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市政與環(huán)境工程 | 更新時間：2023-11-25 | 殼聚糖與硅藻土調(diào)理市政污泥 Performante of chitosan and diatomite recuperate municipal

核心提示：市政與環(huán)境工程 | 更新時間：2023-11-25 | 殼聚糖與硅藻土調(diào)理市政污泥 Performante of chitosan and diatomite recuperate municipal sludge 李瀾，谷晉川，張德航，楊紅梅，徐馳，肖迎旭，陳怡土木建筑與環(huán)境工程 2017年39卷第1期頁碼：140-146 DOI：10.11835/j.issn.1674-4764.2017.01.020 紙質(zhì)出版日期：2017-01，收

中國給水排水2025年污水處理廠提標(biāo)改造（污水處理提質(zhì)增效）高級研討會(第九屆)邀請函暨征稿啟事

市政與環(huán)境工程|更新時間：2023-11-25

殼聚糖與硅藻土調(diào)理市政污泥
Performante of chitosan and diatomite recuperate municipal sludge
李瀾，谷晉川，張德航，楊紅梅，徐馳，肖迎旭，陳怡
土木建筑與環(huán)境工程 2017年39卷第1期頁碼：140-146
DOI：10.11835/j.issn.1674-4764.2017.01.020
紙質(zhì)出版日期：2017-01，

收稿日期：2016-07-20

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殼聚糖與硅藻土調(diào)理市政污泥

李瀾 ; 谷晉川 ; 張德航 ; 楊紅梅 ; 徐馳 ; 肖迎旭 ; 陳怡 ;

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隨著社會經(jīng)濟和城市化的發(fā)展，水處理領(lǐng)域的生產(chǎn)量在不斷的增長。截止2015年9月，中國污泥總量已經(jīng)突破3 000萬t/年，處理率僅56%^[1]。污泥中水分含量達到95%~99%，脫水縮小體積才便于進一步處置^[2]。但污泥的成分、結(jié)構(gòu)復(fù)雜^[3]，污泥直接進行脫水處理往往達不到預(yù)期的處理效果，因此，一般在脫水前需對污泥進行調(diào)理(也稱為污泥的預(yù)處理)^[4]，以改善其脫水性能、過濾性能、沉淀性能等^[5]，從而實現(xiàn)經(jīng)濟有效的處置污泥。因此，污泥調(diào)理技術(shù)成為污泥脫水處置的減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化的關(guān)鍵前置條件^[6]。

譯

污泥調(diào)理技術(shù)可按作用介質(zhì)分類為物理法、化學(xué)法、生物法。物理法的應(yīng)用局限性相對較為明顯，生物法的研究起源較晚，化學(xué)法是目前污水處理廠中應(yīng)用最為廣泛的污泥調(diào)理技術(shù)^[7]。隨著污泥處理規(guī)模的擴大，為了追求更理想的調(diào)理效果，研究者們逐漸開始嘗試多種調(diào)理試劑的聯(lián)合使用，以得到更好的調(diào)理污泥的效果^[8]。關(guān)于聯(lián)合調(diào)理試劑的研究，目前研究者主要圍繞著聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化鋁等傳統(tǒng)調(diào)理劑開展研究較多，如Huang Peng等^[9]研究PAM聯(lián)合蒙脫土、Li Xiaoxiao等^[10]研究PAC聯(lián)合聚二甲基二烯丙基氯化銨進行污泥調(diào)理。但有機合成高分子調(diào)理試劑大多具有生物毒性，且難以被生物降解，因此, 天然、無毒、易生物降解的殼聚糖(CTS) 替代有機合成高分子調(diào)理劑的研究已得到人們較多的關(guān)注^[11]。殼聚糖又名脫乙酰甲殼質(zhì)、甲殼胺、可溶性甲殼質(zhì)，是甲殼素脫乙�；漠a(chǎn)物，在天然高分子多糖中是唯一的堿性氨基物質(zhì)^[12]。目前, 殼聚糖調(diào)理污泥的研究大多集中在單獨調(diào)理方面，很少有關(guān)于其聯(lián)合調(diào)理污泥的研究報道。通過使用殼聚糖與硅藻土(DE) 聯(lián)合調(diào)理市政污泥進行了研究，分析了其綜合脫水性能，探究了不同因素對調(diào)理效果的影響。

譯

1 試驗方法與材料

1.1 試驗材料

試驗污泥取樣自成都市高新西區(qū)污水處理廠排泥池剩余污泥，未經(jīng)濃縮且儲存不超過1 h，取樣當(dāng)天分析污泥基本性質(zhì)后，于恒定4 ℃冰箱中保存，每批次樣泥保存時間不超過5 d，試驗使用前，將污泥置于20±2 ℃氣浴30 min。污泥性質(zhì)見表 1。

譯

1 污泥基本性質(zhì)

MC/%	SRF/(10¹⁰m·kg^-1)	pH	DR/%	FCM/%	TTF/s
99.03±0.09	1.76±0.22	6.81±0.11	82.96±2.89	94.36±1.13	135.3±15.7
注：MC為污泥含水率；SRF為污泥比阻；pH為污泥體系pH值；DR為脫水率(試驗抽濾參數(shù)非實際生產(chǎn))；FCM為泥餅含水率(試驗抽濾參數(shù)非實際生產(chǎn))；TTF為污泥抽濾一定體積(試驗取50 mL) 所需時間。

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供試殼聚糖購于成都市科龍化工試劑廠，該殼聚糖為白色粉末狀，等級為生化試劑，脫乙酰度≥85.0%。使用前將殼聚糖溶解于冰乙酸溶液配制成1 g/L濃度，當(dāng)天配置當(dāng)天使用，放置時間不超過24 h。

譯

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，它主要由古代硅藻的遺骸所組成，具有特殊多孔性構(gòu)造。其化學(xué)成分主要由無定形的SiO₂組成，可用SiO₂·nH₂O表示，礦物成分為蛋白石及其變種。試驗所用硅藻土為化學(xué)純，購于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，成份含量見表 2。

譯

2 供試硅藻土成份含量

成份指標(biāo)	含量/%
SiO₂	≥98.945
Fe	≤0.03
氯化物	≤0.01
硫酸鹽	≤0.01
重金屬(以Pb計)	≤0.005
鹽酸可溶物	≤0.5
其他	≤0.5

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試驗使用的冰乙酸(色譜純)，購自成都市科龍化工試劑廠；聚丙烯酰胺(工業(yè)試劑)，分子量級為1 000萬，陽離子度為40%，購自成都佳駿科技有限公司。

譯

1.2 試驗儀器

試驗用到的主要儀器設(shè)備見表 3。另有試驗室自制布氏抽濾裝置一套。

譯

3 主要儀器設(shè)備

名稱	型號	生產(chǎn)廠商
電子分析天平	BS124S	北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司
六連同步電動攪拌器	JJ-4	江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠
試驗室超純水器	UPT-Ⅱ-20	成都優(yōu)越實業(yè)有限公司
pH計	PHS-3CW	上海般特儀器制造有限公司
旋轉(zhuǎn)黏度儀	NDJ-5S	上海精析儀器制造有限公司
旋片真空泵	2XZ-1	浙江黃巖黎明實業(yè)有限公司
氣浴恒溫振蕩器	THZ-82B	江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠
精密鼓風(fēng)干燥箱	BPG-9070A	上海一恒科學(xué)儀器有限公司
冰箱	BCD-649WE	青島海爾股份有限公司

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1.3 試驗方法

1.3.1 污泥調(diào)理

量取100 mL污泥于200 mL燒杯中加入調(diào)理試劑，在室溫條件下，置于攪拌器下以恒定的轉(zhuǎn)速攪拌以混合均勻，充分反應(yīng)后進行布氏抽濾脫水實驗。單因素試驗條件見表 4、5。

譯

4 殼聚糖調(diào)理污泥試驗條件

用量(干污泥質(zhì)量比)/(mg·g^-1)	攪拌強度(轉(zhuǎn)速)/(r·min^-1)	反應(yīng)時間/s
1	30	30
2.5	60	60
5	120	150
6.5	150	240
10		300

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5 硅藻土調(diào)理污泥試驗條件

用量(干污泥質(zhì)量比)/(g·g^-1)	攪拌強度(轉(zhuǎn)速)/(r·min^-1)	反應(yīng)時間/s
0.1	60	30
0.25	90	90
0.5	120	150
0.75	150	240
1.0		300

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1.3.2 分析方法

采用指標(biāo)分析法，污泥脫水性能的表征指標(biāo)種類繁多，根據(jù)方靜雨等^[13]綜合分析研究，污泥比阻與毛細吸水時間(CST) 呈正相關(guān)，沒必要同時測定，因此, 試驗主要分析污泥比阻下降率(相對原污泥)，再衡量脫水率、泥餅含水率、過濾時間等指標(biāo)，綜合考慮污泥的脫水性能。

譯

1) 污泥比阻測定采用布氏抽濾法測定，根據(jù)過濾基本原理Carman公式推導(dǎo)得到比阻計算公式

譯

� = \frac{2 � �^{2} �}{� �} (m / k g)

式中:P為過濾壓力，mPa；A為過濾面積，m²；μ為濾液的動力粘滯度，mPa·s；ω為濾過單位體積的濾液在過濾介質(zhì)上截流的固體重量，kg/m³；b為Carman公式中t/V~V的直線斜率；t為過濾時間，s；V為濾液體積，m³。

譯

2) 泥餅含水率測定采用重量法測定：取部分污泥置于蒸發(fā)皿中，于烘箱內(nèi)105 ℃恒溫烘干至恒重，放入干燥器中冷卻后稱重，根據(jù)式(2) 計算結(jié)果。

譯

� � = \frac{�_{2} - �_{1}}{�_{2} - �_{2}}

式中：m₁為空蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；m₂為濕泥及蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；m₃為干泥及蒸發(fā)皿質(zhì)量, g。

譯

3) 脫水率測定采用式(3) 計算^[14]。

譯

� � = \frac{�_{F} - �_{w}}{�_{s} - �_{D S}} \times 100 %

式中:m_F為濾液質(zhì)量，kg；m_W為添加調(diào)理試劑所含水分質(zhì)量，kg；m_s為污泥總質(zhì)量，kg；m_DS為干污泥質(zhì)量，kg。

譯

4) 過濾時間測定污泥抽濾一定體積所需時間，試驗根據(jù)單次抽濾污泥量(100 mL) 取50 mL。

譯

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖單獨調(diào)理污泥

殼聚糖作為弱陽離子天然高分子聚合物絮凝劑，影響其作用效果的因素有很多，通過單因素試驗來初步確定各影響因素的作用條件，考察試劑用量、反應(yīng)時間、攪拌強度3個因素對污泥脫水性能的影響。

譯

2.1.1 試劑用量的影響

采用濃度為1 g/L的殼聚糖溶液，投加用量按表 4選取，對供試污泥進行調(diào)理，攪拌強度選取150 r/min，反應(yīng)5 min。觀察污泥體系表象，隨著殼聚糖在污泥中混勻，懸浮的污泥逐漸絮凝，最后整個體系中都存在細小的絮體礬花。污泥比阻隨殼聚糖投加量的變化情況如圖 1所示。

譯

1 CTS用量對SRF的影響

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

由圖 1可知，整體來看，隨著殼聚糖用量的加大，污泥比阻不斷減小，在0~5 mg/g的范圍內(nèi)急劇下降，5~6.5 mg/g范圍內(nèi)下降的比率趨于平緩，6.5 mg/g之后再加大殼聚糖用量，污泥比阻有所回升。為了分析出現(xiàn)拐點的原因，試驗進一步探究殼聚糖用量對泥餅含水率和過濾時間的影響，其變化規(guī)律如圖 2所示。

譯

2 CTS用量對FCM及TTF的影響

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

由圖 2可知，當(dāng)殼聚糖用量超過5 mg/g后，泥餅含水率開始回升，說明此時過濾液所截流的干物質(zhì)量開始減少；用量超過6.5 mg/g后，過濾時間也出現(xiàn)反彈。分析污泥比阻公式可知，比阻值與過濾液所截流的干物質(zhì)量反相關(guān)，與過濾時間正相關(guān)，因而殼聚糖用量過高時污泥比阻下降率出現(xiàn)回升。通過本研究可確定殼聚糖最佳用量為5 mg/g。

譯

2.1.2 反應(yīng)時間的影響

投加濃度為1 g/L的殼聚糖溶液5 mL，攪拌強度穩(wěn)定在150 r/min，對供試污泥進行調(diào)理，觀察污泥體系表象，不同反應(yīng)時間下，都存在細小絮體礬花，但礬花團規(guī)模有一定差別。污泥脫水性能隨反應(yīng)時間的變化情況如圖 3所示。

譯

3 反應(yīng)時間對SRF、FCM、TTF的影響

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

由圖 3可以看出，改變反應(yīng)時間對污泥比阻的影響比較小，反應(yīng)時間為150 s時污泥比阻下降率相對最優(yōu)為77.07%；泥餅含水率和過濾時間的變化波動比較大，當(dāng)反應(yīng)時間為60 s與150 s時，泥餅含水率接近85%，而從過濾時間來看反應(yīng)150 s時污泥脫水性能有絕對優(yōu)勢。因此，殼聚糖調(diào)理污泥最佳反應(yīng)時間為150 s。

譯

2.1.3 攪拌強度的影響

投加濃度為1 g/L的殼聚糖溶液5 mL，固定反應(yīng)時間150 s，對供試污泥進行調(diào)理，調(diào)理之后抽濾之前，觀察到污泥體系中的絮體礬花形狀大小有所不同，總體表現(xiàn)為強度越大礬花越小，圖 4是污泥比阻隨攪拌強度的變化情況。

譯

4 攪拌強度對SRF的影響

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

分析攪拌強度改善污泥脫水效果的規(guī)律，可以看到污泥比阻隨著攪拌強度的提升，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。因此，本研究確定殼聚糖調(diào)理污泥最佳攪拌強度為30 r/min。

譯

2.1.4 殼聚糖調(diào)理污泥機理分析

殼聚糖改善污泥脫水性能的能力，主要與自身帶有羥基和氨基活性基團的長鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)^[15]。殼聚糖的弱陽離子性與負(fù)電位的原污泥體系靜電中和使得污泥顆粒脫穩(wěn)，釋放水分子，其吸附架橋作用使污泥凝聚成更大的絮體，從而使抽濾脫水變得更容易。同樣的殼聚糖用量下，需要一定的反應(yīng)時間讓絮體凝聚，同時限于殼聚糖作為弱陽離子調(diào)理劑，與污泥形成的絮體強度不高，因此高強度攪拌會打散絮體礬花，使得污泥脫水性能變差。

譯

由此，本研究確定殼聚糖調(diào)理污泥的最佳條件是投加5 mg/g在30 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌反應(yīng)150 s，污泥比阻下降率為92.80%。

譯

2.2 硅藻土單獨調(diào)理污泥

2.2.1 硅藻土用量對污泥脫水性能的影響

在探究硅藻土調(diào)理污泥的影響因素過程中，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時間及攪拌強度幾乎無影響，主要作用變量是投加劑量，圖 5是污泥脫水性能隨硅藻土投加量(干污泥質(zhì)量比) 的變化情況。

譯

5 DE用量對SRF及DR的影響

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

從圖 5中可以看出，隨著硅藻土用量不斷增加，污泥比阻不斷下降，而下降的速度在0.5 g/g前后有明顯的差距，如果考慮經(jīng)濟因素應(yīng)用到實際生產(chǎn)，應(yīng)采用0.5 g/g的硅藻土用量。同時有研究認(rèn)為，污泥比阻不適用于有大量的調(diào)理劑投加到污泥中的情況，此時污泥固體濃度產(chǎn)生了較大影響^[16]。若僅用比阻來評價污泥脫水性能的改善程度會存在偏差，因此本研究還采用脫水率來評價污泥的過濾脫水性能。脫水率的變化整體表現(xiàn)為先上升后下降，其峰值出現(xiàn)在0.5 g/g。因此，綜合考慮，硅藻土用量相對干污泥質(zhì)量比最佳條件應(yīng)為0.5 g/g。

譯

2.2.2 硅藻土調(diào)理污泥機理分析

由于硅藻土自身無定形的SiO₂特殊多孔結(jié)構(gòu)，具有巨大的比表面積^[17]，在污泥調(diào)理中以吸附作用為主，吸附需要一定時間但并不對過濾產(chǎn)生關(guān)鍵性影響，且在調(diào)理過程中并不產(chǎn)生如殼聚糖調(diào)理時的絮體礬花，這與試驗觀察表象保持一致，攪拌并不會阻礙吸附作用，因而反應(yīng)時間及攪拌強度對硅藻土調(diào)理污泥幾乎沒有影響。

譯

硅藻土對污泥的吸附作用，對原污泥體系難脫水的穩(wěn)定性是一種破壞，因此加大其用量可以降低污泥比阻，但當(dāng)過量的硅藻土進入污泥后，會吸附更多水分，因此造成脫水率的反彈。

譯

2.3 殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理污泥

2.3.1 聯(lián)合調(diào)理污泥投加順序的影響

聯(lián)合使用調(diào)理試劑，除了考慮單獨試劑本身最佳作用條件外，由于不同的調(diào)理劑存在不同的結(jié)構(gòu)和作用方式，聯(lián)合使用時，不同的試劑投加順序可能會導(dǎo)致不同的調(diào)理結(jié)果。因此，考察了殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理時，投加順序的影響。兩者聯(lián)合使用，存在3種不同的工序：a) 先投加殼聚糖攪拌混勻后再投加硅藻土攪拌混勻；b) 先投加硅藻土攪拌混勻再投加殼聚糖攪拌混勻；c) 殼聚糖和硅藻土同時投加到污泥中再進行攪拌混勻。

譯

污泥采用5 mg/g殼聚糖與0.5 g/g硅藻土聯(lián)合調(diào)理后，3種投加方式所得的調(diào)理結(jié)果見表 6。

譯

6 聯(lián)合調(diào)理不同工序下的污泥脫水性能

工序	SRF/(10⁹m·kg^-1)	DR/%	FCM/%	TTF/s
a	1.11	89.47	85.29	31.58
b	0.85	91.02	83.13	29.44
c	0.91	90.66	83.64	36.99

下載: CSV

從表 6可以看出，先投加硅藻土比先投加殼聚糖的污泥比阻下降了23.77%，比一起投加下降了6.89%，脫水率、泥餅含水率及過濾時間皆有不同程度的改善，因此殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理最佳的投加順序應(yīng)是先投加硅藻土再投加殼聚糖，這與陳暢亞的研究^[16]相符合。分析其原因，硅藻土是擁有巨大比表面積的吸附劑，先投加到污泥體系，可以降低體系的穩(wěn)定性，這種改變更有利于發(fā)揮殼聚糖的弱陽離子電位差絮凝效應(yīng)，同時硅藻土在殼聚糖形成的大污泥絮體中相當(dāng)于“骨架”作用，上訴的兩者協(xié)同作用使污泥結(jié)構(gòu)和性質(zhì)朝有利于脫水的方向變化，整個過程可以看作是對污泥體系的“打亂-重建”的歷程。

譯

2.3.2 兩種試劑聯(lián)合與聚丙烯酰胺的調(diào)理效能比較

從調(diào)理試驗表象觀察，投加聚丙烯酰胺比聯(lián)合投加調(diào)理污泥所形成的絮體礬花體積更大，且在攪拌強度150 r/min下反應(yīng)5 min并不會被打散，調(diào)理后污泥體系上清液也更澄清。聚丙烯酰胺調(diào)理污泥時，污泥比阻的變化規(guī)律如圖 6所示。

譯

6 PAM用量對SRF的影響

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

由圖 6可知，隨著聚丙烯酰胺投加量的增加，污泥比阻急劇下降，其最佳效果是投加量為3 mg/g時，污泥比阻的下降比為96.02%。與之前研究所得的殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理的相對最佳效果相比(見表 7)，當(dāng)先投加0.5 g/g硅藻土再添加5 mg/g殼聚糖反應(yīng)時，污泥比阻的下降比為95.43%，兩者的效果十分接近。而比較脫水率及泥餅含水率，聚比稀酰胺的調(diào)理效果不占優(yōu)勢。

譯

7 聯(lián)合試劑與聚丙烯酰胺調(diào)理污泥綜合性能比較

調(diào)理試劑	SRF下降率/%	DR/%	FCM/%	TTF/s
PAM	96.02	88.26	89.72	19
CTS+DE	95.43	91.62	82.30	29.5

下載: CSV

3 結(jié)論

1) 殼聚糖單獨調(diào)理污泥的最佳條件為5 mg/g用量、150 s反應(yīng)時間、30 r/min攪拌強度，污泥比阻下降率可達到92.80%。

譯

2) 硅藻土單獨調(diào)理污泥的最佳用量為0.5 g/g用量，污泥比阻下降率可達到65.08%，脫水率可增加至88.33%。

譯

3) 殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理污泥的最佳工序為先投加硅藻土再投加殼聚糖，對污泥脫水性能的改善明顯優(yōu)于殼聚糖或硅藻土單獨調(diào)理。

譯

4) 聯(lián)合調(diào)理與聚丙烯酰胺調(diào)理污泥的效果相比，降低污泥比阻的能力十分接近，改善脫水率及泥餅含水率的能力明顯更優(yōu)。

譯

參考文獻

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市政與環(huán)境工程 | 更新時間：2023-11-25 | 殼聚糖與硅藻土調(diào)理市政污泥 Performante of chitosan and diatomite recuperate municipal

1 試驗方法與材料

1.1 試驗材料

1.2 試驗儀器

1.3 試驗方法

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖單獨調(diào)理污泥

2.2 硅藻土單獨調(diào)理污泥

2.3 殼聚糖與硅藻土聯(lián)合調(diào)理污泥

3 結(jié)論

參考文獻