有機高分子絮凝劑在污泥脫水中的應用
行業(yè)動態(tài)
在工業(yè)廢水和生活污水的處理過程中，會產生大量的污泥，這些污泥是含水豐富（95%～99.5%）的帶負電荷的粒子群，必須對其進行脫水操作，以降低污泥含水率，減少污泥的質量和體積，以便于進一步處理。污泥脫水的關鍵是改善污泥的脫水性能，絮凝沉降技術因其經(jīng)濟簡便，而成為常用的方法。目前，絕大多數(shù)城市污水處理廠在進行污泥調質時均采用陽離子絮凝劑，實踐表明此藥劑能達到較好的絮凝效果。然而隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，污泥中有機成分逐漸增加，使得污泥脫水處理更為困難，單一的陽離子絮凝劑已不能滿足污泥脫水的要求。為了解決這一難題，國內外（尤其是日本、美國）研究人員在這方面做了大量工作。本文對有機高分子絮凝劑在污泥脫水方面應用的研究做了總結，主要從以下三個方面來闡述。
一、有機高分子絮凝劑的種類及其在污泥脫水中的應用
在污泥脫水中，常用的有機高分子絮凝劑主要由合成型和天然高分子改性型。
1.1 合成型
合成有機高分子絮凝劑按可離解基因電離出的電荷類型，一般可分為非離子型、陰離子型、陽離子型和兩性型。此外，還有它們之間的復合型，或它們與無機絮凝劑的復合型。其中，陰離子型、非離子型絮凝劑脫水性能較差。
1.1.1 陽離子型
由于污泥由帶負電荷的離子群組成，陽離子絮凝劑可以中和其負電荷，使其絮凝脫水。因此，目前它成為污水處理廠處理污泥的主要產品。隨著人們對不同種類的陽離子絮凝劑脫水性能的深入研究及實際應用的要求，處理污泥所用的陽離子絮凝劑開始由單一的陽離子均聚物轉向幾種陽離子單體的共聚物或它們的復合物。如采用N-乙烯基甲醚胺和丙烯腈共聚物加酸水解得到的脒類陽離子絮凝劑、陽離子纖維素衍生物和含季胺基的陽離子絮凝劑處理污泥。采用共聚物或復合絮凝劑的優(yōu)點是：可以降低絮凝劑成本，提高脫水效率。其原因可能是不同結構的陽離子基因，吸引負電荷的能力不同，因此對帶電量不同的各類污泥粒子都具有較強的吸附架橋作用，從而提高脫水效率。
從產品的劑型來講，除傳統(tǒng)粉狀和油包水乳液產品，人們又開發(fā)出水包水型陽離子乳液。美國Connors等由芐基氯和二甲基氨基乙基丙烯酰胺反應制得的陽離子單體中加多元醇的鹽水溶液制備水包水型陽離子乳液。Hurlock等利用丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨與丙烯酰胺在水或鹽介質中制得水包水型陽離子乳液，這類產品應用于污泥脫水，具有溶解速度快、無污染等優(yōu)點，克服了粉狀溶解性差，乳液產品中油和表面活性劑對環(huán)境污染的缺點。
1.1.2 兩性型
兩性絮凝劑兼有陰、陽離子基團的特點，不僅具有電中和、吸附架橋作用，而且還有分子間的“纏繞”包裹作用，所以具有較好的脫水性能。它對不同性質、不同腐敗程度的污泥都有較好的脫水、助濾作用，得到的泥餅含水率低，且用量較少，所以稱為國內外研究的特點。
兩性絮凝劑分子中，含有的陽離子基團以氨基、亞氨基、季銨基為主，含有的陰離子基團以-COOM（其中M為氫離子或金屬離子）為主。例如：含叔胺或季銨基因陽離子單體和丙烯酸的兩性共聚物；含叔胺和季銨基的陽離子單體與（甲基）丙烯酸的共聚物；含氨基的丙烯酸鹽單體或含氨基的甲基丙烯酸鹽單體和丙烯酸的兩性共聚物；含油氨基化烷基和羧基的兩性聚電解質；陽離子單體、羧基烷基（甲基）丙烯酸和非離子單體共聚得到的陽離子膠束三元共聚物等都可用于污泥的脫水。兩性三元共聚物與陽離子絮凝劑相比，脫水效果顯著，但由于其單體較多，制備分子量大、離子度高的產品不太容易，所以目前主要用于處理難脫水污泥。
隨著人們對兩性絮凝劑研究的不斷深入，為了提高脫水性能，Mori等對陽離子單體、陰離子單體的比例作出限定，提出如下三類兩性聚合物：第一類兩性聚合物滿足Ca1/An1≥1；第二類兩性聚合物滿足Ca2/An2＜1；第三類兩性聚合物滿足Ca3/An3≥1，（Ca1-An1）-（Ca3-An3）≥1.5。其中，Ca為陽離子基團的數(shù)目，An為陰離子基團的數(shù)目。這些兩性絮凝劑用于多樣污泥，表現(xiàn)出了優(yōu)良的絮凝和脫水性能，尤其對于剩余污泥具有良好的絮凝脫水性能。
1.1.3 復合型
由于物質性能的單一性，在污泥脫水中選用單一絮凝劑不利于處理多樣、復雜的污泥，于是許多研究人員開始將復合絮凝劑應用于污泥脫水。其優(yōu)點是能發(fā)揮各種絮凝劑的優(yōu)點，提高脫水性能。
（1）無機絮凝劑+兩性聚合物：為了降低兩性有機高分子絮凝劑的投加量、形成高強度的絮凝體，采用先添加無機絮凝劑，通過電中和作用使污泥脫穩(wěn)，然后加入兩性高分子絮凝劑進行脫水。例如：Shigeru提出先添加無機絮凝劑，再向pH值為5～8的污泥中添加兩性有機高分子絮凝劑。后來，Yasuhiro等研究得出兩性高分子絮凝劑應滿足：陽離子度與陰離子度比為1.2～2.0。Han等利用丙烯酰胺、陽離子單體、陰離子單體、陽離子單體聚合物、陽離子鹽、無機絮凝劑制備了含有無機絮凝劑的疏水聚合物分散體，用此分散體處理后的污泥絮體直徑為4mm～6mm，濾餅含水率可降到71%。因此，這種無機絮凝劑與兩性有機高分子絮凝劑共用的方法，廣泛用于難脫水污泥脫水性能的改善。
（2）陽離子型+兩性型聚合物：由于陽離子型、兩性型絮凝劑都有較好的脫水效果，為了進一步降低投加量，形成高強度的絮凝體，有人采用兩類絮凝劑共用的方法進行污泥脫水。例如：Satoru等提出陽離子結構單元與非離子結構單元比大于0.2的陽離子絮凝劑和陰離子結構單元與陽離子結構單元之比為0.8～1.5的兩性絮凝劑共用，在兩者的質量比為35:65～95:5時，可降低投加量、改善重力過濾性能和濾餅含水率。對于無機鹽和表面活性劑含量高、脫水困難的污泥濾餅含水率可降到77.8%。Toshiyuki等提出，先加入含有陽離子取代基的纖維素衍生物類高分子絮凝劑，再加入由分子內乙烯基陽離子性單元、乙烯基陰離子性單元及乙烯基非離子性單元共聚而成的兩性高分子絮凝劑，用此種方法處理污泥，得到的絮團直徑大（2mm～5mm），濾餅含水率低（53.7%）。Nagoya-shi用先加入無機絮凝劑或有機陽離子化合物，再加入含有烷氧基烷基系列的丙烯酸單體或聚合烯氧系列單體或聚合烯化氧系列單體和水溶性單體的共聚物的方法處理市政污泥，也得到了良好的絮凝效果。利用陽離子、兩性聚合物復合絮凝劑處理污泥，絮凝性能明顯提高，因此陽離子-兩性聚合物復合絮凝劑在污泥脫水中的應用越來越被人們重視。
1.2 天然高分子改性絮凝劑
天然高分子改性絮凝劑包括淀粉、纖維素、含膠植物、多糖類和蛋白質等類別的衍生物。這類絮凝劑的研究開發(fā)為天然資源的利用和生產無毒絮凝劑開辟了新的途徑，其中較有發(fā)展?jié)摿Φ氖撬苄缘矸垩苌铩⒗w維素接枝共聚物和多聚糖改性絮凝劑。國外在這方面的研究較多，Cai等給出以高錳酸鉀為引發(fā)劑，淀粉或微晶態(tài)纖維素作為主鏈與丙烯酰胺接枝共聚，共聚物水解后與烷基氨基甲醇反應，制得一種絮凝性能良好的絮凝劑。天然高分子改性絮凝劑，有利于原材料的充分利用，生產成本低，技術簡單，反應條件溫和，產品絮凝性能好，適應能力強，是一種理想的無毒污泥脫水劑，具有廣闊的應用前景。
二、有機高分子絮凝劑用于污泥脫水的工藝和方法
由于污泥結構的復雜性，各種絮凝劑的添加順序對脫水性能有很大影響。近年來，人們將目光轉向了脫水方法的研究，美國、日本等國提出了一些脫水的方法，很值得我們借鑒。
為了提高絮凝劑的利用率，Vasconcellos等采用逐步和連續(xù)投加陽離子聚合胺和陽離子聚丙烯酰胺處理污泥。Kenzo將陽離子高分子絮凝劑添加到部分下水道污泥中，濃縮，然后加入少量陽離子高分子絮凝劑與這些污泥混合，絮凝后的污泥用脫水機（螺桿壓縮機）脫水。Haase等 提出來一種利用季銨類高分子絮凝劑處理化學污泥的五種方法：
（1）將聚合季銨鹽與聚丙烯酰胺一起直接加入生物污泥中。
（2）將聚合季銨鹽和陰離子聚丙烯酰胺分開加入。
（3）將丙烯酰胺與季銨化單體的共聚物單獨加入到污泥中。
（4）將季銨化聚丙烯酰胺與陽離子聚丙烯酰胺共同加入。
（5）將硫酸鋁，鐵的氯化物與聚合季胺一起加入污泥中。
針對不同污泥，為了提高脫水效率，Jens等提出了一種懸浮物的處理方法：添加一定量凝結劑，再加入預期劑量，調整分離液電荷或懸浮物的其它脫水參數(shù)，提高脫水性能。Sommese等提出了一種新的處理消化污泥的方法：首先，向難脫水污泥中加入一定量無機絮凝劑（鋁、鐵、鋅鹽）；然后，加入一定量微粒組分（有機或膠質）；隨后，向混合物中加入高分子絮凝劑（陽離子、陰離子、非離子）。Niijima等提出了含有樹脂的污水處理過程：向含油樹脂的污水中加入聚合胺的化合物，使其絮凝；加入聚丙烯酰胺使絮凝微粒增大，并使絮體分散。針對污泥處理廠處理污泥的方法Winn提出：污泥絮凝后，在脫水前立即加入回收濾液的3%～40%（體積比），循環(huán)脫水。
縱觀以上高分子絮凝劑用于污泥處理的工藝和方法可知，雖然處理工藝和方法不盡相同，但基本遵循這樣的規(guī)律：在絮凝劑的選擇上，由于污泥粒子帶負電，陽離子基團更有利于吸附帶負電荷的污泥粒子，但陰離子的協(xié)同作用也不能忽視，所以應采用陽離子基團（或陽離子性基團）總數(shù)大于陰離子（或陰離子性基團）總數(shù)的絮凝劑或混合絮凝劑。在脫水工藝上，應先加入含有陽離子（或陽離子性）基團的無機或有機高分子絮凝劑破壞污泥的結構，然后加入分子量較高的有機高分子絮凝劑（兩性型、陽離子型、非離子型或陰離子型）發(fā)揮其吸附架橋的作用，從而達到較好的脫水效果。
三、影響污泥脫水性能的因素
有機高分子絮凝劑的種類對污泥脫水性能的影響較為顯著，而對于同種絮凝劑來說，絮凝劑用量、pH值、分子量、陰陽離子度對脫水效果也有較大的影響。其中絮凝劑用量對脫水效果的影響有關報道較多，一般認為絮凝劑的用量應適中，絮凝劑用量少，不足以使污泥形成絮團，脫水效果不好。用量過大會起分散作用，絮體不結實，不利于脫水。目前，有關pH值、分子量、陰陽離子度等對絮凝性能的影響有一定的研究，但對脫水效果影響的研究較少，而對于污泥處理過程中采用絮凝劑的種類、分子量、陰陽離子度、用量、pH值是必須考慮的問題。所以，這方面的研究將是今后脫水處理的主要問題。
四、展望
有機高分子絮凝劑分子量高，陰陽離子度便于控制，脫水效率高，決定了它在污泥脫水中具有十分重要的地位。近10年來，雖然研究人員在有機高分子絮凝劑的應用方面取得了很大的進展，然而有許多方面還有待研究，為此對以后工作提出以下建議：
（1）天然高分子改性絮凝劑的研究開發(fā)為天然資源的利用和生產無毒絮凝劑開辟了新的途徑。大多數(shù)水溶性多聚糖經(jīng)化學改性后可以制成無毒絮凝劑，這對飲用水處理、糖食工業(yè)等行業(yè)的固液分離有重要意義，發(fā)展前景良好。
（2）在進一步提高離子度和分子量的基礎上，降低絮凝劑成本。近年來，污泥產生量的迅速增加促進了污泥處理的迅速發(fā)展，對絮凝劑的要求也越來越高，提高絮凝脫水性能，降低污泥脫水成本已成為必然。
（3）在發(fā)展高效、多功能的新型絮凝劑品種的同時，針對各種難脫水污泥，研制開發(fā)特效的絮凝劑。由于污泥成分的不同，對于某種污泥可能是高效的絮凝劑，而對于另一種污泥而言可能并不好，所以針對不同成分的污泥應該用不同的絮凝劑來處理。
（4）進一步加強絮凝劑的合成、性能及應用關系的研究，促進產品的工業(yè)化。
