污泥比阻迅速降低。这是由于PCDMC水溶液中含有大量的阳离子聚合体络合离子,这些阳离子能够吸附难以沉淀的污泥胶体颗粒,中和胶体表面的负电荷,降低污泥胶粒的Zeta电位,使胶体脱稳,胶体颗粒相互吸引,从而凝聚沉淀;PCDMC的投加量在4~7 mL?#20445;?#27745;泥比阻降低幅度很小且污泥上清液的COD开始缓慢上升。其原因在于,随着PCDMC投加量的增加,污泥的黏度也会不?#26174;?#22823;,不利于污泥絮体的沉降;PCDMC的投加量在7 mL以上?#20445;?#27745;泥比阻开始升高。这是由于加入药剂过量,PCDMC水溶液中的阳离子将污泥颗粒表面所带的负电荷中和完全后,污泥颗粒将带上正电荷,Zeta电位上升,胶体重新稳定,污泥的脱水性能降低。因此,结合不同投加量下的试验现象及上清液COD,PCDMC的最优投加量为4 mL。

2.2 搅拌速度对絮凝剂脱水性能的影响

搅拌速度也是影响絮凝剂脱水性能的重要因素之一。搅拌速度过低,絮凝剂与污泥不能充分混合,絮凝效果不明显;搅拌速度过高,会打散污泥絮体,降低絮凝剂的网捕作用。实验考察当PCDMC溶液质量浓度为1 g/L,投加量为4 mL?#20445;?00 mL浓缩污泥?#30452;?#22312;40、80、120、160、200 r/min下搅拌10 min后再静置5 min的污泥上清液COD及污泥比阻,
实验结果显示,随着搅拌速度的增大,污泥絮体也不?#26174;?#22823;,但搅拌速度高于120 r/min?#20445;?#27745;泥溶液中开始出现较大絮体,但随后?#30452;?#25171;散,污泥上清液COD和污泥比阻降低幅度非常小,当搅拌速度高于160 r/min?#20445;?#27745;泥上清液COD和污泥比阻已不再降低,并均出现缓慢升高的趋势。因此,考虑搅拌速度对PCDMC脱水性能的影响以及工厂动力消?#27169;琍CDMC的最优搅拌速度为120 r/min。在120r/min下,污泥絮团大而结实,能够充分发?#26377;?#20957;剂的吸附架桥和网捕作用。

2.3 温度对絮凝剂脱水性能的影响

实验温度?#30452;?#36873;定为5、12、20、40 ℃,模拟四季变化。当PCDMC溶液质量浓度为1 g/L,投加量为4 mL?#20445;?#27979;定的污泥上清液COD及污泥比阻发生变化,随着絮凝温度的升高,污泥上清液COD和污泥比阻不断降低,?#24471;?#21319;高温度有利于污泥脱水。其原因在于,随着温度的升高,溶液中的布?#35797;?#21160;增强,增加了胶体颗粒与PCDMC分子间的碰撞,有利于电中和作用。但并不是温度越高,PCDMC的絮凝效果?#33014;茫?#36825;是由于,温度对絮凝剂活性的影响还与絮凝剂的成分密切相关,温度对蛋白质类絮凝剂的絮凝活性影响更大,而PCDMC是胶原蛋白改性而来,过高的温度会破坏分子的组成,导致絮凝效果的降低。

2.4 污泥pH对絮凝剂脱水性能的影响

pH对胶体或颗粒表面电荷的Zeta电位有较大影响,?#20999;?#20957;过程中的重要影响因素之一 。调节污泥原液的pH,研究不同pH条件下,PCDMC对污泥脱水性能的影响。当PCDMC溶液质量浓度为1 g/L,投加量为4 mL?#20445;?#27745;泥溶液pH?#30452;?#22312;5、6、7、8、9、10时的污泥上清液COD及污泥比阻发生变化,污泥的酸碱度会影响PCDMC对污泥的脱水性能。当污泥pH在6~7的弱酸环境?#29575;保?#25237;加PCDMC会出现大而密实的絮团,絮凝效果良好。这是由于,H+的加入能中和污泥胶粒表面的负电荷,有效降低胶粒的Zeta电位,同时双电层压缩,扩散层变薄,胶粒间相互吸引碰撞而脱稳;当污泥pH7?#20445;?#27745;泥中加入了过量的OH-,增大了污泥颗粒上携带的负电荷量,胶体颗粒间排斥力增大,污泥脱水性能降低。综上所述,PCDMC适合在6~7的弱酸或中性环境?#29575;?#29992;。

3 PCDMC与CPAM絮凝效果对比

为了对新型生物质絮凝剂PCDMC的絮凝效果进行检验,?#25910;?#36873;用与其相对分子质量相当的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)进行应用对比研究。将PCDMC与CPAM均配制成1 g/L的溶液在最佳条件下?#30452;?#23545;100 mL浓缩污泥进行调理,在最佳条件下,PCDMC对浓缩污泥的调理效果与CPAM的调理效果相?#20445;?#23588;其在SS去除率上高于CPAM,且PCDMC用量更少。考虑到PCDMC絮凝剂是从废弃皮胶原改性而来,因而合成成本更低,生物亲和力优良,在污泥调理方面拥有更为优秀的经济及环境效益。

4 PCDMC对污泥脱水机理探讨 

4.1 污泥中水分的存在形式及去除方法

污泥中的水分以游离水、毛细水和内部水3?#20013;?#24335;存在。其中游离水存在于污泥颗粒间隙中,约占污泥水分的70%左右。这部分水一般借助外力对污泥进行压缩可以与泥粒分离;毛细水存在于污泥颗粒间的毛细管中,约占污泥水分的20%左右。这部分水可通过施加离心力、负压强等物理方法分离出来;内部水是指黏附于污泥颗粒表面的附着水和存在于其内部(包括生物细胞内)的内部水,约占污泥中水分的10%左右。其中附着水可采用投?#26377;?#20957;剂或混凝剂方法,通过絮凝作用而排出,而存在于微生物细胞内的内部水则只有通过干化才能分离,但也不能完全分离。目前,污水处理厂内,经絮凝后的污泥通过带式压滤机的挤压,可以使滤饼含水率降至80%以下。

4.2 PCDMC絮凝机理探讨

通过使用PCDMC对污水处理厂活性污泥的调质以及对PCDMC结构的?#27835;觶琍CDMC的絮凝机理主要以吸附电中和与吸附架桥为主,双电层压缩及网捕作用为辅。首先,PCDMC是通过对胶原蛋白多肽链?#21448;?#25913;性制备而来,胶原蛋白多肽链上含有大量的—COO、—NH—等活性基团,同时?#28382;?#36807;加成反应在—NH—上?#21448;?#38451;离子基团,使得PCDMC的溶液拥有较强的阳离子性。为进一步?#27835;鯬CDMC的絮凝机理,研究了PCDMC投加量与污泥溶液Zeta电位的关系,PCDMC在1~3 mL(质量浓度为1 g/L)的低投加量下,Zeta电位迅速降低,且与投加量呈现较强的线性相关性,根据水样污染物Zeta电位与药剂投加量在电中和作用下的线性相关原则,在低投药量下絮凝剂以吸附电中和为主。而PCDMC的优化投加量为4 mL,由此可见,PCDMC的絮凝机理以吸附电中和原理为主。当活性污泥中加入PCDMC?#20445;?#22823;量的阳离子能迅速中和胶粒表面所携带的阴离子,降低污泥颗粒间的静电斥力,Zeta电位亦随之减小,胶体颗粒接近而相互吸附脱稳;其次,又由于PCDMC拥有较长的多肽链结构,不同PCDMC分子之间由污泥胶粒电性吸附而连接在一起,这样PCDMC就起到桥梁作用,并不断连接?#30001;歟?#29978;?#21015;?#25104;网状,使絮体长大脱?#21462;?#36890;过架桥作用,可使已脱稳的凝聚颗粒迅速形成大的絮体,当较大的絮团形成?#20445;?#23601;会产生“网?#19969;?#25928;应,从而形成大而疏松的絮体,下沉?#20445;?#23427;们可网?#27602;?#24102;水中的胶粒。这种架桥作用可以解释异电荷胶体间的互凝现象;此外,大量阳离子的加入也会挤压胶粒双电层,使扩散层变薄,Zeta电位也会减小,使排斥势能下降。通过以上两主两辅的絮凝作用,再加上PCDMC的生物质属性,使得PCDMC不同于其他合成絮凝剂,在最优的各项指标条件下,PCDMC处理后的污泥比阻最小可达到5.273×1011 m/kg,污泥含水率由98.72%降至75.63%,拥有着广阔的市场前景。


5 结论
(1)PCDMC对污泥的絮凝脱水效果与其投加量、搅拌速?#21462;?#27745;泥温度和污泥酸碱度等有关。PCDMC优化后的絮凝工艺参数为:处理100 mL浓缩污泥,需投加质量浓度为1 g/L的PCDMC 4 mL,搅拌速度为120 r/min,最适pH为6~7,絮凝温度5~40 ℃。
(2)在最优条件下,同等相对分子质量下的PCDMC与CPAM絮凝效果相?#20445;?#32463;PCDMC调质,可使污泥含水率由98.72%降低至75.63%,污泥上清液COD由347.2 mg/L降低至104.3 mg/L,污泥比阻由2.174×1013 m/kg降低至5.273×1011 m/kg。PCDMC显示出优秀的絮凝效果,且因为PCDMC具有生物质材料属性,可生物?#21040;?#24615;良好,具有“以?#29616;?#27745;”的效果,拥有着广阔的市场前景。


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