陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑在污泥脫水工藝中的應用研究

蔣秋靜

(太原市環境科學研究設計院,太原 030024)

近年來,污水處理中的污泥脫水主要采用絮凝沉淀法,處理中所采用的絮凝劑(Flocculation)又稱沉降劑,是一類可使液體中不易沉降的固體懸浮微粒凝聚、沉淀的物質[1,2]。絮凝劑主要有無機絮凝劑和合成高分子絮凝劑兩大類[3]。有機高分子絮凝劑因其用量少、絮凝作用迅速等顯著特點而得到廣泛應用[4]。陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)大分子鏈上所帶的正電荷密度高,水溶性好,絮凝能力強,在污水處理中用量少,而且無毒、對環境無污染,因而它在水處理中污泥脫水方面的應用越來越引起科研工作者的廣泛關注[5]。本實驗從太原河西中北部污水凈化廠的污泥脫水機房提取污水樣,分析在不同的原水濁度、pH值和溫度條件下,陽離子聚丙烯酰胺投加量和攪拌時間對絮凝效果的影響。

1 實驗裝置及分析方法

1.1 濁度標準液的配制

吸取5.00 mL的10 g/L硫酸肼溶液與5.00 mL的10 g/L的六次甲基四胺溶液于100 mL容量瓶中,混勻,在室溫(25±3)℃下反應 24 h,用水稀釋至標準線,混勻,該溶液為濁度400度的儲備液。

1.2 濁度標準曲線的確定

分別吸取濁度標準溶液0,0.50,1.25,2.50,5.00,10.00,12.50 mL,置于7個50 mL比色管中,加水至標線。搖后即得到濁度分別為0,4,10,20,40,80,100度的標準液。用 722型分光光度計在680 nm波長處測定吸光度[6]。標準曲線回歸方程為:吸光度=濁度×0.0022+0.0025,相關系數R2=0.9995。圖1為濁度標準曲線。

圖1 濁度標準曲線

1.3 污泥含水率的測定

將60 mL蒸發皿放在烘箱內,在105～110℃烘2 h,取出后放在干燥器內冷卻0.5 h,記錄質量m1,取污泥放入蒸發皿中,記錄質量m2.用水浴鍋蒸干,然后放入105～110℃的烘箱內烘2 h,取出后放在干燥器內冷卻0.5 h,記錄質量m3。污泥含水率wP的計算公式如下:

1.4 污泥有機物含量的測定

將測完含水率的樣品放在電爐上碳化,再放入600℃的高溫爐中灼燒0.5 h,然后冷卻或將溫度降至110℃左右,取出放入105～110℃的烘箱烘2 h,再放入干燥器中干燥0.5 h,然后記錄質量m4[7]。污泥中有機物含量(質量分數)的計算公式如下:

1.5 主要試劑和實驗儀器

CPAM為化學純,相對分子質量高達800萬,低電荷密度。8521型恒溫磁力攪拌器;pHS22C數顯型酸度計;AL104電子天平;722型分光光度計。

1.6 原水水質

實驗用水為太原市河西北中部污水處理廠中進入脫泥機房的污水,污泥平均含水率為93.8%～97.1%。每次以1000 mL生活污水作為水樣。第1組水樣上午8:30提取,第2組水樣中午11:30提取,第3組水樣下午14:30提取。表1為原水水質指標。

表1 原水水質情況

2 結果與討論

2.1 CPAM投加量對絮凝效果的影響

在一天不同的時間段取水樣,分別為水樣1、水樣2和水樣3,每次取7份1000 mL水樣分別放置在燒杯中,CPAM投加量分別為0.1,0.3,0.6,1.0,3.0,6.0,10.0 mg,然后進行攪拌,攪拌轉速為200 r/min,攪拌時間為4 min,攪拌后靜置沉淀,取上清液測定吸光度值。表2為CPAM投加量對礬花和上清液pH的影響,圖2所示為上清液濁度隨CPAM投加量的變化圖。

表2 CPAM投加量對礬花和上清液pH的影響

從表2可得到,CPAM的投加量對水樣的pH值沒有影響,但礬花隨著投加量的增加變化較大,CPAM的投加量越大,形成的礬花也越大越結實,當水樣中CPAM的質量濃度為0.3 mg/L左右就能得到較好的礬花;但當水樣中CPAM的質量濃度大于1.0 mg/L,礬花變化較小。所以CPAM的質量濃度應在0.3～0.6 mg之間,既能得到較好的礬花,同時也能避免CPAM的浪費。

圖2 上清液濁度隨CPAM投加量的變化圖

從圖2可以得到,水樣1的曲線隨著CPAM投加量的增加,曲線急劇下降,水樣的濁度變化幅度較大,當投加量為0.3 mg/L時,濁度達到最小值;繼續投加CPAM,水樣的濁度值變化不大。水樣2的濁度隨著CPAM投加量的增加急劇降低,在0.3 mg/L時濁度達到最小值;但繼續投加CPAM,水樣的濁度值反而增大;當投加量達到1.0 mg/L以后,繼續投加CPAM,濁度值不再變化。水樣3的濁度值也隨著CPAM投加量的增大而迅速減小,在投加量為0.6 mg/L時濁度值最小;繼續投加CPAM,水樣的濁度值變化不大。說明CPAM作為絮凝劑,能夠快速高效地絮凝沉淀污水中的懸浮顆粒物,但當投加量達到一定的值時,形成的礬花過于結實粗大,易造成大量的污泥沉積,影響了絮凝沉淀的繼續進行。結合污水處理廠運行的經濟性來說,CPAM的最佳投加量應為大于0.3 mg/L,但不應超過0.6 mg/L。

2.2 攪拌時間對CPAM絮凝效果的影響

下午14:30取6份1000 mL的污水水樣于6個燒杯中,分別加入0.45 mg CPAM 絮凝劑,然后分別攪拌1,2,3,4,5,6 min,測試攪拌時間對絮凝效果的影響,總反應時間為6 min。取其上清液,測其濁度和pH值。表3為攪拌時間對礬花和上清液pH的影響。

表3 攪拌時間對礬花和上清液pH的影響

從表3可知,隨著攪拌時間的延長,礬花從開始的細小逐漸變大,當攪拌4 min的時候,形成了大而結實的礬花,這是因為攪拌增加了絮凝劑CPAM與水樣中顆粒物的碰撞機會,隨著攪拌時間的延長,顆粒物與絮凝劑逐漸形成較大的絮體。但繼續攪拌,礬花逐漸變小,在攪拌時間為6 min的時候,礬花變得細小。這說明攪拌時間過長會把形成的大絮體攪碎,繼續攪拌,大而結實的礬花絮體變成細小的顆粒,不利于絮凝沉淀反應的繼續進行。在攪拌的過程中,攪拌時間對pH值的變化沒有影響。

圖3為攪拌時間對上清液濁度的影響。從圖3可以看出,隨著CPAM 絮凝劑的加入,水樣的濁度值明顯下降,在攪拌了4 min后濁度值達到最小,這說明絮凝劑已經和水樣中的大部分顆粒物碰撞形成了共沉淀。但繼續攪拌濁度值變大,說明過度的攪拌使已形成的絮體被攪碎成微小顆粒物,不利于絮凝反應。所以攪拌4 min即總反應時間的2/3左右,能獲得最佳絮凝效果。

圖3 攪拌時間對上清液濁度的影響

2.3 最佳工況下污泥脫水效果

太原市河西北中部污水處理廠采用的是臥式離心機,用CPAM調理污泥。根據實驗得出的最佳工況,選擇CPAM 投加量 0.3～0.6 mg/L、攪拌時間為總反應時間的2/3左右為反應條件。4月份沒有加CPAM絮凝劑時進泥含水率97.3%,進泥有機物平均含量62.1%,泥餅平均含水率為78.7%,泥餅有機物平均含量為60%(有機物含量以質量分數計)。5月份添加CPAM絮凝劑后對污泥含水率和有機物含量進行測定,見圖4。

圖4 5月份進泥和泥餅含水率及有機物含量變化圖

根據圖4可知,添加CPAM 絮凝劑后,進泥平均含水率為95.6%,泥餅平均含水率為75.6%,比4月份不添加CPAM絮凝劑時含水率降低,提高了泥餅的含固率,可以減少污泥堆置的占地面積。5月份進泥中有機物平均質量分數為61.6%,泥餅有機物平均質量分數為60%,與4月份相比有機物含量基本沒有變化,表明CPAM絮凝劑的投加對泥餅有機物的含量沒有影響。采用CPAM作為污泥脫水工藝的絮凝劑,對污泥的脫水效果較好,降低了運行成本。

3 結論

1)CPAM在生活污水的污泥脫水處理時最佳投加量是0.3～0.6 mg/L。

2)CPAM在對污泥進行脫水時最佳攪拌時間為4 min,即總反應時間的2/3。

3)將實驗得到的最佳反應條件運用到實際污泥脫水工藝中,得到的泥餅含水率降低,提高了泥餅的含固率,可以減少污泥堆置的占地面積。

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