稻壳基骨架颗粒制备及调理城市污泥脱水作用和机理分析

发布时间：2020-09-03 11:26

　　我国污泥产量巨大,若得不到妥善安置,可能造成严重的二次环境污染。在污泥处理与处置中,污泥脱水是一个关键环节。如果污泥脱水性能较差,会严重影响污泥后续的处置。因此,在污泥脱水之前必须对污泥进行调理。同时,我国稻壳产量庞大,作为稻米生产的副产品,也需要得到妥善的处理。本研究针对污泥调理中开发安全、高效、绿色环保和廉价的骨架颗粒问题,以及稻壳合理化利用问题,首先研究开发了四种稻壳基骨架颗粒,研究其调理污泥脱水的作用和机理;然后比较四种稻壳基骨架颗粒对调理后污泥性质的影响;最后,对稻壳基骨架颗粒与污泥破解、絮凝方法联合调理污泥脱水的可行性及协同作用机理进行了研究。本研究以污泥净产率为污泥脱水性能的主要评价指标,污泥比阻、泥饼含水率和污泥沉降比为辅助评价指标。稻壳粉颗粒大小、稻壳粉和三氯化铁投加顺序、投加量等因素对污泥调理脱水的影响结果表明,稻壳粉最佳颗粒大小为109-150μm,最佳投加顺序为先投加稻壳粉、后投加三氯化铁,最佳投加量为稻壳粉70%污泥干重、三氯化铁138.09g/kg污泥干重。与三氯化铁(138.09 g/kg)单独调理污泥相比,污泥比阻下降59.7%,污泥净产率升高45.3%,污泥泥饼含水率由81.57%下降到73.37%,污泥沉降比由98%下降到88%。稻壳粉与三氯化铁联合调理后的污泥泥饼通过厌氧热解生成生物炭(Biochar-conditioned)。Biochar-conditioned的热解温度、Biochar-conditioned和三氯化铁投加顺序、投加量等因素对污泥调理脱水的影响结果表明,Biochar-conditioned最佳热解温度为400°C,最佳投加顺序为先投加Biochar-conditioned、后投加三氯化铁,最佳投加量为Biochar-conditioned 70%污泥干重、三氯化铁115.07 g/kg污泥干重。与三氯化铁(115.07 g/kg)单独调理污泥相比,污泥比阻下降63.9%,污泥净产率升高39.2%,污泥泥饼含水率由76.93%下降到70.27%,污泥沉降比由91%下降到83%。通过对生物炭颗粒的微观形态和表面元素分析,证明Biochar-conditioned不仅含有与原污泥泥饼生物炭(Biocharraw)相似的污泥基生物炭,同时还含有稻壳基生物炭,Biochar-conditioned表面铁元素含量较高,导致Biochar-conditioned联合三氯化铁调理的污泥脱水性能优于Biochar-raw联合三氯化铁调理的污泥脱水性能。稻壳生物炭热解条件、稻壳生物炭与三氯化铁的投加顺序、投加量等因素对污泥调理脱水的影响结果表明,稻壳生物炭最佳热解条件为500°C下热解2 h,最佳投加顺序是先投加稻壳生物炭、后投加三氯化铁,最佳投加量是稻壳生物炭60%污泥干重、三氯化铁138.09 g/kg污泥干重。与三氯化铁(138.09 g/kg)单独调理污泥相比,污泥比阻下降58.3%,污泥净产率升高40.9%,污泥泥饼含水率由82.46%下降到77.37%,污泥沉降比由93%下降到84%。改性稻壳生物炭改性条件、投加量等因素对污泥调理脱水的影响结果表明,改性稻壳生物炭最佳改性条件为三氯化铁浓度3 mol/L、超声时间1 h,最佳投加量为60%污泥干重,与原污泥相比,污泥比阻下降97.9%,污泥净产率升高约28倍,污泥泥饼含水率由96.69%下降到77.97%,污泥沉降比由96%下降到60%。通过对生物炭颗粒微观形态和表面元素分析,证明改性稻壳生物炭表面存在铁元素,使改性稻壳生物炭表面带正电荷,它能与带负电荷的污泥颗粒通过电荷中和作用产生絮凝,从而有效提高污泥的沉降性能和脱水性能。以上四种稻壳基骨架颗粒调理污泥的机理分析结果表明,骨架颗粒调理后的污泥滤液Zeta电位比未投加骨架颗粒的污泥滤液Zeta电位值更接近于0 m V,污泥处于脱稳而且易絮凝的状态,从而有效提高污泥沉降性能和脱水性能;污泥泥饼微观结构扫描照片表明投加稻壳基骨架颗粒之后污泥泥饼出现较大的缝隙,污泥泥饼的可压缩性系数低于未投加骨架颗粒的污泥泥饼,证明这几种稻壳基骨架颗粒都能有效提高污泥泥饼的多孔性和渗透性,从而有利于污泥中水分的脱出,进而提高污泥的脱水性能。对比分析四种稻壳基骨架颗粒调理污泥的效果,结果表明,Biocharconditioned(70%污泥干重)与三氯化铁(115.07 g/kg污泥干重)联合调理的污泥脱水性能和沉降性能最佳,滤液浊度和SCOD最低;而稻壳生物炭与三氯化铁调理后的污泥最趋近于中性,且固体有机质含量最高,污泥滤液和泥饼中重金属含量较低(稻壳生物炭比表面积较大能吸附滤液中大量的重金属,而其自身重金属含量非常低),而且泥饼中有机态和残渣态(稳定态)重金属所占比例最高,因此,稻壳生物炭调理的污泥安全性最高。利用Biochar-conditioned与高锰酸钾破解、三氯化铁絮凝联合调理城市污泥,能有效提高污泥的脱水性能。结果表明,三种调理剂最佳投加量为高锰酸钾20 g/kg污泥干重,三氯化铁138.09 g/kg污泥干重,Biochar-conditioned 70%污泥干重,投加顺序为先投加高锰酸钾进行污泥破解,再投加Biochar-conditioned,最后投加三氯化铁,与原污泥相比,污泥比阻下降97.5%,污泥净产率升高20.8倍,污泥泥饼含水率由94.71%下降到74.64%。高锰酸钾有效破解污泥菌胶团,释放胞内结合水;三氯化铁通过电荷中和作用,对破解后的污泥进行再絮凝,重新形成更大的污泥絮体;Biochar-conditioned有效改善污泥泥饼的内部结构,提高污泥泥饼的多孔性和渗透性,有效提高了污泥的脱水性能。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X703
【部分图文】：

最终处置,污泥,污泥调理,病毒

有机相醇、酸、酯、腐殖酸等可溶性糖类、蛋白质、纤维素等细菌、病毒、蛔虫、鞭虫等生物及虫卵多氯联苯、二恶英等毒害性有机物无机相S、Cu、Zn、Cr 等以及 Ca、Al、Fe 等的氧化物和氢氧化物等植物养分：N、P、K 及其化合物水分自由水、间隙水和结合水1.2 城市污泥调理和脱水的目的和意义图 1.1 为国内外最典型的污泥处理工艺流程。产生的污泥首先经过浓缩进行初步减容；再进行厌氧消化，降解污泥中的有机物，杀灭细菌、病毒等病原菌，同时回收产生的能源物质；通过一定的方法进行污泥调理，提高污泥的脱水性能；通过脱水和干化实现污泥的减量，从而有利于污泥的运输和最终处置；通过一定的途径进行污泥的最终处置和消纳。

三氯化铁,污泥脱水,投加量,污泥比阻

（b）三氯化铁投加量对污泥泥饼含水率的影响图 2.1 三氯化铁投加量对污泥脱水性能的影响Figure 2.1 Effect of FeCl3dosage on sludge dewaterability2.3.2 稻壳粉制备条件的优化利用稻壳粉联合三氯化铁调理城市污泥，三氯化铁投加量为 115.07 g/kg 污泥干重（本章 2.3.1 所得结果），稻壳粉的投加量为 50%污泥干重和 90%污泥干重，本节将稻壳粉颗粒大小作为稻壳粉制备条件的主要参数进行分析。稻壳粉颗粒大小对污泥脱水性能的影响如图 2.2 所示。图 2.2（a）表示稻壳粉颗粒大小对污泥比阻的影响，图 2.2（b）表示稻壳粉颗粒大小对污泥净产率的影响。由图可知，稻壳粉的投加量为 50%污泥干重时，污泥比阻和污泥净产率的变化趋势与稻壳粉投加量为 90%污泥干重时的变化趋势相同。单独投加三氯化铁的情况下，污泥比阻为 1.39×1012m/kg，污泥净产率为 16.81 kg/(m2h)。当投加稻壳粉时，污泥比阻先随着稻壳粉颗粒的减小而减小，当稻壳粉颗粒大小为 109-150 μm 时，污泥比阻达到最小值，最小值为 6.23×1011m/kg；当稻壳粉颗粒大于 150 μm 时，污泥比阻

投加量,污泥脱水,污泥,三氯化铁

（c）稻壳粉投加量对污泥泥饼含水率的影响图 2.3 稻壳粉投加量对污泥脱水性能的影响Figure 2.3 Effect of rice husk flour dosage on sludge filtration dewaterability图 2.3（a）表示稻壳粉投加量对污泥比阻的影响，图 2.3（b）表示稻壳粉投加量对污泥净产率的影响，图 2.3（c）表示稻壳粉投加量对污泥泥饼含水率的影响。由图可知，稻壳粉与三氯化铁联合调理的污泥比阻和污泥泥饼含水率要明显低于稻壳粉单独调理的污泥，稻壳粉与三氯化铁联合调理的污泥净产率要明显高于稻壳粉单独调理的污泥，因此，稻壳粉与三氯化铁联合调理污泥的脱水性能要明显优于稻壳粉单独调理的污泥。同时，稻壳粉分别与四种投加量的三氯化铁联合调理时，当稻壳粉投加到污泥中以后，污泥比阻和泥饼含水率随着稻壳粉投加量的增加而减小，污泥净产率先随着稻壳粉投加量的增加而增大，当稻壳粉的投加量为 70%污泥干重时，污泥净产率达到最大值，当稻壳粉的投加量大于 70%污泥干重时，污泥净产率有小幅度的降低。当三氯化铁投加量为 138.09 g/kg 污泥干重，稻壳粉投加量为 70%污泥干重时，污泥净产率达到最大值，因此，与稻壳粉

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