高分子污泥脫水絮凝劑的研究進展
行業(yè)動態(tài)
隨著我國污水處理產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以及污水處理能力的迅猛增長，污泥的產(chǎn)量也隨之迅速增加。2020年，城鎮(zhèn)污水處理廠的剩余污泥（以含水率80%計）總產(chǎn)量將超過6000萬噸。污泥是城市廢水處理后的終端產(chǎn)物，含有大量病菌、金屬等有害物質(zhì)，并且顆粒小、有機物質(zhì)含量高、含水率高，使得污泥處理處置問題引起人們廣泛關(guān)注。
污泥處理方法主要是濃縮、脫水、干化等工藝，污泥處置的方法主要是填埋、土地利用、焚燒等工藝，而污泥處理的效果會影響到污泥的處置，所以污泥的處理問題是急需解決的。污泥處理的目的主要是對污泥進行減量、減容以及無害化。目前，國內(nèi)外采用的污泥處理方法主要是污泥脫水，所占比率達70%以上。
污泥脫水就是將污泥的含水率降低到80%（我國“十二五”規(guī)劃規(guī)定城市污水處理廠污泥含水率必須低60%才能外運）以下，這樣便于污泥的處置與利用。在污泥脫水前需要對污泥進行污泥調(diào)理，從而改善污泥的脫水性能，調(diào)理后的污泥，其脫水壓力大大減小，脫水后的污泥含水率大大降低。污泥調(diào)理的方法有：物理、化學和物理化學三種?；瘜W調(diào)理就是向污泥中投加各種脫水絮凝劑，使污泥中細小顆粒形成大的絮凝體并釋放吸附水，從而提高污泥脫水性能。一種良好的污泥脫水絮凝劑，須在提高污泥脫水性能狀況下，不造成環(huán)境的二次污染，不增加污泥的容積與重量。因此，污泥脫水絮凝劑的研究與發(fā)展是很值得關(guān)注的。
1 脫水絮凝劑的發(fā)展
隨著科技的發(fā)展，脫水絮凝劑的種類也日益增多。目前，應用比較廣泛的主要有無機高分子污泥脫水絮凝劑、有機合成高分子污泥脫水絮凝劑、無機-有機高分子污泥脫水絮凝劑以及天然高分子改性污泥脫水絮凝劑。
1.1 無機高分子脫水絮凝劑
一般無機高分子絮凝劑主要以聚合鋁鹽、聚合鐵鹽為主，主要是通過吸附電中和、網(wǎng)捕和卷掃作用，使污泥細小顆粒形成大的絮凝體并釋放吸附水，從而提高污泥脫水性能。20世紀60年代，無機高分子絮凝劑因具有沉降速度快、用量少、效果好、適用范圍廣等優(yōu)點，就發(fā)展成為一種新型絮凝劑，并在全世界取得迅速的發(fā)展。
無機高分子絮凝劑可分為陽離子型、陰離子型和復合型三大類。陽離子型無機高分子絮凝劑主要包括聚合鋁鹽和聚合鐵鹽兩大類，如聚合氯化鋁（PAC）、聚合氯化鐵（PFC）等，至今仍備受關(guān)注。使用聚合氯化鋁進行污泥脫水實驗，通過濁度和毛細吸水時間的性能測定，確定其較佳的投加量，并研究提高污泥調(diào)理效果的問題。陰離子型無機高分子絮凝劑主要指活性硅酸絮凝劑，在用酸溶解的水玻璃中加入一定量的鐵、鋁，加水稀釋至一定的濃度，充分攪拌后靜置陳化一段時間，制得活性硅酸絮凝劑。實驗證明，pH值在8以上，投加量在40～50mg/L的條件下，其脫水絮凝效果比一般的無機絮凝劑要好。復合型無機高分子絮凝劑主要是硅鋁、硅鐵和硅鐵鋁的聚合，如聚合硅酸硫酸鋁（PASS）絮凝劑，日本率先開展了對此絮凝劑制備的研究，我國在復合型無機絮凝劑方面也做了大量的研究。
無機高分子絮凝劑雖然處理效果較好，但生成的絮凝體沒有有機高分子絮凝劑生成的大，污泥顆粒釋放的水分也就少，脫水效果也就沒有有機高分子絮凝劑的好，而且單獨使用時投加的量大。因此，有機高分子絮凝劑也就逐步發(fā)展起來。
1.2 有機合成高分子脫水絮凝劑
有機合成高分子污泥脫水劑的相對分子質(zhì)量較大，根據(jù)離子帶電荷的特性分為非離子型、陰離子型、陽離子型和兩性四大類。較典型、應用較廣的有機合成高分子絮凝劑就是聚丙烯酰胺（PAM），在有機合成高分子絮凝劑中用量達80%以上。PAM根據(jù)離子特性可分為陽離子型、陰離子型以及兩性型。
1.2.1 陽離子型PAM
陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）是由丙烯酰胺與陽離子單體共聚合成的，對有機物和無機物都有很好的處理效果，對污泥調(diào)理進行后，有利于顆粒的沉降和過濾脫水，提高了污泥的脫水性能。常用的陽離子單體有二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）、甲基丙烯酰胺氧乙基三甲基氯化銨為共聚單體得到陽離子型高分子絮凝劑（PAM-DMC），在陽離子度大于52%時，對染料廢水的脫色處理效果較好。以丙烯酰胺（AM）、DMC以及二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）為原料，水溶性偶氮化合物為引發(fā)劑，合成了三元共聚陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑，水溶性極好，用模擬煤泥水進行試驗研究，表明當投加量為10mg/L時，處理25min后濁度低，絮凝效果好。
1.2.2 陰離子型PAM
在污泥脫水中，陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）絮凝劑的調(diào)理效果沒有CPAM好，而且應用范圍限制大，對陰離子型絮凝劑的研究較少。但是由于APAM大都用于石油化工、采油等，加上我國石油行業(yè)發(fā)展迅速，這就加大了APAM的需求量，因此，陰離子有機合成高分子絮凝劑仍在研究中。用陰離子型聚丙烯酰胺AN934PWG作為污泥脫水調(diào)理劑并與陽離子型PAM進行比較，試驗中投加率在0.077%～0.617%，結(jié)果發(fā)現(xiàn)藥劑存在一個投加范圍，超過投加量時，污泥脫水性能反而下降，當陰離子型PAM投加率在0.31%時，而陽離子型PAM的投加率要在0.634%時，兩者的污泥比阻低，由此得出陰離子型的脫水效果要好。
1.2.3 兩性型PAM
由于陰、陽離子型高分子絮凝劑使用范圍受限制，兩性型有機合成高分子絮凝劑可能有逐漸取代二者的趨勢。兩性型有機合成高分子絮凝劑就是指在高分子鏈節(jié)上同時擁有正、負電荷基團的高分子化合物，適用于陰、陽離子共存的污水處理中。在污泥脫水處理中，兩性型絮凝劑通過電性中和、吸附架橋以及分子間的網(wǎng)捕作用，使處理的污泥顆粒變得粗大，提高了污泥的脫水性能。采用丙烯酰胺（AM）、二甲基二烯丙基氧化胺（DMDAAC）和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸（AMPS）作為單體原料，以過硫酸銨（APS）-亞硫酸氫鈉氧化還原體系為引發(fā)劑，并且當n（AM）：n（AMPS）：n（DMDAAC）=8:1:1，單體質(zhì)量分數(shù)為30%，反應溫度為50℃時，合成出的兩性共聚物的熱穩(wěn)定性比PAM好，對于洗煤水的凈化、污泥脫水等具有良好的效果。以陰離子或非離子聚丙烯酰胺、甲醛、有機胺、亞硫酸氫鈉、新鮮水原料，加以少量助劑，一定溫度下，通過改性合成FY高效兩性污泥脫水劑，對石油、化工行業(yè)的污泥脫水具有良好的效果，一般的投加量在3～1000μg/g，處理后的濾液COD基本低于2000mg/L，油含量在1000mg/L。
無機與有機高分子脫水絮凝劑對于特定的污水污泥有很好的處理效果，但仍存在一定的限制，其中重要的限制就是它們處理的對象比較單一，為此，就有無機-有機復合型脫水絮凝劑的研究。
1.3 無機-有機復合型高分子脫水絮凝劑
無機-有機高分子復合絮凝劑在某種程度上可以認為是無機絮凝劑和有機絮凝劑的分子在一定條件下的協(xié)同作用，以達到絮凝增效的目的。無機高分子絮凝劑與有機高分子絮凝劑單獨使用時，都存在使用范圍的限制。無機高分子絮凝劑是對膠體脫穩(wěn)凝聚，實現(xiàn)固液分離，但是投加量大，處理效果不是很好；有機高分子絮凝劑的絮凝效果雖然較好，但是濾餅的含水率較高。但兩者結(jié)合使用則可以增大使用范圍，脫水效果也會有所提高。
目前，污泥脫水中用得較多的無機高分子絮凝劑是聚合氯化鋁（PAC），但其穩(wěn)定性差，沉淀速度慢。若將其與有機高分子絮凝劑結(jié)合使用，可以改善絮凝劑的穩(wěn)定性，加大污泥的脫水性能。利用正交實驗，對單獨使用PAC、PAM和兩者結(jié)合使用處理濃縮污泥進行對比研究，結(jié)果表明，PAC、PAM用量分別為240mg/L，60mg/L，且投加方式為先加PAC，攪拌后再加PAM，污泥脫水效果比單獨使用要好，形成的泥餅含固率22%，且藥劑費用比單獨使用PAM更經(jīng)濟。復合型絮凝劑的脫水效果能達到一定的滿意程度，因此，這種復合型絮凝劑的研究仍是可以推廣的。
1.4 天然高分子改性脫水絮凝劑
天然有機高分子分布廣，來源豐富，價格低廉，活性基團多，又具有高效、無毒、安全、易生化分解，不造成環(huán)境的二次污染的特點，應用前景非常廣泛。目前，天然有機高分子絮凝劑主要是以天然高分子物質(zhì)為原料經(jīng)化學改性后得到的。常用的改性原料有可溶性淀粉、木質(zhì)素、甲殼素/殼聚糖等。
1.4.1 淀粉類脫水絮凝劑
淀粉是一種豐富的有機資源，屬于高分子碳水化合物，具有許多直鏈和支鏈結(jié)構(gòu)以及羧基，本身就具有絮凝沉降性能。經(jīng)過改性的淀粉，對污泥中的懸浮體和顆粒的絮凝作用更強，從而可以提高污泥的脫水性能。以玉米淀粉與丙烯酰胺為主要原材料，在硝酸鈰銨引發(fā)下制得綠色天然有機高分子絮凝劑，對油田含油廢水進行絮凝性能測定，結(jié)果表明投加量為3mL，pH為7時絮凝效果佳。以玉米淀粉為原料，3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨作為陽離子醚化劑，采用預干燥干法紙杯季銨型陽離子淀粉絮凝劑，并對高色值糖蜜酒精廢液進行絮凝脫色性能測定，結(jié)果表明當原液初始pH值為9.0，淀粉質(zhì)量濃度為500mg/L時，脫色率達53.6%，絮凝脫色效果較好。在處理焦煤懸浮液實驗時，對淀粉接枝丙烯酰胺共聚物和支鏈淀粉接枝丙烯酰胺共聚物進行對比，發(fā)現(xiàn)前者的處理效果優(yōu)于后者。以自制的陽離子淀粉醚St-GTA和陽離子單體甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）為原料，合成了三元陽離子淀粉絮凝劑St-GTA-g-DMC，絮凝劑粘度為0.82dL/g，取代度為1.087，應用于2%高嶺土溶液，在加藥質(zhì)量濃度為5mg/L時，絮凝效果較好。
1.4.2 木質(zhì)素類脫水絮凝劑
木質(zhì)素是植物細胞中一種復雜的芳香族化合物，分子含有不同種類的活性官能團，具有可再生、可降解、無毒等特點，是改性原料的選擇之一，吸附能力強，能帶來良好的經(jīng)濟效益，至今仍備受關(guān)注。改性木質(zhì)素的研究，大都用來處理印染廢水的脫色與吸附。用季銨鹽單體和季銨化木質(zhì)素在溫度50℃下，反應4h后接枝共聚制得改性季銨鹽木質(zhì)素，處理印染廢水效果好，脫色率高，且能增大污泥脫水性能。以造紙黑液中的木質(zhì)素為原料，合成了二甲基烯丙基木質(zhì)素季銨鹽（DL）絮凝劑，并測定了木質(zhì)素二甲基烯丙基季銨鹽對酸性黑ATT的絮凝性能，溫度為30℃，在pH值=1.5的條件下，具有良好的絮凝脫色效果。以酶解木質(zhì)素、甲醛、二甲胺以及陽離子試劑為原料，制備木質(zhì)素基陽離子絮凝劑，在70℃下縮合2h，制得的絮凝劑陽離子度高，當投加量分別為35、35、50mg/L時，絮凝劑對酸性黑10B、直接紅2B、活性紅X-3B三種染料廢水的絮凝脫色效率均超過95%，具有很好的絮凝性能。在160℃熱水條件下，從硬木中提取并分離出木質(zhì)素，通過光分散和微量電泳法進行分離和改性，制備出納米級陽離子性木質(zhì)素高分子絮凝劑，對印染廢水的絮凝效果達90%以上，效果良好。由此可看出，處理印染廢水時，木質(zhì)素類絮凝劑是一個很好的選擇。
1.4.3 甲殼素類脫水絮凝劑
甲殼素是一種天然生物多糖高分子材料，其基本結(jié)構(gòu)與纖維素類似，在自然界存在豐富。主要是從蝦殼、蝦頭里提取制備，因其重復的單元體中有乙?；虬被云浠瘜W性質(zhì)較為活潑，具有的生物官能性和相容性、安全性、微生物降解性等優(yōu)良性能，并對污泥有很好的調(diào)理作用。作為一種天然資源，在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、水處理等行業(yè)都有著廣泛的應用前景。
用殼聚糖對厭氧消化污泥進行脫水處理試驗，發(fā)現(xiàn)污泥脫水時，加入殼聚糖后，離心分離出來的懸浮固體量（以污泥中懸浮固體含量計）明顯升高，表明殼聚糖具有脫水性能。通過席夫堿反應得到多種殼聚糖季銨鹽，發(fā)現(xiàn)在乙酸緩沖溶液中，季銨化殼聚糖的抗菌活性比殼聚糖強，并且具有一定的脫水性能。通過將殼聚糖與陽離子劑（二甲基二烯丙基氯化銨）接枝共聚改性來改善絮凝效果，以硫酸鈰為引發(fā)劑，水溶液聚合法合成陽離子型殼聚糖絮凝劑（chitosan-g-PDMDAAC）。與在污泥、污水處理中常用的絮凝劑CPAM、PAM、PAC進行絮凝效果比較，結(jié)果表明，陽離子型殼聚糖絮凝劑的絮凝效果優(yōu)于其它幾種絮凝劑，污泥含水率能從95%以上降至濾餅含水率為68%左右。合成出殼聚糖接枝聚丙烯酰胺絮凝劑共聚物，測試出共聚物對高嶺土懸濁液有良好的絮凝效果。通過殼聚糖的氨基與甲醛和酚類物質(zhì)的曼尼希反應引入硫酸根基團，制備的兩性殼聚糖衍生物，對高嶺土懸浮液有良好的絮凝效果。由此可見，改性后的殼聚糖絮凝劑均有良好的絮凝效果，是污泥脫水絮凝劑的一個發(fā)展方向。
2 發(fā)展趨勢
隨著治理環(huán)境要求的不斷提高，污泥年產(chǎn)量的增加，污泥調(diào)理中所用的化學試劑也需不斷地發(fā)展與創(chuàng)新，以達到滿足污泥處理的效果的目的。日前，污泥脫水劑的總發(fā)展趨勢是：減少無機絮凝劑的使用量，減少對環(huán)境的二次污染，具有無毒，易于生物降解等特點，能很好的提高污泥的脫水性能。
隨著人們對環(huán)境的要求提高，絮凝劑的研究也需同步改變與發(fā)展。天然高分子脫水絮凝劑對環(huán)境不造成二次污染，無毒，易被微生物分解，原料來源廣泛，價格低廉，是研究絮凝劑的原材料選擇。相信通過不斷地深入研究，生產(chǎn)工藝的不斷完善，可生產(chǎn)出高效率、無污染、價格低廉的高分子絮凝劑，促使天然高分子絮凝劑在水處理方面以及污泥脫水方面發(fā)揮其作用。
