阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂在污泥脱水工艺中的应用研究

蒋秋静

(太原市环境科学研究设计院,太原 030024)

近年来,污水处理中的污泥脱水主要采用絮凝沉淀法,处理中所采用的絮凝剂(Flocculation)又称沉降剂,是一类可使液体中不易沉降的固体悬浮微粒凝聚、沉淀的物质[1,2]。絮凝剂主要有无机絮凝剂和合成高分子絮凝剂两大类[3]。有机高分子絮凝剂因其用量少、絮凝作用迅速等显著特点而得到广泛应用[4]。阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)大分子链上所带的正电荷密度高,水溶性好,絮凝能力强,在污水处理中用量少,而且无毒、对环境无污染,因而它在水处理中污泥脱水方面的应用越来越引起科研工作者的广泛关注[5]。本实验从太原河西中北部污水净化厂的污泥脱水机房提取污水样,分析在不同的原水浊度、pH值和温度条件下,阳离子聚丙烯酰胺投加量和搅拌时间对絮凝效果的影响。

1 实验装置及分析方法

1.1 浊度标准液的配制

吸取5.00 mL的10 g/L硫酸肼溶液与5.00 mL的10 g/L的六次甲基四胺溶液于100 mL容量瓶中,混匀,在室温(25±3)℃下反应 24 h,用水稀释至标准线,混匀,该溶液为浊度400度的储备液。

1.2 浊度标准曲线的确定

分别吸取浊度标准溶液0,0.50,1.25,2.50,5.00,10.00,12.50 mL,置于7个50 mL比色管中,加水至标线。摇后即得到浊度分别为0,4,10,20,40,80,100度的标准液。用 722型分光光度计在680 nm波长处测定吸光度[6]。标准曲线回归方程为:吸光度=浊度×0.0022+0.0025,相关系数R2=0.9995。图1为浊度标准曲线。

图1 浊度标准曲线

1.3 污泥含水率的测定

将60 mL蒸发皿放在烘箱内,在105～110℃烘2 h,取出后放在干燥器内冷却0.5 h,记录质量m1,取污泥放入蒸发皿中,记录质量m2.用水浴锅蒸干,然后放入105～110℃的烘箱内烘2 h,取出后放在干燥器内冷却0.5 h,记录质量m3。污泥含水率wP的计算公式如下:

1.4 污泥有机物含量的测定

将测完含水率的样品放在电炉上碳化,再放入600℃的高温炉中灼烧0.5 h,然后冷却或将温度降至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,然后记录质量m4[7]。污泥中有机物含量(质量分数)的计算公式如下:

1.5 主要试剂和实验仪器

CPAM为化学纯,相对分子质量高达800万,低电荷密度。8521型恒温磁力搅拌器;pHS22C数显型酸度计;AL104电子天平;722型分光光度计。

1.6 原水水质

实验用水为太原市河西北中部污水处理厂中进入脱泥机房的污水,污泥平均含水率为93.8%～97.1%。每次以1000 mL生活污水作为水样。第1组水样上午8:30提取,第2组水样中午11:30提取,第3组水样下午14:30提取。表1为原水水质指标。

表1 原水水质情况

2 结果与讨论

2.1 CPAM投加量对絮凝效果的影响

在一天不同的时间段取水样,分别为水样1、水样2和水样3,每次取7份1000 mL水样分别放置在烧杯中,CPAM投加量分别为0.1,0.3,0.6,1.0,3.0,6.0,10.0 mg,然后进行搅拌,搅拌转速为200 r/min,搅拌时间为4 min,搅拌后静置沉淀,取上清液测定吸光度值。表2为CPAM投加量对矾花和上清液pH的影响,图2所示为上清液浊度随CPAM投加量的变化图。

表2 CPAM投加量对矾花和上清液pH的影响

从表2可得到,CPAM的投加量对水样的pH值没有影响,但矾花随着投加量的增加变化较大,CPAM的投加量越大,形成的矾花也越大越结实,当水样中CPAM的质量浓度为0.3 mg/L左右就能得到较好的矾花;但当水样中CPAM的质量浓度大于1.0 mg/L,矾花变化较小。所以CPAM的质量浓度应在0.3～0.6 mg之间,既能得到较好的矾花,同时也能避免CPAM的浪费。

图2 上清液浊度随CPAM投加量的变化图

从图2可以得到,水样1的曲线随着CPAM投加量的增加,曲线急剧下降,水样的浊度变化幅度较大,当投加量为0.3 mg/L时,浊度达到最小值;继续投加CPAM,水样的浊度值变化不大。水样2的浊度随着CPAM投加量的增加急剧降低,在0.3 mg/L时浊度达到最小值;但继续投加CPAM,水样的浊度值反而增大;当投加量达到1.0 mg/L以后,继续投加CPAM,浊度值不再变化。水样3的浊度值也随着CPAM投加量的增大而迅速减小,在投加量为0.6 mg/L时浊度值最小;继续投加CPAM,水样的浊度值变化不大。说明CPAM作为絮凝剂,能够快速高效地絮凝沉淀污水中的悬浮颗粒物,但当投加量达到一定的值时,形成的矾花过于结实粗大,易造成大量的污泥沉积,影响了絮凝沉淀的继续进行。结合污水处理厂运行的经济性来说,CPAM的最佳投加量应为大于0.3 mg/L,但不应超过0.6 mg/L。

2.2 搅拌时间对CPAM絮凝效果的影响

下午14:30取6份1000 mL的污水水样于6个烧杯中,分别加入0.45 mg CPAM 絮凝剂,然后分别搅拌1,2,3,4,5,6 min,测试搅拌时间对絮凝效果的影响,总反应时间为6 min。取其上清液,测其浊度和pH值。表3为搅拌时间对矾花和上清液pH的影响。

表3 搅拌时间对矾花和上清液pH的影响

从表3可知,随着搅拌时间的延长,矾花从开始的细小逐渐变大,当搅拌4 min的时候,形成了大而结实的矾花,这是因为搅拌增加了絮凝剂CPAM与水样中颗粒物的碰撞机会,随着搅拌时间的延长,颗粒物与絮凝剂逐渐形成较大的絮体。但继续搅拌,矾花逐渐变小,在搅拌时间为6 min的时候,矾花变得细小。这说明搅拌时间过长会把形成的大絮体搅碎,继续搅拌,大而结实的矾花絮体变成细小的颗粒,不利于絮凝沉淀反应的继续进行。在搅拌的过程中,搅拌时间对pH值的变化没有影响。

图3为搅拌时间对上清液浊度的影响。从图3可以看出,随着CPAM 絮凝剂的加入,水样的浊度值明显下降,在搅拌了4 min后浊度值达到最小,这说明絮凝剂已经和水样中的大部分颗粒物碰撞形成了共沉淀。但继续搅拌浊度值变大,说明过度的搅拌使已形成的絮体被搅碎成微小颗粒物,不利于絮凝反应。所以搅拌4 min即总反应时间的2/3左右,能获得最佳絮凝效果。

图3 搅拌时间对上清液浊度的影响

2.3 最佳工况下污泥脱水效果

太原市河西北中部污水处理厂采用的是卧式离心机,用CPAM调理污泥。根据实验得出的最佳工况,选择CPAM 投加量 0.3～0.6 mg/L、搅拌时间为总反应时间的2/3左右为反应条件。4月份没有加CPAM絮凝剂时进泥含水率97.3%,进泥有机物平均含量62.1%,泥饼平均含水率为78.7%,泥饼有机物平均含量为60%(有机物含量以质量分数计)。5月份添加CPAM絮凝剂后对污泥含水率和有机物含量进行测定,见图4。

图4 5月份进泥和泥饼含水率及有机物含量变化图

根据图4可知,添加CPAM 絮凝剂后,进泥平均含水率为95.6%,泥饼平均含水率为75.6%,比4月份不添加CPAM絮凝剂时含水率降低,提高了泥饼的含固率,可以减少污泥堆置的占地面积。5月份进泥中有机物平均质量分数为61.6%,泥饼有机物平均质量分数为60%,与4月份相比有机物含量基本没有变化,表明CPAM絮凝剂的投加对泥饼有机物的含量没有影响。采用CPAM作为污泥脱水工艺的絮凝剂,对污泥的脱水效果较好,降低了运行成本。

3 结论

1)CPAM在生活污水的污泥脱水处理时最佳投加量是0.3～0.6 mg/L。

2)CPAM在对污泥进行脱水时最佳搅拌时间为4 min,即总反应时间的2/3。

3)将实验得到的最佳反应条件运用到实际污泥脱水工艺中,得到的泥饼含水率降低,提高了泥饼的含固率,可以减少污泥堆置的占地面积。

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[2]王晓春,王共远,郁桂云,等.阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的合成及水质对其影响的研究[J].化学推进剂与高分子材料,2004,2(5):42-45.

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