聚丙烯酰胺与FeCl3对污泥脱水性能的影响

林春绵，甄万顺，任　炜，包宇鼎，刘　岗，王锦化，毛丛书，徐建明

(1.浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江绿治污泥处理技术有限公司，浙江 杭州 310013)



聚丙烯酰胺与FeCl3对污泥脱水性能的影响

林春绵1，甄万顺1，任炜2，包宇鼎2，刘岗2，王锦化2，毛丛书2，徐建明2

(1.浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江绿治污泥处理技术有限公司，浙江 杭州 310013)

摘要：以毛细吸水时间(CST)和污泥过滤时间(TTF)作为评价污泥脱水性能的指标，实验考察了调理剂聚丙烯酰胺PAM-1(直链型阳离子PAM)和PAM-2(交联型阳离子PAM)对污泥脱水性能的影响，并与FeCl3的作用效果进行比较.实验结果表明：相对于室温，4 ℃条件下保存污泥脱水性质较稳定.用CST评价污泥的脱水性能时，PAM-1适合与 FeCl3联合使用，最佳投加量为(2+10) mg/g(以绝干污泥计).用TTF表征污泥的脱水性能，PAM-1适合单独使用，最佳投加量为5 mg/g.PAM-2不适合与FeCl3联合使用.当其投加量为3 mg/g时，污泥的CST与TTF均达到最小.

关键词：污泥脱水；直链型阳离子PAM；交联型阳离子PAM；FeCl3

污水处理过程中会产生大量污泥，这些污泥含水率高，体积大，给堆放和运输带来困难，如果处理不当，很容易造成二次污染，对人类和环境构成危害[1].而污泥调理作为污泥脱水处理中一个十分重要的环节，越来越受到人们的重视.经过调理后污泥的脱水性能得到明显改善，从而为污泥后续的处理处置打下良好的基础.

聚丙烯酰胺(PAM)是一种有机高分子聚合物.其主链上有活泼的酰胺基和双键，在合成过程中，通过引入不同的官能团，可以得到不同分子量和电荷密度的聚丙烯酰胺产品[2].由于污泥由带负电荷的颗粒组成，阳离子PAM可以中和其负电荷，使得污泥颗粒絮凝成为絮团，从而提升其脱水性能.近年来，Angeles等[3]研究了聚丙烯酰胺的用量对絮凝作用的影响，并阐述了其基本作用机理.邹其超等[4]研究了阳离子聚丙烯酰胺在污水净化中的应用.然而目前的研究一般都只针对特定的一种聚丙烯酰胺，少有对不同分子结构的PAM进行横向对比的研究，本研究通过实验来考察直链型阳离子PAM和交联型阳离子PAM对污泥脱水性能的影响，与FeCl3的作用效果进行比较，并探讨其作用机理的异同.本实验采用杭州市七格污水处理厂的二沉池污泥，以污泥的毛细吸水时间(CST)和污泥过滤时间(TTF)作为评价指标，研究不同絮凝剂对污泥调理的效果，并阐述其机理.

1实验材料和仪器

1.1实验材料

实验用污水污泥取自杭州七格污水处理厂二沉池，基本成分如表1所示.

表1　污泥基本成分

实验用的两种聚丙烯酰胺(PAM)由法国爱森公司生产，编号分别为FO4140SH9(PAM-1)和EM640HIB(PAM-2).PAM-1为粉末状，平均分子量为700 万，离子度为10%，属于直链型阳离子PAM；PAM-2为胶体状，平均分子量为1 300 万，离子度为10%，属于交联型阳离子PAM.两种絮凝剂在投加前配置成1 g/L的溶液.质量分数为38%的FeCl3溶液由广州中锐化工有限公司生产.

1.2污泥脱水实验

分别取100 mL污泥倒入200 mL烧杯，再加入一定量的絮凝剂，并使污泥与絮凝剂完全混合均匀.CST测定采用CST仪(304B型，Triton electronics)，选用直径1 cm的漏斗.TTF测定参照《美国水和废水标准检测方法》[5].

CST反映了污泥中自由水的过滤性能，如离心脱水性能.CST越小，说明污泥中自由水的含量越高，自由水的过滤性能越好[6].而TTF反映的是污泥在一定压力作用下的过滤性能，即压滤性能.TTF越小，说明污泥的过滤速度越快，越容易被压滤.有研究表明:TTF越小，对应的滤饼含固率也越高[7].

2结果与讨论

2.1污泥脱水性能的稳定性

为了解污泥性质的稳定性，本实验分别将污泥置于4 ℃冰箱和室温(20～25 ℃)下通风处保存，其CST变化趋势如图1所示.由图1可见：在4 ℃冰箱中保存的污泥，在前4 d内CST几乎稳定不变，随后CST缓慢上升.说明4 ℃的保存条件在一定的时间范围内可以维持污泥性质的稳定.而在室温下保存的污泥，其CST从一开始就呈持续上升的趋势.后续的实验过程中污泥均在4 ℃条件下保存4 d以内.

图1　不同保存条件对污泥CST的影响Fig.1　Effects of different preservation conditions on the CST of sludge

2.2 单一絮凝剂的脱水效果

2.2.1FeCl3对污泥的调理

从图2可以看出：在开始阶段，随着FeCl3的加入，污泥的CST与TTF都呈快速下降趋势，此时带正电荷的Fe3+离子吸引并中和污泥上负电荷，从而减少了污泥颗粒间的排斥力，使其更容易相互吸附[8]，污泥颗粒也因此而粗大化，形成大的絮团，从而改善其沉降脱水性能[9]，CST与TTF均变小.但两个指标分别达到最低值时FeCl3的投加量稍有不同.当FeCl3投加量为20 mg/g(以绝干污泥计)时，CST达到最小值12.8 s，此时污泥的离心脱水性能达到最好.当FeCl3投加量为30 mg/g时，TTF达到最小值18.0 s，此时污泥的压滤性能达到最好.当FeCl3投加过量时，污泥颗粒因吸附了Fe3+而带上正电荷，污泥胶体颗粒因电荷排斥而呈现失稳状态，从而导致絮凝效果下降[10]，CST与TTF均有所反弹.

图2　FeCl3投加量对污泥的CST与TTF的影响Fig.2　Effects of FeCl3 on the CST and TTF of sludge

2.2.2PAM-1对污泥的调理

本实验所用的PAM-1为直链型阳离子聚丙烯酰胺.其分子结构为长链状，带有酰胺基极性基团，易形成氢键，因此具有良好的水溶性和化学活性[11].PAM-1对污泥的调理，主要是通过吸附架桥功能联接大量污泥颗粒使之形成较大的污泥絮团，从而沉降下来[12].从图3可以看出：在开始阶段，随着PAM-1的加入，由于PAM-1的絮凝作用，污泥的CST与TTF下降较为明显，当PAM-1投加量为3 mg/g时，CST达到最小值10.1 s.此时污泥的离心脱水性能达到最好.当PAM-1投加量为5 mg/g时，TTF达到最小值18.0 s，此时污泥的压滤性能达到最好.随后继续增加PAM-1的加入量，反而导致污泥的CST与TTF轻微回升.

图3　PAM-1投加量对污泥的CST与TTF的影响Fig.3　Effects of PAM-1 on the CST and TTF of sludge

2.2.3PAM-2对污泥的调理

本实验所用的PAM-2为交联阳离子型聚丙烯酰胺.这种试剂是由丙烯酰胺单体和交联剂按一定比例混合，在催化剂(如过硫酸铵)作用下聚合而成.其絮凝机理与直链阳离子型聚丙烯酰胺也大致相同，但交联阳离子型聚丙烯酰胺胶体中高分子链结构比PAM-1试剂更长，而且包含更多支链和亚胺化交联的结构，污泥脱水效果更加明显[13-14].与PAM-1的实验效果类似，随着PAM-2的加入，污泥的CST与TTF均快速下降，但两种PAM的最佳投加量却不相同.从图4可以看出：当PAM-2投加量为3 mg/g时，CST达到最小值10.8 s，TTF也达到最小值13.0 s.此时污泥的离心脱水性能和压滤性能均达到最好.

图4　PAM-2投加量对污泥的CST与TTF的影响Fig.4　Effects of PAM-2 on the CST and TTF of sludge

由PAM-1和PAM-2单独投加的试验结果可以看出不同类型的PAM调理活性污泥时都存在一个最佳投加量，超过最佳投加量后CST和TTF反而增大.原因之一是过量的PAM会增大活性污泥颗粒表面的粘度[15]，从而不利于水分子的分离，恶化了活性污泥的离心脱水性能；另外一个原因是阳离子PAM过量时，活性污泥颗粒表面由于吸附大量的的PAM胶体而带上正电，污泥颗粒均带正电荷，反而增强了污泥絮体间的排斥作用，污泥变得更加难以絮凝沉淀[16]，最终引起CST和TTF的增大.

2.3絮凝剂联合使用的脱水效果

使用复合调理剂一直是污泥脱水研究的热点内容.根据相关文献报道，使用复合调理剂，在合适的条件和比例下，有可能获得比单独投加一种调理剂更好的效果，有效减少絮凝剂的使用量，但也有可能恶化污泥的脱水性能[17-18].

2.3.1FeCl3与PAM-1联合使用对污泥的调理

在FeCl3单独最佳投加量(20 mg/g)的基础上，添加不同量的PAM-1，观察污泥的CST随PAM-1投加量的变化，并与单独投加FeCl3溶液时的实验结果进行对比.另一方面，在FeCl3独投最佳投加量(30 mg/g)的基础上，添加不同量的PAM-1，观察污泥的TTF随PAM-1投加量的变化，并与单独投加FeCl3溶液时的实验结果进行对比.实验结果如图5所示.从图5可以看出：在先加入20 mg/g的FeCl3情况下，当PAM-1投加量2 mg/g时，CST均达到最小值10.8 s.而对于TTF来说，在先加入FeCl3的情况下，PAM-1的加入反而导致了TTF的持续增加.

图5　FeCl3与PAM-1联合使用对污泥调理的影响ⅠFig.5　Effects of FeCl3 combined with PAM-1 on the CST and TTF of sludge Ⅰ

接下来，在CST方面，以此种情况下PAM-1的最佳投加量2 mg/g为定值；在TTF方面，以单独投加时PAM-1的最佳投加量5 mg/g为定值.添加不同量的FeCl3，则污泥的CST与TTF随FeCl3的投加量的变化如图6所示.从图6可以看出：在2 mg/g的PAM-1存在的条件下，当FeCl3投加量10 mg/g时，CST达到最小值9.0 s.而单独投加PAM-1时，CST最小值为10.1 s.因此用CST表征污泥的脱水性能， PAM-1与FeCl3联合使用的最佳投加量为(2+10) mg/g .此时污泥离心脱水效果最好.

而对于TTF来说，在5 mg/g的PAM-1存在的条件下，随着FeCl3的投加量的增加，TTF持续上升，污泥的脱水性能持续恶化.在前面的实验中我们已经发现在先加入FeCl3的情况下，PAM-1的加入反而导致了TTF的持续增加.由此我们可以得出结论：FeCl3与PAM-1联合使用对污泥TTF的降低起反作用，而TTF在一定程度上可以反映污泥的压滤性能.说明污泥如果最终采用压滤脱水方式，FeCl3与PAM-1不适合联合使用.

图6　FeCl3与PAM-1联合使用对污泥调理的影响ⅡFig.6　Effects of FeCl3 combined with PAM-1 on the CST and TTF of sludge Ⅱ

FeCl3与PAM-1联合使用时，先加入的FeCl3对污泥进行电荷中和作用，使污泥胶体脱稳，再投加高分子絮凝剂PAM-1，发挥架桥的作用，形成污泥絮团.在此过程中，一部分结合水被转化为自由水，使得污泥中自由水的含量升高，CST达到最小，但由于Fe3+正电荷与PAM-1中阳离子基团同电相斥，使得污泥颗粒间排斥作用加大，絮体难以凝聚.TTF持续增大.

2.3.2FeCl3与PAM-2联合使用对污泥的调理

在FeCl3单独最佳投加量(20 mg/g)的基础上，添加不同量的PAM-2，观察污泥的CST随PAM-2投加量的变化，并与单独投加PAM-2时的实验结果进行对比.同时，在FeCl3单独最佳投加量(30 mg/g)的基础上，添加不同量的PAM-2，观察污泥的TTF随PAM-2投加量的变化，并与单独投加PAM-2时的实验结果进行对比.实验结果如图7所示.从图7可以看出：在有FeCl3存在的条件下，随着PAM-2的加入，CST与TTF持续升高，既不利于污泥的离心脱水，也不利于污泥的压滤脱水.

图7　FeCl3与PAM-2联合使用对污泥调理的影响 ⅠFig.7　Effects of FeCl3 combined with PAM-2 on the CST and TTF of sludge Ⅰ

接下来，在CST方面，以单独投加PAM-2时的最佳投加量3 mg/g为定值；在TTF方面，以单独投加PAM-2时的最佳投加量3 mg/g为定值.添加不同量的FeCl3，则污泥的CST与TTF随FeCl3的投加量的变化如图8所示.从图8可以看出：存有PAM-2的情况下，FeCl3的加入反而导致了CST和TTF的增加，而由前面的实验可知，在有FeCl3存在的条件下，随着PAM-2的加入，CST与TTF同样持续增加，因此，无论污泥采取何种压滤方式，FeCl3和PAM-2均不适合联合使用.

之所以出现这种情况，可能是因为PAM-2分子量大(1 300 万)，高分子链条较长，吸附架桥作用强，在较小投加量(3 mg/g)的情况下就可以使污泥的絮凝效果达到最好[19].如果加入FeCl3复合调理，反而会导致高分子链缠绕难于舒展，影响了链条上某些活性基团对污泥胶体的束缚架桥作用，不利于污泥中结合水向自由水的转化.并且，带入过量的Fe3+正电荷与PAM-2的阳离子同性相斥，使得污泥颗粒间排斥作用加大，絮体难以凝聚[20]，使得CST与TTF增大，污泥脱水效果反而不佳.

图8　FeCl3与PAM-2联合使用对污泥调理的影响ⅡFig.8　Effects of FeCl3 combined with PAM-2 on the CST and TTF of sludge Ⅱ

3结论

污泥在较低温度(4 ℃)下，其CST较为稳定；单独投加FeCl3时，用CST表征污泥的脱水性能，FeCl3的最佳投加量为20 mg/g，CST为12.8 s；用TTF表征污泥的脱水性能，FeCl3的最佳投加量为30 mg/g，TTF为18.0 s；用CST表征污泥的脱水性能，PAM-1(直链型阳离子PAM)适合与 FeCl3联合使用，最佳投加量为(2+10) mg/g，此时CST为9.0 s，污泥离心脱水效果最好；用TTF表征污泥的脱水性能，PAM-1适合单独投加，最佳投加量为5 mg/g，此时TTF为18.0 s，污泥压滤脱水性能达到最好；PAM-2(交联型阳离子PAM)适合单独使用，不宜与FeCl3联合使用.当其投加量为3 mg/g时，污泥的CST为10.8 s，TTF为13.0 s，均达到最小，此时污泥的离心脱水性能和压滤脱水性能同时达到最好.

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(责任编辑：陈石平)

Effect of polyacrylamide and FeCl3on sludge dewatering performance

LIN Chunmian1, ZHEN Wanshun1, REN Wei1, BAO Yuding2, LIU Gang2,WANG Jinhua2, MAO Congshu2, XU Jianming2

(1.College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang Lüzhi Sludge Treatment Technology Co.,Ltd., Hangzhou 310013, China)

Abstract:The effects of two kinds of polyacrylamide (the straight-chain cationic polyacrylamide (PAM-1) and cross-linked cationic polyacrylamide (PAM-2)) and FeCl3 on sludge dewatering performance were investigated with the capillary suction time (CST) and the time to filter(TTF) as the main evaluation indexes. Experimental results show that the dewatering performance of sludge which stored at 4 ℃ was more stable than at room temperature. PAM-1, combined with FeCl3, had a better sludge dewatering performance when CST was used as the evaluation index, the optimum dosage of PAM-1 and FeCl3 were (2+10) mg/g dried sludge. When TTF was used as the index to evaluate sludge dewatering performance, PAM-1 was found to behave much better when used individually and the optimum dosage of PAM-1 was 5 mg/g. Also, PAM-2 was found not suitable to be used with FeCl3. When the dosage of PAM-2 was 3 mg/g the both values of CST and TTF reached their minimum.

Keywords:sludge dewatering; straight-chain cationic polyacrylamide; cross-linked cationic polyacrylamide; FeCl3

收稿日期：2015-10-30

作者简介：林春绵(1962—)，男，浙江温州人，教授，主要从事工业污染控制与资源化研究，E-mail: lcm@zjut.edu.cn.

中图分类号：X703

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)02-0174-05