中国环境科学 2019,39(8)：3316~3322 China Environmental Science 玉米秸秆生物炭改善污泥脱水性能 郭俊元*,文小英,羊润锦,林 越,赖雨隆,周育玉,杨 红 (成都信息工程大学资源环境学院,四川 成都 610225)

摘要：本实验以玉米秸秆为原料,制备了生物炭和AlCl3改性生物炭,研究了2种生物炭分别调理污泥后的脱水效果,并探讨了污泥脱水性能的改善机理.结果表明,经过2种生物炭调理后,污泥比阻(SRF)、泥饼含水率(MC)、污泥沉降体积指数(SV30)、毛细抽吸时间(CST)均下降,污泥净产率(YN)升高,说明

污泥脱水性能得到了改善,且AlCl3改性生物炭对污泥脱水性能的改善效果明显优于生物炭.当AlCl3(溶液浓度3mol/L)改性生物炭的用量为3g/L时,调

理后的污泥SRF,MC,SV30,CST分别降低至1.3×1012m/kg,81.9%,78.6%,35s,YN增加至17.8kg/(m2·h).分析原因:一方面,经过生物炭调理后,泥饼中会形成一

定的骨架结构,使得污泥中的水和EPS能够更容易地释放;另一方面,经过AlCl3改性后,改性生物炭携带的正电荷(Al3+)能够与污泥颗粒所带的负电荷发

生电中和作用,使得污泥颗粒更容易聚集,从而提高污泥的脱水效果. 关键词：AlCl3；玉米秸秆；生物炭；污泥脱水 中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2019)08-3316-07

Preparation of corn stalks biochar and improvement of dewatering performance of sludge. GUO Jun-yuan*, WEN Xiao-ying, YANG Run-jin, LIN Yue, LAI Yu-long, ZHOU Yu-yu, YANG Hong (College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China). China Environmental Science, 2019,39(8)：3316~3322 Abstract：Biochar and AlCl3-modified biochar were prepared by using corn stalks as materials to enhance the dewatering of the

sludge. The performances of these two biochar for the enhancement of the dewatering of the sludge and possible enhancing mechanisms were discussed. Results showed that SRF, MC, SV30 and CST of the sludge were decreased and YN was increased after

conditioned by the two biochar, indicating higher sludge dewaterability. Furthermore, dewatering of the sludge conditioned by the AlCl3-modified biochar was significantly better than that conditioned by the biochar that without modification. Especially, when the

dosage of the biochar modified by 3mol/L of AlCl3 solution was adjusted to 3g/L, SRF, MC, SV30 and CST were decreased to

1.3×1012m/kg, 81.9%, 78.6% and 35s, respectively, YN was increased to 17.8kg/(m2·h). For the enhancing mechanism, on the one hand, after conditioned by the biochar, certain skeleton structures were formed in sludge cake to make water cut across easily by decreasing the sludge EPS; on the other hand, charge neutralization occurred when the AlCl3-modified biochar (loaded with

positively charged aluminum species on its surface) was dosed into the sludge system, thus destroying the stable sludge colloidal system, thus far easier to congregate the sludge particles, which enhanced the dewatering of the sludge. Key words：aluminum chloride (AlCl3)；corn stalks；biochar；sludge dewatering

城市污水处理厂剩余活性污泥含水率高达98%以上,在采用卫生填埋、污泥焚烧、污泥堆肥、污泥消化处理前,含水率必须降低至60%以下[1-3].目前,我国污泥的脱水技术主要有离心脱水、带式脱水和板框压滤脱水等,在脱水之前,常投加FeCl3、Al2(SO4)3、PAC、CPAM等化学药剂调理污泥,以提高污泥的脱水性能,但长期使用化学药剂会导致污泥中重金属富集等二次环境污染[4-5].研究表明,无机或有机骨架颗粒能够降低污泥饼的可压缩性,从而在污泥脱水过程中,保持泥饼的通透性和多孔性,有利于水和污泥EPS的释放,提高污泥的脱水效果[6-8].因此,开发安全,高效,绿色环保和廉价的骨架颗粒是我国环境工程领域污泥减量化和资源化研究的热点.我国每年农作物秸秆产量高达0.5~0.8Gt,约占世界秸秆总量的30%,其中大部分直接燃烧,导致严重的环境污染.农作物秸秆材料和粉煤灰、褐煤等骨架颗粒类似,具有良好的多孔性,同时秸秆中还含有大量的硅元素,使其结构坚硬,因此,农作物秸秆材料具有作为骨架颗粒调理污泥脱水的潜能[9].

本实验创造性地以玉米秸秆为原料制备了生物炭和AlCl3改性生物炭,用以改善城市污水处理厂污泥的脱水性能.通过污泥比阻(SRF)、泥饼含水率(MC)、污泥沉降比(SV30)、毛细吸水时间(CST)和污泥净产率(YN)等表征污泥脱水性能,通过生物炭调

理污泥前后污泥Zeta电位和压缩系数的变化说明

收稿日期：2019-01-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51508043) * 责任作者, 副教授, gjy@cuit.edu.cn 8期 郭俊元等：玉米秸秆生物炭改善污泥脱水性能 3317 AlCl3改性生物炭改善污泥脱水性能的原理. 1 材料与方法 1.1 实验材料 1.1.1 实验污泥 实验污泥取自四川省航空港污水处理厂二沉池,污泥特征如表1所示. 表1 污泥特征 Table 1 Main characteristics of the sludge 特征参数 数值 pH值 6.8 TSS(g/L) 16.7 VSS(g/L) 10.4 MC(%) 98.7 SRF(m/kg) 13.8×1012 1.1.2 实验药品和玉米秸秆 AlCl3,HCl(分析纯,成都市科龙化工试剂厂),AlCl3配置为1、2、3、4、5mol/L的溶液,HCl配置为1mol/L的溶液;玉米秸秆取自四川省三台县近郊. 1.1.3 实验仪器 电子天平(SQP型,北京赛多利斯科学仪器有限公司),低速离心机(TDL-5-A型,上海安亭科学仪器厂),污泥真空脱水泵(上海安亭科学仪器厂),污泥毛细吸水时间测试仪(TR04-304M型,麦科仪(北京)科技有限公司),纳米粒度Zeta电位分析仪(NanoPlus,麦克默瑞提克(上海)仪器有限公司). 1.2 实验方法 1.2.1 玉米秸秆生物炭的制备 将玉米秸秆剪碎,置于一定容积的坩埚中,塞满压实填平,盖上盖子,放入马弗炉中,先向马弗炉中通入10min氮气以排除空气,马弗炉排气口接一根管子放入碱性液体中,以形成液封.在500℃条件下进行热解处理2h.热解结束后取出,自然冷却,研磨过筛,得到粒径大小为200µm的生物炭. 1.2.2 AlCl3改性生物炭的制备 将上述玉米秸秆生物炭以1:5(g:mL)的比例浸泡于1mol/L的HCl溶液中12h,之后在3000r/min条件下离心10min,收集沉淀物,用去离子水洗涤至洗涤液pH=7,自然晾干;将晾干的生物炭以1:5(g:mL)的比例浸泡于AlCl3溶液中,浸泡12h后,在3000r/min条件下离心10min,收集沉淀物,自然晾干,研磨过筛,得到AlCl3改性生物炭. 1.2.3 污泥脱水实验 将玉米秸秆生物炭和AlCl3改性生物炭分别加入体积为100mL污泥样品中,在200r/min条件下搅拌10min,测定污泥SRF,MC, SV30,CST和YN,评价污泥脱水性能.测定玉米秸秆生

物炭和AlCl3改性生物炭调理后污泥的EPS含量、Zeta电位和压缩性系数,阐明其改善污泥脱水性能的原理. 1.2.4 分析方法 污泥SV30和MC的测定参照文

献[10];污泥SRF的测定参照Guo等[11]的方法;污泥

YN的测定参照Rebhun等[12]的方法;污泥EPS的提取

和测定参照文献[13-14];污泥压缩性系数的测定参照Guo等[15]的方法;污泥CST采用污泥毛细吸水时间测试仪测定;污泥Zeta电位采用纳米粒度Zeta电位分析仪测定.本文涉及的实验数据均是3次平行实验数据的平均值.

2 结果与讨论 2.1 不同污泥调理剂对污泥脱水性能的影响

01234 5 6 7 8 9 1003691215

投加量(g/L)

SRF (1012m/kg) (a) AlCl3