董凌霄，丁紹蘭，謝林花，任文艷

(陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安　710021)

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核桃殼添加改善污泥壓縮性能研究

董凌霄，丁紹蘭，謝林花，任文艷

(陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710021)

摘要：污泥壓縮階段的高壓縮性使得污泥脫水困難.物理調(diào)理劑可以作為骨架構(gòu)建劑改善污泥的緊實(shí)性和壓縮性，從而改善污泥的脫水性.本研究采用農(nóng)業(yè)廢棄物——核桃殼作為物理調(diào)理劑，對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理調(diào)節(jié)，以污泥比阻、泥餅含水率、壓縮系數(shù)等為測(cè)定指標(biāo)，研究了其對(duì)污泥的壓縮性和脫水效果的影響.試驗(yàn)結(jié)果顯示：核桃殼和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)單獨(dú)或者混合使用時(shí)，污泥比阻(SRF)和脫水后泥餅含水率相比于原泥都有所減小，改善了污泥的壓縮性能，提高了污泥的脫水效果；此外，壓縮系數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)一步證實(shí)了污泥的壓縮性確實(shí)得到改善.本研究中污泥壓縮性改善的最佳條件是：核桃殼的投加比例(核桃殼與干污泥質(zhì)量比)為3∶7、粒徑為0.25～1 mm、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量為100 mg/L，污泥壓縮系數(shù)從原泥的1.576 8增加到調(diào)理后的1.997 8，抽濾后泥餅的含水率由原泥的80.59%降為73.23%.

關(guān)鍵詞：核桃殼; 陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM); 骨架構(gòu)建劑; 污泥比阻(SRF); 污泥壓縮性; 污泥脫水

0引言

一般污泥經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理，如濃縮和消化后，污泥的含水率還會(huì)在95%～97%范圍內(nèi)，相對(duì)來(lái)說(shuō)體積仍然很大，這使得污泥的處置和回收仍然達(dá)不到理想的結(jié)果[1].機(jī)械脫水困難的主要原因除了過(guò)濾介質(zhì)堵塞之外，污泥壓縮階段的高壓縮性也是一個(gè)非常重要的影響因素.物理調(diào)理劑也稱為骨架構(gòu)建劑或者助濾劑，已被用來(lái)改善泥餅特性.作為骨架構(gòu)建劑使用的物理調(diào)理劑，可以增加污泥的緊實(shí)性，改善污泥的可壓縮性，增加污泥泥餅的滲透性，從而能夠較好地提高污泥的脫水性能[2,3].

目前，使用較廣泛的物理調(diào)理劑主要是含碳材料，如焦碳和細(xì)煤粉[4]、褐煤[5]，木片和小麥渣[6]、蔗渣[7]等農(nóng)業(yè)廢棄物質(zhì).Zall等[8]通過(guò)固結(jié)實(shí)驗(yàn)表明了污泥泥餅具有較高的可壓縮性能；Thapa等[5]用滲透性試驗(yàn)測(cè)定了壓縮泥餅的滲透性.污泥滲透性越大，越容易壓縮，脫水效果越好.Thapa等試驗(yàn)結(jié)果顯示，污泥自身產(chǎn)生的泥餅滲透性非常低，用褐煤調(diào)理后，泥餅的滲透性得到了明顯地提高.同時(shí)，通過(guò)測(cè)定泥餅性質(zhì)的變化，如過(guò)濾比阻、凈污泥產(chǎn)率等，確認(rèn)了這些物理調(diào)理劑在改善污泥脫水性方面具有明顯的作用.

核桃作為一種木本油料植物,在我國(guó)的種植面積十分龐大.長(zhǎng)期以來(lái)，核桃殼處于被丟棄或者焚燒的狀態(tài)，對(duì)環(huán)境造成了一定的危害性.目前，核桃殼主要用在食品、醫(yī)藥、工藝品和化工方面，如應(yīng)用在過(guò)濾器過(guò)濾采油污水[9]、制備活性炭[10]、提取制備棕色素[11]、制備抗聚劑和抗氧化劑[12,13]等方面.在本研究中，核桃殼用來(lái)作為骨架構(gòu)建劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，研究了核桃殼的添加對(duì)污泥壓縮性和脫水性的影響.

1試驗(yàn)部分

1.1污泥及材料

試驗(yàn)污泥取自于西安市第五污水處理廠，通過(guò)重力沉降使污泥含水率達(dá)到97.5%左右.為了減小污泥特性變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，污泥取回放入4 ℃的冰柜中保存且時(shí)間不超過(guò)一周，污泥的值pH為6.71.

陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)能有效對(duì)污水中帶負(fù)電荷的懸浮顆粒絮凝沉淀，取自西安市第五污水處理廠脫水間.污泥絮凝試驗(yàn)CPAM的添加量分別為60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L.

核桃殼去中隔后，清洗去雜質(zhì)晾干進(jìn)行破碎、過(guò)篩，得到粒徑分別為0.25～1 mm、1～2 mm、2～2.8 mm的核桃殼，避光防潮備用.

1.2污泥調(diào)理和脫水試驗(yàn)

在一定量污泥中添加不同粒徑、不同比例的核桃殼和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理.通過(guò)布氏漏斗抽濾試驗(yàn)確定泥餅含水率、污泥比阻和壓縮系數(shù)等參數(shù)，研究了調(diào)理對(duì)污泥壓縮性和脫水效果的影響，確定了在污泥壓縮和脫水性能達(dá)到最佳效果時(shí)核桃殼的最佳粒徑和最佳添加比例,以及陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的添加量.

1.3污泥壓縮性的評(píng)價(jià)參數(shù)

(1)泥餅含水率

含水率通過(guò)重量法確定.將調(diào)理抽濾后的泥餅在105 ℃烘箱內(nèi)烘干12 h以上，通過(guò)烘干前后的重量差計(jì)算含水率.

(2)污泥比阻

污泥比阻試驗(yàn)采用布氏漏斗裝置法測(cè)定[14].

(3)壓縮系數(shù)

泥餅壓縮性反映在作用壓力下壓縮污泥的程度[15].壓縮系數(shù)可以由式(1)得到：

(1)

式(1)中：S-壓縮系數(shù);P1、P2-不同的真空抽濾壓力，Pa；SRF1、SRF2-P1和P2壓力條件下的比阻值，m/kg.

2結(jié)果與討論

2.1核桃殼單獨(dú)調(diào)理對(duì)泥餅壓縮性的影響

2.1.1對(duì)SRF的影響

用不同粒徑、不同比例的核桃殼調(diào)理污泥后，在0.05 Mpa和0.08 Mpa下測(cè)得的污泥比阻值(SRF)值結(jié)果分別如圖1、圖2所示.從圖1～2均可以看出，在同一投加比例下，隨著核桃殼粒徑的增大，污泥比阻(SRF)隨之增大，但都小于原泥的比阻值；在同一粒徑下，隨著核桃殼投加比例的增加，污泥比阻(SRF)隨之減小，并且都小于原污泥的比阻值.這說(shuō)明核桃殼的添加有助于改善污泥的壓縮性.但隨著壓力的增大，污泥比阻隨之增大，這是因?yàn)閷?duì)于可壓縮性污泥，在壓力作用下，顆粒會(huì)變形.壓力增加后，小顆粒污泥被壓縮并擠進(jìn)孔道，孔道變小，使得污泥過(guò)濾比阻隨壓力的增大而增加[16].

圖1　0.05 MPa粒徑和投加比例對(duì)污泥比阻的影響

圖2　0.08 MPa粒徑和投加比例對(duì)污泥比阻的影響

2.1.2對(duì)抽濾后泥餅含水率的影響

圖3為用核桃殼調(diào)理抽濾后泥餅的含水率.由圖3可以看出，在同一投加比例下，隨著核桃殼粒徑的增大，泥餅含水率越大，污泥的脫水效果越差，并且粒徑的變化對(duì)泥餅含水率影響不大.這主要是因?yàn)橥瑯淤|(zhì)量的核桃殼，當(dāng)粒徑變大時(shí)，核桃殼顆粒數(shù)變少，在污泥中不能有效地分散，支撐作用不明顯，從而對(duì)脫水效果影響不明顯；在同一粒徑下，隨著核桃殼投加比例的增加，泥餅的含水率降低，污泥的脫水效果越好，并且都比原污泥的脫水效果好.這是因?yàn)殡S著添加比例的增加，核桃殼顆粒數(shù)增多，在污泥中分散的均勻性增加，從而改善了脫水效果.

2.1.3對(duì)泥餅壓縮系數(shù)的影響

圖4為不同粒徑核桃殼以不同的添加比例調(diào)理后污泥的壓縮系數(shù).從圖4可以看出，在同一粒徑下，泥餅的壓縮系數(shù)隨著核桃殼投加比例的增加而增加，且都大于原泥的壓縮系數(shù)；在同一投加比例下，泥餅的壓縮系數(shù)隨著核桃殼粒徑的增加而減小，但都大于原泥的壓縮系數(shù).其原因是添加物理調(diào)理劑后，使得污泥的壓縮性降低，容易壓縮，對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)增大，可壓縮程度增強(qiáng)，從而泥餅的壓縮性得到改善.

圖3　核桃殼調(diào)理后泥餅的含水率

圖4　核桃殼調(diào)理后污泥的壓縮系數(shù)

2.2陽(yáng)離子聚丙烯酰銨(CPAM)單獨(dú)調(diào)理對(duì)泥餅壓縮性的影響

2.2.1對(duì)SRF的影響

單獨(dú)添加不同劑量的CPAM調(diào)理污泥，在0.05 Mpa和0.08 MPa條件下測(cè)得的污泥比阻(SRF) 結(jié)果如圖5 所示.

圖5　0.05 MPa和0.08 MPa下CPAM添加量對(duì)污泥比阻的影響

從圖5可以看出，隨著CPAM投加量的增加，SRF減小，并且都小于原污泥的比阻值.主要原因是陽(yáng)離子聚丙烯酰胺與廢水中的膠體物質(zhì)通過(guò)化學(xué)吸附架橋和物理網(wǎng)格形式產(chǎn)生絮凝作用，降低了污泥比阻，從而改善了污泥的壓縮性.并且在不同壓力作用下，污泥顆粒會(huì)變形，隨著壓力的增加，顆粒被壓縮并擠進(jìn)孔道，孔道變小，比阻隨壓力的增加而增大.但是，比阻的降低程度不是很明顯，說(shuō)明CPAM調(diào)理對(duì)泥餅的壓縮性影響不大.

2.2.2對(duì)含水率的影響

CPAM單獨(dú)調(diào)理后的泥餅含水率如圖6所示.從圖6可以看出，隨著陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)投加量的增加，脫水后的泥餅含水率越小，并且都小于原污泥的泥餅含水率.因此，添加陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)有助于改善污泥的脫水性能.

圖6　CPAM調(diào)理后泥餅的含水率

2.2.3對(duì)泥餅壓縮系數(shù)的影響

圖7為CPAM單獨(dú)調(diào)理后泥餅的壓縮系數(shù).從圖7可以看出，泥餅的壓縮系數(shù)隨著CPAM投

加量的增加而增加，且都大于原泥餅的壓縮系數(shù).這是因?yàn)樘砑雍颂覛す羌軜?gòu)建劑后，使得污泥的壓縮性降低，容易壓縮，對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)增大，可壓縮程度增強(qiáng).這也說(shuō)明單獨(dú)投加CPAM有助于改善污泥的壓縮性能，但壓縮系數(shù)差別較小，表明CPAM對(duì)污泥的壓縮性改善效果不顯著.

圖7　CPAM調(diào)理后污泥的壓縮系數(shù)

2.3核桃殼+CPAM聯(lián)合調(diào)理對(duì)污泥壓縮性的影響

為了確定最佳核桃殼粒徑、添加比例和CPAM的添加量，進(jìn)行了正交試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所示.

表1　正交試驗(yàn)結(jié)果

(a)粒徑各水平均值圖　　　　　　　　(b)投加比例各水平均值圖　　　　　　(c)投加量各水平均值圖圖8　0.05 MPa下污泥比阻的正交試驗(yàn)分析結(jié)果

從圖8可以看出，使比阻達(dá)到最小水平的組合是核桃殼的粒徑為0.25～1 mm、投加比例為3∶7、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量為100 mg/L.從污泥比阻來(lái)看，核桃殼和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺混合使用能夠更好地改善污泥的壓縮性.其原因是化學(xué)調(diào)理劑和物理調(diào)理劑結(jié)合使用時(shí)，調(diào)理劑和污泥固體之間由于它們的帶電特性而發(fā)生相互作用，有助于形成一個(gè)均一的滲透性固體結(jié)構(gòu)，比單獨(dú)使用調(diào)理劑改善時(shí)效果更好.

對(duì)0.08 MPa條件下的SRF、抽濾后泥餅的含水率和壓縮系數(shù)進(jìn)行正交分析，亦得出了相同的結(jié)果：即核桃殼的粒徑為0.25～1 mm、投加比例為3∶7、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量為100 mg/L，在此條件下，污泥的脫水效果最好，壓縮系數(shù)最大，污泥壓縮性改善效果最佳.

正交試驗(yàn)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明：當(dāng)核桃殼的粒徑為0.25～1 mm、投加比例為3∶7、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)的投加量為100 mg/L時(shí)，污泥的壓縮系數(shù)達(dá)到最大值1.997 8.

表2　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3結(jié)論

使用農(nóng)業(yè)廢棄物核桃殼作為物理調(diào)理劑預(yù)調(diào)理污泥后，可得到以下結(jié)論：

(1)使用核桃殼和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺作為調(diào)理劑處理污泥后，污泥比阻值和脫水后泥餅含水率都小于原泥比阻值和原泥的泥餅含水率.并且，當(dāng)核桃殼和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺混合使用后，比其單獨(dú)使用時(shí)的改善效果更好.

(2)在核桃殼的三種粒徑和三種投加比例中，對(duì)污泥壓縮性改善效果最佳的粒徑是0.25～1 mm，最佳的投加比例是3∶7；在陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的三種投加量中，對(duì)污泥壓縮性改善最佳的投加量是100 mg/L.

(3)在最佳組合條件時(shí)，0.05 MPa壓力下污泥比阻從原泥的5.68×1013m/kg降低到3.29×1013m/kg；在0.08 MPa壓力下污泥比阻從原泥的10.82×1013m/kg降低到8.43×1013m/kg;抽濾后泥餅含水率由原泥的80.59%降低至73.23%.

(4)當(dāng)核桃殼粒徑為0.25～1 mm、添加比例為3∶7、CPAM添加量為100 mg/L時(shí)，污泥的壓縮系數(shù)改善最明顯，從原泥的1.576 8增加到1.997 8.在其它調(diào)理?xiàng)l件下，污泥壓縮系數(shù)相比于原泥也有所提高.

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【責(zé)任編輯：晏如松】

Walnut shell aided to improve sludge compressibility

DONG Ling-xiao, DING Shao-lan, XIE Lin-hua, REN Wen-yan

(College of Environmental Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:The main difficulty in mechanical dewatering is the high compressibility of the flocculated sludge except for the block of the filter media.Physical conditioners are usually used to improve sludge dewatering by reducing the sludge compressibility and strengthening sludge permeability.In the study,walnut shell which is an agricultural waste of China was selected to condition sludge used as physical conditioner which played a role of skeleton builders.During the course of experiments,sludge resistance of filtration (simplified as SRF),water content of sludge cake,coefficient of compressibility were taken as indicative parameters of sludge compressibility.The experiment results showed that SRF and water content of sludge cake decreased when sludge was conditioned with walnut or cationic polyacrylamide (simplified as CPAM),or co-condition with walnut and CPAM.This identified that sludge compressibility was improved and so increased dewatering rate of sludge. In addition,the variation trend of compressibility coefficient also showed that sludge compressibility had been improved.The fittest condition was that the ratio of walnut shell to dry solid (ratio of weight) was 3∶7,particle size of walnut shell was 0.25～1 mm and the dose of CPAM was 100 mg/L.The coefficient of compressibility increased from 1.576 8 of raw sludge to 1.997 8 of treated sludge conditioned with walnut shell and CPAM.Water content of sludge cake filtered with vacuum pump decreased from 80.59% without any condition to 73.23% after conditioned under the fittest condition.

Key words:walnut shell; cationic polyacrylamide(CPAM); skeleton builder; sludge specific resistance(SRF); sludge compressibility; dewaterability

*收稿日期:2016-04-13

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JK1100)

作者簡(jiǎn)介:董凌霄(1975-),女，山西萬(wàn)榮人，講師，在讀博士研究生，研究方向：廢水生物處理技術(shù)及應(yīng)用、農(nóng)業(yè)廢棄物在污水污泥處理中的應(yīng)用

文章編號(hào)：1000-5811(2016)04-0026-05

中圖分類號(hào)：X705

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A