两性脱水剂pada的调理对污泥絮体的影响研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 两性脱水剂 PADA 的调理对污泥絮 体的影响研究 摘要：指出了通过对污泥进行调 理可以达到污泥的固液分离，从而实现 强化脱水的目的，是处理污泥常用的技 术手段。研究污泥絮体在调理前后的性 质变化可以更深入地了解污泥调理的机 制。通过使用不同阴阳离子度以及特性 黏数的两性脱水剂 PADA 对污泥进行了 调理，并对其絮体颗粒的物化性质进行 了分析。结果表明：拥有合理的阴阳离 子度与特性黏数的两性脱水剂能够增大 污泥絮体的粒径，并使表面平滑密实； 阴离子基团的加入，使污泥体系的表面 电荷降低，但增加了调理过程中絮体残 留的金属离子；固态胞外聚合物 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 （EPS ）难以通过絮凝方法脱离，但脱 水剂能够最大减少自由态 EPS。此结果 可为絮凝过程、优化调理工艺及提高脱 水性能提供技术基础支撑。 中国论文网 /7/view-12990314.htm 关键词：两性脱水剂；污泥脱水； 絮体；物化性质 中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号： 1674-9944（2017）14-0049-05 1 引言 污泥中含水率超过 95%，因此将 其进行脱水处理能大大降低污泥体积， 从而减少运输与后续处理的成本。传统 方法是通过阳离子高分子有机聚合物进 行预处理，并经离心或板框压滤等方法 去除水分。但是由于现代城市工业化的 发展，污水及其污泥的排放量逐年递增， 并且由于其特性的愈发复杂，传统单一 的高分子脱水剂已经不能满足需求。自 20 世纪 90 年代，两性高分子脱水剂的 提出引起了研究者的广泛关注。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 Zhang3在原有高分子絮凝剂阳离子聚 丙烯酰胺的基础上进行了改进，通过无 水乙酸与三甲胺、环氧氯丙烷进行改性 修饰，得到了两性的脱水剂，其结果表 明在 pH 值较低时（3.0） ，硅藻土悬浮 体仍能表现出优异的絮凝率（100%） 。 而 Kozakiewicz 等46则通过曼尼希 反应引入叔胺或季铵阳离子基团或使用 碱性水解或磺甲基化反应引入羧基或磺 酸阴离子基团，对均聚物聚丙烯酰胺进 行改性，最后制成具有阴阳离子基团共 存的有机高分子聚合物。 除此之外，为了开发高效的污泥 脱水剂，需要对于影响污泥脱水效果的 因素进行分析。在污泥脱水过程中，研 究者发现药剂调理过程可有效改变污泥 絮体的物理化学性质，从而提高脱水性 能。因此，絮体的物理性质，化学成分、 流变特性以及微观形态等因素被研究者 广泛探索7-8。许多研究表明，调理污 泥组成和组分对最终脱水性能至关重要 9，10，但有关两性聚合物脱水剂调理 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 下污泥结构特性的研究目前不足，脱水 剂的阴阳离子度、分子量、用量都将直 接影响污泥的物理化学性质，最终导致 不同的絮凝效果11 。 本研究采用丙烯酰胺（AM） 、丙 烯酰氧基乙基三甲基氯化铵（DAC）和 2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸（AMPS ） 作为原料，以过硫酸铵-亚硫酸氢钠为 氧化还原引发剂和 2，2-偶氮（2-脒基 丙烷）二盐酸盐作为偶氮引发剂，制备 了自由基三元共聚水溶液反应制备两性 有机聚合物脱水剂 PADA。在调理过程 中，研究污泥絮体的形态结构和物理化 学性质，为絮凝过程、优化调理工艺及 提高脱水性能提供技术基础支撑。 2 实验部分 2.1 实验仪器与试剂 两性污泥脱水剂 PADA 制备：称 量一定量的 DAC（丙烯酰氧基乙基三 甲基氯化铵） ，AMPS（2-丙烯酰氨基-2- 甲基丙磺酸）和 AM（丙烯酰胺） ，用 蒸馏水配制成浓度为 10%的水溶液，均 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 匀混合；用 NaOH 或 HCl 溶液将体系的 pH 值调节至 6，倒入装有冷凝装置的三 颈烧瓶，搅拌 150 r/min，反应在 50 进行 4h。冷却后，产物为胶体形式，在 过量的乙醇溶液中沉淀并除去未反应的 丙烯酰胺；将产物真空干燥，粉碎，并 储存在干燥器中。在制备过程中，调整 不同单体比例，得到不同性质的 PADA（表 1） 。 主要实验仪器见表 2。 2.2 实验方法 2.2.1 粒径分布 根据 Image Pro Plus 6.0 软件分析 几何参数，通过统计分析得到污泥颗粒 的投影面积、周长和长轴、中值粒径、 平均粒径和几何平均粒径。 2.2.2 污泥絮体扫描电镜分析 首先用 4.0%戊二醛固定污泥样 品，在 4下固定 4 h 以上。磷酸盐样 品用磷酸盐缓冲液洗涤 3 次，每次 10 min。将样品在二氧化碳临界点干燥。 真空干燥后，通过扫描电子显微镜在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 20的温度和 43%的相对湿度下观察形 态12。 2.2.3 物理性质 通过胶体滴定法测定胶体颗粒的 表面电荷密度。通过搅拌方法对污泥进 行剪切。根据图像采集和软件分析，测 定剪切前后污泥的粒径。根据测量的粒 度分析，污泥絮体的稳定性（絮体强度） ，污泥的稳定值越低越容易断裂破坏， 公式如下： 2.2.4 EPS 测定 污泥的溶解态和结合态胞外聚合 物（EPS ）采用离心和热提取方法测定。 步骤如下：取 25 mL 污泥，以 12000 r/min 离心 10 min。将收集的上清液通 过 0.45 m 滤膜过滤，得到溶液即槿 芙馓胞外聚合物中。将沉淀物用 Tris 缓冲液（pH 值为 7.000.5）稀释至原始 体积（25 mL） ，并置于恒温水浴 （800.5）中加热 10 min，然后 12000 r/min 离心 10 min，收集上清液后 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 用 0.45 m 滤膜过滤，溶液得到结合态 胞外聚合物。多糖含量用蒽酮比色法， 蛋白质的测定采用考马斯亮兰法测定 12。 2.2.5 金属测定 准确称量污泥絮体量，加入体积 校正的硼硅酸盐锥形烧瓶中，加入少量 沸石，先用水浸湿样品，然后加入浓 HNO3，待放热反应结束后回流 15 min；取出烧瓶冷却，加水至校准体积， 摇匀，放置 12 h 后，用电感耦合等离子 光谱仪测定。 3 实验结果与讨论 3.1 PADA 特性对污泥絮体粒径 的影响 如图 1 所示，加入阴离子单体修 饰后的脱水剂有助于提高调理后絮体的 尺寸，污泥絮体成大颗粒块状结构。表 3 证明，PADA-1、PADA-2、PADA-3 的污泥絮体的中值粒径明显增大，这是 因为阴离子 AMPS 单体的引入使高分子 聚合的亲水性提高，在絮凝过程中更容 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 易在污泥体系中伸展，增加了捕获颗粒 的位点。同时两性电荷使得分子链也具 有排斥性，絮凝过程不容易相互摆脱。 但是过高的阴离子电荷会影响絮凝本身 的电性中和作用，因此，PADA-4 处理 后的污泥粒径有所减小。除此之外， PADA-4 的等电点与污泥的原始 pH 值 相近，这极易导致两性高分子聚合物内 部生成盐键，从而导致絮凝效率的下降。 由于污泥调理的主要作用是高分子絮凝 剂的阳离子电荷与污泥颗粒阴离子电荷 之间的电性中和作用，因此缺乏电荷中 和效应的阴离子高分子 PADA-5 的絮凝 效果较差，仅有的絮凝作用可能是由于 架桥作用引起。mPADA 的分子量较小， 因此分子链上的吸附位点较少，使其与 污泥颗粒絮体的结合能力受限，因此絮 凝效果不佳。 3.2 PADA 特性 勰嘈跆灞砻嫘蚊驳挠跋 图 2 与图 3 分别为污泥絮体的表 面 SEM 图与调理后污泥的比表面积与 孔体积。从中可以看出，合理阴阳离子 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 度的脱水剂（PADA-1、PADA- 2、PADA-3）能够极大地增强絮体的结 合程度，使其絮体的表面更加光滑、结 构更密实。其中 PADA-3 调理后的絮体， 其比表面积低于 80m2/g，孔体积低于 0.1cm3/g 都优于其他药剂调理后的絮体。 进一步增加脱水剂中阴离子基团，会使 污泥颗粒之间由于过高的电性斥力而使 絮体发生膨胀，因此会影响脱水剂的调 理效果。小分子量的 PADA 由于分子链 的长度限制，影响了阴阳离子基团的协 同功效，并且不利于高分子链的卷扫架 桥作用，因此 mPADA 处理后的絮体形 貌同样较松散。 3.3 PADA 特性对于絮体的物理 特性的影响 较小的絮体稳定值表明絮体在破 碎前后的粒度差别很大，因此稳定性低。 一般来说越大的絮体，其稳定性越差， 从 PADA-1 至 PADA-4 可以看出，其絮 体受到的剪切力影响都非常明显。相比 之下，PADA3 具有最高的稳定性，与 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 絮体的密实性较大有关。PADA-5 和 mPADA 絮体的粒径小，受小剪切的影 响，所以稳定性相对较高。絮体的表面 电荷的改变，说明了体系受到了电中性 的影响，其中脱水剂的电荷改性与污泥 体系的表面电荷密切相关。从图 4 中可 以看出，阳离子电荷最大的 PADA-1 调 理的污泥表面电荷接近 0，而 PADA-2 至 PADA-4 相接近。PADA-5 基本没有 改变污泥表面电荷，而 mPADA 同样影 响较小，这与污泥颗粒的接触几率较少 有关（图 4） 。 3.4 PADA 特性对于絮体化学特 性的影响（EPS） 胞外聚合物（EPS）是污泥的重 要组成部分，主要成分为蛋白质，多糖， 其与污泥颗粒的吸附形式不同而分为自 由态和固定态。在研究自由态 EPS 发现， PADA-1 至 PADA-3 处理后的污泥絮体 的自由态 EPS 较少，可能是由于自由态 多糖或蛋白含有大量羟基，羧基，氨基 或亚氨基可以容易地与 PADA 上的酰胺 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 基，季铵基和磺酸根反应形成离子键， 氢键或范德华力等。被捕获后的自由态 EPS 通过架桥作用被脱附至滤液中。通 过 PADA-4、PADA-5，mPADA 可以看 出，EPS 的去除效果与脱水剂的调理性 能呈正相关（图 5） 。 结合态 EPS 和污泥表面有很强的 吸附力，仅通过絮凝处理效果变化不大， 可以看到通过任何脱水剂的处理，结合 态蛋白质保持在 2325 mg/g，多糖约 1622 mg/g。 3.5 PADA 特性对于污泥絮体化 学特性的影响（Al、Fe） 在两性脱水剂的絮凝机理中，阴 离子对于高分子脱水剂的修饰使其部分 位点具有负电荷，因此可与金属阳离子 相吸附。由图 6 可以看出，阴离子基团 修饰过得 PADA1 至 PADA4 都有较明 显的金属结合功能。相对来说，PADA5 和 mPADA 对金属离子富集效应差，这 与其调理性能较差有关。 3.6 PADA 对污泥颗粒推测的絮 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 凝过程 根据 PADA 的结构特征与絮凝剂 的结合关系以及对最终脱水效率的影响， 提出了两性有机高分子脱水剂 PADA 的 絮凝过程和机理模型（图 7） 。 （1）由于 AMPS 单体磺酸基的 亲水作用，PADA 具有较好的水溶性， 使其在污泥体系中充分舒展。 （2）PADA 的两性结构能够增 强电性中和作用，有助于粒子的脱稳， 从而导致其分子链能够在污泥体系中渗 透。同时，阴离子基团与污泥表面负电 荷能够相互排斥有助于分子链的进一步 延伸。 （3）PADA 的阳离子基团能够 与污泥通过电性中和而连接，同时负电 荷基团也能够与金属氧化物或金属离子 进行连接。可溶性有机物能够被吸附同 时无机物的沉淀速度也有所增加。 （4）PADA 的功能性基团吸附 到颗粒表面，使其颗粒之间相互集中、 紧密相连，使絮体形成聚集体，同时挤 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-