有機(jī)高分子絮凝劑在污泥脫水中的應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
在工業(yè)廢水和生活污水的處理過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，這些污泥是含水豐富（95%～99.5%）的帶負(fù)電荷的粒子群，必須對(duì)其進(jìn)行脫水操作，以降低污泥含水率，減少污泥的質(zhì)量和體積，以便于進(jìn)一步處理。污泥脫水的關(guān)鍵是改善污泥的脫水性能，絮凝沉降技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)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(jìn)行污泥調(diào)質(zhì)時(shí)均采用陽(yáng)離子絮凝劑，實(shí)踐表明此藥劑能達(dá)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(jī)成分逐漸增加，使得污泥脫水處理更為困難，單一的陽(yáng)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(guó)內(nèi)外（尤其是日本、美國(guó)）研究人員在這方面做了大量工作。本文對(duì)有機(jī)高分子絮凝劑在污泥脫水方面應(yīng)用的研究做了總結(jié)，主要從以下三個(gè)方面來(lái)闡述。
一、有機(jī)高分子絮凝劑的種類及其在污泥脫水中的應(yīng)用
在污泥脫水中，常用的有機(jī)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(jī)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(yáng)離子型和兩性型。此外，還有它們之間的復(fù)合型，或它們與無(wú)機(jī)絮凝劑的復(fù)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(yáng)離子型
由于污泥由帶負(fù)電荷的離子群組成，陽(yáng)離子絮凝劑可以中和其負(fù)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(chǎn)品。隨著人們對(duì)不同種類的陽(yáng)離子絮凝劑脫水性能的深入研究及實(shí)際應(yīng)用的要求，處理污泥所用的陽(yáng)離子絮凝劑開始由單一的陽(yáng)離子均聚物轉(zhuǎn)向幾種陽(yáng)離子單體的共聚物或它們的復(fù)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(yáng)離子絮凝劑、陽(yáng)離子纖維素衍生物和含季胺基的陽(yáng)離子絮凝劑處理污泥。采用共聚物或復(fù)合絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子基因，吸引負(fù)電荷的能力不同，因此對(duì)帶電量不同的各類污泥粒子都具有較強(qiáng)的吸附架橋作用，從而提高脫水效率。
從產(chǎn)品的劑型來(lái)講，除傳統(tǒng)粉狀和油包水乳液產(chǎn)品，人們又開發(fā)出水包水型陽(yáng)離子乳液。美國(guó)Connors等由芐基氯和二甲基氨基乙基丙烯酰胺反應(yīng)制得的陽(yáng)離子單體中加多元醇的鹽水溶液制備水包水型陽(yáng)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(zhì)中制得水包水型陽(yáng)離子乳液，這類產(chǎn)品應(yīng)用于污泥脫水，具有溶解速度快、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，克服了粉狀溶解性差，乳液產(chǎn)品中油和表面活性劑對(duì)環(huán)境污染的缺點(diǎn)。
1.1.2 兩性型
兩性絮凝劑兼有陰、陽(yáng)離子基團(tuán)的特點(diǎn)，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(duì)不同性質(zhì)、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(guó)內(nèi)外研究的特點(diǎn)。
兩性絮凝劑分子中，含有的陽(yáng)離子基團(tuán)以氨基、亞氨基、季銨基為主，含有的陰離子基團(tuán)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(yáng)離子單體和丙烯酸的兩性共聚物；含叔胺和季銨基的陽(yáng)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(zhì)；陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(chǎn)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(duì)兩性絮凝劑研究的不斷深入，為了提高脫水性能，Mori等對(duì)陽(yáng)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(yáng)離子基團(tuán)的數(shù)目，An為陰離子基團(tuán)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(duì)于剩余污泥具有良好的絮凝脫水性能。
1.1.3 復(fù)合型
由于物質(zhì)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(fù)雜的污泥，于是許多研究人員開始將復(fù)合絮凝劑應(yīng)用于污泥脫水。其優(yōu)點(diǎn)是能發(fā)揮各種絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)，提高脫水性能。
（1）無(wú)機(jī)絮凝劑+兩性聚合物：為了降低兩性有機(jī)高分子絮凝劑的投加量、形成高強(qiáng)度的絮凝體，采用先添加無(wú)機(jī)絮凝劑，通過(guò)電中和作用使污泥脫穩(wěn)，然后加入兩性高分子絮凝劑進(jìn)行脫水。例如：Shigeru提出先添加無(wú)機(jī)絮凝劑，再向pH值為5～8的污泥中添加兩性有機(jī)高分子絮凝劑。后來(lái)，Yasuhiro等研究得出兩性高分子絮凝劑應(yīng)滿足：陽(yáng)離子度與陰離子度比為1.2～2.0。Han等利用丙烯酰胺、陽(yáng)離子單體、陰離子單體、陽(yáng)離子單體聚合物、陽(yáng)離子鹽、無(wú)機(jī)絮凝劑制備了含有無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)絮凝劑與兩性有機(jī)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(yáng)離子型+兩性型聚合物：由于陽(yáng)離子型、兩性型絮凝劑都有較好的脫水效果，為了進(jìn)一步降低投加量，形成高強(qiáng)度的絮凝體，有人采用兩類絮凝劑共用的方法進(jìn)行污泥脫水。例如：Satoru等提出陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)單元與非離子結(jié)構(gòu)單元比大于0.2的陽(yáng)離子絮凝劑和陰離子結(jié)構(gòu)單元與陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)單元之比為0.8～1.5的兩性絮凝劑共用，在兩者的質(zhì)量比為35:65～95:5時(shí)，可降低投加量、改善重力過(guò)濾性能和濾餅含水率。對(duì)于無(wú)機(jī)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(yáng)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(nèi)乙烯基陽(yáng)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(tuán)直徑大（2mm～5mm），濾餅含水率低（53.7%）。Nagoya-shi用先加入無(wú)機(jī)絮凝劑或有機(jī)陽(yáng)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(yáng)離子、兩性聚合物復(fù)合絮凝劑處理污泥，絮凝性能明顯提高，因此陽(yáng)離子-兩性聚合物復(fù)合絮凝劑在污泥脫水中的應(yīng)用越來(lái)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(zhì)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(chǎn)無(wú)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?、纖維素接枝共聚物和多聚糖改性絮凝劑。國(guó)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(yīng)，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(chǎn)成本低，技術(shù)簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)品絮凝性能好，適應(yīng)能力強(qiáng)，是一種理想的無(wú)毒污泥脫水劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。
二、有機(jī)高分子絮凝劑用于污泥脫水的工藝和方法
由于污泥結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，各種絮凝劑的添加順序?qū)γ撍阅苡泻艽笥绊?。近年?lái)，人們將目光轉(zhuǎn)向了脫水方法的研究，美國(guó)、日本等國(guó)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(yáng)離子聚合胺和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺處理污泥。Kenzo將陽(yáng)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(yáng)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(jī)（螺桿壓縮機(jī)）脫水。Haase等 提出來(lái)一種利用季銨類高分子絮凝劑處理化學(xué)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(dú)加入到污泥中。
（4）將季銨化聚丙烯酰胺與陽(yáng)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(duì)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(jié)劑，再加入預(yù)期劑量，調(diào)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(wú)機(jī)絮凝劑（鋁、鐵、鋅鹽）；然后，加入一定量微粒組分（有機(jī)或膠質(zhì)）；隨后，向混合物中加入高分子絮凝劑（陽(yáng)離子、陰離子、非離子）。Niijima等提出了含有樹脂的污水處理過(guò)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(duì)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(fù)電，陽(yáng)離子基團(tuán)更有利于吸附帶負(fù)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(yīng)采用陽(yáng)離子基團(tuán)（或陽(yáng)離子性基團(tuán)）總數(shù)大于陰離子（或陰離子性基團(tuán)）總數(shù)的絮凝劑或混合絮凝劑。在脫水工藝上，應(yīng)先加入含有陽(yáng)離子（或陽(yáng)離子性）基團(tuán)的無(wú)機(jī)或有機(jī)高分子絮凝劑破壞污泥的結(jié)構(gòu)，然后加入分子量較高的有機(jī)高分子絮凝劑（兩性型、陽(yáng)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(dá)到較好的脫水效果。
三、影響污泥脫水性能的因素
有機(jī)高分子絮凝劑的種類對(duì)污泥脫水性能的影響較為顯著，而對(duì)于同種絮凝劑來(lái)說(shuō)，絮凝劑用量、pH值、分子量、陰陽(yáng)離子度對(duì)脫水效果也有較大的影響。其中絮凝劑用量對(duì)脫水效果的影響有關(guān)報(bào)道較多，一般認(rèn)為絮凝劑的用量應(yīng)適中，絮凝劑用量少，不足以使污泥形成絮團(tuán)，脫水效果不好。用量過(guò)大會(huì)起分散作用，絮體不結(jié)實(shí)，不利于脫水。目前，有關(guān)pH值、分子量、陰陽(yáng)離子度等對(duì)絮凝性能的影響有一定的研究，但對(duì)脫水效果影響的研究較少，而對(duì)于污泥處理過(guò)程中采用絮凝劑的種類、分子量、陰陽(yáng)離子度、用量、pH值是必須考慮的問(wèn)題。所以，這方面的研究將是今后脫水處理的主要問(wèn)題。
四、展望
有機(jī)高分子絮凝劑分子量高，陰陽(yáng)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(lái)，雖然研究人員在有機(jī)高分子絮凝劑的應(yīng)用方面取得了很大的進(jìn)展，然而有許多方面還有待研究，為此對(duì)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(chǎn)無(wú)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(xué)改性后可以制成無(wú)毒絮凝劑，這對(duì)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(jìn)一步提高離子度和分子量的基礎(chǔ)上，降低絮凝劑成本。近年來(lái)，污泥產(chǎn)生量的迅速增加促進(jìn)了污泥處理的迅速發(fā)展，對(duì)絮凝劑的要求也越來(lái)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(shí)，針對(duì)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(duì)于某種污泥可能是高效的絮凝劑，而對(duì)于另一種污泥而言可能并不好，所以針對(duì)不同成分的污泥應(yīng)該用不同的絮凝劑來(lái)處理。
（4）進(jìn)一步加強(qiáng)絮凝劑的合成、性能及應(yīng)用關(guān)系的研究，促進(jìn)產(chǎn)品的工業(yè)化。
