聚丙烯酰胺與FeCl3對污泥脫水性能的影響

林春綿，甄萬順，任　煒，包宇鼎，劉　崗，王錦化，毛叢書，徐建明

(1.浙江工業(yè)大學 生物與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江綠治污泥處理技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310013)

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聚丙烯酰胺與FeCl3對污泥脫水性能的影響

林春綿1，甄萬順1，任煒2，包宇鼎2，劉崗2，王錦化2，毛叢書2，徐建明2

(1.浙江工業(yè)大學 生物與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江綠治污泥處理技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310013)

摘要：以毛細吸水時間(CST)和污泥過濾時間(TTF)作為評價污泥脫水性能的指標，實驗考察了調(diào)理劑聚丙烯酰胺PAM-1(直鏈型陽離子PAM)和PAM-2(交聯(lián)型陽離子PAM)對污泥脫水性能的影響，并與FeCl3的作用效果進行比較.實驗結(jié)果表明：相對于室溫，4 ℃條件下保存污泥脫水性質(zhì)較穩(wěn)定.用CST評價污泥的脫水性能時，PAM-1適合與 FeCl3聯(lián)合使用，最佳投加量為(2+10) mg/g(以絕干污泥計).用TTF表征污泥的脫水性能，PAM-1適合單獨使用，最佳投加量為5 mg/g.PAM-2不適合與FeCl3聯(lián)合使用.當其投加量為3 mg/g時，污泥的CST與TTF均達到最小.

關(guān)鍵詞：污泥脫水；直鏈型陽離子PAM；交聯(lián)型陽離子PAM；FeCl3

污水處理過程中會產(chǎn)生大量污泥，這些污泥含水率高，體積大，給堆放和運輸帶來困難，如果處理不當，很容易造成二次污染，對人類和環(huán)境構(gòu)成危害[1].而污泥調(diào)理作為污泥脫水處理中一個十分重要的環(huán)節(jié)，越來越受到人們的重視.經(jīng)過調(diào)理后污泥的脫水性能得到明顯改善，從而為污泥后續(xù)的處理處置打下良好的基礎(chǔ).

聚丙烯酰胺(PAM)是一種有機高分子聚合物.其主鏈上有活潑的酰胺基和雙鍵，在合成過程中，通過引入不同的官能團，可以得到不同分子量和電荷密度的聚丙烯酰胺產(chǎn)品[2].由于污泥由帶負電荷的顆粒組成，陽離子PAM可以中和其負電荷，使得污泥顆粒絮凝成為絮團，從而提升其脫水性能.近年來，Angeles等[3]研究了聚丙烯酰胺的用量對絮凝作用的影響，并闡述了其基本作用機理.鄒其超等[4]研究了陽離子聚丙烯酰胺在污水凈化中的應(yīng)用.然而目前的研究一般都只針對特定的一種聚丙烯酰胺，少有對不同分子結(jié)構(gòu)的PAM進行橫向?qū)Ρ鹊难芯浚狙芯客ㄟ^實驗來考察直鏈型陽離子PAM和交聯(lián)型陽離子PAM對污泥脫水性能的影響，與FeCl3的作用效果進行比較，并探討其作用機理的異同.本實驗采用杭州市七格污水處理廠的二沉池污泥，以污泥的毛細吸水時間(CST)和污泥過濾時間(TTF)作為評價指標，研究不同絮凝劑對污泥調(diào)理的效果，并闡述其機理.

1實驗材料和儀器

1.1實驗材料

實驗用污水污泥取自杭州七格污水處理廠二沉池，基本成分如表1所示.

表1　污泥基本成分

實驗用的兩種聚丙烯酰胺(PAM)由法國愛森公司生產(chǎn)，編號分別為FO4140SH9(PAM-1)和EM640HIB(PAM-2).PAM-1為粉末狀，平均分子量為700 萬，離子度為10%，屬于直鏈型陽離子PAM；PAM-2為膠體狀，平均分子量為1 300 萬，離子度為10%，屬于交聯(lián)型陽離子PAM.兩種絮凝劑在投加前配置成1 g/L的溶液.質(zhì)量分數(shù)為38%的FeCl3溶液由廣州中銳化工有限公司生產(chǎn).

1.2污泥脫水實驗

分別取100 mL污泥倒入200 mL燒杯，再加入一定量的絮凝劑，并使污泥與絮凝劑完全混合均勻.CST測定采用CST儀(304B型，Triton electronics)，選用直徑1 cm的漏斗.TTF測定參照《美國水和廢水標準檢測方法》[5].

CST反映了污泥中自由水的過濾性能，如離心脫水性能.CST越小，說明污泥中自由水的含量越高，自由水的過濾性能越好[6].而TTF反映的是污泥在一定壓力作用下的過濾性能，即壓濾性能.TTF越小，說明污泥的過濾速度越快，越容易被壓濾.有研究表明:TTF越小，對應(yīng)的濾餅含固率也越高[7].

2結(jié)果與討論

2.1污泥脫水性能的穩(wěn)定性

為了解污泥性質(zhì)的穩(wěn)定性，本實驗分別將污泥置于4 ℃冰箱和室溫(20～25 ℃)下通風處保存，其CST變化趨勢如圖1所示.由圖1可見：在4 ℃冰箱中保存的污泥，在前4 d內(nèi)CST幾乎穩(wěn)定不變，隨后CST緩慢上升.說明4 ℃的保存條件在一定的時間范圍內(nèi)可以維持污泥性質(zhì)的穩(wěn)定.而在室溫下保存的污泥，其CST從一開始就呈持續(xù)上升的趨勢.后續(xù)的實驗過程中污泥均在4 ℃條件下保存4 d以內(nèi).

圖1　不同保存條件對污泥CST的影響Fig.1　Effects of different preservation conditions on the CST of sludge

2.2 單一絮凝劑的脫水效果

2.2.1FeCl3對污泥的調(diào)理

從圖2可以看出：在開始階段，隨著FeCl3的加入，污泥的CST與TTF都呈快速下降趨勢，此時帶正電荷的Fe3+離子吸引并中和污泥上負電荷，從而減少了污泥顆粒間的排斥力，使其更容易相互吸附[8]，污泥顆粒也因此而粗大化，形成大的絮團，從而改善其沉降脫水性能[9]，CST與TTF均變小.但兩個指標分別達到最低值時FeCl3的投加量稍有不同.當FeCl3投加量為20 mg/g(以絕干污泥計)時，CST達到最小值12.8 s，此時污泥的離心脫水性能達到最好.當FeCl3投加量為30 mg/g時，TTF達到最小值18.0 s，此時污泥的壓濾性能達到最好.當FeCl3投加過量時，污泥顆粒因吸附了Fe3+而帶上正電荷，污泥膠體顆粒因電荷排斥而呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，從而導(dǎo)致絮凝效果下降[10]，CST與TTF均有所反彈.

圖2　FeCl3投加量對污泥的CST與TTF的影響Fig.2　Effects of FeCl3 on the CST and TTF of sludge

2.2.2PAM-1對污泥的調(diào)理

本實驗所用的PAM-1為直鏈型陽離子聚丙烯酰胺.其分子結(jié)構(gòu)為長鏈狀，帶有酰胺基極性基團，易形成氫鍵，因此具有良好的水溶性和化學活性[11].PAM-1對污泥的調(diào)理，主要是通過吸附架橋功能聯(lián)接大量污泥顆粒使之形成較大的污泥絮團，從而沉降下來[12].從圖3可以看出：在開始階段，隨著PAM-1的加入，由于PAM-1的絮凝作用，污泥的CST與TTF下降較為明顯，當PAM-1投加量為3 mg/g時，CST達到最小值10.1 s.此時污泥的離心脫水性能達到最好.當PAM-1投加量為5 mg/g時，TTF達到最小值18.0 s，此時污泥的壓濾性能達到最好.隨后繼續(xù)增加PAM-1的加入量，反而導(dǎo)致污泥的CST與TTF輕微回升.

圖3　PAM-1投加量對污泥的CST與TTF的影響Fig.3　Effects of PAM-1 on the CST and TTF of sludge

2.2.3PAM-2對污泥的調(diào)理

本實驗所用的PAM-2為交聯(lián)陽離子型聚丙烯酰胺.這種試劑是由丙烯酰胺單體和交聯(lián)劑按一定比例混合，在催化劑(如過硫酸銨)作用下聚合而成.其絮凝機理與直鏈陽離子型聚丙烯酰胺也大致相同，但交聯(lián)陽離子型聚丙烯酰胺膠體中高分子鏈結(jié)構(gòu)比PAM-1試劑更長，而且包含更多支鏈和亞胺化交聯(lián)的結(jié)構(gòu)，污泥脫水效果更加明顯[13-14].與PAM-1的實驗效果類似，隨著PAM-2的加入，污泥的CST與TTF均快速下降，但兩種PAM的最佳投加量卻不相同.從圖4可以看出：當PAM-2投加量為3 mg/g時，CST達到最小值10.8 s，TTF也達到最小值13.0 s.此時污泥的離心脫水性能和壓濾性能均達到最好.

圖4　PAM-2投加量對污泥的CST與TTF的影響Fig.4　Effects of PAM-2 on the CST and TTF of sludge

由PAM-1和PAM-2單獨投加的試驗結(jié)果可以看出不同類型的PAM調(diào)理活性污泥時都存在一個最佳投加量，超過最佳投加量后CST和TTF反而增大.原因之一是過量的PAM會增大活性污泥顆粒表面的粘度[15]，從而不利于水分子的分離，惡化了活性污泥的離心脫水性能；另外一個原因是陽離子PAM過量時，活性污泥顆粒表面由于吸附大量的的PAM膠體而帶上正電，污泥顆粒均帶正電荷，反而增強了污泥絮體間的排斥作用，污泥變得更加難以絮凝沉淀[16]，最終引起CST和TTF的增大.

2.3絮凝劑聯(lián)合使用的脫水效果

使用復(fù)合調(diào)理劑一直是污泥脫水研究的熱點內(nèi)容.根據(jù)相關(guān)文獻報道，使用復(fù)合調(diào)理劑，在合適的條件和比例下，有可能獲得比單獨投加一種調(diào)理劑更好的效果，有效減少絮凝劑的使用量，但也有可能惡化污泥的脫水性能[17-18].

2.3.1FeCl3與PAM-1聯(lián)合使用對污泥的調(diào)理

在FeCl3單獨最佳投加量(20 mg/g)的基礎(chǔ)上，添加不同量的PAM-1，觀察污泥的CST隨PAM-1投加量的變化，并與單獨投加FeCl3溶液時的實驗結(jié)果進行對比.另一方面，在FeCl3獨投最佳投加量(30 mg/g)的基礎(chǔ)上，添加不同量的PAM-1，觀察污泥的TTF隨PAM-1投加量的變化，并與單獨投加FeCl3溶液時的實驗結(jié)果進行對比.實驗結(jié)果如圖5所示.從圖5可以看出：在先加入20 mg/g的FeCl3情況下，當PAM-1投加量2 mg/g時，CST均達到最小值10.8 s.而對于TTF來說，在先加入FeCl3的情況下，PAM-1的加入反而導(dǎo)致了TTF的持續(xù)增加.

圖5　FeCl3與PAM-1聯(lián)合使用對污泥調(diào)理的影響ⅠFig.5　Effects of FeCl3 combined with PAM-1 on the CST and TTF of sludge Ⅰ

接下來，在CST方面，以此種情況下PAM-1的最佳投加量2 mg/g為定值；在TTF方面，以單獨投加時PAM-1的最佳投加量5 mg/g為定值.添加不同量的FeCl3，則污泥的CST與TTF隨FeCl3的投加量的變化如圖6所示.從圖6可以看出：在2 mg/g的PAM-1存在的條件下，當FeCl3投加量10 mg/g時，CST達到最小值9.0 s.而單獨投加PAM-1時，CST最小值為10.1 s.因此用CST表征污泥的脫水性能， PAM-1與FeCl3聯(lián)合使用的最佳投加量為(2+10) mg/g .此時污泥離心脫水效果最好.

而對于TTF來說，在5 mg/g的PAM-1存在的條件下，隨著FeCl3的投加量的增加，TTF持續(xù)上升，污泥的脫水性能持續(xù)惡化.在前面的實驗中我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在先加入FeCl3的情況下，PAM-1的加入反而導(dǎo)致了TTF的持續(xù)增加.由此我們可以得出結(jié)論：FeCl3與PAM-1聯(lián)合使用對污泥TTF的降低起反作用，而TTF在一定程度上可以反映污泥的壓濾性能.說明污泥如果最終采用壓濾脫水方式，F(xiàn)eCl3與PAM-1不適合聯(lián)合使用.

圖6　FeCl3與PAM-1聯(lián)合使用對污泥調(diào)理的影響ⅡFig.6　Effects of FeCl3 combined with PAM-1 on the CST and TTF of sludge Ⅱ

FeCl3與PAM-1聯(lián)合使用時，先加入的FeCl3對污泥進行電荷中和作用，使污泥膠體脫穩(wěn)，再投加高分子絮凝劑PAM-1，發(fā)揮架橋的作用，形成污泥絮團.在此過程中，一部分結(jié)合水被轉(zhuǎn)化為自由水，使得污泥中自由水的含量升高，CST達到最小，但由于Fe3+正電荷與PAM-1中陽離子基團同電相斥，使得污泥顆粒間排斥作用加大，絮體難以凝聚.TTF持續(xù)增大.

2.3.2FeCl3與PAM-2聯(lián)合使用對污泥的調(diào)理

在FeCl3單獨最佳投加量(20 mg/g)的基礎(chǔ)上，添加不同量的PAM-2，觀察污泥的CST隨PAM-2投加量的變化，并與單獨投加PAM-2時的實驗結(jié)果進行對比.同時，在FeCl3單獨最佳投加量(30 mg/g)的基礎(chǔ)上，添加不同量的PAM-2，觀察污泥的TTF隨PAM-2投加量的變化，并與單獨投加PAM-2時的實驗結(jié)果進行對比.實驗結(jié)果如圖7所示.從圖7可以看出：在有FeCl3存在的條件下，隨著PAM-2的加入，CST與TTF持續(xù)升高，既不利于污泥的離心脫水，也不利于污泥的壓濾脫水.

圖7　FeCl3與PAM-2聯(lián)合使用對污泥調(diào)理的影響 ⅠFig.7　Effects of FeCl3 combined with PAM-2 on the CST and TTF of sludge Ⅰ

接下來，在CST方面，以單獨投加PAM-2時的最佳投加量3 mg/g為定值；在TTF方面，以單獨投加PAM-2時的最佳投加量3 mg/g為定值.添加不同量的FeCl3，則污泥的CST與TTF隨FeCl3的投加量的變化如圖8所示.從圖8可以看出：存有PAM-2的情況下，F(xiàn)eCl3的加入反而導(dǎo)致了CST和TTF的增加，而由前面的實驗可知，在有FeCl3存在的條件下，隨著PAM-2的加入，CST與TTF同樣持續(xù)增加，因此，無論污泥采取何種壓濾方式，F(xiàn)eCl3和PAM-2均不適合聯(lián)合使用.

之所以出現(xiàn)這種情況，可能是因為PAM-2分子量大(1 300 萬)，高分子鏈條較長，吸附架橋作用強，在較小投加量(3 mg/g)的情況下就可以使污泥的絮凝效果達到最好[19].如果加入FeCl3復(fù)合調(diào)理，反而會導(dǎo)致高分子鏈纏繞難于舒展，影響了鏈條上某些活性基團對污泥膠體的束縛架橋作用，不利于污泥中結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化.并且，帶入過量的Fe3+正電荷與PAM-2的陽離子同性相斥，使得污泥顆粒間排斥作用加大，絮體難以凝聚[20]，使得CST與TTF增大，污泥脫水效果反而不佳.

圖8　FeCl3與PAM-2聯(lián)合使用對污泥調(diào)理的影響ⅡFig.8　Effects of FeCl3 combined with PAM-2 on the CST and TTF of sludge Ⅱ

3結(jié)論

污泥在較低溫度(4 ℃)下，其CST較為穩(wěn)定；單獨投加FeCl3時，用CST表征污泥的脫水性能，F(xiàn)eCl3的最佳投加量為20 mg/g，CST為12.8 s；用TTF表征污泥的脫水性能，F(xiàn)eCl3的最佳投加量為30 mg/g，TTF為18.0 s；用CST表征污泥的脫水性能，PAM-1(直鏈型陽離子PAM)適合與 FeCl3聯(lián)合使用，最佳投加量為(2+10) mg/g，此時CST為9.0 s，污泥離心脫水效果最好；用TTF表征污泥的脫水性能，PAM-1適合單獨投加，最佳投加量為5 mg/g，此時TTF為18.0 s，污泥壓濾脫水性能達到最好；PAM-2(交聯(lián)型陽離子PAM)適合單獨使用，不宜與FeCl3聯(lián)合使用.當其投加量為3 mg/g時，污泥的CST為10.8 s，TTF為13.0 s，均達到最小，此時污泥的離心脫水性能和壓濾脫水性能同時達到最好.

參考文獻：

[1]陳紅英，王紅濤.城市污水處理廠污泥的資源化利用研究[J].浙江工業(yè)大學學報，2007，35(3)：337-340.

[2]王紅宇，胡超，陳紅英，等.陰離子聚丙烯酰胺對MBR抗膜污染作用[J].浙江工業(yè)大學學報，2014，42(4)：359-362.

[3]ANGELES B, ELENA F M, CONCEPCION M, et al. Polymeric branched flocculant effect on the flocculation process of pulp suspensions in the papermaking industry[J]. Industrial & engineering chemistry research.2009，48(10)：4826-4836.

[4]鄒其超，張金枝，李小琴，等. P(St/BA/DBMEA)陽離子乳液在污水凈化中的應(yīng)用[J].膠體與聚合物，2002，20(2)：86-89.

[5]CLESCERI L S, EATON A D, GREENBERG A E. Standard methods for the examination of water and wastewater:EPA 822R—1998[S]. Washington: Environmental Protection Agency,1998.

[6]BESRA L, SENGUPTA K D, ROY S K, et al. Influence of surfactants on flocculation and dewatering of kaolin suspensions by cationic polyacrylamide flocculant[J]. Separation and purification technology，2003，68(30)：251-264.

[7]LO M C, LAI K C, CHEN G H. Salinity effect on mechanical dewatering of sludge with and without chemical conditioning[J]. Environmental science and technology,2001,35(23)：461-466.

[8]劉宇程，萬里平，陳明燕.水處理絮凝劑研究進展[J].化工時刊，2005，19(5)：63-66.

[9]黃新文，石建敏，林春綿，等. 吸附-混凝-高級化學氧化法處理L-谷氨酰胺廢水的研究[J].浙江工業(yè)大學學報，2003，31(1)：86-91.

[10]高紅耀，顧國維.水污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[11]LEE D J，SHU Y H.Measurement of bound water in sludges： a comparative study[J].Water environment research，1995，67(3)：310 -317.

[12]蔣秋靜.陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑在污泥脫水工藝中的應(yīng)用研究[J].太原理工大學學報，2010，41(4)：352-355.

[13]倪巖，李玉文.水處理有機絮凝劑中合成有機高分子絮凝劑的研究與發(fā)展[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2011，29(13)：94-96.

[14]李萬剛.疏水改性陽離子聚丙烯酰胺P(DMBAC-AM)的研究[D].北京：中國科學院研究生院，2009.

[15]YANG Z, YUAN B, HUANG X, et al. Evaluation of the flocculation performance of carboxymethyl chitosan-graft-polyacrylamide, a novel amphoteric chemically bonded composite flocculant[J]. Water research，2012，84(46)：107-114.

[16]朱仕耀，王小英，劉派,等.不同類別聚丙烯酰胺的作用原理及其助留助濾性能[J].造紙科學與技術(shù)，2012，30(4):44-48.

[17]連西美，稅碧恒.聚丙烯酰胺類絮凝劑的制備及應(yīng)用研究[J].油氣田環(huán)境保護，1998，21(3):7-9.

[18]于文華.陽離子表面活性劑與FeCl3、CaO聯(lián)合作用于污泥脫水及機理研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

[19]鄭懷禮，李林濤，蔣紹階，等. CPAM調(diào)質(zhì)濃縮污泥脫水的影響因素及其機理研究[J].環(huán)境工程學報，2009，29(6):1099-1102.

[20]陳秋.改性聚丙烯酰胺類絮凝劑的合成及應(yīng)用研究[D].長春：吉林大學，2014.

(責任編輯：陳石平)

Effect of polyacrylamide and FeCl3on sludge dewatering performance

LIN Chunmian1, ZHEN Wanshun1, REN Wei1, BAO Yuding2, LIU Gang2,WANG Jinhua2, MAO Congshu2, XU Jianming2

(1.College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang Lüzhi Sludge Treatment Technology Co.,Ltd., Hangzhou 310013, China)

Abstract:The effects of two kinds of polyacrylamide (the straight-chain cationic polyacrylamide (PAM-1) and cross-linked cationic polyacrylamide (PAM-2)) and FeCl3 on sludge dewatering performance were investigated with the capillary suction time (CST) and the time to filter(TTF) as the main evaluation indexes. Experimental results show that the dewatering performance of sludge which stored at 4 ℃ was more stable than at room temperature. PAM-1, combined with FeCl3, had a better sludge dewatering performance when CST was used as the evaluation index, the optimum dosage of PAM-1 and FeCl3 were (2+10) mg/g dried sludge. When TTF was used as the index to evaluate sludge dewatering performance, PAM-1 was found to behave much better when used individually and the optimum dosage of PAM-1 was 5 mg/g. Also, PAM-2 was found not suitable to be used with FeCl3. When the dosage of PAM-2 was 3 mg/g the both values of CST and TTF reached their minimum.

Keywords:sludge dewatering; straight-chain cationic polyacrylamide; cross-linked cationic polyacrylamide; FeCl3

收稿日期：2015-10-30

作者簡介：林春綿(1962—)，男，浙江溫州人，教授，主要從事工業(yè)污染控制與資源化研究，E-mail: lcm@zjut.edu.cn.

中圖分類號：X703

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)02-0174-05