CPAM在污泥浓缩脱水中用量的优化控制

王晓燕，张宝军，袁 涛，王晓玲，高 将（1.江苏建筑职业技术学院 建筑设备与市政工程学院，江苏省徐州市 221116）



CPAM在污泥浓缩脱水中用量的优化控制

王晓燕，张宝军，袁 涛，王晓玲，高 将
（1.江苏建筑职业技术学院 建筑设备与市政工程学院，江苏省徐州市 221116）

摘 要：通过对污泥上清液浑浊度、pH值、电导率和污泥体积的测定，以确定有机高分子絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）在污泥浓缩脱水中的最佳浓度。结果表明：污泥上清液的pH值为7.00～8.10；随着CPAM溶液浓度的增加，污泥上清液的浑浊度先升后降，电导率呈线性增加；CPAM溶液质量浓度为0.30 g/L时，污泥上清液浑浊度最低，电导率为220.0～270.0 μS/cm，不会对环境造成二次污染，絮体沉降较快，浓缩污泥密实，体积最小。因此，为达到最佳的污泥减量效果，CPAM溶液质量浓度应为0.30 g/L。

关键词：阳离子聚丙烯酰胺 污泥 浓缩 脱水

聚丙烯酰胺是全球消费量最大、应用最广泛的合成类水溶性高分子化合物［1］，一般用于采油、造纸、选矿、洗煤、纺织、冶金、水泥增强剂、高吸水性树脂、黏合剂、水处理等行业，而且应用领域不断扩大。阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）大分子链上的正电荷密度高，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，因此，在水处理中污泥脱水方面的应用引起广泛关注［2］。随着我国城镇的发展，污水处理量不断提高，污泥产量急剧增加，2016年，我国城镇污水处理厂产生的污泥量将突破35 000 kt［3］。目前，我国污泥处理费用已占污水处理厂总运行费用的20%～50%，甚至高达70%［4］。污泥中水分的分离过程是污泥处理的重要步骤，旨在减少污泥的体积，从而减轻后续处理环节的污泥体积负荷。由于污泥颗粒带负电荷，相互间排斥，污泥颗粒表面极性基团对水分子的强烈吸附，使颗粒表面附着水膜，进一步阻碍了颗粒间的结合，最终形成稳定的胶体分散系统［5］。因此，将污泥中的水分进行浓缩脱水，是处理污泥的关键。在污泥中加入高分子絮凝剂CPAM，利用絮凝剂与污泥间电性中和、吸附架桥作用，以及分子间的缠绕包裹作用可以改善污泥的脱水性能［6］，提高污泥脱水效果，从而减少运输费用和后续处置费用。本工作利用有机高分子絮凝剂CPAM对污泥进行浓缩脱水研究。

1　实验部分

1.1主要原料及仪器

CPAM，加拿大Clearflow Enviro Systems Group Inc公司生产。污泥取自加拿大埃德蒙顿市Big Lake湖底，取样点位于湖泊的入口和出口处，污泥试样各取2份，分别命名为In1，In2，Out1，Out2。污泥性质见表1。

表1　污泥试样的性质Tab.1 Characteristics of sludge

浑浊度采用美国Orbeco-Hellige Analytical Systems Inc公司生产的Digital Direct-Reading Turbidimeter TL#1型浑浊度仪测试；pH值和电导率采用威达优尔贸易（上海）有限公司制造的B40PCID型台式万用表测试。

1.2测试方法

泥饼含水率：污泥经处理后，取部分置于表面皿中，于105 ℃干燥6～8 h后，冷却，称量，计算泥饼的含水率［见式（1）］。本实验采用含水质量分数为97.0%的污泥。

式中：A为泥饼含水率；m0为称量皿的质量；m1为湿污泥与称量皿的总质量；m2为干燥泥饼与称量皿的总质量。

浑浊度：温度为25 ℃，分别将质量浓度为0.05，0.10，0.30，0.50，2.00，5.00 g/L的CPAM溶液50 mL加到50 mL污泥中，以200 r/min搅拌1 min，静置1 h，取污泥上清液测试浑浊度。

pH值：温度为25 ℃，分别将质量浓度为0.05，0.10，0.30，0.50，2.00，5.00 g/L的CPAM溶液80 mL加到20 mL污泥中，以200 r/min搅拌1 min，静置1 h，取污泥上清液测试pH值。

电导率：电导率反映了水中含盐量的多少，是水纯度的一个重要指标。水的纯度越高，含盐量越低，电导率越小。电导率按式（2）计算。

式中：K25为污泥上清液在25 ℃时的电导率，µS/ cm；Kt为污泥上清液在温度为t ℃时的电导率，µS/ cm；a为各种离子电导率的平均温度系数，取值0.022/1 ℃；

污泥体积：选取经不同浓度CPAM溶液处理过的100 mL污泥及其上清液，在量筒中沉淀24 h后测定量筒底部的污泥泥饼体积，记录固液界面处读数。

2　结果与讨论

2.1CPAM溶液浓度对上清液浑浊度的影响

污泥上清液的浑浊度可以表征污泥的泥水分离效果，浑浊度越低，絮凝剂调理污泥性能越好。从表2看出：随着CPAM溶液浓度的增加，上清液的浑浊度先降后升。CPAM溶液质量浓度为0.30 g/ L时，上清液浑浊度最低；CPAM溶液质量浓度高于0.30 g/L后，浑浊度上升。这说明CPAM溶液质量浓度为0.30 g/L时，分离效果最好。实验中还观察到：CPAM溶液质量浓度为0.30 g/L时，上清液液面无絮体漂浮物存在；随着CPAM溶液浓度的增加，污泥絮体沉降速率变慢，絮体变大，上清液黏度增加。 因此，在实际污泥处理中，应合理控制CPAM溶液的浓度，使上清液浑浊度达到最佳。

表2　CPAM溶液浓度对上清液浑浊度的影响Tab.2 Effect of CPAM solution concentration on turbidity of supernatant NTU

2.2CPAM溶液浓度对上清液pH值的影响

从表3可以看出：上清液的pH值为7.00～8.10，属中性范围，满足环境要求，不会对环境造成二次污染。

2.3CPAM溶液浓度对上清液电导率的影响

水溶液的电导率是测量水中盐、离子、杂质等成分的重要指标，这些成分在水溶液中的含量越高，电导率越大，导电性能越强。因此，该指标常用于推测水中离子的总浓度或含盐量。一般天然水的电导率为50.0 ～1 500.0 µS/cm，无机盐含量高的水的电导率可达10 000.0 µS/cm 以上，一般认为电导率低于600.0 µS/cm时，水质尚好［7］。

从表4可以看出：随着CPAM溶液浓度的增加，上清液电导率增加，尤其在CPAM溶液质量浓度大于0.30 g/L以后，随着CPAM溶液浓度的增加，电导率呈线性增大。CPAM溶液质量浓度为0.05 g/L时，电导率最小；CPAM溶液质量浓度为0.30 g/L时，电导率为220.0～270.0 µS/cm，相当于一般天然水的电导率；CPAM溶液质量浓度为2.00 g/L时，电导率大于500.0 µS/cm，CPAM溶液质量浓度为5.00 g/L时，电导率大于700.0 µS/cm。考虑到Big Lake天然湖水的电导率为300.0～400.0 µS/cm，CPAM的加入是为了污泥脱水浓缩，使污泥减量，净化水质，而不应影响湖水的生态环境。因此，在对湖水进行处理时，加入CPAM后的电导率应接近天然湖水的电导率，CPAM溶液质量浓度应控制在0.30～0.50 g/L。

表3　CPAM溶液浓度对上清液pH值的影响Fig.3 Effect of CPAM solution concentration on pH value of supernatant

表4　CPAM溶液浓度对上清液电导率的影响Tab.4 Effect of CPAM solution concentration on conductivity of supernatant µS/cm

2.4CPAM溶液浓度对污泥体积的影响

从表5可以看出：CPAM溶液质量浓度小于0.30 g/L时，污泥体积基本保持不变；CPAM溶液质量浓度为0.30 g/L时，污泥体积明显减小，此时絮体沉降较快且密实；待质量浓度大于0.30 g/L，可明显看见絮体之间的空隙，污泥体积增加。这是由于CPAM的长链结构可促进污泥絮体之间通过范德华力产生良好的吸附架桥作用，同时，由于CPAM所带的正电荷可以中和污泥表面的负电荷，减小了污泥之间的静电斥力，增强了污泥的可压缩性，从而使污泥的沉降性能得到改善；但超过最佳用量后，污泥带正电荷，造成颗粒间的电荷排斥。因此，过量的CPAM会导致污泥的沉降性能变差［8］，污泥絮体也互相排斥，污泥体积反而增加。为了达到污泥减量最佳效果，CPAM溶液质量浓度应为0.30 g/L。

表5　CPAM溶液浓度对污泥体积的影响Tab.5 Effect of CPAM solution concentration on sediment cake volume mL

3　结论

a）CPAM溶液质量浓度为0.30 g/L时，上清液液面无絮体漂浮物存在，浑浊度最低，污泥絮体沉降速率快，泥饼密实、体积最小。

b）CPAM溶液浓度对污泥上清液的pH值影响较小，污泥上清液的pH值为7.00～8.10，满足环境要求，不会对环境造成二次污染。

c）CPAM溶液质量浓度为0.30 g/L时，上清液电导率为220.0～270.0 µS/cm，符合天然水水质标准。

4　参考文献

［1］ 薛福连.百业助剂——聚丙烯酰胺前景广阔［J］.上海化工，2004，29（7）：49-50.

［2］ 罗跃，王志龙. 反相乳液聚合制备阳离子聚丙烯酰胺及其絮凝性能评价［J］. 油气田环境保护，2009，19（2）：35-37.

［3］ 崔清泉，杨晓华.城市生活污泥深度脱水技术研究与实践［J］.探索技术，2011（12）：67-68.

［4］ 杨琦，刘广立. 污泥处理与处置技术新进展［J］. 上海环境科学，1999，18（3）：133-134.

［5］ Bradley H，Hartong Malyuba. Sludge dewatering with cyclodextrins［J］. Water Research，2007，41（6）：1201-1206.

［6］ Qian Jinwen，Miao Yimin，Zhang Lin，et al. Influence of viscosity slope coefficient of Ca and its blends in dilute solutions on permeation flux of their films for meoh/mtbe mixture［J］. Membrane Science，2002，203（1/2）：167-173.

［7］ 陈素平.天然水中电导率与矿化度的关系探讨［J］. 山西水利科技，2011，180（2） ： 78-80.

［8］ 王寒可，林逢凯，王淑影，等. 阳离子聚丙烯酸酯对污泥脱水性能的影响［J］. 环境工程学报，2015，9（1） ： 441-447.

Experimental study on optimized control of CPAM dosage on sludge thickening and dewatering

Wang Xiaoyan，Zhang Baojun，Yuan Tao，Wang Xiaoling，Gao Jiang
（Construction Equipment and Municipal Engineering Institute，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract：This research focuses on the optimal dosage of cationic polyacrylamide（CPAM） for sludge thickening and dewatering problem. The dosage is determined by measuring the conductivity，pH，supernatant turbidity，and the volume of sludge. The experimental results show that the pH value of sludge supernatant ranges from 7.00 to 8.10 and the turbidity rises then drops to the lowest when the dosage of CPAM increases to 0.30 g/L. The results also show that the sludge supernatant conductivity follows the dosage of CPAM，and goes up to range from 220.0 µS/cm to 270.0 µS/cm when the dosage reaches 0.30 g/L，which will not cause secondary pollution. Furthermore，the volume of sludge cake will be in dense condition and smallest volume. Therefore，the optimal mass concentration of CPAM is 0.30 g/L.

Keywords：cationic polyacrylamide； sludge； thickening； dewatering

基金项目：“江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修”项目。

作者简介：王晓燕，女，1968年生，副教授，2005年硕士毕业于江苏大学环境工程专业，研究方向为水处理。联系电话：13776589220；E-mail：349895285@qq.com。

收稿日期：2015-12-01；修回日期： 2016-02-27。

中图分类号：TQ 326.4

文献标识码：B

文章编号：1002-1396（2016）03-0024-03