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高分子絮凝剂在城市污泥脱水中的应用研究

范文

姜洁陈望彬汪彬马志民王晓蓉郭生伟周世嘉

摘 ?????要：采用高分子絮凝剂（聚合氯化铝PAC、两种阳离子聚丙烯酰胺CPAM）对抚顺市两大污水处理厂（三宝屯和海新厂）的活性污泥进行絮凝实验，通过对污泥沉降性能的测定，污泥沉降体积比、泥饼含水率、污泥浓度、悬浮物、COD和氨氮实验表征絮凝剂效果，最后得出针对本厂水质的絮凝剂优化条件。同时采用高岭土替代污泥样品，从理论上模拟高岭土Al-O / Si-O表面与CPAM的相互作用。结果表明，CPAM与Si-O表面之间的相互作用较强，CPAM更容易吸附在Si-O表面上。

关 ?键 ?词：聚丙烯酰胺;聚合氯化铝;污泥脱水;理论模拟

中图分类号：TQ ?314 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）06-1132-04

Abstract： The flocculation experiments of active sludge from two sewage treatment companies （Sanbaotun company and Haixin company） in Fushun city were carried out by using polymer flocculants （poly-aluminum chloride PAC， two kinds of cationic polyacrylamide CPAM）. By measuring the sedimentation properties of the sludge， the sludge sedimentation volume ratio， cake moisture content， the concentration of the sludge， suspended solids， COD and ammonia experiments， the flocculant optimization conditions were obtained in the end. Meanwhile， kaolin was used to replace the sludge samples for theoretically simulating the interaction between the Al-O/Si-O surface of kaolin and CPAM. The results showed that the interaction between CPAM and Si-O surface was stronger; CPAM was more easily adsorbed on the surface of the Si-O surface.

Key words：Cationic polyacrylamide （CPAM）; Poly-aluminum chloride （PAC）;Sludge dewatering;Theoretical simulation

在国内絮凝剂应用领域，目前使用最广泛的有机聚合物絮凝剂为聚丙烯酰胺类系列产品[1，2]，根据聚合物组成单体的不同，可以分为两类，一是全部采用有机化工单体（如丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵等）进行聚合而生成;二是采用具有絮凝作用的天然原料（如淀粉、蛋白或纤维素类）和聚丙烯酰胺类接枝（或共聚）制成。这些种类的絮凝剂在水中可以溶解，高分子上所带电荷与水中污染物/颗粒所带电荷相反，实现正负电荷中和，使之脱稳并形成细小凝聚体;同时，高分子的长链可以作为吸附架桥，将水中污染物/细小颗粒以及前一步形成的凝聚体吸附并缠结成较大的絮凝物。基于此原理，聚丙烯酰胺类絮凝剂（从低到高的分子量、不同组成单元、不同水解度）在许多行业中被广泛应用作絮凝、增稠、粘结、阻垢、稳定胶体、减阻、成膜、凝胶及生物材料，满足了多数行业对固液分离及工业生产过程的不同需求[3，4]。

目前在污水处理厂中广泛采用絮凝脱水技术来处理污泥[5]，絮凝剂的选用主要为聚合氯化铝PAC和阳离子聚丙烯酰胺CPAM。对污水处理厂来说，絮凝剂的使用是一项长期持续的经济投入，因而针对本厂水质与污泥情况进行絮凝剂的选用优化，是一项非常有意义的工作。根据辽宁省抚顺市两大污水处理厂（三宝屯和海新厂）水质与污泥化验情况，选择絮凝剂进行实验[6，7]，通过对污泥浓缩池中的污泥沉降性能的测定，污泥沉降体积比，泥饼含水率、污泥浓度、悬浮物、COD和氨氮实验表征絮凝剂效果，寻找絮凝剂的最佳用量，实现抚顺市污水处理厂的絮凝剂优化，达到经济实惠、效果可观的目标，也为全国污水处理厂的絮凝剂用量提供参考，非常具有实际意义;同时，采用MS的Forcite模块，以高岭土代替污泥样本（主要成分类似），计算阳离子聚丙烯酰胺片段在高岭土铝氧层和硅氧层表面的吸附行为。结果表明，CPAM与Si-O表面之间的相互作用较强，CPAM更容易吸附在Si-O表面上。

1 ?材料与试剂

邻菲罗啉，95%乙醇，浓硫酸，甲基橙，甲基红硫，轻质氧化镁，亚甲蓝，硫酸亚铁，溴百里酚蓝，盐酸，氢氧化钠，酸亚铁铵，硫酸银，碳酸钠，重铬酸钾等所用药品均为分析纯，来自天津市鼎盛新化工有限公司;PAC（28%），CPAM（陽离子度～30%）为工业级，来自巩义净水材料厂;活性污泥来自三宝屯/海新厂污泥浓缩池（表1）。

2 ?实验方法

2.1 ?污泥沉降体积比

取污泥浓缩池混合液于50 mL量筒沉30 min，准确读取沉降污泥的毫升数。

2.2 ?悬浮物

量取充分混合均匀的试样4 mL于恒重过的滤膜（0.45μm）过滤后，以水洗涤后并取出滤膜放于恒重的称量瓶中，移入烘箱中在105 ℃下干燥1 h，反复冷却烘干称量直至恒重。

2.3 ?污泥沉降性能的测定

（1）取100 mL来自三宝屯/海城/海新厂污泥浓缩池的活性污泥于100 mL量筒中，静置，沉淀;

（2）每隔0.5， 1， 2， 3， 4， 5 h分别读取各污泥样品的污泥体积;以时间为横坐标，污泥体积为纵坐标，得到污泥沉降曲线[8];

（3）通过调节絮凝剂投加量，重复第二步骤，得到一系列污泥沉降曲线。从中可得到最优污泥沉降曲线。

2.4 ?泥饼含水率

（1）将陶瓷坩锅于105 ℃条件下烘干2 h后，冷却后称量，记为m0;

（2）将活性污泥混匀，取4 mL污泥于坩锅中，称重，记为 m1 （含坩锅重）;

（3）将2中称量好的污泥于105 ℃条件下烘至恒重，称重，记为 m2 （含坩锅重）;

泥饼含水率=

2.5 ?污泥浓度

（1）将滤纸于称量瓶中，于105 ℃烘箱内恒重。

（2）量取20 mL污泥浓缩池混合液，用上述滤纸过滤后，将此滤纸放于原称量瓶中，在105 ℃烘箱中烘干2 h并反复冷却称量直至恒重。

2.6 ?CODCr

测试方法同参考文献[9]。

2.7 ?氨氮

测试方法同参考文献[9]。

3 ?结果与分析

3.1 ?污泥沉降体积比与悬浮物含量测定

从表2可以看出，海新水厂的污泥自身沉降性能很差，悬浮物含量较高可达104 mg/L，而三宝屯的活性污泥沉降情况良好，自身沉降可达～74%，悬浮物含量为103 mg/L。

3.2 ?污泥沉降性能的测定

对海新和三宝屯污水处理厂活性污泥进行絮凝沉降，结果如图1。对海新来说，每100 mL活性污泥投入0.06 g CPAM（800万或者1 200万）为最佳选择，污泥最大沉降可到～ 40 mL;而对三宝屯来说，每100 mL活性污泥投入0.14 g PAC或者0.04 g CPAM （800万）就可使污泥沉降到～ 45 mL。

3.3 ?泥饼含水率

从表3可以看出，在未加絮凝剂时，活性污泥含水量很高;阳离子聚丙烯酰胺的污泥脱水性能要好于聚合氯化铝，分子量高的有机絮凝剂要好于分子量低一些的。

3.4 ?污泥浓度

从表4可以看出，海新水厂的污泥浓度很高，接近40 mg/L;而三宝屯的污泥浓度仅是他们的1/5。

3.5 ?上清液理化指标CODCr

从表5可以看出，絮凝剂的加入，可以大大降低COD的含量，CPAM的使用效果要明显好于PAC。同时，CPAM分子量越大，效果越明显。

3.6 ?氨氮

从表6可以看出，海新污水处理厂的氨氮含量明显低于三宝屯水厂，絮凝剂的加入可以明显降低上清液的氨氮含量。在降低氨氮含量方面，相对聚合氯化铝来说，阳离子聚丙烯酰胺的效果没有表现出优势。

4 ?模拟

高岭土由Si-O四面体（氧硅层）和Al-O八面体层（氧铝层）组成，以1∶1的比例形成分层结构，CPAM与Al-O 层（切面：0 0 1）的吸附模型如图2（上）所示，CPAM與Si-O层（切面：0 0 -1）如图2（下）所示。本文所设计的CPAM片段是由6个丙烯酰胺和3个甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵单体组成。计算均使用Material Studio 5.5的Forcite模块（Force Field：COMPASS）完成。

5 ?结束语

抚顺市两大污水处理厂（三宝屯和海新厂）网络涵盖了全市大部分的生活污水官网，通过对其的水质与污泥化验情况，既可以代表本市污泥情况，也可以反映全国和抚顺同级别城市的污泥性质。通过对污泥沉降性能的测定，污泥沉降体积比，泥饼含水率、污泥浓度、悬浮物、COD和氨氮实验表征絮凝剂效果，我们发现有机高分子絮凝剂CPAM相比无机高分子絮凝剂PAC来说，各项指标都占据优势。高分子量（1 200万）阳离子聚丙烯酰胺在上清液理化指标CODCr中相比低分子量（800万）领先一步，其他则表现平平，考虑到成本因素，整体来说，选择800万阳离子聚丙烯酰胺，每100 mL活性污泥投入0.06 g为最佳选择。同时，模拟结果表明，CPAM与Si-O表面之间的相互作用更强; CPAM更容易吸附在高岭土的Si-O表面上。

参考文献：

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[3]柴莉娜，张广成，孙伟民，等. 淀粉接枝丙烯酰胺的合成及其絮凝性能的研究[J]. 应用化工， 2009， 38（9）：1313-1316.

[4]朱文靖，符新，李光，等. AMPS/AM/木薯淀粉接枝共聚物制备工艺的研究[J]. 胶体与聚合物， 2006， 24（3）：32-34.

[5]杨婷. 关于市政污泥处理处置的探讨[J]. 绿色环保建材， 2017（9）：50-50.

[6]杜巍. 抚顺市供水概况及污水处理情况的调查[J]. 科学技术创新， 2017（8）：58-58.

[7]张辰，王逸贤，谭学军，等. 城镇污水处理厂污泥处理稳定标准研[J]. 给水排水， 2017， 43（9）：137-140.

[8]李玲珑. 环保型复合凝聚剂的研制及其在污泥减容中的应用[D]. 华东理工大学， 2013.

[9]污水处理厂全部水质参数测定方法大全[ED/OL]. http：// jz.docin.com/p- 406779147.htm.l.

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