隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快以及經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，市政污水處理廠污泥的產(chǎn)量逐年增加。目前，市政污水廠應(yīng)用最廣泛的核心生物處理工藝為活性污泥法，其在不同環(huán)節(jié)產(chǎn)生的污泥種類也大不相同，主要可以分為初沉污泥、二沉池剩余污泥及高效沉淀池化學(xué)污泥。污水經(jīng)過活性污泥法處理后，其中的大部分磷、氨氮等已經(jīng)被去除，但是隨著出水指標(biāo)的日益嚴(yán)苛，一般需增加高效沉淀池，并投加大量的絮凝劑進(jìn)行化學(xué)除磷。硫酸鋁、聚合氯化鋁（PAC）等鋁鹽是我國市政污水處理廠應(yīng)用最為廣泛的絮凝沉淀劑，其主要作用是深度去除污水中的磷、SS等。將鋁鹽投加到污水中，經(jīng)過一系列的絮凝反應(yīng)，沉淀后會(huì)形成大量的污泥，因此高效沉淀池污泥中的鋁含量較高，一般在15%～40%。污水廠中PAC投加量（以Al2O3計(jì)）在30～50mg/L之間，目前我國市政污水處理總量約為1.6×108m3/d，即每年消耗的鋁鹽絮凝劑約為292×104t，如果按照PAC的單價(jià)為2000元/t計(jì)，則PAC每年的成本約為58億元。
鋁是自然界中最常見的一種金屬，人體吸入的絕大部分鋁可以通過代謝活動(dòng)排出，但是如果攝入量過多，則會(huì)對身體造成一定損害。研究顯示，攝入過量的鋁會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，造成一定程度的腦部疾病。因此，市政污泥中的鋁如果不能及時(shí)進(jìn)行回收利用，則會(huì)隨著污泥的任意處理而給周圍環(huán)境帶來二次污染，并隨著植物的代謝等活動(dòng)進(jìn)入人體，給身體健康帶來威脅。
1、污泥中鋁的回收
1.1 鋁的回收方法
污泥中鋁的回收主要包括酸化法、堿化法、離子交換萃取法及組合膜法等。
1.1.1 酸化法
酸化法即將污泥與酸（硫酸、鹽酸等）結(jié)合，在適宜的pH條件下，利用酸將污泥中的鋁元素溶出，回收其中的鋁鹽產(chǎn)品。酸化法主要包括污泥脫水、酸化處理和分離凈化3個(gè)步驟。研究顯示，pH越低，酸化溶解污泥中鋁的能力越強(qiáng)，鋁的回收率越高。酸化法操作較為方便簡單，鋁的溶出和回收率較高。
1.1.2 堿化法
由于鋁為兩性金屬，在酸性和堿性條件下都能溶解為鹽，因此選擇氫氧化鈉等堿性物質(zhì)來溶解污泥，回收其中的鋁鹽產(chǎn)品。該方法和酸化法相似，但是由于氫氧化鈉等物質(zhì)的價(jià)格高于酸，因此，堿化法的成本較高。
1.1.3 離子交換萃取法
離子交換法分為離子交換萃取法和離子交換樹脂法兩種。離子交換萃取法實(shí)際上是一種液液提取法，其主要是從經(jīng)酸化的污泥中分離和濃縮鋁鹽，并回收利用。而離子交換樹脂法則主要利用弱電解的羧酸鹽陽離子交換樹脂提取酸化污泥中的鋁鹽混凝劑，主要分為酸化—洗提—吸附—樹脂再生等步驟。雖然該種方法能夠得到純度和色度較好的鋁鹽回收產(chǎn)品，但是回收方法復(fù)雜，過程控制困難。
1.1.4 組合膜法
組合膜法的核心是利用一種聚四氟乙烯膜，復(fù)合膜中嵌入細(xì)小的球形顆粒，該小顆粒對鋁離子具有很強(qiáng)的親和力，起到交換劑的作用。主要分為吸附和解吸（膜的再生）兩步。該方法在回收鋁時(shí)具有很強(qiáng)的選擇性，可以提升鋁回收產(chǎn)品的純度，降低雜質(zhì)含量，但是應(yīng)用較為復(fù)雜，成本較高。
1.2 凈水污泥中鋁的回用研究
魏美潔等利用超聲波和酸協(xié)同對凈水污泥中的鋁鹽混凝劑進(jìn)行了回收，當(dāng)回用混凝劑投加量為20mg/L時(shí)，對印染廢水COD、色度和SS的平均去除率分別可以達(dá)到37.46%、72.97%和86.10%，滿足排放要求。王寧對水處理污泥中的鋁鹽和鐵鹽進(jìn)行了回收條件和回用效果探究，最佳酸化pH為2.5，回收率在80%左右，同時(shí)回收的混凝劑對濁度和總磷有很好的去除效果。
2、材料和方法
2.1 儀器和試劑
儀器：Agilent5110電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP）、舜宇恒平752型紫外分光光度計(jì)、上海越平PHS-25酸度計(jì)、COD恒溫加熱器等。
試劑：硫酸、鹽酸、硝酸、鉬酸銨、磷酸二氫鉀、抗壞血酸、醋酸、硫酸鋁鉀等。
2.2 試驗(yàn)方法
由于鹽酸和硝酸會(huì)造成水體中氯離子和硝態(tài)氮濃度的升高，同時(shí)處理達(dá)標(biāo)較為困難，因此試驗(yàn)選擇使用硫酸。而高濃度的硫酸會(huì)導(dǎo)致局部反應(yīng)放熱，影響試驗(yàn)結(jié)果，因此選擇了體積分?jǐn)?shù)為20%的稀硫酸。
試驗(yàn)污泥為天津市武清區(qū)壹帆污水廠高效沉淀池污泥，該污水廠的處理規(guī)模為1.5×104m3/d，采用A2O+AO工藝，除磷藥劑采用PAC，具體工藝流程見圖1。
取樣后的污泥，首先在1L燒杯中進(jìn)行初步重力濃縮，濃縮后污泥的基本性質(zhì)為含水率=（98.7±0.2）%、pH=7.6、VSS=（20.1±2）%。每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。
2.2.1 酸化pH的影響
取100g濃縮后的高效沉淀池污泥，加入20%稀硫酸分別調(diào)pH至1.5、2.0、2.5和3.0，攪拌30min，反應(yīng)完成后分別加入600g水并攪拌，然后靜置20~30min后將上清液和底部的污泥分開，利用ICP測量上清液中的鋁濃度。
2.2.2 酸化反應(yīng)時(shí)間的影響
取100g高效沉淀池污泥，加入20%稀硫酸調(diào)pH至2.0，分別攪拌10、20、30和40min，反應(yīng)完成后分別加入600g水并攪拌，倒入1L量筒中靜置，每隔10min讀取底部的污泥體積，至污泥體積不再變化為止，然后將上清液分離，利用ICP測量上清液中的鋁濃度。
2.2.3 高濃度鋁回收液除磷
根據(jù)2.2.1節(jié)和2.2.2節(jié)試驗(yàn)，回收帶有高濃度鋁的上清液，并以此作為污水廠前端的除磷藥劑。取天津市武清區(qū)壹帆污水廠進(jìn)水，向其中投加上述回收液，投加比例分別為0.5%、1.0%和2.0%，攪拌反應(yīng)30min后，沉淀并過濾，取濾液放入玻璃燒杯中，利用紫外分光光度計(jì)測量污水中總磷濃度的變化（測量原水總磷時(shí)也過濾）。
3、結(jié)果與討論
3.1 pH對鋁浸出濃度的影響
酸化pH對上清液中鋁濃度的影響見圖2。可知，隨著高效沉淀池污泥酸化pH的降低，鋁浸出濃度逐漸升高。當(dāng)酸化pH=1.5時(shí)，鋁的浸出濃度最高，但此時(shí)硫酸的用量為酸化pH=2.0時(shí)的1.5倍，明顯高于其他pH變化所需用量，且當(dāng)酸化pH=2.0時(shí)，鋁浸出濃度已經(jīng)很高，綜合考慮藥劑用量和工藝成本，可以將酸化pH確定為2.0。
3.2 反應(yīng)時(shí)間對鋁浸出濃度的影響
反應(yīng)時(shí)間對上清液中鋁濃度的影響見圖3。
由圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，溶液中鋁浸出濃度升高。當(dāng)反應(yīng)30min后，上清液中的鋁浸出濃度基本達(dá)到平衡，繼續(xù)延長酸化反應(yīng)時(shí)間，鋁浸出濃度基本不再增加。反應(yīng)時(shí)間對沉降性能的影響如表1所示�？芍S著酸化時(shí)間增加，污泥體積逐漸增大，當(dāng)反應(yīng)30min時(shí)，污泥體積最大，繼續(xù)增加酸化反應(yīng)時(shí)間，污泥體積反而下降。而經(jīng)過酸化后的污泥基本在靜置10min內(nèi)即可完成泥水的分離，并達(dá)到穩(wěn)定。因此可以推斷在酸化30min時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，經(jīng)過10min污泥即可完成靜沉，沉降性能最好。
3.3 高濃度鋁回收液的除磷效果
根據(jù)對天津市武清區(qū)壹帆污水廠的實(shí)際調(diào)研可知，處理1×104m3污水會(huì)產(chǎn)生高效沉淀池濃縮污泥40t/d。結(jié)合3.1節(jié)和3.2節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果測算，理想狀態(tài)下經(jīng)過本工藝處理后產(chǎn)生含鋁上清液占污水廠進(jìn)水的最高比例在2%左右，因此選擇3個(gè)比例即0.5%、1.0%和2.0%，向污水中投加高濃度鋁回收液（鋁濃度為3000mg/L），反應(yīng)沉淀后過濾得到上清液，測量其指標(biāo)的變化，結(jié)果如表2所示。
當(dāng)污水中高濃度鋁回收液的投加比例為2.0%時(shí)，磷去除率可以達(dá)到86.3%，除磷效果顯著，且對污水中氨氮、COD及堿度的影響不顯著，對后續(xù)污水處理工藝的運(yùn)行影響較小。
4、結(jié)論
①高效沉淀池污泥中鋁含量較高，利用硫酸對其進(jìn)行酸化處理，可以將其中的金屬鋁等溶出，得到含有高濃度鋁的回收液，其可作為除磷藥劑循環(huán)利用。
②酸化pH越低，高效沉淀池污泥中的鋁浸出濃度越高。當(dāng)酸化pH=1.5時(shí)，硫酸的用量為酸化pH=2.0時(shí)的1.5倍，明顯高于其他pH變化所需用量，且當(dāng)酸化pH=2.0時(shí)，鋁浸出濃度已經(jīng)很高，綜合考慮藥劑用量和工藝成本，可以將酸化pH確定為2.0。
③高效沉淀池污泥中鋁的浸出濃度隨著酸化反應(yīng)時(shí)間的增加逐漸升高，當(dāng)酸化反應(yīng)30min后，浸出濃度變化不大。
④含有高濃度鋁的回收液對污水中磷的去除效果顯著，當(dāng)投加比例為2.0%時(shí)，除磷效果最好。在實(shí)際工藝運(yùn)行中投加回收液可減少藥劑PAC的投加量，降低運(yùn)行成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。（來源：天津壹新環(huán)保工程有限公司，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院）
