凌　琪，鲍　超，伍昌年，方　涛，赵秋燕，孙冰香，张　睿，孔张成，杨　浩

改性煤气化灰渣调理污泥脱水性能研究

凌琪，鲍超，伍昌年，方涛，赵秋燕，孙冰香，张睿，孔张成，杨浩

（安徽建筑大学水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

采用改性煤气化灰渣对污泥进行调理，通过测定污泥比阻(SRF)、毛细吸水时间（CST）、污泥上清液中胞外聚合物（EPS）含量、Zeta电位，同时结合污泥粒径分析，研究了不同煤气化灰渣投加量对污泥脱水性能影响。结果表明：在改性煤气化灰渣投加量为污泥干重的20%时，污泥脱水性能达到最好，SRF、CST分别为5.11×1011m/kg、51.2 s；随投加量增加，污泥上清液中EPS含量减少，Zeta电位减小，调理后污泥粒径中d10增大，而d50、d90减小。改性煤气化灰渣调理脱水性能的机理可能是通过构建透水骨架、吸附架桥及静电中作用共同实现的。该研究可为改性煤气化灰渣的工业应用提供一定的理论依据。

改性煤气化灰渣；污泥脱水性能；胞外聚合物（EPS）；粒径

0　引 言

市政污泥含水率高，产量巨大且难以处置，市政污泥的脱水已成为污泥处置中非常关键的环节[1]。而污泥调理又是污泥脱水中重要步骤，因此寻求一种高效、廉价的调理剂是当今水处理技术面临的一项重要课题。

煤气化灰渣是气流床煤气化过程中不可避免的副产物，我国每年排放量巨大，不仅占用大量的土地，并且其渗滤液会对水体、土壤造成严重污染。目前，其资源化综合利用主要用于建材、道路、填筑等方面[2-3]。卢珊珊[4]等研究表明，煤粉气化过程，大量气体从内部逸出，煤气化灰渣内部含有气体甬道，孔隙结构丰富，但表面存在致密的玻璃相，通过破坏表层结构，可以打开内部通道，激发化学活性。关于煤气化灰渣在水处理中的研究多集中在其吸附性能，而改善污泥脱水性能的方面鲜有报道。本研究取煤气化灰渣研磨和改性后作为污泥调理剂，选用合肥经开区污水厂剩余污泥，采用静态实验考察改性煤气化灰渣投加量对剩余污泥脱水性能的影响，通过对污泥上清液中EPS含量、Zeta电位、污泥粒径等检测，对煤气化灰渣调理污泥脱水性能的机理进行探讨。

1　实验部分

1.1材料与仪器

污泥取自合肥经开区污水处理厂贮泥池，采样后静止2 h撇去上清液，置于冰箱，4℃下冷藏保存，污泥含水率93.1%。煤气化灰渣的改性：取适量煤气化灰渣，先用50目标准检验筛筛分，研磨后，再取经200目标准检验筛筛下的煤气化灰渣备用。配置浓度为3.0 mol/L的氢氟酸溶液，按渣水比1:1（g/mL）混合后，经搅拌后抽滤，同时用去离子水冲洗至滤液为中性，烘干，碾磨，即制得改性煤气化灰渣。

扫描电镜（JEOL JSM-7500F）；电子天平（MS104S）；马尔文激光粒度仪（Malvernsizer 2000）；六联搅拌器（ZR4-6）。电热恒温鼓风干 燥 箱（DHG-9101-3）；CST测 定 仪（Triton Electronics Ltd，340M）；Zeta电 位 分 析 仪（Zetasizer-NS90）。

1.2实验方法

在9个1 L烧杯中各加入400 ml污泥，投加改性煤气化灰渣0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%（基于污泥干重百分比），快速搅拌30 s，慢速搅拌5 min后待测。

1.3分析方法

污泥比阻测定（SRF）采用真空过滤法[5]，记录时间t及其所对应的滤液量V，利用线性回归求出t/V-V线的斜率，同时测定原泥以及滤饼中固体含量，根据污泥比阻公式计算得出；毛细吸水时间[6]（CST）测定采用毛细吸水仪；多糖及蛋白质的测定分别采用苯酚硫酸法和考马斯亮蓝G-250法[7]。Zeta电位测定采用Zeta电位分析仪；粒径测定采用马尔文激光粒度仪。

2　结果与讨论

2.1改性煤气化灰渣的表征

煤气化灰渣及改性煤气化灰渣的的扫描电镜照片如图1所示。对比改性前后照片可以看出，改性前煤气化灰渣（图1.a）形貌为不规则的玻璃相，表面较为光滑。改性后的煤气化灰渣（图1.b）结构松散，表面粗糙。由于煤气化灰渣主要成分为碳质、二氧化硅等，氢氟酸加入后能与二氧化硅等作用，破坏表层结构，有利于激发煤气化灰渣的化学活性。

图1　煤气化灰渣（a）和改性后煤气化灰渣（b）的SEM照片

2.2 改性煤气化灰渣SRF及CST的影响

改性煤气化灰渣投加量对污泥的SRF及CST影响如图2所示。由图2可见，原泥SRF值为1.02×1012m/kg，投加改性煤气化灰渣后脱水性能得到显著改善。随着投加量的增加，SRF呈现先下降后上升趋势，在投加量为20%时，SRF最小为5.11×1011m/kg，投加量继续增加，SRF逐渐增大。这可能因为改性煤气化灰渣结构特点可以在污泥调理过程中可起到骨架构建体作用，降低泥饼的可压缩性，减小了过滤阻力，但投加量过大时，在真空压力作用下导致滤层压缩，污泥中细小颗粒阻塞煤气化灰渣颗粒形成的透水通道，反而会降低污泥脱水性能，同时也会导致泥饼增容，不利于后期处置。

图2　图改2性改煤性煤气气化化灰灰渣渣投投加量对SSRRFF及及CSCTS影T影响响

CST与SRF总体变化趋势大致相同。原泥CST为78 s，当改性煤气化灰渣投加量低于20%时，CST下降速度较快，在投加量大于20%后，CST稳定在50 s左右。这可能由于部分煤气化灰渣能够进入污泥颗粒之间的空隙，使得部分毛细水能够释放，脱水性能得到一定改善。

2.3改性煤气化灰渣对污泥上清液中EPS的影响

污泥的化学组成是决定其脱水性能的关键因素[8-9]。研究表明，胞外聚合物（EPS）组成和分布对污泥脱水性能的影响最为显著。EPS中最主要成分为多糖和蛋白质，占70%~80%[10]。本研究以多糖和蛋白质对污泥上清液中的EPS进行表征。图3显示了煤气化灰渣投加量对污泥上清液中EPS含量的影响情况。由图可以看出，随投加量的增加，上清液中多糖和蛋白质含量均下降，投加量为20%时，蛋白质和多糖的含量分别从75.51 mg/L、60.23 mg/L降至63.8 mg/L、46.9 mg/L，这说明改性煤气化灰渣对污泥中的EPS存在一定程度吸附作用。EPS与絮体水有极强的结合能力，随着上清液中EPS含量减少，污泥絮体与水的结合能力减弱，污泥疏水性增强，这对污泥脱水性能改善有一定贡献[11~12]。

图3　改性煤气化灰渣投加量对上清液中EPS 的影响

2.4煤气化灰渣对污泥上清液中Zeta电位影响

Zeta电位是对颗粒之间斥力或引力的强度的度量，是表征胶体分散系稳定性的一项重要指标。Zeta电位较高的体系，质点间排斥力较大，不易发生聚沉，处于相对稳定状态；而Zeta电位较低的体系，质点间排斥力最小，不稳定，容易发生聚沉[13]。

图4　改图性4 改煤性气煤气化化灰灰渣渣投加投量加对Z量eta对电位Z影et响a电位影响

污泥经投加改性煤气化灰渣后，上清液中Zeta电位发生变化见图4。由图可知，原污泥上清液中的Zeta电位为-16.1 mV。随着投加量增加，上清液中的Zeta电位迅速减小，而后变化缓慢，最后稳定在-2.3~0 mV。这可能由于煤气化灰渣经改性后，内部被包裹的硅铝等活性点得以暴露，这些活性点带正电，污泥颗粒带负电荷，改性煤气化灰渣加入污泥后起到静电中和作用，减弱了与水分子之间的极性作用，因此污泥疏水性增强[14]，有利于污泥脱水性能的改善。

2.5煤气化灰渣对污泥颗粒粒径分布影响

改性煤气化灰渣投加量对污泥粒径的影响见表1，随投加量的增加，d10呈现增大趋势，而d50、d90逐渐减小。d10、d50、d90起始为15.20μm、48.49 μm、126.11 μm，在投加量为40%时，分别变化为26.13 μm、35.74 μm、88.10 μm。这可能由于改性煤气化灰渣对污泥中EPS等的吸附作用，使污泥絮体与高水和性的有机物之间黏附作用被削弱，较大粒径污泥絮体出现部分分解而释放结合水。改性煤气化灰渣对小粒径（≤10 μm）污泥颗粒具有一定吸附能力，使之形成小的污泥絮体，减少了细小污泥颗粒对透水通道阻塞作用，从而达到改善污泥脱水性能的目的。

表1　改性煤气化灰渣投加量对污泥粒径的影响

3　结论

（1）随改性煤气化灰渣投加量增加，SRF呈先减小后增大趋势，CST逐渐减小，在投加量为20%时，SRF、CST达到最佳值（5.11×1011m•kg、51.2 s），污泥上清液中EPS含量减少，Zeta电位减小，调理后污泥粒径中d10增大，而d50、d90减小。

（2）经改性煤气化灰渣调理后，污泥脱水性能得到显著改善，这有利于提高后期污泥机械脱水效率和机械脱水设备的生产能力。污泥经脱水、干化后可利用焚化等方法使污泥固体物质转化为更稳定的物质，最终处置可作为建筑材料、填地与填地填海材料等。改性煤气化灰渣调理污泥脱水性能机理可能是通过构建透水骨架、吸附架桥及静电中作用共同实现的。该研究可为改性煤气化灰渣的工业应用提供一定的理论依据，但投入应用还需进一步优化实验设计，降低气化渣投加量和处理过程中的能耗问题。

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Study on the Effect of Modified Coal Gasification Slag on Sludge Dewatering Performance

LING Qi，BAO Chao，WU Changnian， FANG Tao， ZHAO Qiuyan，SUN Bingxiang, ZHANG Rui， KONG Zhangcheng， YANG Hao
(Key Laboratory of AnHui Province, Water Pollution Control and Waste Water Resources of AnHui JianZhu University, Hefei, Anhui, 230601, China)

The effect of dosage of modified coal gasification slag(MCGS) on sludge dewatering performance was investigated and some parameters were determined such as specific resistance to filtration (SRF), capillary suction time(CST), the concentration of extracellular polymeric substances(EPS) in the supernatant, Zeta potential and the size of sludge in the experiment. The results showed that sludge dewatering achieved the best performance with the ratio of MCGS to dewatered sludge of 20%. SRF and CST were 5.11×1011m.kg, 51.2 s, respectively. The EPS concentration and Zeta potential decreased with the dosage of MCGS increased. The particle size of dewatered sludge showed that d10increased ,while d50and d90decreased. The mechanism of sludge dewatering conditioned by MCGS maybe based on the actions of skeleton builders, adsorption bridging and electrical neutralization. The results could provide theoretical instruction for the industrial application of MCGS.

the modified coal gasification slag；sludge dewaterability；extracellular polymeric substances(EPS)；particle size.

X703

A

2095-8382(2016)03-050-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160311

2015-11-26

国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2014ZX07405003)

凌琪（1960-），女，教授，主要从事水污染控制与理论科研与教学工作。