污泥脱水耦合热解碳化过程典型污染物迁移转化行为研究

作     者：张慧鹏 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔凤国

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：污泥脱水 胞外聚合物 磷形态 重金属 热解碳化 

摘      要：活性污泥法是目前污水处理的主流工艺,在其工艺运行时会产生大量的剩余污泥,而剩余污泥普遍含水率高,脱水困难,因此,剩余污泥的处理处置问题成为环境中的一大难题。污泥中还含有大量的有毒有害物质,如磷、重金属、抗生素抗性基因、新冠病毒和微塑料等。同时,污染物的迁移性会造成巨大的环境风险,也制约着污泥资源化利用的发展。本文针对污泥脱水难度大,污泥中污染物存在迁移性等问题,开展了污泥脱水耦合热解碳化过程典型污染物迁移转化行为研究的工作,并深入探究了污泥脱水过程的污泥理化特性变化以及调理剂与胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的相互作用,揭示污泥脱水与热解过程中磷及重金属的赋存形态间的变化,解析减量化与资源化过程中污染物的迁移转化行为,为实现污泥减量化与资源化利用提供理论支持。主要研究结果如下:(1)聚合氯化铝(Polyaluminium chloride,PAC)与Fe Cl调理均可以明显的改善污泥的脱水性能。PAC在0.06 g/g TSS的投加量时基本达到最佳脱水效果;Fe Cl调理的最佳投加量为0.12 g/g TSS。PAC具有更高的电荷密度,对于污泥的脱水效能改善效率明显高于Fe Cl调理。PAC的脱水作用主要为电中和作用和压缩双电层作用;Fe Cl调理具有吸附架桥作用。Fe Cl能与污泥颗粒表面有机物发生配位络合反应,Fe Cl对于蛋白质二级结构中α螺旋型向β折叠型转化的作用强于PAC,从而引起减少污泥表面亲水性基团的减少,弱化污泥颗粒上有机物的束水能力,改善污泥的脱水性能。(2)在污泥脱水过程中,固相中的有机磷(Organic phosphorus,OP)向液相中发生迁移。固相中,经PAC调理后的污泥磷灰石态无机磷(Apatite inorganic phosphorus,AP)占比增加,PAC的投加致使体系p H值降低,磷在酸性环境中更倾向于与Ca离子结合形成磷酸钙类化合物。经过Fe Cl调理后的污泥中,非磷灰石态无机磷(Non-apatite inorganic phosphorus,NAIP)占比增加,是由于投加了大量铁离子,磷优先与铁离子结合生成相应的配合物。在脱水过程中八种重金属残渣态的形态占比基本未发生变化,可氧化态的重金属向可交换态或可还原态重金属进行转化;Fe Cl调理后的泥饼中Pb与Ni这两种重金属潜在迁移性(Potential migration index,PMI)发生减小,其他六种重金属和经PAC调理后的八种重金属潜在迁移性均增强。在脱水过程中有机物的破坏和释放,使得重金属与有机物间的结合被破坏,重金属释放后与无机物配体结合或呈游离离子态存在,两种无机调理剂在脱水过程中没有固化重金属的作用,反而会导致重金属的环境风险增大。(3)有机磷在热解碳化过程中含量降低至10%以下,由于热解过程中大部分有机物被高温分解,有机磷向无机磷发生转化。且投加了两种调理剂的污泥在热解过程中,非磷灰石态无机磷含量占比发生增加,在热解过程中磷主要与铁和铝的化合物进行结合。在热解过程中,非磷灰石态无机磷含量占比会随着热解温度的升高发生减少,在高温热解时,磷更倾向于与钙结合生成更加稳定的化合物。八种重金属在热解碳化过程中基本都以残渣态的存在形式为主。As、Cd、Cu和Zn在600℃时残渣态含量占比高于800℃,是由过高的热解温度使一部分重金属转移至热解气中流失导致。在热解过程中Cr的固化效果会随着热解温度的升高得到提高。Fe Cl在热解过程中对于Cd元素的固化效果优于PAC;但对于Cu的稳定化效果弱于PAC。大部分金属在最佳热解温度下的PMI基本达到5%以下,两种调理剂在热解碳化过程中对重金属都具有较好的固化作用。