碳中和愿景下碳化污泥吸附耦合铁盐混凝处理污水_李振华.pdf

DOI：10.19965/ki.iwt.2022-0367第 43 卷第 2 期2023年 2 月Vol.43 No.2Feb.，2023 工业水处理Industrial Water Treatment118碳中和愿景下碳化污泥吸附耦合铁盐混凝处理污水李振华 1，2，黄金阳 1，2，蔡丽云 1，2，沈程程 1，2（1.厦门大学嘉庚学院环境科学与工程学院，福建漳州 363105；2.河口生态安全与环境健康福建省高校重点实验室，福建漳州 363105）摘要 以市政污水处理厂剩余污泥为原料，经连续高速污泥碳化系统脱水、干化和缺氧干馏处理后，可制得碳化污泥吸附剂。通过检测碳化污泥的基本特征参数、粒度分布、元素组成、水溶物和重金属离子表征其物理化学特性，并用碳化污泥吸附与三氯化铁混凝耦合处理污水。结果表明，碳化污泥的孔容积、比表面积和碘值分别为 0.10 cm3/g、140 m2/g 和 515.2 mg/g，颗粒粒径主要分布在 1.05.7 mm，碳质量分数接近 50%，最大碳氢质量比（C/H）为39.09，且碳化过程实现了剩余污泥中重金属离子的固定化，溶出物质量浓度和重金属离子质量浓度均低于水处理相关标准指标值，可被安全应用于污水处理。利用碳化污泥吸附耦合铁盐混凝对市政污水进行深度处理，在三氯化铁、碳化污泥投加量分别为 15 mg/L 和 4 g/L 时，污水中 COD、NH3-N、TP 和浊度的去除率分别为 59.38%、28.20%、59.41%和 91.84%。碳化污泥吸附与铁盐混凝的协同作用，不仅可提高污水中各类污染物的去除率，而且可减少33.33%的三氯化铁投加量。关键词 碳化污泥；剩余污泥；混凝；吸附；回用中图分类号 X705；X703 文献标识码 A 文章编号 1005-829X（2023）02-0118-06Combination of sludge-derived-carbon adsorption and coagulation of iron salt for sewage treatment under the vision of carbon neutralityLI Zhenhua1，2，HUANG Jinyang1，2，CAI Liyun1，2，SHEN Chengcheng1，2（1.School of Environmental Science and Engineering，Tan Kah Kee College，Xiamen University，Zhangzhou 363105，China；2.Key Laboratory of Estuarine Ecological Security and Environmental Health of Fujian Province University，Zhangzhou 363105，China）Abstract：Using the excess sludge from municipal sewage treatment plant as raw material，sludge-derived-carbon adsorbent was prepared by dehydration，drying and anoxic retorting through continuous high-speed carbonizing system.The physical and chemical characteristics of sludge-derived-carbon were examined in terms of the basic parameters，the particle size distribution，elemental composition，dissolved matter and heavy metal ion contents.Furthermore，the removal rates of pollutants for sewage treatment were also investigated through the combination of sludge-derived-carbon adsorption and coagulation of ferric chloride.The results showed that the pore volume，specific surface area and iodine value of sludge-derived-carbon could reach 0.10 cm3/g，140 m2/g and 515.2 mg/g，respectively.And the particle sizes of sludge-derived-carbon were mainly 1.0-5.7 mm.The carbon mass fraction of sludge-derived-carbon was close to 50%，and the maximum mass ratio of carbon to hydrogen（C/H）was 39.09.As the immobilization of heavy metals in the carbonization process，the mass concentration of dissolved matter and heavy metal ions of sludge-derived-carbon were lower than the relevant standard of water treatment，which could be safely applied to sewage treatment.The municipal sewage was further treated by sludge-derived-carbon adsorption coupled with ferric salt coagulation.When the dosage of ferric chloride and sludge-derived-carbon were 15 mg/L and 4 g/L，the removal efficiencies of COD，NH3-N，TP and turbidity reached to 59.38%，28.20%，59.41%and 91.84%，respectively.The removal rates of pollutants could be improved significantly by means of the synergistic effect of sludge-derived-carbon 基金项目 漳州市自然科学基金项目（ZZ2021J35）开放科学（资源服务）标识码（OSID）：119工业水处理 2023-02，43（2）李振华，等：碳中和愿景下碳化污泥吸附耦合铁盐混凝处理污水adsorption and coagulation of iron salt.Meanwhile，the dosage of ferric chloride had been reduced by 33.33%.Key words：sludge-derived-carbon；excess sludge；coagulation；adsorption；reuse高效、低能耗、低碳排量是碳中和愿景下污水处理的发展方向。碳化污泥是市政污水处理厂剩余污泥碳化处理的副产物。污泥碳化是指在常压或微正压、无氧或缺氧条件下，对污泥进行高温热分解，使污泥中的水分释放出来，分解污泥中除碳以外的有机物，同时又最大限度地保留污泥中的碳含量1。污水处理厂剩余污泥碳化处理可大量减少污泥质量和体积（减容率 90%以上），还可使剩余污泥在污水处理厂内的处理处置和资源化利用成为可能。然而，污泥碳化处理需消耗热能，提供热能会产生碳排。当前我国各行业都在聚焦“双碳”目标，加速实现各领域的低碳化转型2，污水处理厂的碳中和运行是污水处理行业的探索方向3。因此，针对污泥碳化，一方面要尽可能地降低现有污泥碳化流程的能耗；另一方面，要积极拓展有效安全利用副产品碳化污泥的渠道，尤其是评估碳化污泥在污水处理厂内资源化再利用的安全性和可行性，以期减少污水处理厂的物耗或药耗，从而降低污水处理厂的间接碳排。碳化污泥外形与木炭相似，质量轻，无臭味，自身的孔洞结构使其具有吸臭、吸湿及吸水性。因此，近年来关于碳化污泥作为吸附剂、除臭材料、燃料、融雪剂、土壤改良材料、园林绿化肥料等进行资源化利用的报道较多。鲁涛等4利用污泥碳化机理制得污泥炭并回归土壤，污泥炭中重金属含量符合农用泥质、园林绿化用泥质以及土地改良用泥质标准要求；污泥炭中总养分质量分数为 1.94%，低于园林绿化用泥质及农用泥质标准要求，优于土地改良用泥质要求。潘志辉等5以城市污水处理厂化学与生物混合污泥为原料，在 550 下活化 1 h，制备出混合污泥吸附剂并用于污水化学强化一级处理，混凝剂投加量减少 50%即可达到对 UV254和 COD 的同等去除率。李亚飞6以污水处理厂脱水污泥和玉米芯为原料，采用 ZnCl2活化法混合共碳化制备了污泥-玉米芯碳化吸附剂，用于处理某电池厂产生的重金属实际废水，当吸附剂投加量为 32 g/L 时，Cu2+几乎被完全吸附，Pb2+去除率达 96.10%。然而，现有研究中使用的碳化污泥大多是通过实验室小试或中试试验制得，碳化流程各不相同，碳化污泥性能差异较大且产量有限。这些因素都限制了碳化污泥在污水处理厂内的大规模资源化再利用。同时，将碳化污泥在污水处理厂内回用于污水处理的研究也较少。基于碳化污泥的研究与应用现状，本试验以商业化量产运营的高速污泥碳化系统制得的碳化污泥为研究对象，检测了碳化污泥的基本特征参数、粒度分布、元素组成、水溶物和重金属离子含量等，以表征其物理化学特性和评价其回用安全性；并在此基础上，考察了碳化污泥吸附耦合铁盐混凝处理污水的效能，为其在污水处理厂内的资源化再利用提供参考。1 材料与方法1.1试验材料1.1.1碳化污泥的制备试验用碳化污泥由某市政污水处理厂内处理量为 60 t/d（以含水率 80%的脱水污泥计）的连续高速污泥碳化装置制得。制备流程如图 1所示。制备流程为：（1）先将经污水处理厂浓缩脱水后的滤饼在干燥机内的缺氧环境下加热、搅拌及翻转10 min，含水率 80%的脱水滤饼被干化至含水率30%的干化污泥；（2）在缺氧状态下将干化污泥通过螺旋式外热碳化炉进行多级连续干馏 1520 min（温度 700800），分解干化污泥中除碳以外的有机物。碳化过程中干馏气体能够完全燃烧，不会产生二英；且制备流程可充分回收和利用干馏气体燃烧后形成的热量，既节省了能源，又减少了碳排。1.1.2试验水样试验水样取自某采用传统活性污泥法的市政污水处理厂二次沉淀池出水，水质参数如下：COD 54.068.0 mg/L，NH3-N 10.912.5 mg/L，TN 17.721.3 mg/L，TP 0.81.2 mg/L，浊度 920 NTU，pH 7.17.5，水温 1824。1.2试验方法碳化污泥成品回用前预处理：先将碳化污泥在蒸馏水中浸泡 24 h，再放入 DGG-9140A 烘箱内于105 烘至恒重后待用。三氯化铁单独混凝沉淀试验：在 JJ-4A 型混凝试验搅拌仪的搅拌杯中各注入 1 L 试验水样，分别将不同质量的三氯化铁（5、10、15 mg）加入各搅拌杯，先以 300 r/min 快速搅拌 60 s，再以 80 r/min 慢速试验研究工业水处理 2023-02，43（2）120搅拌 15 min，静置沉淀 30 min后取上清液，测定上清液水质。碳化污泥单独吸附沉淀试验：在搅拌杯中各注入 1 L 水样，分别将