聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑的制備 及污泥高效調理研究

文_廖欽雄 孫世昌 李桐 張培新 權宗剛

1.深圳大學化學與環境工程學院 2.西安墻體材料研究設計院

城市污泥的深度脫水處理研究對城市發展和污泥資源化利用具有重要意義。在污泥脫水過程中，通過添加絮凝劑并對進行壓濾處理是污泥減量化的有效方法之一。由于單一絮凝劑難以實現污泥高效脫水，復合型絮凝劑是絮凝劑深入研究的新趨向。復合型絮凝劑可以克服單一絮凝劑普遍存在的劣勢，且復合組分之間的 “協同作用”可強化氣絮凝性能。本研究旨在制備一種新型無機-有機高分子復合絮凝劑并探究其最佳的制備條件；采用三步污泥調理法（NaCl-聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑-污泥熱解殘渣）來對污泥進行調理，并考察其對污泥絮凝效果和深度脫水效果，為城市污泥深度脫水提供一種新型高效污泥調理方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與藥劑

本研究所用的活性污泥取自深圳市某污水處理廠，污泥含水率為96%～99%。實驗過程中所用試劑如下，殼聚糖（脫乙酰度≥90%）、冰醋酸（AR）、氯化鐵（AR）、氫氧化鈉（AR）、鹽酸、去離子水。

1.2 聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑的制備

殼聚糖絮凝劑制備：稱取1g 殼聚糖，將其溶于100mL 1%的HAc 溶液中并利用磁力攪拌器上攪拌24h。

聚合氯化鐵絮凝劑制備：量取20mL 0.5mol/L FeCl3溶液加水稀釋至400mL。加入100mL 0.25mol/L 的NaOH 溶液，采用六聯攪拌儀充分攪拌。

聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑制備：根據PFC：CTS質量比為1：1；2：1；3：1；1：2；1：3；2：3，分別稱取一定質量的PFC和CTS，充分攪拌后緩慢加熱至70℃并靜置24h。

1.3 絮凝效果實驗

取1000mL 活性污泥于2000mL 燒杯中，分別加入10g 絮凝劑，采用六聯攪拌先以100r/min 攪拌2min，然后50r/min慢速攪拌10min，靜置沉淀20 ～30min。污泥比阻用布氏漏斗真空過濾法，并根據公式（1）計算污泥比阻。污泥濾餅含固率通過公式（2）計算。

1.4 污泥三步調理法

取2000mL 待處理的活性污泥置于燒杯中，先用濃度為0.1～0.5mol/L NaCl 預處理，充分攪拌后，接著加入上述“1.2”實驗所制備的復合絮凝劑，投加量為20 ～50mg/L，充分攪拌后，最后加入污泥熱解殘渣，投加量為前述污泥總質量的40%～60%，充分攪拌后，進行抽濾處理。

2 結果與討論

2.1 復合絮凝劑對污泥比阻的影響

為探究有機-無機復合絮凝劑的最佳復合質量比，在污泥絮凝實驗過程中，分別投加不同m（PFC）：m（CTS）質量比復合絮凝劑，并采用污泥比阻作為衡量指標，結果如圖1（a）所示。當m（PFC）：m（CTS）=1：2 時，比阻最小為8.5×108s2/g，此條件下絮凝效果最佳。單體殼聚糖絮凝劑和聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑投加量對污泥比阻的影響如圖1（b）所示。隨著兩種絮凝劑投加量的增加，污泥比阻都先顯著降低后逐漸升高，適量的投加量可有效發揮絮凝劑吸附膠團、中和污泥中帶電基團、架橋連接小顆粒形成大絮體，能有效降低污泥比阻，提高污水脫水性能。然而，過量的絮凝劑會使污泥液相粘度增加和絮體流動性變差，形成絮體不會聚團沉淀。這種松散、細小的絮體容易堵塞過濾設備導致過濾脫水難度增加，從而使污泥比阻增加。當CTS 在投加量約為30mg/L 時污泥比阻達最小值為3.7×108s2/g，PFC-CTS 的污泥比阻最小值為2.2×108s2/g時其投加量為35mg/L。

圖1 不同絮凝條件對污泥比阻的影響

2.2 復合絮凝劑對污泥濾餅含固率的影響

單體殼聚糖絮凝劑和聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑投加量對濾餅含固率的影響如圖2 所示。隨著絮凝劑投加量的增加，泥餅的含固率都先增加后減小。單體殼聚糖絮凝劑最佳投加量為35mg/L 時濾餅含固率為23.7%，而聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑最佳投加量為40mg/L 時濾餅含固率為28.1%。由此可知，使用復合絮凝劑比單體殼聚糖絮凝劑效果好，得到含固率高的濾餅，大大減小污泥體積同時便于污泥后續資源化處置。由于添加的聚合氯化鐵中的Fe3+易水解成氫氧化鐵膠體，提供大量絡合離子，其表面積大且還帶正電荷能吸附和電中和膠體微粒，形成大顆粒沉淀。同時聚合氯化鐵中Fe3+能與殼聚糖分子中氨基、羥基形成穩定的螯合物，增加分子量和分子鏈長度，有利于絮凝劑吸附、卷掃、架橋、交聯和電中和作用，從而復合絮凝劑脫水效果更好，得到濾餅含固率更高。

圖2 殼聚糖絮凝劑和聚合氯化鐵-殼聚糖復合絮凝劑投加量對濾餅含固率的影響

2.3 三步調理法對污泥脫水性能優化研究

由上述實驗結論可知，使用m（CTS）/m（PFC）為2：1 的有機-無機復合絮凝劑處理污泥，當絮凝劑投加量為40mg/L時污泥脫水性能最佳，污泥濾餅的含固率可達27.6%。為了使污泥脫水性能更優化，采用三步調理法進一步提高污泥脫水效率，污泥含固率由27.6%顯著升高至35.4%。首先，NaCl 破壞污泥中EPS 結構，釋放其內部結合水。然后，PFC-CTS 絮凝劑通過電中和、架橋和卷掃作用使污泥膠體粒子發生絮凝。最后，污泥熱解殘渣中無機灰分在污泥絮凝沉降過程中發揮骨架支撐作用，使污泥顆粒生成緊實、體積較大的團聚物沉降下來，并增強沉降團聚物的剛性，使其更易于被機械壓縮，有利于脫水過程，從而獲得含固率更高的濾餅，有利于濾餅后續的資源化利用。

3 結論

通過實驗確定了PFC-C T S 復合絮凝劑質量配比m（PFC）：m（CTS）=1：2，投加量為35mg/L 時，污泥可以達到最佳的絮凝脫水效果。在三步調理法調理中，NaCl 呈電中性且陽離子可以中和胞外聚合物的陰離子，對細胞的破壞及釋水有積極作用，而加入的污泥熱解殘渣起到骨架構建的作用，使污泥過濾過程中形成多孔結構，保證水的過濾通道，使水分在高壓下仍易于脫出。三步調理法的協同作用顯著提高了污泥脫水性能，實現污泥高效減量化處理。大大減小了污泥體積，為其后續的運輸處置等環節節約了成本。