高溫拜耳法赤泥制備高效活化劑及骨架構建體調理市政污泥的研究

2020-11-13 03:55:36張延利劉中凱孫鳳娟劉萬超

硅酸鹽通報 2020年10期

張延利，劉中凱，孫鳳娟，劉萬超

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，鄭州 450041)

0 引言

目前，我國市政污泥年產量已超過了4 000萬t，隨著國家城鎮化的快速發展，污泥產量將會繼續增加。市政污泥中含有有機物和有毒有害物質，危害人類的健康。污泥含水量大(95%～98%)[1-3]，脫水困難，污泥調理脫水是城市污水處理廠的關鍵和必要環節。如何改善污泥脫水性能，進一步降低含水率，是污泥處理與處置的關鍵共性難題[4-5]。

我國赤泥年排放量超過7 000萬t，而綜合利用率不到5%，其有效資源化利用事關鋁工業的可持續發展。研究證實，赤泥本身含有豐富的堿金屬、鐵、鋁等有效活性成分，對污泥活化調理脫水具有優勢條件，且經提取有效活性成分之后的赤泥可以作為污泥調理的骨架構建體使用。因此，拜耳法赤泥用于市政污泥的調理及脫水具有獨特的優勢。

當前關于赤泥用于污泥調理的研究主要集中在從赤泥中浸出鋁、鐵，將浸出液制成絮凝劑用于污泥調理[6-8]，并未見到將提取鋁、鐵后的赤泥用于污泥調理或與赤泥基高效活化劑聯合用于污泥調理的報道。

本文以赤泥為基礎材料，研究制備新型污泥高效活化劑和赤泥基骨架構建體，替代常規調理劑聯合用于污泥深度調理脫水，以期獲得更好的污泥脫水效率，實現以廢治廢。

1 制備

1.1 原料基本性質分析

實驗原料為河南某氧化鋁廠的高溫拜耳法赤泥，采用MagiX(PANalytical)熒光分析儀分析拜耳法赤泥的主要化學組成，如表1所示。

表1 拜耳法赤泥的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of Bayer red mud

從表1中可以看出，該拜耳法赤泥的主要化學成分為Al2O3、SiO2、CaO和Fe2O3，約占整個組分的71.8%(質量分數)，其次為Na2O、TiO2、MgO和K2O，約占14.3%(質量分數)。

1.2 制備工藝條件

將105 ℃烘干的赤泥塊經SHR-10A高速混合機高速混合20 min，形成赤泥粉(D50=1.549 μm，D90=4.380 μm)，按液固比6～7將赤泥粉與6～8 mol/L的濃鹽酸的混合物在70～90 ℃恒溫水浴，300 r/min的轉速下機械攪拌2 h浸出鋁和鐵，再用1～2 mol/L NaOH溶液調節pH值為2.0～3.0后，在150 r/min的轉速下機械攪拌4 h，聚合、熟化即生成赤泥基高效活化劑及骨架構建體混合液。

2 性質表征

為了便于表征赤泥基高效活化劑和骨架構建體的性能，與上述相同條件下，在赤泥浸出鋁和鐵后，真空抽濾，濾液用1 mol/L NaOH溶液調節pH值為2.0～3.0后，在150 r/min的轉速下機械攪拌4 h，聚合、熟化生成赤泥基高效活化劑(主要為液體聚合氯化鋁鐵)，80 ℃低溫烘干，手工研磨后進行紅外光譜和SEM分析，考察聚合情況。

酸浸渣用去離子水沖洗至稀液呈中性后，80 ℃烘干，手工研磨即得到赤泥基骨架構建體，分析其物相、形貌和粒度。

2.1 赤泥基高效活化劑性質表征

赤泥基高效活化劑理論上主要成分應是鋁鐵聚合物，圖1是赤泥基高效活化劑紅外光譜。由圖1可知，在3 250～3 650 cm-1間形成的吸收峰是由赤泥基高效活化劑中OH-基團的伸縮振動產生的，此峰所占的面積比較大。從而可知，赤泥基高效活化劑中羥基含量較高，在處理污泥時，能夠很好地發揮吸附架橋的作用。羥基橋聯聚鋁鐵聚合物的伸縮振動產生出1 550～1 650 cm-1的光譜吸收峰，此峰較為明顯，表明赤泥基高效活化劑中含有大量羥基橋聯的鐵聚合物和羥基橋聯的鋁聚合物。在500～750 cm-1處出現的吸收峰很有可能是Fe-O-Fe、Al-O-Al的伸縮振動產生的。故由圖1可以看出，赤泥基高效活化劑含有大量的鋁鐵聚合物，與理論較為吻合。

圖1 赤泥基高效活化劑紅外光譜Fig.1 Infrared spectrum of red mud based high-efficiency activator

由紅外光譜可初步判斷赤泥基高效活化劑中含有大分子聚合物。圖2是赤泥基高效活化劑SEM照片。由圖2可知，赤泥基高效活化劑的微觀結構為網狀互聯結構，進一步印證了赤泥基高效活化劑的聚合物結構。

圖2 赤泥基高效活化劑SEM照片Fig.2 SEM images of red mud based high-efficiency activator

赤泥基高效活化劑中不全是網狀互聯結構的聚合物。圖3是赤泥基高效活化劑XRD譜。由圖3可知，赤泥基高效活化劑有明顯的NaCl峰，還有AlCl3·6H2O和FeCl3的微弱峰，說明赤泥基高效活化劑中還存在少量未嵌入網狀互聯結構的AlCl3·6H2O和FeCl3，按標準GB 15892—2009測得赤泥基高效活化劑的鹽基度為70.2%，也驗證了這一點。同時，赤泥基高效活化劑還存在雜質NaCl，這是來自赤泥的Na元素和來自赤泥活化酸鹽酸的Cl元素所形成的，由于NaCl晶型良好，故NaCl峰比較突出且明顯。

圖3 赤泥基高效活化劑XRD譜Fig.3 XRD pattern of red mud based high-efficiency activator

2.2 赤泥基骨架構建體性質表征

骨架構建體屬于污泥物理調理劑，一定程度上可在污泥中形成堅硬網格骨架保持多孔結構，起構建骨架的作用，因此可以解決污泥的可壓縮性問題，改善污泥脫水性能[9-11]。添加骨架構建體在污泥中形成骨架結構，其壓濾過程類似圖4(a)所示，屬于不可壓縮泥餅，能提高污泥的脫水性能。

圖4 骨架構建體作用機理示意圖Fig.4 Schematic diagram of skeleton builder action mechanism

圖5是骨架構建體XRD譜，圖6是骨架構建體粒度分布。由圖5可知，赤泥基骨架構建體主要物相組成為：一水硬鋁石、三水鋁石、伊利石及殘留的赤泥基高效活化劑成分AlCl3·6H2O和NaCl等。經過激光粒度分析，赤泥基骨架構建體的D50為162.717 μm，D90為375.310 μm(見圖6)，其形貌如圖7所示。

圖5 骨架構建體XRD譜Fig.5 XRD pattern of skeleton builder

圖6 赤泥基骨架構建體粒度分布Fig.6 Particle size distribution of red mud based skeleton builder

圖7 赤泥基骨架構建體SEM照片Fig.7 SEM image of red mud based skeleton builder

3 活化調理市政污泥

根據《城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》(GB/T 23485—2009)，混合填埋用泥質的含水率需小于60%[12-15]。本文活化調理試驗所用原污泥為市政剩余污泥，固含量為0.038 5 g/L，含水率為96.1%。原污泥在400 r/min轉速下攪拌25 min，1.3 MPa下板框壓濾20 min，測得濾餅的含水率為66.2%。

3.1 赤泥基骨架構建體單獨調理市政污泥

在赤泥浸出鋁、鐵后，真空抽濾，赤泥酸浸渣用去離子水沖洗至稀液呈中性后，80 ℃烘干，手工研磨，即制得赤泥基骨架構建體，備用。取原污泥6 L，分別按照50 mg/g DS、100 mg/g DS、200 mg/g DS、300 mg/g DS、400 mg/g DS、500 mg/g DS(干污泥)加入赤泥基骨架構建體，在400 r/min的轉速下攪拌25 min，1.3 MPa下板框壓濾20 min，采用的小型脫水實驗裝置如圖8所示。所得濾餅在105 ℃條件下烘干至恒重，按照式(1)計算得到濾餅含水率W，如圖9所示。由圖9可知，隨著赤泥基骨架構建體的加入，污泥脫水濾餅含水率呈先降低后升高的趨勢。其原因可能是，適量赤泥基骨架構建體的加入為污泥中的水分提供了流出的通道，使污泥脫水濾餅含水率降低，但過多赤泥基骨架構建體的加入就可能阻塞之前形成的水分通道[16-17]，故造成污泥脫水濾餅含水率再度升高。由圖9可知，赤泥基骨架構建體的最佳添加量為200 mg/g DS。

圖8 脫水試驗裝置——小型污泥隔膜壓濾機(0.6 m2)Fig.8 Dehydration test device—small sludge diaphragm filter press (0.6 m2)

圖9 赤泥基骨架構建體單獨調理市政污泥的效果Fig.9 Effect of red mud based skeleton builder on conditioning municipal sludge alone

(1)

式中：W為濾餅含水率，%；m濕為濕濾餅重量，g；m干為干濾餅重量，g。

3.2 赤泥基高效活化劑及骨架構建體的混合液添加量的影響

本文所述赤泥基高效活化劑及骨架構建體成品是以固液混合物的形式存在。為方便試驗，以其中固體量(赤泥基骨架構建體的量)來計量加入量。取原污泥200 mL，分別將50 mg/g DS、100 mg/g DS、110 mg/g DS、125 mg/g DS、150 mg/g DS、200 mg/g DS、250 mg/g DS和300 mg/g DS加入赤泥基高效活化劑及骨架構建體的混合液，在400 r/min的轉速下攪拌25 min，真空抽濾，分析得到濾液中Cd的含量，如圖10所示。由圖10可知，當赤泥基高效活化劑及骨架構建體的混合液添加量(以固體量計)超過100 mg/g DS時，濾液中的Cd含量超過0.10 mg/L，高于標準值0.10 mg/L(《污水排入城鎮下水道水質標準》(CJ 343—2010))，濾液重金屬超標，故赤泥基高效活化劑及骨架構建體的混合液添加量(以固體量計)不能超過100 mg/g DS。

圖10 赤泥基高效活化劑及骨架構建體混合液的加入量與污泥壓濾液中鎘含量的關系Fig.10 Relationship between the content of cadmium in the filtrate and the amount of red mud based high-efficiency activator and skeleton builder mixture

3.3 赤泥基高效活化劑及骨架構建體混合液與生石灰聯合調理

本文所制得的赤泥基高效活化劑及骨架構建體混合液整體上呈酸性，pH值為2.0～3.0，而根據文獻調研[18-20]，污泥pH值在5.0～8.0范圍內更易脫水，故需要配入適當的生石灰，一方面可以調節pH值，另一方面可以填補一部分骨架構建體空缺。

將赤泥基高效活化劑及骨架構建體的混合液，按照固體量100 mg/g DS加入到市政剩余污泥中，在400 r/min攪拌5 min，再按照100 mg/g DS(骨架構建體添加量為200 mg/g DS)加入生石灰，在400 r/min的轉速下攪拌20 min(污泥pH=6.5)，1.3 MPa下板框壓濾20 min，測得濾餅的含水率為50.1%，較原污泥同條件脫水濾餅含水率下降了約16.1%。且濾餅重金屬及濾液重金屬含量均低于相關標準值，具體如表2和表3所示。