高分子絮凝劑在城市污泥脫水中的應用研究

姜潔 陳望彬 汪彬 馬志民 王曉蓉 郭生偉 周世嘉

摘 ?????要：采用高分子絮凝劑（聚合氯化鋁PAC、兩種陽離子聚丙烯酰胺CPAM）對撫順市兩大污水處理廠（三寶屯和海新廠）的活性污泥進行絮凝實驗，通過對污泥沉降性能的測定，污泥沉降體積比、泥餅含水率、污泥濃度、懸浮物、COD和氨氮實驗表征絮凝劑效果，最后得出針對本廠水質的絮凝劑優化條件。同時采用高嶺土替代污泥樣品，從理論上模擬高嶺土Al-O / Si-O表面與CPAM的相互作用。結果表明，CPAM與Si-O表面之間的相互作用較強，CPAM更容易吸附在Si-O表面上。

關 ?鍵 ?詞：聚丙烯酰胺;聚合氯化鋁;污泥脫水;理論模擬

中圖分類號：TQ ?314 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 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

在國內絮凝劑應用領域，目前使用最廣泛的有機聚合物絮凝劑為聚丙烯酰胺類系列產品[1，2]，根據聚合物組成單體的不同，可以分為兩類，一是全部采用有機化工單體（如丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨等）進行聚合而生成;二是采用具有絮凝作用的天然原料（如淀粉、蛋白或纖維素類）和聚丙烯酰胺類接枝（或共聚）制成。這些種類的絮凝劑在水中可以溶解，高分子上所帶電荷與水中污染物/顆粒所帶電荷相反，實現正負電荷中和，使之脫穩并形成細小凝聚體;同時，高分子的長鏈可以作為吸附架橋，將水中污染物/細小顆粒以及前一步形成的凝聚體吸附并纏結成較大的絮凝物。基于此原理，聚丙烯酰胺類絮凝劑（從低到高的分子量、不同組成單元、不同水解度）在許多行業中被廣泛應用作絮凝、增稠、粘結、阻垢、穩定膠體、減阻、成膜、凝膠及生物材料，滿足了多數行業對固液分離及工業生產過程的不同需求[3，4]。

目前在污水處理廠中廣泛采用絮凝脫水技術來處理污泥[5]，絮凝劑的選用主要為聚合氯化鋁PAC和陽離子聚丙烯酰胺CPAM。對污水處理廠來說，絮凝劑的使用是一項長期持續的經濟投入，因而針對本廠水質與污泥情況進行絮凝劑的選用優化，是一項非常有意義的工作。根據遼寧省撫順市兩大污水處理廠（三寶屯和海新廠）水質與污泥化驗情況，選擇絮凝劑進行實驗[6，7]，通過對污泥濃縮池中的污泥沉降性能的測定，污泥沉降體積比，泥餅含水率、污泥濃度、懸浮物、COD和氨氮實驗表征絮凝劑效果，尋找絮凝劑的最佳用量，實現撫順市污水處理廠的絮凝劑優化，達到經濟實惠、效果可觀的目標，也為全國污水處理廠的絮凝劑用量提供參考，非常具有實際意義;同時，采用MS的Forcite模塊，以高嶺土代替污泥樣本（主要成分類似），計算陽離子聚丙烯酰胺片段在高嶺土鋁氧層和硅氧層表面的吸附行為。結果表明，CPAM與Si-O表面之間的相互作用較強，CPAM更容易吸附在Si-O表面上。

1 ?材料與試劑

鄰菲羅啉，95%乙醇，濃硫酸，甲基橙，甲基紅硫，輕質氧化鎂，亞甲藍，硫酸亞鐵，溴百里酚藍，鹽酸，氫氧化鈉，酸亞鐵銨，硫酸銀，碳酸鈉，重鉻酸鉀等所用藥品均為分析純，來自天津市鼎盛新化工有限公司;PAC（28%），CPAM（陽離子度～30%）為工業級，來自鞏義凈水材料廠;活性污泥來自三寶屯/海新廠污泥濃縮池（表1）。

2 ?實驗方法

2.1 ?污泥沉降體積比

取污泥濃縮池混合液于50 mL量筒沉30 min， 準確讀取沉降污泥的毫升數。

2.2 ?懸浮物

量取充分混合均勻的試樣4 mL于恒重過的濾膜（0.45μm）過濾后，以水洗滌后并取出濾膜放于恒重的稱量瓶中，移入烘箱中在105 ℃下干燥1 h，反復冷卻烘干稱量直至恒重。

2.3 ?污泥沉降性能的測定

（1）取100 mL來自三寶屯/海城/海新廠污泥濃縮池的活性污泥于100 mL量筒中，靜置，沉淀;

（2）每隔0.5， 1， 2， 3， 4， 5 h分別讀取各污泥樣品的污泥體積;以時間為橫坐標，污泥體積為縱坐標，得到污泥沉降曲線[8];

（3）通過調節絮凝劑投加量，重復第二步驟，得到一系列污泥沉降曲線。從中可得到最優污泥沉降曲線。

2.4 ?泥餅含水率

（1）將陶瓷坩鍋于105 ℃條件下烘干2 h后，冷卻后稱量，記為m0;

（2）將活性污泥混勻，取4 mL污泥于坩鍋中，稱重，記為 m1 （含坩鍋重）;

（3）將2中稱量好的污泥于105 ℃條件下烘至恒重，稱重，記為 m2 （含坩鍋重）;

泥餅含水率=

2.5 ?污泥濃度

（1）將濾紙于稱量瓶中，于105 ℃烘箱內恒重。

（2）量取20 mL污泥濃縮池混合液，用上述濾紙過濾后，將此濾紙放于原稱量瓶中，在105 ℃烘箱中烘干2 h并反復冷卻稱量直至恒重。

2.6 ?CODCr

測試方法同參考文獻[9]。

2.7 ?氨氮

測試方法同參考文獻[9]。

3 ?結果與分析

3.1 ?污泥沉降體積比與懸浮物含量測定

從表2可以看出，海新水廠的污泥自身沉降性能很差，懸浮物含量較高可達104 mg/L，而三寶屯的活性污泥沉降情況良好，自身沉降可達～74%，懸浮物含量為103 mg/L。

3.2 ?污泥沉降性能的測定

對海新和三寶屯污水處理廠活性污泥進行絮凝沉降，結果如圖1。對海新來說，每100 mL活性污泥投入0.06 g CPAM（800萬或者1 200萬）為最佳選擇，污泥最大沉降可到～ 40 mL;而對三寶屯來說，每100 mL活性污泥投入0.14 g PAC或者0.04 g CPAM （800萬）就可使污泥沉降到～ 45 mL。

3.3 ?泥餅含水率

從表3可以看出，在未加絮凝劑時，活性污泥含水量很高;陽離子聚丙烯酰胺的污泥脫水性能要好于聚合氯化鋁，分子量高的有機絮凝劑要好于分子量低一些的。

3.4 ?污泥濃度

從表4可以看出，海新水廠的污泥濃度很高，接近40 mg/L;而三寶屯的污泥濃度僅是他們的1/5。

3.5 ?上清液理化指標CODCr

從表5可以看出，絮凝劑的加入，可以大大降低COD的含量，CPAM的使用效果要明顯好于PAC。同時，CPAM分子量越大，效果越明顯。

3.6 ?氨氮

從表6可以看出，海新污水處理廠的氨氮含量明顯低于三寶屯水廠，絮凝劑的加入可以明顯降低上清液的氨氮含量。在降低氨氮含量方面，相對聚合氯化鋁來說，陽離子聚丙烯酰胺的效果沒有表現出優勢。

4 ?模 擬

高嶺土由Si-O四面體（氧硅層）和Al-O八面體層（氧鋁層）組成，以1∶1的比例形成分層結構，CPAM與Al-O 層（切面：0 0 1）的吸附模型如圖2（上）所示，CPAM與Si-O層（切面：0 0 -1）如圖2（下）所示。 本文所設計的CPAM片段是由6個丙烯酰胺和3個甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨單體組成。計算均使用Material Studio 5.5的Forcite模塊（Force Field：COMPASS）完成。

5 ?結束語

撫順市兩大污水處理廠（三寶屯和海新廠）網絡涵蓋了全市大部分的生活污水官網，通過對其的水質與污泥化驗情況，既可以代表本市污泥情況，也可以反映全國和撫順同級別城市的污泥性質。通過對污泥沉降性能的測定，污泥沉降體積比，泥餅含水率、污泥濃度、懸浮物、COD和氨氮實驗表征絮凝劑效果，我們發現有機高分子絮凝劑CPAM相比無機高分子絮凝劑PAC來說，各項指標都占據優勢。高分子量（1 200萬）陽離子聚丙烯酰胺在上清液理化指標CODCr中相比低分子量（800萬）領先一步，其他則表現平平，考慮到成本因素，整體來說，選擇800萬陽離子聚丙烯酰胺，每100 mL活性污泥投入0.06 g為最佳選擇。同時，模擬結果表明，CPAM與Si-O表面之間的相互作用更強; CPAM更容易吸附在高嶺土的Si-O表面上。

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[9]污水處理廠全部水質參數測定方法大全[ED/OL]. http：// jz.docin.com/p- 406779147.htm.l.