玉米秸稈生物炭改善污泥脫水性能

郭俊元,文小英,羊潤錦,林 越,賴雨隆,周育玉,楊 紅

玉米秸稈生物炭改善污泥脫水性能

郭俊元*,文小英,羊潤錦,林 越,賴雨隆,周育玉,楊 紅

(成都信息工程大學資源環境學院,四川 成都 610225)

本實驗以玉米秸稈為原料,制備了生物炭和AlCl3改性生物炭,研究了2種生物炭分別調理污泥后的脫水效果,并探討了污泥脫水性能的改善機理.結果表明,經過2種生物炭調理后,污泥比阻(SRF)、泥餅含水率(MC)、污泥沉降體積指數(SV30)、毛細抽吸時間(CST)均下降,污泥凈產率(N)升高,說明污泥脫水性能得到了改善,且AlCl3改性生物炭對污泥脫水性能的改善效果明顯優于生物炭.當AlCl3(溶液濃度3mol/L)改性生物炭的用量為3g/L時,調理后的污泥SRF,MC,SV30,CST分別降低至1.3×1012m/kg,81.9%,78.6%,35s,N增加至17.8kg/(m2·h).分析原因:一方面,經過生物炭調理后,泥餅中會形成一定的骨架結構,使得污泥中的水和EPS能夠更容易地釋放;另一方面,經過AlCl3改性后,改性生物炭攜帶的正電荷(Al3+)能夠與污泥顆粒所帶的負電荷發生電中和作用,使得污泥顆粒更容易聚集,從而提高污泥的脫水效果.

AlCl3；玉米秸稈；生物炭；污泥脫水

城市污水處理廠剩余活性污泥含水率高達98%以上,在采用衛生填埋、污泥焚燒、污泥堆肥、污泥消化處理前,含水率必須降低至60%以下[1-3].目前,我國污泥的脫水技術主要有離心脫水、帶式脫水和板框壓濾脫水等,在脫水之前,常投加FeCl3、Al2(SO4)3、PAC、CPAM等化學藥劑調理污泥,以提高污泥的脫水性能,但長期使用化學藥劑會導致污泥中重金屬富集等二次環境污染[4-5].研究表明,無機或有機骨架顆粒能夠降低污泥餅的可壓縮性,從而在污泥脫水過程中,保持泥餅的通透性和多孔性,有利于水和污泥EPS的釋放,提高污泥的脫水效果[6-8].因此,開發安全,高效,綠色環保和廉價的骨架顆粒是我國環境工程領域污泥減量化和資源化研究的熱點.我國每年農作物秸稈產量高達0.5~0.8Gt,約占世界秸稈總量的30%,其中大部分直接燃燒,導致嚴重的環境污染.農作物秸稈材料和粉煤灰、褐煤等骨架顆粒類似,具有良好的多孔性,同時秸稈中還含有大量的硅元素,使其結構堅硬,因此,農作物秸稈材料具有作為骨架顆粒調理污泥脫水的潛能[9].

本實驗創造性地以玉米秸稈為原料制備了生物炭和AlCl3改性生物炭,用以改善城市污水處理廠污泥的脫水性能.通過污泥比阻(SRF)、泥餅含水率(MC)、污泥沉降比(SV30)、毛細吸水時間(CST)和污泥凈產率(N)等表征污泥脫水性能,通過生物炭調理污泥前后污泥Zeta電位和壓縮系數的變化說明AlCl3改性生物炭改善污泥脫水性能的原理.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗污泥 實驗污泥取自四川省航空港污水處理廠二沉池,污泥特征如表1所示.

表1 污泥特征

1.1.2 實驗藥品和玉米秸稈 AlCl3,HCl(分析純,成都市科龍化工試劑廠),AlCl3配置為1、2、3、4、5mol/L的溶液,HCl配置為1mol/L的溶液;玉米秸稈取自四川省三臺縣近郊.

1.1.3 實驗儀器 電子天平(SQP型,北京賽多利斯科學儀器有限公司),低速離心機(TDL-5-A型,上海安亭科學儀器廠),污泥真空脫水泵(上海安亭科學儀器廠),污泥毛細吸水時間測試儀(TR04-304M型,麥科儀(北京)科技有限公司),納米粒度Zeta電位分析儀(NanoPlus,麥克默瑞提克(上海)儀器有限公司).

1.2 實驗方法

1.2.1 玉米秸稈生物炭的制備 將玉米秸稈剪碎,置于一定容積的坩堝中,塞滿壓實填平,蓋上蓋子,放入馬弗爐中,先向馬弗爐中通入10min氮氣以排除空氣,馬弗爐排氣口接一根管子放入堿性液體中,以形成液封.在500℃條件下進行熱解處理2h.熱解結束后取出,自然冷卻,研磨過篩,得到粒徑大小為200μm的生物炭.

1.2.2 AlCl3改性生物炭的制備 將上述玉米秸稈生物炭以1:5(g:mL)的比例浸泡于1mol/L的HCl溶液中12h,之后在3000r/min條件下離心10min,收集沉淀物,用去離子水洗滌至洗滌液pH=7,自然晾干;將晾干的生物炭以1:5(g:mL)的比例浸泡于AlCl3溶液中,浸泡12h后,在3000r/min條件下離心10min,收集沉淀物,自然晾干,研磨過篩,得到AlCl3改性生物炭.

1.2.3 污泥脫水實驗 將玉米秸稈生物炭和AlCl3改性生物炭分別加入體積為100mL污泥樣品中,在200r/min條件下攪拌10min,測定污泥SRF,MC, SV30,CST和N,評價污泥脫水性能.測定玉米秸稈生物炭和AlCl3改性生物炭調理后污泥的EPS含量、Zeta電位和壓縮性系數,闡明其改善污泥脫水性能的原理.

1.2.4 分析方法 污泥SV30和MC的測定參照文獻[10];污泥SRF的測定參照Guo等[11]的方法;污泥N的測定參照Rebhun等[12]的方法;污泥EPS的提取和測定參照文獻[13-14];污泥壓縮性系數的測定參照Guo等[15]的方法;污泥CST采用污泥毛細吸水時間測試儀測定;污泥Zeta電位采用納米粒度Zeta電位分析儀測定.本文涉及的實驗數據均是3次平行實驗數據的平均值.

2 結果與討論

2.1 不同污泥調理劑對污泥脫水性能的影響

I-V分別為1、2、3、4、5mol/L AlCl3改性生物炭

基于Xia等[16]的研究,評價單獨使用AlCl3對污泥脫水性能的影響,以佐證其用來改性玉米秸稈生物炭的可行性,結果如圖1a所示.經過AlCl3單獨調理后,污泥SRF降低,說明污泥脫水能力得到了提高,這是由于Al3+和帶負電荷污泥顆粒之間發生了電中和作用,降低了污泥顆粒間的靜電斥力,污泥顆粒更容易聚集的緣故[17].特別地,當AlCl3投加量為6g/L時,污泥SRF降到最低值,為5.4×1012m/kg.

由圖1b可知,經過未改性的玉米秸稈生物炭和AlCl3改性生物炭調理后,污泥比阻出現了不同程度的降低,說明污泥脫水能力得到了提高.當玉米秸稈投加量為6g/L時,調理后SRF降低至6.8×1012m/kg,經過等量的1,2,3,4,5mol/L AlCl3改性生物炭處理后, SRF分別降低至5.6×1012、4.2×1012、1.3×1012、2.1×1012和2.9×1012m/kg.由此可知,不同濃度AlCl3改性生物炭對污泥脫水能力的提高幅度均遠優于未改性的玉米秸稈生物炭和單獨使用AlCl3,其中3mol/L AlCl3改性生物炭對污泥脫水性能的改善效果最佳.

2.2 AlCl3改性生物炭的理化特性

由表2可知,無論是否經過1mol/L的HCl溶液浸泡,在生物炭表面上, Al含量都非常低,而經過3mol/L AlCl3改性的生物炭,Al含量則明顯增加,大約為23.2%,說明經過3mol/L AlCl3改性后,生物炭表面成功地覆蓋了Al種,由此通過電中和作用可以有效地提高污泥的脫水性能.此外,經過1mol/L HCl溶液浸泡和3mol/L AlCl3改性后,生物炭比表面積顯著增加,有利于污泥顆粒與生物炭的接觸和附著,更有利于電中和作用和污泥脫水的發生[18].

表2 AlCl3(3mol/L)改性生物炭的理化特性

如圖2所示,玉米秸稈生物炭表面上有一些微小顆粒,經過1mol/L HCl溶液浸泡后,這些顆粒消失了.再經過3mol/L AlCl3改性后,玉米秸稈生物炭表面又出現了很多顆粒物.分析認為,玉米秸稈生物炭表面上本來存在的微小顆粒可能是一些無機物碎片,可以通過HCl溶液清除,而最后出現的包裹在AlCl3改性生物炭表面的顆粒可能是Al物質,在玉米秸稈生物炭改性后,覆蓋在其表面上[19].

2.3 AlCl3改性生物炭對污泥脫水性能的影響

從實際工程角度看,為降低成本,污泥脫水過程中往往不調節pH值.因此,本文在不調節污泥pH值的情況下,研究了玉米秸稈生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭對污泥脫水性能的改善,結果如圖3所示. 隨著玉米秸稈生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭用量的增加,污泥SRF、MC、SV30和CST均降低,N增加,說明污泥脫水性能得到了改善[20].當3mol/L AlCl3改性生物炭用量為3g/L時,污泥SRF、MC、SV30和CST分別降低至最小值1.3×1012m/kg、81.9%、78.6%、35s,N增加至最大值17.8kg/(m2·h),此時污泥的脫水能力提高至最大.當未改性的玉米秸稈生物炭用量同樣為3g/L時,污泥SRF、MC、SV30和CST分別降低至7.4×1012m/kg、93.8%、91.7%、79s,N增加至最大值2.2kg/(m2·h).上述結果充分說明3mol/L AlCl3改性生物炭對污泥脫水能力的改善效果遠遠高于未改性的玉米秸稈生物炭.Wu等[6]采用FeCl3改性的稻殼生物炭調理污泥后,獲得了類似的污泥脫水性能,但生物炭的用量高達0.6g(生物炭)/g(干固體),這是制備生物炭的原料和熱解溫度不同所導致的.

2.4 AlCl3改性生物炭改善污泥脫水性能的機理

2.4.1 污泥Zeta電位 通常情況下,由于城市污水處理廠污泥顆粒的電負性較強,使得污泥顆粒間的靜電斥力較大,不易聚集,因此污泥的沉降性能和脫水性能較差[15].本實驗中,原污泥Zeta電位值為-12.2mV,經過玉米秸稈生物炭或3mol/L AlCl3改性生物炭調理后,污泥Zeta電位值增大,根據DLVO理論,Zeta電位增加,使污泥顆粒與水之間的極性作用減弱,進而使得污泥顆粒內結合水更多的向自由水轉化,有利于污泥顆粒與水分離,從而提高污泥脫水性能[21].由圖4可知,污泥Zeta電位隨著玉米秸稈生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭用量的增加而增加,這是由于生物炭對穩定污泥膠體系統的破壞,提高了污泥的脫水能力[7,20].在相同用量條件下,3mol/L AlCl3改性生物炭對污泥Zeta電位的增加幅度更大,說明改性生物炭的使用更有利于提高污泥脫水能力,例如:當3mol/L AlCl3改性生物炭用量為3g/L時,污泥Zeta電位由-12.2mV增加至-1.5mV,而當未改性玉米秸稈生物炭用量為3g/L時,污泥Zeta電位由-12.1mV增加至-9.3mV,這是因為3mol/L AlCl3改性生物炭表面負載的Al種,更有利于和帶負電荷的污泥顆粒發生電中和作用,從而提高污泥脫水能力[15,19].

圖4 2種不同生物炭調理污泥過程中污泥Zeta電位的變化

2.4.2 污泥EPS中蛋白質和多糖含量的變化 污泥EPS的釋放有利于污泥脫水,污泥EPS的主要成分是糖和蛋白質[22].如圖5所示,原污泥中含有182μg/gVSS蛋白質和83μg/gVSS多糖,其中85μg/gVSS蛋白質和38μg/gVSS多糖在溶解性EPS(S-EPS)中,71μg/gVSS蛋白質和29μg/gVSS多糖在緊密結合型胞外聚合物(TB-EPS)中,其余在松散附著型EPS(LB-EPS)中.經過玉米秸稈生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭調理后,污泥中蛋白質和糖含量均呈現下降趨勢,當3mol/L AlCl3改性生物炭的用量為3g/L時,S-EPS和TB-EPS中的蛋白質迅速下降至24和25μg/gVSS,多糖則分別略下降至29和26μg/gVSS.作為對照,當未改性的玉米秸稈生物炭的用量為3g/L時,S-EPS和TB-EPS中的蛋白質迅速下降到48和52μg/gVSS,多糖則分別略下降至32和28μg/gVSS.污泥中蛋白質和糖含量的降低有利于污泥脫水,蛋白質下降幅度更大,說明蛋白質對污泥脫水的影響更大[23].Liu等[24]報道了相似的研究結論.

2.4.3 泥餅的微觀結構和壓縮系數 由圖6可以看出,原污泥餅結構致密,多孔性不強,阻礙了大部分的水從泥餅中脫出,污泥的脫水能力較差.經過玉米秸稈生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭調理后,泥餅剖面出現比較明顯的大孔,尤其是3mol/L AlCl3改性生物炭作為骨架顆粒調理污泥時,在生物炭的周圍會出現比較大的裂縫,說明玉米秸稈生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭在泥餅中起到骨架支撐作用,能有效改善泥餅微觀結構,提高泥餅的滲透性,有效促進污泥中水分的脫出,從而提高污泥的脫水能力[19].

圖5 2種不同生物炭調理污泥后污泥中蛋白質和糖含量的變化

如圖7所示,原泥餅的壓縮性系數為2.05,經過玉米秸稈生物炭和3mol/L AlCl3改性生物炭調理后,泥餅的壓縮系數分別降至1.14和0.59.污泥餅可壓縮系數越低,表示污泥餅越能保持其滲透性,能有效防止污泥餅在抽濾壓力下變形,有利于污泥中水分的脫出,從而提高污泥的脫水能力[20].

圖7 2種不同生物炭調理后泥餅的壓縮系數

3 結論

3.1 以玉米秸稈為原料,在無氧條件下焙燒制備得到生物炭,采用3mol/L AlCl3溶液對玉米秸稈生物炭進行改性處理,獲得一種能夠有效改善污泥脫水性能的生物炭骨架顆粒.

3.2 經過3mol/L AlCl3改性生物炭調理后,污泥的SRF、MC、SV30、CST均大幅降低,尤其當3mol/L AlCl3改性生物炭用量為3g/L時, SRF、MC、SV30、CST分別降低至1.3×1012m/kg、81.9%、78.6%、35s,N增加至17.8kg/(m2·h),說明污泥脫水性能得到了顯著改善.

3.3 AlCl3改性生物炭通過在泥餅中會形成骨架結構釋放污泥中水和EPS、增加生物炭比表面積促進污泥顆粒的聚集、以及生物炭攜帶的正電荷能夠與污泥顆粒所帶的負電荷發生電中和作用等,從而提高污泥的脫水效果.

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Preparation of corn stalks biochar and improvement of dewatering performance of sludge.

GUO Jun-yuan*, WEN Xiao-ying, YANG Run-jin, LIN Yue, LAI Yu-long, ZHOU Yu-yu, YANG Hong

(College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)., 2019,39(8)：3316~3322

Biochar and AlCl3-modified biochar were prepared by using corn stalks as materials to enhance the dewatering of the sludge. The performances of these two biochar for the enhancement of the dewatering of the sludge and possible enhancing mechanisms were discussed. Results showed that SRF, MC, SV30and CST of the sludge were decreased andNwas increased after conditioned by the two biochar, indicating higher sludge dewaterability. Furthermore, dewatering of the sludge conditioned by the AlCl3-modified biochar was significantly better than that conditioned by the biochar that without modification. Especially, when the dosage of the biochar modified by 3mol/L of AlCl3solution was adjusted to 3g/L, SRF, MC, SV30and CST were decreased to 1.3×1012m/kg, 81.9%, 78.6% and 35s, respectively,Nwas increased to 17.8kg/(m2·h). For the enhancing mechanism, on the one hand, after conditioned by the biochar, certain skeleton structures were formed in sludge cake to make water cut across easily by decreasing the sludge EPS; on the other hand, charge neutralization occurred when the AlCl3-modified biochar (loaded with positively charged aluminum species on its surface) was dosed into the sludge system, thus destroying the stable sludge colloidal system, thus far easier to congregate the sludge particles, which enhanced the dewatering of the sludge.

aluminum chloride (AlCl3)；corn stalks；biochar；sludge dewatering

X703.1

A

1000-6923(2019)08-3316-07

郭俊元(1985-),男,山西繁峙人,副教授,博士,從事水污染控制工程與資源化研究.發表論文30余篇.

2019-01-28

國家自然科學基金資助項目(51508043)

* 責任作者, 副教授, gjy@cuit.edu.cn