两性高分子脱水剂p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)污泥脱水应用研究

官 悦，苏 智，张钰涵，朱 明,2,,秦 丹,2,3

(1.四川师范大学 化学与材料科学学院， 成都 610068；2.四川教育厅特种废水处理工程实验室，成都 610066；3.四川大学 建筑与环境学院， 成都 610207)

1 前 言

污泥处理是污水处理的重要部分，污泥中含有大量的有机物、重金属和病原体等有毒有害物质，不进行有效处理将对环境造成严重的二次污染；污泥含水率一般在98.0%以上，为改善污泥脱水性能，在污泥进行脱水前，都需要投加脱水剂对污泥进行调理，以提高污泥的脱水效率[1]。目前广泛使用的是阳离子型聚丙烯酰胺脱水剂，丙烯酰胺属神经性致毒的剧毒品，制备聚丙烯酰胺残存单体及聚丙烯酰胺的降解都会给环境带来潜在的威胁[2]。因此选用无毒低毒的单体制备高分子脱水剂是未来重要发展方向之一。

二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、甲基丙烯酰氧乙基氯化铵(DMC)是带有不饱和碳碳双键及季胺基团的无毒阳离子单体，多用于水处理、轻纺造纸等领域[3]；衣康酸(IA)是具有不饱和碳碳双键和羧基基团的无毒阴离子单体，广泛用于食品、医药等行业[4]。本研究采用DMDAAC、DMC和IA为共聚合单体，以水溶液作反应介质制备高分子脱水剂用于污泥脱水，对高分子脱水剂的合成与应用具有一定参考价值。

2 试验部分

2.1 主要仪器和试剂

250mL四颈瓶，W201B恒温水浴锅，SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵(上海申顺生物科技有限公司)；富华501超级恒温水箱(江苏省金坛市富华仪器有限公司)；NTS-2A数字温度压力计(江苏威卡仪表有限公司)；真空稳压包WYB-1型(南京大学应用物理研究所)；Vertex70型傅里叶变换和红外光谱仪(德国BRUKER公司)；TGAQ500热失重分析仪(美国TA仪器公司)；DSCQ100差示扫描量热仪(美国TA仪器公司)；JSM-7500F电镜扫描仪(日本电子株式会社)。DMDAAC(工业级，用前精制)、DMC(工业级)，成都顺利达有限公司；IA(工业级)、K2S2O8(AR，用前精制)、NaHSO3(AR)、丙酮(AR)，成都科龙化工试剂厂。

2.2 脱水剂制备及表征

脱水剂p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)实验室自制，制备方法参照文献[5]；FT-IR表征采用KBr压片法；SEM图像分析采用切片表面喷金法；TGA测试升温速度是10℃/min、N2氛围；DSC测试升温速度是10℃/min、N2氛围。

2.3 污泥脱水试验

2.3.1 污泥参数测定及脱水试验

下表是某污水处理厂原污泥的性质。

表 原污泥性质Tab. The original sludge properties

污泥含水率、泥饼含水率、浊度和污泥比阻的测定及计算参照文献[6]。

2.3.2 絮体电镜扫描及空隙分形维数非线性计算

将污泥处理后的滤饼放在橱柜中自然风干，进行电镜扫描得SEM图，采用分形理论的Sandbox盒子计数法计算泥饼的空隙分形维数Df[7]。

3 结果与讨论

3.1 红外谱图表征

图1是p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)的FT-IR图。

图1 p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)的FT-IR图Fig.1 The FT-IR of p (DMDAAC-co-IA-co-DMC)

图1中，954.23cm-1处是季铵盐基团-N+(CH3)3的特征吸收峰，1 169.82cm-1是吡咯环吸收峰，1 394.88cm-1和1 477.35cm-1是-COO-基团吸收峰，1 637.68cm-1是吡咯环骨架-N=的特征吸收峰，1 734.46cm-1是-C-O-C=O-基团的吸收峰，2 929.67cm-1是-CH2-和-CH3基团的吸收峰。说明DMDAAC,IA,DMC发生了共聚，产物是p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)[8]。

3.2 差热分析图

图2是p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)的TGA和DSC图。

图2 p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)的TGA和DSC图Fig.2 The TGA and DSC of p (DMDAAC-co-IA-co-DMC)

从TGA图可知，温度升高至97℃，聚合物出现第一次失重，失重率为21.65%；在260℃出现了第二次失重，失重率为41.01%；第三次的失重在390℃，失重率为23.67%；由此可得，三次失重是由于共聚物具有不同的结构单元，产物的分解温度较高，常温下是保持稳定；从DSC图知，在66.21℃时，此过程可能是合成产物的相变温度，可能是吸潮水分结晶后的相变[9]。

3.3 脱水剂投加量对污泥比阻的影响

污泥脱水在实际工程中除加入脱水剂外，还需要加入助凝剂(硅藻土、硫酸铁等)，以提高脱水效率。本试验加入硅藻土作助凝剂，与脱水剂p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)复配考察脱水效果。

图3是抽滤压强20kPa、脱水剂投加量对污泥比阻的影响关系图。

图3 抽滤压强20kPa、脱水剂投加量对污泥比阻的影响Fig.3 Effect of dehydrating agent dosage quantity on specific resistance of sludge when suction filter pressure is 20 kPa.

图3中，脱水剂投加量为40mg/100g时，污泥比阻为0.502×1012m/kg，降低率为69.9%；硅藻土∶脱水剂质量比为0.1∶1时，污泥比阻为0.48×1012m/kg，污泥比阻降低率为71.1%。

3.4 脱水剂投加量对泥饼含水率的影响

图4是抽滤压强20kPa、脱水剂投加量对泥饼含水率的影响关系图。

由图4得，脱水剂投加量为40mg/100g，泥饼含水率降低至69.6%，去除率为11.5%；硅藻土与脱水剂质量比为0.1∶1时，泥饼含水率从78.0%降低到62.9%，降低率为17.4%。

3.5 脱水剂投加量对滤液浊度的影响

图5是抽滤压强20kPa、脱水剂投加量对滤液浊度的影响关系图。

图4 抽滤压强20kPa、脱水剂投加量对泥饼含水率的影响Fig.4 Effect of dehydrating agent dosage quantity on moisture content of sludge cake when suction filter pressure is 20 kPa.

图5 抽滤压强20kPa、脱水剂投加量对滤液浊度的影响Fig.5 Effect of dehydrating agent dosage quantity on filtrate turbidity when suction filter pressure is 20 kPa.

由图5看出，脱水剂投加量为40mg/100g，浊度明显降到25，去除率54.0%。硅藻土与脱水剂质量比为0.1∶1时，浊度从55降低到20，去除率为63.5%。

3.6 抽滤压强对污泥比阻、泥饼含水率、滤液浊度的影响

图6是抽滤压强对污泥比阻、泥饼含水率、滤液浊度的影响关系图。

由图6可知，脱水剂投加量为40mg/100g，硅藻土投加量与脱水剂质量比为0.1∶1，抽滤压强控制为50kPa时，污泥比阻降低率提升至73.8%，泥饼含水率为65.0%，滤液浊度去除率提高至77.8%。

当脱水剂的量和作用于污泥胶粒的附加外力(抽滤压强)增大，在附加外力略大于絮体与水的结合力时，絮凝效果相对较好，这时污泥的絮体紧致。如加入脱水剂过量，脱水剂过量的电荷会导致污泥絮体松散，泥饼含水率升高，因为污泥中主要以带负电的胶粒为主，本研究所加入的脱水剂具有两性，且阳离子度较高，所以，在加入脱水剂后，阳离子部分同带负电的胶粒中和吸附架桥并且沉淀，浊度明显下降；将有机脱水剂与助凝剂复配结合，助凝剂带有的阳离子度比有机脱水剂高，增加了其表面与层间吸附性能，与脱水剂通过电中和作用于污泥从而使污泥颗粒脱稳，易于脱水[10]。但是随着脱水剂量的增多，过量的脱水剂也是增加滤出液浊度的因素之一；附加外力过大，脱水剂的吸附架桥、静电、卷扫及网捕作用减弱，降低脱水剂的脱水效率[11]。

图6 抽滤压强对污泥比阻、泥饼含水率和滤液浊度的影响Fig.6 Effect of the suction filter pressure on specific resistance of sludge,moisture content of sludge cake and filtrate turbidity.

3.7 污泥滤饼分形计算

图7、图9和图11不同试验条件下污泥滤饼的SEM图。

图7 抽滤压强20kPa、脱水剂40mg/100g的SEMFig.7 The SEM of sludge when the suction filter pressure was 20kPa and dehydrant dosage was 40mg/100g

图8、图10和图12是对应的SEM图通过Sandbox盒子计数法的lnN与lnε关系图。

图8 抽滤压强20kPa、脱水剂40mg/100g的lnN对lnεFig.8 lnN vs lnε when the suction filter pressure was 20kPa and dosage was 40mg/100g

图9 抽滤压强20kPa、脱水剂40mg/100g、硅藻土与脱水剂质量比为0.1∶1的SEMFig.9 The SEM of sludge when the suction filter pressure was 20kPa,dosage was 40mg/100g and mass ratio was 0.1∶1

图10 抽滤压强20kPa、脱水剂40mg/100g、硅藻土与脱水剂质量比为0.1∶1的lnN对lnεFig.10 lnN vs lnε when the suction filter pressure was 20kPa,dosage was 40mg/100g and mass ratio 0.1∶1

图11 抽滤压强50kPa、脱水剂40mg/100g、硅藻土与脱水剂质量比为0.1∶1的lnN对lnεFig.11 The SEM of sludge when the suction filter pressure was 50kPa,dosage was40mg/100g and mass ratio was 0.1∶1

图12 抽滤压强50kPa、脱水剂40mg/100g、硅藻土与脱水剂质量比为0.1∶1的SEMFig.12 lnN vs lnε when the suction filter pressure was 50kPa,dosing quantity was 40mg/100g and mass ratio mass ratio was 0.1∶1

从SEM图7、图9和图11可知，图11中，污泥滤饼SEM图缝隙少而紧实，基本为整块状态，说明其中含水少，絮体结构密实[12]，得到对应污泥滤饼的空隙分维数Df分别为0.998 6、0.992 7、0.986 0，Df大小可与滤饼的结构形态和粗糙程度对映，Df越大，表明滤饼的形态越复杂、空隙数越多、絮体结构越松散、含水率越高，脱水就越困难[13]。

4 结 论

实验自制高分子脱水剂p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)用于污泥脱水试验，投加量为40mg/100g时：污泥比阻从1.67×1012m/kg降至0.502 5×1012m/kg，降低69.9%；泥饼含水率从98.6%降至69.6%，降低11.5%；浊度从55降至25，降低54%。以脱水助剂硅藻土与自制高分子脱水剂复配改善污泥脱水效果，硅藻土与脱水剂质量比为0.1∶1，抽滤压强为50kPa的条件下，污泥比阻为0.437×1012m/kg，泥饼含水率为64.95%，浊度为12.23，污泥比阻降低率为73.8%，泥饼含水降低率为17.4%，浊度去除率为77.8%。在抽滤压强为50kPa，脱水剂投加量为40mg/100g，硅藻土质量与脱水剂质量之比为0.1∶1时试验结果最好，对泥饼絮体SEM图进行分形计算，得到分形维数Df为0.986 0。