（应用化学专业论文）PDA应用于市政污泥脱水的初步研究.pdf

硕士论文p d a 应用于市政污泥脱水的初步研究 摘要 本文对高分子絮凝剂在污泥絮凝脱水中的应用进行了研究。采用市售的阳、阴、非 离子絮凝剂及阳离子度为1 0 3 0 、特征黏度为8 0 0 - 1 1 5d l g 1 的实验室自制阳离 子絮凝剂p d a ，对江苏南京城东污水处理厂污泥( 城东污泥) 和安徽芜湖朱家桥污水处 理厂污泥( 芜湖污泥) 进行絮凝脱水处理，以絮团大小、滤饼含水率为主要脱水效果指 标，c o d c r 、氨氮和正磷酸盐含量为上清液水质评价指标，结合透过率、浊度和z e t a 电 位的测定，研究了絮凝剂性质、污泥性质与絮凝脱水效果的关系。结果表明： 对于含水率和有机质含量较高的城东污泥，实验室自制3 0 阳离子度、特征黏度分 别为1 1 5d l g d 和1 0 0d l f 1 的p d a 及市售2 5 阳离子度的c 6 2 5 p ( 1 2 5d l g - 1 ) 效果 较好，最佳投加量均为6 0m g l 一，滤饼含水率分别为8 1 7 8 、8 2 9 0 和8 4 31 ；对于 含水率和有机质含量较低的芜湖污泥，市售3 5 阳离子度的c 6 3 5 p ( 1 3 1d l g d ) 、2 5 阳离子度的z e t a 9 7 6 5 0 ( 1 3 1d l 百1 ) 和实验室自制3 0 阳离子度p d a ( 1 1 5d l g d ) 效 果较好，最佳投加量分别为3 0m g l - 13 0m g l d 和4 0m g l - 1 ，滤饼含水率分别为7 4 1 4 、 7 4 7 5 和7 5 9 3 。经阳离子絮凝剂处理后上清液浊度、c o d c r 、氨氮和正磷酸盐含量随 着絮凝剂投加量的增加均先减小、后增大，有一个最小值，透过率先增大、后减小，有 一个最大值；z e t a 电位随着投加量的增加而增加，均先负后正；最佳絮凝点处，城东污 泥上清液的c o d c ，、氨氮和正磷酸盐含量值分别在3 3 6 8 - - - 8 1 4 0m g l 、1 4 8 4 - 1 7 8 4 m g l 、8 7 6 1 2 7 6m g l 。1 之间，芜湖污泥上清液的这三个指标值分别在2 7 3 5 - 4 3 7 6 m g l 、9 4 7 - 1 4 3 1m g l 一、1 3 4 - - 3 6 8n a g l d 之间。由此说明： 对于两种污泥和所选的高分子絮凝剂，就絮凝脱水效果而言，阳离子絮凝剂效果显 著，阴离子和非离子絮凝剂不适用。相同阳离子度时，絮凝剂的特征黏度越高，其絮凝 脱水效果越好；相近特征黏度时，针对不同泥样，阳离子度要在特定的范围内，才能达 到较好的絮凝脱水效果。与市售絮凝剂相比，p d a 对于所选两种污泥有着相近的絮凝脱 水效果，其中对于城东污泥，p d a 的絮凝脱水效果优于所选市售絮凝剂，但对于芜湖污 泥，所选市售絮凝剂优于p d a ，所得结果为p d a 的进一步研发和工业化生产应用提供 了理论依据。经所选絮凝剂处理后，除城东污泥的正磷酸盐外，最佳絮凝点处上清液的 c o d c r 、氨氮和正磷酸盐分别满足国家城镇污水处理厂污染物排放的不同标准，可分别 采用循环利用或直接排放的方法处置。 关键词：污泥脱水，絮凝剂，阳离子度，特征黏度，含水率，c o d ，氨氮，正磷酸盐 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fp o l y m e rf l o c c u l a n t sf o rs l u d g ed e w a t e r i n gh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t ，r a ws l u d g e1 群u s e di nt e s t sw a sc o l l e c t e df r o ms e w a g et r e a t m e n tp l a n to fe a s t e r n n a n j i n ga n ds l u d g e2 稃f r o mz h u j i ab r i d g es e w a g et r e a t m e n tp l a n to fw u h u ，r e s p e c t i v e l y ， t h e nt h es l u d g es a m p l e sw e r ec o n d i t i o n e db yu s i n gc a t i o n i cp a m ( c p a l v o ，i n c l u d i n g l a b o r a t o r i a lp r o d u c t sp d a ，a n i o n i cp a m ( a p a m ) a n dn o n i o n i cp a m ( n p a m ) t oi n v e s t i g a t e t h ee f f e c t so ff l o c c u l a n tp r o p e r t i e sa n ds l u d g ec h a r a c t e r i s t i c so ns l u d g ed e w a t e r i n g t h e f i l t r a t i v ed e w a t e r i n ga b i l i t yw a sm a i n l yv a l u e db yt h es i z eo ff l o c c u l a t ea n dw a t e r - c o n t a i n i n g r a t eo ff i l t e rc a k e ，t h ew a t e rq u a l i t yo ft h es u p e m a t a n tw a sv a l u e db yc o d c r ，n h 3 - na n d o r t h o p h o s p h a t ec o n t e n t t u r b i d i i t y , t r a n s m i s s i o na n dz e t ap o t e n t i a lo ft h es u p e m a t a n tw e r e d e t e c t e da n du s e da ss u p p l e m e n t a r ye l e m e n t sf o rt h e o r e t i c a le x p l a n a t i o na n dr e s u l te v a l u a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tf o rs l u d g e1 撑，o fw h i c ht h eo r i g i n a lw a t e rc o n t e n ta n do r g a n i c s u b s t a n c ec o n t e n tw e r em u c hh i g h e rt h a nt h a to fs l u d g e2 撑，l a b o r a t o r i a lp r o d u c t sp d a 3 3 嘶l c a t i o n i c i t yo f3 0 a n di n t r i n s i cv i s c o s i t yo f11 5d l 茁1 ，p d a 3 2w i t hc a t i o n i c i t yo f3 0 a n d i n t r i n s i cv i s c o s i t yo f10 0d l g ，a n dc o m m e r c i a lp r o d u c tc - 6 2 5 p 谢t l lc a t i o n i c i t yo f2 5 a n d i n t r i n s i cv i s c o s i t yo f1 2 5d l g 。1h a de x c e l l e n td e w a t e r i n ga b i l i t ya tt h ed o s a g eo f6 0m g 。l ， t h ec o r r e s p o n g d i n gw a t e r - c o n t a i n i n gr a t e so ff i l t e rc a k e sa f t e rd e w a t e rr e a c h e d81 7 8 ， 8 2 9 0 a n d8 4 31 ，r e s p e c t i v e l y f o rs l u d g e 斜，c o m m e r c i a lp r o d u c t sc 6 3 5 pw i t h c a t i o n i c i t yo f 3 5 a n di n t r i n s i cv i s c o s i t yo f1 3 1d l g 一，z e t a 9 7 6 5 0w i t hc a t i o n i co f 2 5 a n d i n t r i n s i cv i s c o s i t yo f1 3 1d l g ，a n dl a b o r a t o r i a lp r o d u c tp d a 3 3 j u s tm e n t i o n e dp e r f o r m e d e x c e l l e n td e w a t e r i n ga b i l i t ya tt h ed o s a g eo f3 0m g 。l ，3 0m g 。l a n d4 0m g l ，r e s p e c t i v e l y , t h ec o r r e s p o n g d i n gw a t e r - c o n t a i n i n gr a t e so ff i l t e rc a k e sa f t e rd e w a t e rr e a c h e d7 4 14 ， 7 4 7 5 a n d7 5 9 3 ，r e s p e c t i v e l y t h et u r b i d i t y , c o d c r ，n h 3 - nc o n t e n ta n do r t h o p h o s p h a t ec o n t e n ti nt h es u p e m a t a n ta l l d e c r e a s e df i r s ta n dt h e ni n c r e a s e da st h ei n c r e a s i n gf l o c c u l a n td o s a g e s i nc o n t r a r y , t h e t r a n s m i s s i o no ft h es u p e m a t a n ti n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d z e t ap o t e n t i a lo ft h e s u p e m a t a n ta l w a y si n c r e a s e df r o mn e g a t i v et op o s i t i v ea f t e rf l o c c u l a t e db yc p a m a tt h e o p t i m a ld o s a g e ，t h ev a l u e so fc o d e r ，n h 3 - na n do r t h o p h o s p h a t ec o n t e n tw e r ea m o n gt h e r a n g eo f3 3 6 8 - - - , 8 1 4 0m g l 。1 、1 4 8 4 , - - , 1 7 8 4m g l 。1 、8 7 6 - - - - 1 2 7 6m g l 。1 f o rs l u d g e1 群， r e s p e c t i v e l y , a n df o rs l u d g e2 稃a m o n gt h er a n g eo f2 7 3 5 - - 4 3 7 6m g 。l 一、9 4 7 1 4 3 1 m g l _ l 、1 3 4 - - 3 6 8m g l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tf o rt h et w os l u d g es a m p l e s ，t h ec p a mh a d s i g n i f i c a n te f f e c to ns l u d g ed e w a t e r i n g ，w h i l et h en p a ma n da p a m w e r en o ts u i t a b l e a n d t t 硕士论文 p d a 应用于市政污泥脱水的初步研究 f o rf o r m i n go p t i m u ms i z eo ff l o c c u l a t e ，c p a mw i t hh i g h e ri n t r i n s i cv i s c o s i t yh a dt h e i r s u p e r i o r i t i e sb e t t e rt h a nt h eo t h e r sw h e nt h e i rc a t i o n i c i t i e sw e r es a m e a tt h es a m et i m e ，f o r c p a mw i t ht h ea p p r o x i m a t ei n t r i n s i cv i s c o s i t yv a l u e s ，ac a t i o n i c i t yi nap r o p e rr a n g ew a s r e q u i r e dt oa c h i e v eab e s td e w a r t e r i n ge f f e c t i t sp r o v e dt h a tl a b o r a t o r i a lp r o d u c t sp d ah a dc l o s ea b i l i t yt oc o m m e r c i a lp r o d u c t si n s l u d g ed e w a t e r i n g ，a n dt h er e s u l t so b t a i n e dc a nb eu s e dt op r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o r f u r t h e r d e v e l o p m e n to fp d a ，a l s of o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ec o d c tv a l u e ，n h s - nc o n t e n ta n do r t h o p h o s p h a t ec o n t e n to ft h e s u p e m a t a n tm e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ee m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n si s s u e db yt h e g o v e r n m e n t a sar e s u l t , t h es u p e m a t a n tc a nb er e c y c l e do rd i s c h a r g e dd i r e c t l y k e yw o r d s ：s l u d g ed e w a t e r , f l o c c u l a n t ，c a t i o n i c i t y , i n t r i n s i cv i s c o s i t y , w a t e r - c o n t a i n i n gr a t e ， c o d ，n h s - n ，o r t h o p h o s p h a t e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：驽望丞如叼年占月工午日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 叫年6 月工节日 硕士论文p d a 应用于市政污泥脱水的初步研究 i 绪论 美国环保署对污泥( s e w a g es l u d g e ) 的早期定义是指污水处理过程中产生的固体、 半固体或液体残留物【l 】。目前我国对污泥还没有官方的统一命名，应用的最多的是从其 来源和组成上命名，即污泥又名污水污泥，指污水处理厂在净化污水时的副产物，是由 有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体【2 1 。随着世界各国 城市化进程的加快和生活质量的提高，工业废水和生活污水的排放量日益增多，污泥产 量迅速增加。据有关资料统计，2 0 0 2 年美国所累积的干污泥总量已达1 0 0 0 万吨，欧洲 各国总计达6 6 0 万吨，日本为2 4 0 万吨左右【3 】。中国由于环境产业起步较晚，直至2 0 0 5 年底，城镇污水处理率只有3 7 4 4 1 ，而污水处理厂每年可收集干污泥量已达1 3 0 万吨 以上，且每年仍以1 0 左右的幅度增长【5 】。大量积累的污泥如得不到妥善处理，其中的 有害成分如有机物、重金属、致病微生物等将对环境造成更为严重的二次污染，成为影 响城市环境卫生的一大公害。因此，如何妥善、科学地处理处置污泥作为一个亟待解决 的环境问题，越来越受到人们的关注。 1 1 污泥的来源及分类 在非特指环境下，污泥一般指市政排水污泥，主要来自城市污水厂的处理工艺，按 其处理方式大致可分为三类【6 刀： ( 1 ) 初级污泥或化学污泥 指来自生产工艺过程聚集的污秽杂物，经初步混凝后，以重力沉降或溶气浮除等初 级废水处理分离所得的污泥。 ( 2 ) 二级污泥或生物污泥 指由生物处理方法所产生的污泥，主要由初级污泥在曝气池与悬浮状态的好氧性微 生物及污水中的溶解性有机物接触，摄取水中生物分解成分进行生长繁殖而形成，成为 活性污泥。此外还可以将微生物附着在固体基质上形成生物膜，产生少量的生物污泥。 ( 3 ) 三级污泥或消化污泥 初级化学污泥与二级生物污泥混合后在消化槽进一步处理所形成的污泥即为三级 污泥或消化污泥。在污泥的消化处理过程中，分解未能分解的有机物，破坏污泥的高比 表面积结构，将吸附于其上的水分剥除成为自由水，改善沉降性与脱水性。 1 2 污泥的特性和水分存在形式 污泥的主要特性是含水率高( 可高达9 9 以l - - ) t s l ，这是影响污泥体积的主要因素， 从而造成运输成本高、堆放面积大，不利于后续处置等问题。魏国侠阴指出，当污泥含 l 绪论 硕士论文 水率从9 5 降低至8 5 ，体积减少至原来的1 3 ；含水率降低至6 5 ，体积则减小至原 来的1 7 。因此，减少污泥的含水率是实现污泥减量化、节省后续处置成本的有效途径。 根据所含水分与污泥结合的情况，污泥中的水分可分为表面吸附水、间隙水、毛细 结合水和内部结合水四种【1 0 ，1 1 1 。 ( 1 ) 表面吸附水 污泥属于凝胶，是由絮状的胶体颗粒集合而成。污泥的胶体颗粒很小，与其体积相 比表面积很大，由于表面张力的作用吸附的水分也就很多。胶体颗粒带有相同性质的电 荷，相互排斥，妨碍颗粒的聚集、长大，而保持稳定状态，因而表面吸附水用普通的浓 缩或脱水方法去除比较困难。只有加入能起混凝作用的电解质，使胶体颗粒的电荷得到 中和后，颗粒呈不稳定状态，黏附在一起，最后沉降下来。颗粒增大后其比表面积减小， 表面张力随之降低，表面吸附水也随之从胶体颗粒上脱离。 ( 2 ) 间隙水 间隙水是指污泥颗粒包围着的游离水分，它并不与污泥颗粒直接结合，因而很容易 分离，只需在浓缩池中控制适当的停留时间，利用重力作用，就能将其分离出来。间隙 水一般要占污泥中总含水量的6 5 - - 8 5 ，这部分水就是污泥浓缩的主要对象。 ( 3 ) 毛细结合水 污泥由高度密集的细小固体颗粒组成，在固体颗粒接触表面上，由于毛细力的作用， 形成毛细结合水，毛细结合水约占污泥中总含水量的1 5 - 2 5 。由于毛细水和污泥颗 粒之间的结合力较强，浓缩作用不能将毛细结合水分离，需借助较高的机械作用力和能 量，如真空过滤、压力过滤和离心分离才能去除这部分水分。 ( 4 ) 内部结合水 内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分。它的含量与污泥中微生物细 胞体所占的比例有关。一般初沉污泥内部结合水较少，二沉污泥中内部结合水较多。这 种内部结合水与固体结合得很紧密，使用机械方法去除这部分水是行不通的。要去除这 部分水分，可以通过好氧菌或厌氧菌的作用进行生物分解，或采用高温加热和冷冻等措 施，破坏细胞膜，使细胞液渗出，由内部结合水变为外部液体。内部结合水的含量不多， 内部结合水和表面吸附水一起只占污泥中总含水量的1 0 左右。 1 3 污泥的成分划分 除了较高的含水率，污泥中还含有大量的有机物质( 主要为苯、氯酚等) 、有毒有害 的重金属、病源微生物、寄生虫卵、盐类以及放射性核素等难降解物质。 ( 1 ) 污泥中的有机物 在生物处理过程中，活性污泥对水中有机物进行迅速吸附，这些有机物还来不及降 解即被排放到系统外，所以活性污泥的有机物主要吸附在污泥表面，其成分复杂，包括 2 硕士论文 p d a 应用于市政污泥脱水的初步研究 各种有机酸、苯衍生物等。美国环境工作者在污泥中检测到了杀虫剂三氯苯氧基乙酸、 d d t ( - 氯二苯三氯乙烷) 【1 2 】和二嗯英。国内，在上海金山石化污水处理厂和曲阳水质净 化厂污泥中分别检测到了6 - - 8 种环境优先污染物：苯、甲苯、对二甲苯、邻二甲苯、 氯苯、苯酚、硝基苯、苯胺等。不同类型污水的污泥中，有机污染物的含量不同，工业 污水中包含大量石油烃类的化工废水，因而含工业污水的污泥中，有机污染物的种类和 含量明显比生活污水的污泥岁1 3 】。 ( 2 ) 污泥中的重金属和无机物 污泥中的重金属离子含量，决定于城市污水中的工业废水所占比例及工业性质。污 水经二级处理后，重金属离子约有5 0 以上转移到污泥中，因此，污泥中重金属离子含 量都较高。污水的污泥除了重金属外，往往还含有2 0 3 0 的无机物，主要是s i 、触、 f e 和c a 等成分。根据污水性质的不同，这些成分也有所不刚1 2 】。 ( 3 ) 病毒、病原体微生物1 4 j 污泥中存在相当数量的病原微生物和寄生虫卵。何培松等【1 3 】从夏、秋季的新鲜污泥 样品中分别检出8 种和7 种细菌，这些病菌中多数属于肠道和呼吸道传染病菌，能引起 肠胃炎及生物中毒。病毒有脊髓灰质炎病毒、肝炎病毒、艾柯病毒和柯萨奇病毒等；寄 生虫卵主要为蠕虫，以线虫卵和绦虫卵最为常见。这些病原微生物可通过气溶胶团、农 作物、水体及土壤介质在环境里进行传播，对人和牲畜产生致病作用【1 5 】。 可见，污水来源、污水处理工艺及季节的不同对污泥的组成差异影响较大，这给污 泥的稳定化、无害化和减量化处理带来了困难，而污泥复杂的组成将对动物、人类以及 环境造成较大的危害，因此对污泥进行合理的处理与处置具有重要的现实意义。 1 4 污泥的处理处置 有研究提出将污泥的稳定和脱水( 一般脱水至含水率达7 0 0 0 , - , 8 0 ) 称作污泥的处理； 将污泥的堆肥、填埋、干化和加热处理及最终利用，称为污泥的处置【1 6 1 。目前污泥处理 处置工艺种类有很多，基本单元和流程如图1 1 所示： 图1 1 污泥处理处置基本流程 3 一一一一 1 绪论 硕士论文 1 4 1 污泥处理 污泥处理的主要目的是降低污泥的含水率，一般通过污泥浓缩、消化和脱水实现。 其中污泥浓缩的处理对象主要是间隙水，这部分水占污泥含水总量的6 5 - - 8 5 ，因此 浓缩是减少污泥体积最经济有效的方法【9 】。常用的浓缩方法为重力浓缩法、气浮浓缩法、 离心浓缩法，在选择污泥浓缩方法时，除考虑方法本身特点外，还应考虑污泥本身性质、 来源和最终处置方法等【1 0 l 。 通过厌氧或好氧消化，高浓度有机污泥中的挥发性固体变为稳定的腐殖质，同时减 少污泥体积6 0 左右，并改善污泥性状，控制致病微生物，为污泥的后续处理做好准备。 浓缩后的污泥仍具有较高的含水率( 一般在9 4 以上) ，体积仍较大。因此，应进 一步采取措施脱除污泥中的水分，降低污泥的含水率。污泥脱水后不仅体积减小，而且 呈泥饼状，便于运输和后续处理。污泥脱水去除的主要是污泥中的吸附水和毛细水，一 般可使污泥含水率从9 6 左右降至6 0 - 8 5 ，污泥体积减少至原来的1 5 , - , 1 1 0 ，大 大降低后续污泥处置的难度【l7 1 。污泥脱水的方法主要有自然干化和机械脱水，目前大部 分污水处理厂采用后者。 1 4 2 污泥处置 污泥处置是指利用合适的技术手段，以自然或人工方式为污泥提供出路，使经处理 后的污泥能够达到长期稳定并对生态环境无不良影响的最终消纳方式【1 8 】。目前污泥的处 置方法主要有堆肥处理、卫生填埋、农用绿化、海洋倾倒、焚烧处理等【1 9 , 2 0 。 世界各国国情不同，所以对污泥的处置各有侧重，表1 1 列出各国污泥处置情况【1 9 】： 表1 1 一些国家污泥处置利用情况 目前发达国家对污泥的最终处置问题十分重视，并根据各国的国情制定出污泥处置 的法规和具体方案，如欧盟对废弃物处理制定了按不产生、产生量尽量少、循环利用、 焚烧、填埋逐层控制的政策1 9 】。大部分发达国家污泥的处置已开始朝着有效利用而不是 填埋的方向发展，通过合适的前处理与后处理，达到将污泥资源化利用的目标口1 1 。 中国受城市污水处理建设发展水平和认识程度的限制，城市污泥的处理处置处于严 4 硕士论文 p d a 应用于市政污泥脱水的初步研究 重滞后状态，据资料称，我国目前仍有1 3 7 9 的污泥未经过任何处置 2 2 1 ，这将给环境 带来巨大危害，因此，我国加强污泥的处理处置的任务迫在眉睫。 1 4 3 污泥调理 目前，污泥脱水是污泥处理及处置流程中一个非常重要的环节，同时污泥脱水也是 费用较高、机理最不清楚的过程之一，而污泥脱水性能的好坏又直接关系到整个污泥处 理系统的优劣。由于污泥中的胶体颗粒与水有很强的亲和力，致使污泥脱水性能较差瞄】， 因此有必要在机械脱水前对污泥进行一系列的前处理，改善污泥脱水性能，提高后续工 艺的脱水效率。 污泥的前处理方法有三类：物理法、化学法和生物法。其中物理法泛指通过外加能 量或应力以改变污泥性质的方法，如冷冻融化处理、加热处理、超声波处理、高压处理 等；化学法即以加入化学药剂的方式来改变污泥的特性，如改变酸碱值、改变离子强度、 添加无机金属盐类絮凝剂，或添加有机高分子絮凝剂、臭氧曝气等；生物法包括好氧生 化和厌氧生化，即好氧或厌氧菌群利用废弃污泥中的碳、氮、磷等成分为生长基质，以 达到污泥减量与破坏污泥高孔隙结构的目的。各种前处理因处理机制与作用对象的不同 而有不同功能，朱敬平等人【2 4 1 通过对各种前处理进行比较，得出了以下结论： 表1 2 各种前处理的效果比较 + + ：极佳；+ ：有帮助；一：无明显影响：x ：不利；x ：非常不利。 从表1 2 中可知，在灭菌和促进碳源水解方面，加盐处理、热处理及超声波处理有 着显著的效果，但由于絮体粒径的缩减以及絮体结构变得松散，导致污泥的脱水性劣化； 絮凝调理可以有效增进脱水性，在现有的污水处理厂絮凝调理也是一种被广泛使用的前 处理手段，但因絮凝剂不易分解的特性，也可能为污泥的后续处理带来负担1 2 4 】。 各种前处理法在实际中都有应用，其中化学调理法操作简单，投资成本较低，且调 理效果稳定，是现阶段应用最普遍的污泥调理法。化学调理法通过添加适量的絮凝剂、 助凝剂等化学药剂改变悬浮溶液中胶体表面电荷或立体结构，克服粒子间的斥力，并以 搅拌等外力使其相互碰撞，污泥颗粒絮凝成团而发生沉淀，达到去稳定化的效果，同时 体积的增加使胶体表面积大幅降低，表面与内部的水分分布也发生改变，减少了水分的 5 l 绪论 硕士论文 吸附，从而改善污泥脱水性能2 5 1 。 目前，寻找合适高效的化学调理剂应用于污泥脱水已成为目前大多数研究者所研究 的主要方向，以下就这方面的研究进展进行介绍。 1 5 化学调理剂应用于污泥脱水的研究进展 污水处理厂污泥调质用絮凝剂按成分可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和助凝剂三 种。各种絮凝剂的工作机理在本质上是一致的，但实现的过程又有所不同 2 6 1 。 1 5 1 无机絮凝剂 无机絮凝剂也称凝聚剂，应用历史悠久，广泛用于饮用水、工业水的净化处理以及 地下水、废水淤泥的脱水处理等。无机絮凝剂按金属盐种类可分为铝盐系和铁盐系两类； 按阴离子成分又可分为盐酸系和硫酸系；按分子量可分为低分子体系和高分子体系两大 类【2 7 1 。 最早应用于聚集悬浮污泥颗粒的无机絮凝剂出现在1 9 2 0 年【2 8 】。当时，铁盐、铝盐 单独使用或联合石灰一起使用，此类方法被广泛应用于污泥的混凝、絮凝过程中。但是 近年来，有机絮凝剂开始取代无机絮凝剂应用于污泥脱水和增稠过程，主要原因是由于 无机絮凝剂用量很大，污泥脱水后体积增大，污泥中无机成分的比例提高，且易产生二 次污染，增加了后续工艺的投资成本，降低了处理效率。同时，无机絮凝剂的应用条件 比较苛刻，一般都有规定使用的p h 值范围和离子强度范围，而且在水中的形态也较难 确定，从而限制了它的使用【2 9 】。 1 5 2 有机絮凝剂 在污泥脱水中，常用的有机高分子絮凝剂主要有合成型和天然高分子改性型【3 0 1 。 1 5 2 1 合成型有机高分子污泥脱水剂 合成型有机高分子污泥脱水剂，具有分子量大，分子中活性基团多，易与污泥胶粒 相互吸附形成絮凝物质的特点，在市场上占绝对优势，产品类型一般有水溶液型、干粉 型和乳胶型。目前，合成高分子污泥脱水剂主要以丙烯、马来酸等为原料，以- - c o o h ， 一o h ，- - c o n h 2 ，一c o 等一种或几种为活性基团，通过聚合反应获得分子量从数万到 千万级的水溶性线状化合物。国外有机高分子污泥脱水剂中8 0 左右是合成型的，我国 只有在2 0 世纪9 0 年代才有对合成型污泥脱水剂的专业研究【3 1 】。 污泥脱水中，应用效果较好的合成型有机高分子污泥脱水剂是阳离子和两性高分子 污泥脱水剂。污泥大多由带负电荷的离子群组成，阳离子污泥脱水絮凝剂可通过电中和 及吸附架桥等作用使带负电荷的胶体颗粒和其它污染物脱净而得到去除，因此具有良好 的絮凝脱水功能，目前已成为污水处理厂处理污泥的主要产品。 两性絮凝剂兼有阴、阳离子基团的特点，不仅具有电中和、吸附架桥作用，而且还 6 硕士论文p d a 应用于市政污泥脱水的初步研究 有分子间的“缠绕刀包裹作用，对不同性质、不同腐败程度的污泥都有较好的脱水、助 滤作用，得到的泥饼含水率低，且用量较少，目前这类絮凝剂已成为国内外研究的热点 l 3 2 j ，但在污泥脱水方面的研究尚处于起步阶段。 1 5 2 2 天然高分子改性型污泥脱水剂 2 0 世纪7 0 年代以来，许多国家开始重视化学改性天然改性高分子污泥脱水絮凝剂 的研制。天然高分子改性阳离子污泥脱水絮凝剂具有原料来源广泛、价格便宜、无毒、 易于生物降解和再生且分子量分布广泛、活性基团作用点多、结构多样化等特点，易于 制成性能优良的絮凝剂，具有良好的开发前景。它们的研究开发为天然资源的利用以及 生产无毒絮凝剂开辟了新途径。按其原料的来源不同，一般可分为淀粉接枝改性絮凝剂、 纤维素衍生物、植物胶改性产物、多聚糖类及蛋白质类改性产物等，其中最具发展潜力 的是水溶性淀粉衍生物和多聚糖改性污泥脱水絮凝剂。 国外对天然高分子改性污泥脱水絮凝剂的研究较多，而且日趋成熟，如c a i 等【3 3 】 给出以高锰酸钾为引发剂，淀粉或微晶态纤维素作为主链与丙烯酰胺接枝共聚，共聚物 水解后与烷基氨基甲醇反应，制得一种絮凝性能良好的絮凝剂；m s h i r z a d - s e m s a r 等 3 4 1 用阳离子型淀粉代替阳离子合成絮凝剂，对海港污泥进行固液分离，脱水率达6 3 ，滤 液浊度为1 n t u 左右。但天然高分子絮凝剂电荷密度小，相对分子质量较低，加之易发 生生物降解失去活性，故其应用受到局限。 1 5 3 微生物絮凝剂 微生物絮凝剂是利用生物技术，从微生物机体中或其分泌物提取、纯化而得到的一 种安全、高效且能自然降解的新型水处理剂，其研制始于2 0 世纪7 0 年代，但是近年来 才用于污泥调理【3 5 】。它包括直接用微生物细胞作为絮凝剂、微生物细胞提取物质作为絮 凝剂和微生物细胞的代谢产物作为絮凝剂。壳聚糖是从微生物细胞中提取的絮凝剂之 一，有文献报道【3 6 1 ，当壳聚糖投量( 干污泥质量分数) 在o 8 - - 1 2 ，p h 值在5 8 时即有较好的调理效果，与聚丙烯酰胺效果基本相当。 微生物絮凝剂具有无毒、无二次污染、可生物降解、污泥调理效果好等优点，但是 目前国内外对其研究水平较低，制备成本较高，絮凝机理尚无明确解释，所以微生物絮 凝剂在实际应用中较少。 1 5 4 助凝剂【3 7 】 污泥化学调理过程中投加的助凝剂主要有硅藻土、珠光体、酸性白土、锯木屑、污 泥焚烧灰、粉煤灰、石灰及贝壳粉等。助凝剂一般不起混凝作用，它的作用主要表现为 调节污泥的p h 值，共给污泥以多孔网格状的骨架，改变污泥颗粒结构，破坏胶体的稳 定性，提高混凝剂的混凝效果，增加絮体强度等。 7 1 绪论 硕士论文 1 6 阳离子絮凝剂在污泥絮凝脱水方面的研究进展 1 6 1 阳离子聚丙烯酰胺类污泥脱水剂 丙烯酰胺( a c r y l a m i d e ，简称a m ) 系列有机高分子絮凝剂以其分子量高、絮凝架 桥能力强而显示出在污水处理中的优越性。目前，国内外使用最普遍的阳离子污泥脱水 剂是聚丙烯酰胺类( c a t i o n i cp o l ya c r y l a m i d e ，c p a m ) ，制备该类污泥脱水剂方法主要 有两种【3 8 】： 一是用m a n n i c h 反应进行阳离子化。2 0 世纪5 0 年代末，开始研究聚丙烯酰胺 m a n n i c h 改性阳离子聚丙烯酰胺【3 9 】，目前采用最多的方法是对非离子p a m 进行m a n n i c h 反应改性，或生成聚乙烯亚胺来完成。经m a n n i c h 改性得到的阳离子絮凝剂用于污水处 理时，有利于絮体长大和改善水质，但m a n n i c h 反应过程中引入的甲醛等物质容易残留 在聚合物中，影响聚合物的质量【3 9 1 ，且反应得到的聚合物阳离子度不易控制。 二是丙烯酰胺单体与其他阳离子单体通过共聚得到，阳离子单体主要指( 甲基) 丙 烯酰氧乙基三甲基氯化铵( 2 - ( m e t h a c r y l o y l o x y ) e t h y l 】t r i m e t h y l a m m o n i u mc h l o r i d e ， d m c ) 和二甲基二烯丙基氯化铵( d i m e t h y l d i a l l y l a m m o n i u mc h i o r i d e ，d m d a a c ) ，其中 p ( a m - - d m c ) 产品分子量较高，阳离子度0 1 0 0 之间可调，我国在其合成方面 已有所研究，并初步研究了其污泥脱水中的应用，但直至2 0 0 3 年国内d m c 年产量不足 5 0 0 吨d o ，大多需要进c i ，价格昂贵，导致生产成本较高，使p ( a m d m c ) 在污泥脱水 方面的应用受到限制；利用d m d a a c 和丙烯酰胺共聚可得到高分子水溶性阳离子絮凝 剂( p o l y d m d a a c a m ，p d a ) ，这是一类新型、精细、功能性的水溶性阳离子聚合物， 作为一种阳离子高分子聚电解质，p d a 在已水处理、石油开采、造纸等方面有着广泛的 用途，近年来在污泥脱水中也有了相应的研究 4 1 j 。 阳离子聚丙烯酰胺，尤其是上述两种阳离子聚丙烯酰胺，是近几年发展最快的品种， 其在水处理等方面的应用也越来越广泛。阳离子聚丙烯酰胺在污泥脱水方面的应用最早 报道于1 9 7 0 年的美国专利：s c h a p e r 等【4 2 】采用丙烯酰胺与二烯丙基胺的共聚物，对以水 为介质的悬浮液进行絮凝和混凝，并初步提到了污泥的絮凝和抽滤方法。 1 9 7 5 年，k e l v i nr o b e r t s 等【4 3 】用阳离子度为4 0 、分子量为1 5 0 0 万的阳离子聚丙烯 酰胺为絮凝剂，以c s t ( c a p i l l a r ys u e f i o nt i m e ，毛细吸水时间) 为评价指标，研究了几 种含固率低于1 的活性污泥的脱水性能，该文献指出，等电点处絮凝剂的投加量为最 佳投加量，与污泥含固率无关，此外，事先加入金属的氢氧化物可以使污泥中胶体颗粒 的负电荷部分中和，从而有效减少阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的使用量，降低污泥脱水成 本。该文献准备不同污泥样品的手段是倾倒一种污泥的上清液并加以不同量的蒸馏水进 行调配制得，与实际污泥有着较大的偏差，并且该文只采用了c s t 作为污泥脱水的评 价指标，不能对污泥脱水性能及其上清液水质好坏进行有效评价。 8 硕士论文p d a 应用于市政污泥脱水的初步研究 2 0 0 1 年，c f l i n 等以c s t 、s r f ( s p e c i f i cr e s i s t a n c ei nf i l t r a t i o n ，比阻) 、污泥 上清液黏度和滤饼含水率为指标，采用阳离子p a m 、非离子p a m 和阴离子p a m 分别 调理污水污泥和生物污泥，对比结果指出污水污泥的c s t 和s r f 有着较好的对应关系， 且在最优剂量下阳离子p a m 调理后的污泥的c s t 与s r f 降低最大，降幅分别为6 7 8 和6 6 7 。该文献研究了不同污泥c s t 与s r f 的对应关系，并没有建立具体的泥质参 数体系，无法得到污泥性质对污泥絮凝脱水性能的影响。 同年，i r e n e 等【4 5 】用阳离子型、阴离子型以及非离子型聚丙烯酰胺对市政污泥进行 调理，并与硫酸铝和硫酸铁两种无机絮凝剂做比较，研究了污泥的盐效应对机械脱水的 影响，结果证明有机絮凝剂与无机絮凝剂相比，前者能更大地降低污泥的s r f ，其中阳 离子型效果最好，经调理后的污泥经真空抽滤后的含固率随着污泥中的盐分增加而增 加，最高能达到3 4 左右。该文献在评价絮凝脱水效果时，未考虑机械脱水方式，也没 有研究絮凝剂性质、污泥性质对脱水效果的影响。 国外由于起步早，阳离子聚丙烯酰胺类在污泥脱水应用方面的技术已经很成熟。我 国对阳离子聚丙烯酰胺在污泥脱水方面的研究约后延了2 0 年【3 8 】，但目前也已取得了一 定的进展： 2 0 0 5 年，苗兆静脚i 以比阻作为衡量污泥脱水性能的主要指标，研究了聚合氯化铝 ( p a c ) 与弱阳离子聚丙烯酰胺( c p 伽旧、聚合硫酸铁( p f s ) 与弱阳离子聚丙烯酰胺( c p 舢v 0 两种加药方案对污泥调理的过程中各种可控因素对污泥脱水性能的影响，并通过建立一 套污泥性质参数，找出了在单独使用c p a m 时污泥性质与c p a m 最佳投加量的关系， 但没有对经絮凝处理后的上清液水质进行测定和评价，不能为其回用或排放提供建议。 2 0 0 7 年，麒麟等【4 7 】用自制的阳离子聚丙烯酰胺进行污泥脱水，处理后的上清液 c o d c ，和水分去除率均优于某国内产品，并与某国外产品性能相当；与无机高分子絮凝 剂配伍用于制革污泥脱水，使所调理的污泥含水率从9 5 降至7 0 9 2 ，脱水率达 2 4 0 8 ，比国外进口产品高出4 3 9 ，且成本较低。该文献分别以滤饼含水率和c o d c r 作为指标，对污泥絮凝脱水效果及其上清水质变化做了研究，但研究中只采集了一种污 泥样品，且对于絮凝剂性质没有详细的说明，无法得到污泥性质和絮凝剂性质对污泥絮 凝脱水效果的影响。 2 0 0 8 年，卢红霞等【4 8 】研究了氧化还原引发剂质量分数、偶氮类引发剂质量分数、 阳离子度等因素对所制备的阳离子聚丙烯酰胺特性黏数的影响，探讨了p 8 值、阳离子 聚丙烯酰胺特性黏数、阳离子度、用量等因素对污泥絮凝性能的影响，得到在污泥 p h = 6 0 、阳离子聚丙烯酰胺特性黏数为1 1 9d l g - 1 、阳离子度为4 0 、用量为0 0 2