墨子卉，曹江林,2*

1 同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092 2 喀什大學 土木工程學院,喀什 844008

隨著人口的快速增長，生活污水處理量日益增加.作為生化處理過程中不可避免的副產(chǎn)物,剩余活性污泥產(chǎn)量也大幅上升[1]，其內(nèi)部含有的有毒有害物質(zhì)如未完全處理將對環(huán)境造成嚴重危害[2].“干化+焚燒”技術(shù)因其低占地面積、可高溫降解有機污染物[3]并使其完全惰性化,同時將污泥中化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿奶匦?備受研究者們關(guān)注.而污泥脫水可減少污泥體積,方便其運輸與后續(xù)處理,是“干化-焚燒”技術(shù)必不可少的前處理階段.然而,除自由水外,泥水之間通過物理/化學力緊密結(jié)合,使污泥結(jié)合水難以通過簡單的機械方式得到去除[4],常需通過調(diào)理措施改變污泥表面性質(zhì).但物理法[5-6]高昂的投入與運行成本、生物法[7]較長的培養(yǎng)周期使這兩種方法未能在工程中得到廣泛應(yīng)用.目前較為成熟的技術(shù)是化學法中的復(fù)合調(diào)理技術(shù),其中以CaO-FeCl3復(fù)合調(diào)理最為主流.生石灰良好的骨架結(jié)構(gòu)與破壁作用[8]與FeCl3電中和作用可顯著降低污泥含水率.但高CaO投加量不但增加泥餅體積,同時降低了泥餅熱值,不利于后續(xù)焚燒處置.

季銨鹽因其氧化作用被廣泛用于飲用水殺菌、醫(yī)療設(shè)備消毒等領(lǐng)域[9].因其強大的滅活能力,可作為破壁劑用于污泥脫水中.Dong等[10]人利用二氯異氰脲酸鈉(DCCNa)與十二烷基二甲基氯化銨(DDAC)聯(lián)合調(diào)理,有效提高污泥的脫水性能.Guo等[11]人利用NaOH-十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)-改性玉米芯粉(MCCP)調(diào)理污泥,改善了其脫水性能.

因此,本研究將DDAC與P(AM-DMDAAC)的季銨鹽復(fù)配藥劑加入CaO-FeCl3體系,減少CaO用量,解決因無機質(zhì)投量過高導(dǎo)致污泥熱值降低的問題,實現(xiàn)對CaO-FeCl3復(fù)合調(diào)理的改良.以往研究未以這種復(fù)合季銨鹽作為調(diào)理藥劑,且常以含水率作為脫水性能指標,本研究以焚燒爐內(nèi)污泥凈熱值作為響應(yīng)值,通過響應(yīng)面試驗(RMS)尋找CaO-FeCl3-季銨鹽復(fù)配藥劑最佳投配方案,為污泥脫水實際應(yīng)用提出理論參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用的污泥取自上海市某污水處理廠的二沉污泥,其含水率為97.48 %,pH為6.54,污泥比阻(SRF)為24.62×1012m/kg.污泥取回后置于4 ℃冰箱中保存,所有實驗在4 d內(nèi)完成.

試驗所用藥品包括:生石灰(CaO國藥集團化學試劑有限公司)、三氯化鐵(FeCl3Adamas-Beta)、季銨鹽復(fù)配藥劑由上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)的二甲基二烯丙基氯化銨/丙烯酰胺共聚物(10 %)及雙癸基二甲基氯化銨(95 %)復(fù)配得到.所有化學品均為試劑級及以上,無需進一步純化即可使用.

1.2 試驗方法

1.2.1 污泥調(diào)理與脫水

向污泥中依次投加季銨鹽復(fù)配藥劑、CaO和FeCl3,每種藥劑投加后均利用懸臂式機械攪拌儀(SunneSN-OES-60)以300 rpm·min-1攪拌速度攪拌3 min,所有藥劑投加完畢后,以150 rpm·min-1攪拌速度慢攪11 min.保證每次實驗攪拌總時長均為20 min.

使用小型壓濾機模擬板框壓濾機進行壓濾實驗,濾布選用丙綸濾布.壓濾脫水共分為進料與壓榨兩個階段,其中以0.7 MPa的進料壓力保壓15 min;后以1.2 MPa壓榨15 min.

1.2.2 污泥脫水性能評價指標

以脫水污泥含水率、污泥比阻(SRF)為污泥脫水性評價指標.將調(diào)理后污泥進行壓榨,所得脫水泥餅在105 ℃下干燥至恒重測其含水率;利用抽濾裝置(0.08 MPa)進行抽濾實驗,并根據(jù)公式[39]計算污泥SRF.

1.2.3 污泥凈熱值的計算

研究旨在通過投加季銨鹽復(fù)配藥劑代替同樣具有破壁作用的CaO,減少無機質(zhì)含量過高對污泥熱值造成的影響.故取1 kg不同調(diào)理方法得到的脫水泥餅計算其焚燒階段凈熱值.當一定質(zhì)量泥餅中水分、無機質(zhì)含量越多,則絕干污泥占比越小,污泥濕基熱值越小,而水分蒸發(fā)、無機物升溫所需能量越多,凈熱值越小.

1.2.4 單因素試驗設(shè)計

控制CaO,FeCl3和季銨鹽復(fù)配藥劑在聯(lián)合調(diào)理時的投量,分析各因素對污泥脫水性能及凈熱值的影響,從而確定響應(yīng)面試驗中各因素的投加范圍.

在FeCl3投量40 mg/gDS,季銨鹽復(fù)配藥劑投量125 mg/gDS條件下，考察CaO投量(50 mg/gDS,100 mg/gDS,150 mg/gDS,200 mg/gDS,250 mg/gDS,300 mg/gDS)對污泥脫水性能及凈熱值的影響.

在CaO投量150 mg/gDS,季銨鹽復(fù)配藥劑投量125 mg/gDS條件下,考察FeCl3投量(50 mg/gDS,100 mg/gDS,150 mg/gDS,200 mg/gDS,250 mg/gDS,300mg/gDS)對污泥脫水性能及凈熱值的影響.

CaO投量150 mg/gDS,FeCl3投量40 mg/gDS條件下,考察季銨鹽復(fù)配藥劑投量(50 mg/gDS,100 mg/gDS,150 mg/gDS,200 mg/gDS,250 mg/gDS,300 mg/gDS)對污泥脫水性能及凈熱值的影響.

1.2.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計

以單因素試驗結(jié)果為依據(jù),應(yīng)用BB(Box-Behnken)設(shè)計原理,進行三因素三水平耦合實驗.以CaO(A)、FeCl3(B)、季銨鹽復(fù)配藥劑(C)作為自變量,污泥凈熱值(Y)為響應(yīng)值.模型擬合二次多項式見式(1).

(1)

式中,Xi與Xj為互相獨立的影響因子;β0是偏移項;βi表示Xi的線性偏移系數(shù);βii為Xi二階偏移系數(shù);βij為Xi與Xj之間的交互作用效應(yīng).

每個參數(shù)的低、中、高濃度分別用-1,0,1表示,實驗因素及水平見表1.

表1 響應(yīng)面設(shè)計因素水平Table 1 Factors and levels of response surface design (mg/gDS)

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗

由圖1(a)、圖1(b)可知,隨著CaO投量增加,污泥含水率下降,熱值上升;當CaO投量過高,CaO破壁作用趨近于飽和,含水率不再有明顯變化,而大量無機物的投入降低了污泥熱值.在CaO投量140 mg/gDS～170 mg/gDS范圍內(nèi)取得最大值,故確定150 mg/gDS為CaO投量中心點;由圖1(c)、圖1(d)可知,隨FeCl3投加量的增多,污泥含水率和SRF不斷降低,凈熱值不斷升高.當FeCl3投量0～40 mg/gDS時,污泥凈熱值變化趨勢較大,之后變化率減小;且因Fe3+的強烈腐蝕作用,其投量不易過多,故確定40 mg/gDS為FeCl3投量中心點.

圖1 各因素對污泥脫水性能及凈熱值影響Fig.1 Effect of factors on dewatering performance and net calorific value of sludge

由圖1(e)、圖1(f)可知,隨著季銨鹽復(fù)配藥劑投加量增多,污泥含水率和SRF先升高后降低,凈熱值先降低后上升.在季銨鹽復(fù)配藥劑約125 mg/gDS時,上升幅度開始變小.故確定125 mg/gDS為季銨鹽復(fù)配藥劑投量中心點. 故通過單因素試驗，確定CaO,FeCl3及季銨鹽復(fù)合藥劑投量中心點分別為150 mg/gDS,40 mg/gDS,125 mg/gDS.

2.2 響應(yīng)面試驗

2.2.1 回歸模型建立與方差分析

利用Design-Expert8.0軟件設(shè)計試驗17組,試驗方案及結(jié)果見表2.

表2 響應(yīng)面試驗方案及結(jié)果Table 2 Experimental scheme and results of response surface design

對表2進行多元回歸分析,得到CaO-FeCl3-季銨鹽復(fù)配藥劑聯(lián)合調(diào)理對污泥凈熱值回歸方程:

Y=2 227.91+379.22A+548.20B+664.56C-345.76AB+74.56AC-259.04BC-898.18A2

-10.28B2-575.40C2

(2)

式中,A,B,C分別為CaO投加量、FeCl3投加量和季銨鹽復(fù)配藥劑投加量的編碼值;Y為凈熱值.

對回歸方程進行方差分析,結(jié)果見表3.回歸模型F值為98.91,p<0.000 1,表明模型極顯著,失擬項p=0.212 8>0.05,失擬項不顯著,表明試驗誤差小,可采用回歸模型進行分析.回歸模型決定系數(shù)R2=0.992 2,校正決定系數(shù)adj-R2=0.982 2,表明模型可以解釋99.22 %響應(yīng)值的變化,且擬合效果好.一次項中,A,B,C對污泥凈熱值都有極顯著影響,根據(jù)F值檢驗可知,影響程度排為:季銨鹽復(fù)配藥劑>FeCl3>CaO.

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression models

續(xù)表3

2.2.2 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面圖與等高線圖通過固定一個因素,可以了解另外兩個因素的交互作用.當季銨鹽復(fù)配藥劑投量為125 mg/gDS時,響應(yīng)面出現(xiàn)明顯坡度如圖2所示,圖2(a)曲面圖,圖2(b)等高線圖.隨著FeCl3投量增多,污泥凈熱值升高.CaO投量增加,污泥凈熱值先升高后下降,在CaO投量150 mg/gDS～200 mg/gDS間取得極值.等高線為橢圓,表明兩者交互作用明顯,這與表3方差分析中顯著性檢驗結(jié)果一致.

圖2 CaO投加量和FeCl3投加量對污泥凈熱值的交互影響Fig.2 Interaction effect of CaO dosage and FeCl3 dosage on net calorific value of sludge

圖3為CaO投量與季銨鹽復(fù)配藥劑投量的交互作用,其中圖3(a)曲面圖,圖3(b)等高線圖.固定FeCl3投量為40 mg/gDS,響應(yīng)面曲線坡度明顯.隨著CaO與季銨鹽復(fù)配藥劑投量增加,凈熱值先升高后降低.通過等高線圖可知最大值在CaO投量160 mg/gDS ～200 mg/gDS、季銨鹽復(fù)配藥劑投量150 mg/gDS～180 mg/gDS間取得.等高線形狀較圖1中偏圓,表明CaO與季銨鹽復(fù)配藥劑交互作用沒有其與FeCl3交互作用明顯.

圖3 CaO投加量和季銨鹽復(fù)配藥劑投加量對污泥凈熱值交互影響Fig.3 Interaction effect of CaO dosage and quaternary ammonium salt compounds agent dosage on net calorific value of sludge

CaO投量為150 mg/gDS時,FeCl3投量與季銨鹽復(fù)配藥劑投量的交互作用如圖4所示,其中圖4(a)曲面圖,圖4(b)等高線圖.隨FeCl3與季銨鹽復(fù)配藥劑投量增加,熱值升高.等高線為橢圓,說明兩者交互作用明顯.

圖4 FeCl3投加量和季銨鹽復(fù)配藥劑投加量對污泥凈熱值交互影響Fig.4 Interaction effect of FeCl3 dosage and quaternary ammonium salt compounds agent dosage on net calorific value of sludge

2.2.3 最優(yōu)工藝條件

由于FeCl3投入過高將對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕影響,故控制FeCl3投加量不超過40 mg/gDS.軟件分析得到最佳工藝條件:CaO,FeCl3及季銨鹽復(fù)配藥劑投加量分別為180 mg/gDS,40 mg/gDS,175 mg/gDS,此時泥餅凈熱值為2 371.35 kJ.而在以往CaO-FeCl3聯(lián)合調(diào)理實驗中,固定FeCl3投量=40 mg/gDS,可知污泥凈熱值在CaO:200 mg/gDS ～220 mg/gDS間取得,CaO=200 mg/gDS時污泥凈熱值為1 651.66 kJ.綜上,投入季銨鹽復(fù)配藥劑,CaO投量可減少10 %,熱值有效提升43.57 %.

3 結(jié)論

本研究對常見且效果良好的污泥脫水方案CaO-FeCl3進行改良,投入季銨鹽復(fù)配藥劑,以減少CaO用量,解決污泥熱值降低的問題,利用響應(yīng)面分析方法優(yōu)化CaO-FeCl3-季銨鹽復(fù)配藥劑投加,獲得凈熱值較高的投配方案.CaO用量可降低10 %,熱值提升43.57 %.所得結(jié)果對工業(yè)實際生產(chǎn)具有一定理論價值.