（分析化学专业论文）cpam污泥脱水絮凝剂的制备、性能及机理研究.pdf

m s c d i s s e r t a t i o no fc h o n g q i n gu n i v e r s i t y s t u d y o ns y n t h e s i sa n d p r o p e r t i e sa n d m e c h a n i s mo f s l u d g ed e w a t e r i n g f l o c c u l a n tc p a m m s c c a n d i d a t e ：l i uh o n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n gh u a i l i m a jo r ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r y c o l l e g eo fc h e m i s t r ya n d c h e m i c a l e n g i n e e r i n g c h o n g q i n gu n i v e r s i t y a p r i l2 0 0 7 中文摘要 摘要 在工业废水和生活污水的处理过程中，会产生大量的污泥。污泥中水分含量 高达9 5 - - 9 7 ，导致污泥有巨大的容积，这给污泥的后续处理带来很大的困难。 但由于污泥颗粒细小、很不均匀，带负电荷，颗粒之间相互排斥、比较稳定，颗 粒与水的结合力很强。因而，污泥比阻值较大，脱水性能较差，从而给它的处理 和处置带来了很多问题。而用有机高分子污泥脱水絮凝剂对污泥进行预处理，因 为操作简单、效果好而成为比较常用的方法，它能提高污泥的脱水性能，在随后 的机械脱水中更好的脱水。 全文研究内容主要结论如下： ( 1 ) 本文在研究了大量国内外文献及一些探索试验后，采用复合引发体系， 在一定条件下引发丙烯酰胺与阳离子单体d a c 在水溶液中进行自由基共聚合反 应，制备阳离子污泥脱水絮凝剂c p a m 。 实验用单因素法考查了体系p h 值、单体总浓度、单体摩尔比、引发剂用量、 复合引发剂配比、初始引发温度、反应时间等条件对聚合反应的影响，确定了较 优的制备工艺条件。试验结果如下：用缓冲溶液控制体系p h 值为7 ：单体总浓度为 2 0 ；丙烯酰胺与d a c 的摩尔比为6 ：1 ；引发剂总浓度为0 1 2 5 ；复合引发剂i l 与1 2 质量比为3 ：1 ；初始引发温度为3 5 0 c ；反应时间为5 h 。在此优化聚合条件下，合成 了分子量高达3 3 0 万、阳离子度为2 0 - - 3 0 的阳离子聚丙烯酰胺。 成本分析表明，自制产物成本1 吨为1 7 8 2 0 元；与市场上同类产品相比，1 吨节省了1 4 1 8 0 元。 ( 2 ) 将自制c p a m 用于重庆某城市污水厂浓缩池污泥，进行絮凝脱水。试 验结果如下：当干粉质量浓度为0 3 2 5 - - 0 4 8 、投加量为湿泥总量的0 0 1 - - 0 0 2 、污泥p h 值为4 5 8 0 时，对污泥的调质效果较好，上清液浊度去除率高 达9 6 、色度去除率高达9 3 、滤饼含水率降低至6 8 。此外，还研究了c p a m 的阳离子度、粘均分子量以及环境温度对脱水效果的影响。试验结果如下：不是 阳离子度越高、分子量越大，对泥水分离的效果就越好，它有一个适当的范围； 温度过低，处理效果明显变差，因此冬季应该重视污泥输送系统的保温环节。 处理费用分析表明，处理1 吨干泥需要的自制干粉费用为1 0 6 4 元，与污水 厂目前处理费用相比，1 吨节省了5 3 6 元。 ( 3 ) 研究了c p a m 对污泥的絮凝脱水机理。实验结果表明：絮凝剂与污泥颗 粒作用不仅仅是压缩双电层和电中和作用，吸附架桥作用也是不可忽视的作用机 理。吸附量实验中证明c p a m 的吸附等温线属“s ”型。 重庆大学硕士学位论文 键词：丙烯酰胺，共聚，污泥脱水，脱水机理 英文摘要 a b s t r a c t t h e mi sa na m o u n to fs l u d g ep r o d u c e di nt h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n dd o m e s t i c s e w a g et r e a t m e n t h o w e v e r , t h es l u d g ec o n t a i n sl a r g ep r o p o r t i o no fw 撕，a b o u t9 5 - - 9 7 ，w h i c he n l a r g e st h ev o l u m eo ft h es e w a g ea n db r i n g st o om u c ht r o u b l ei nt h e p r o c e s so ft r e a t i n gt h es l u d g e f o rt h es l u d g ep a r t i c l e sa r et i n y ，d i s t r i b u t e du n e v e n l y ， n e g a t i v ee l e c t r i cc h a r g e d ，e x c l u s i v ef r o me a c ho t h e r , s t e a d y ，s t r o n gc o m b i n a t i o na b i l i t y 、) i ，i n lw a t e r , s ot h es p e c i f i cr e s i s t a n c ei sl a r g ea n dt h ep e r f o r m a n c eo fd e w a t e r i n gi sa l i t t l ew e a k , w h i c hb r i n g sg r e a tt r o u b l ei np r o c e s s i n ga n dt r e a t m e n to ft h es l u d g e c o n s e q u e n t l y e m p l o y i n gt h eo r g a n i cm a c r o m o l e c u l ef l o c c u l a n t st op r e t r e a tt h es l u d g e ， w h i c hi sa s i m p l eb u te f f e c t i v em e t h o da p p l i e dw i d e l y ，c a ng r e a t l yi n c r e a s et h es l u d g e d e w a t e r i n ga b i l i t ya n dt h e nm a k et h es l u d g el o s eag r e a td e a lo fl i q u i di nt h es u b s e q u e n t m e c h a n i c a ld e w a t e r i n gp r o c e s s 刃摇m a i nr e s u l t so ft h i st h e s i sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h et h e s i s ，a f t e rr e a d i n gm a n yb o o k sa n dd o i n gs e v e r a li n i t i a le x p e r i m e n t s ，a c a t i o n i cs l u d g ed e w a t e r i n gf l o c c u l a n tw a ss y n t h e s i z e db ym e a n so ff r e er a d i c a l c o p o l y m e r i z a t i o no fa c r y l a m i d ea n dc a t i o n i cm o n o m e r n a m e dd a ci na q u e o u ss o l u t i o n b yu s i n gc o m p l e x i n i t i a t o r t h ei n f l u e n c eo fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so nt h ef r e er a d i c a lc o p o l y m e r i z a t i o ni n a q u e o u ss o l u t i o n , i n c l u d i n gp hv a l u e ，t h e c o n c e n t r a t i o no fm o n o m e r s ，t h em o l d i s t r i b u t i o nr a t i oo fm o n o m e r s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fi n i t i a t o r s ，t h ed i s t r i b u t i o no f i n i t i a t o r s ，i n i t i a t i n gt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，w e r es t u d i e d n l eo p t i m u mc o n d i t i o n so f c o p o l y m e r i z a t i o nw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ：p hv a l u ei s7 ( c o n t r o l l e db yb u f f e rs o l u t i o n ) ， t h ec o n c e n t r a t i o no fm o n o m e r si s2 0 ，t h et o o ld i s t r i b u t i o nr a t i ot oa ma n dd a ci s6 ：1 ， t h ec o n c e n t r a t i o no fi n i t i a t o r si s0 12 5 ，t h em a s sr a t i ot oc o m p l e xi n i t i a t o ri la n d1 2i s 3 ：1 ，i n i t i a t i n gt e m p e r a t u r e i s3 5 0 ca n dr e a c t i o nt i m ei s5h o u r s 1 1 1 ec a t i o n i c p o l y a c r y l a m i d ew a so b t a i n e db yu s i n gt h i sp r o c e s s ，谢mm o l e c u l a rw e i g h t3m i l l i o na n d c a t i o n i cd e g r e eb e i n ga d j u s t e df r o m 2 0 t o3 0 ，n 圮a n a l y s i so fp r o d u c t i o nc o s tr e v e a l st h a tt h ec o s to fh o m e m a d ep r o d u c ti s 17 8 2 0y u a n p e rt o na n d14 18 0y u a np e rt o ni ss a v e dc o m p a r e dw i t hs i m i l a rp r o d u c t s a v a i l a b l ei nt h em a r k e t ( 2 ) m f l o c c u l a t i o np e r f o r m a n c eo fh o m e - m a d ec p a mw a ss t u d i e df o rs l u d g ei n c o n d e n s ep o o lo fas e w a g ep l a n ti nt h ec i t yo fc h o n g q i n g ，c h i n a w h e nt h eq u a l i t y n i 重庆大学硕士学位论文 c o n c e n t r a t i o no fc p a mi s0 3 2 5 - 0 4 8 ，t h ea d d i n gq u a l i t yi s0 0 1 - 0 0 2 ，p h v a l u eo fs l u d g ei s4 5 8 0 ，c p a mh a st h ei d e a lt r e a t m e n te f f e c t s u n d e rt h eo p t i m u m c o n d i t i o n s ，t h et u r b i d i t yr e m o v a lf o ru p p e rc l e a nl i q u i di sm o r et h a n9 6 ，t h ec o l o u r i t y r e m o v a lf o ru p p e rc l e a nl i q u i di so v e r9 3 a n dt h ew a t e rc o n t e n tf o rp r e s sc a k ei s d e c r e a s i n gt o6 8 i na d d i t i o n , t h ee f f e c t so fc a t i o n i cd e g r e e ，m o l e c u l a rw e i g h ta n d e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r eo ns l u d g ed e w a t e r i n gw e r ea l s or e s e a r c h e d t h er e s u l t s r e v e a l e dt h a tt h es e p a r a t i o ne f f e c to fs l u d g ep a r t i c l ea n dw a t e ri sn o tb e t t e re v e nw i t h e x c e s s i v ec a t i o n i cd e g r e ea n dm o l e c u l a rw e i g h t t h et r e a t m e n te f f e c ti sw o r s ew h e n t h ee n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e i sl o w e r e dt o c e r t a i n d e g r e e t h e r e f o r e ，b e a t p r e s e r v a t i o no f t r a n s f e rs y s t e mf o rs l u d g es h o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o ni nw i n t e r t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h ed e w a t e r i n ga b i l i t yo fh o m e - m a d e c p a mi si n f e r i o rt o t h e i m p o r t e ds i m i l a rp r o d u c t s b u t i ti s s t i l le c o n o m i c a l c o n s i d e r i n gt h et r e a t m e n tc o s t t h ea n a l y s i so fp r o d u c t i o nc o s tr e v e a l e dt h a tt h ec o s to f h o m e - m a d ep r o d u c ti s10 6 4y u a np e rt o n ，t h u s5 3 6y u a np e rt o ni ss a v e dc o m p a r e d 、析t ht r e a t m e n tc o s to f s e w a g ep l a n ta tp r e s e n t ( 3 ) t h em e c h a n i s mo fd e w a t e r i n ga n df l o c c u l a n to fc p a mf o rs l u d g ew e r ea l s o s t u d i e di nt h i st h e s i s t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tr e v e a l e dt h a tt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nf l o c c u l a n ta n ds l u d g ep a r t i c l ei sn o to n l yc o m p r e s s i n gd o u b l ee l e c t r o f o r ma n d c h a r g en e u t r a l i z a t i o ne f f e c t , b u ta l s ot h ea d s o r p t i o nb r i d g ee f f e c t t h ee x p e r i m e n to f a b s o r p t i v ec a p a c i t yi n d i c a t e dt h a ta d s o r p t i o ni s o t h e r mc u r v eo fc p a m i sss h a p e k e y w o r d s ：a c r y l a m i d e ，c o p o l y m e r i z a t i o n , s l u d g ed e w a t e r i n g ，d e w a t e r i n gm e c h a n i s m i v 目录 目录 中文摘要- i 英文摘要i i i 1 引言1 1 1 污泥处理现状l 1 2 污泥的性质”2 1 3 絮凝剂调质污泥的机理2 1 4 污泥脱水絮凝剂的研究开发现状3 1 4 1 合成型有机高分子污泥脱水絮凝剂”3 1 4 2 天然高分子改性污泥脱水絮凝剂6 1 4 3 生物絮凝剂”7 1 5 课题研究的意义和内容7 1 5 1 课题研究的意义7 1 5 2 课题研究的主要内容7 2 聚丙烯酰胺的制备理论。9 2 1 聚丙烯酰胺简介9 2 2 聚丙烯酰胺的制备方法”9 2 2 1 均相水溶液聚合法1 0 2 2 2 分散相聚合法”1 l 2 2 3 固态聚合法“1 2 2 3 聚丙烯酰胺的制备原理1 2 2 3 1 自由基共聚合反应概述1 2 2 3 2 自由基共聚合反应机理1 3 2 3 3 自由基共聚合的影响因素1 6 2 4 本实验聚合反应机理初探17 3 阳离子聚丙烯酰胺的制备1 9 3 1 实验材料1 9 3 1 1 主要试剂和原料19 3 1 2 主要实验仪器1 9 3 2 实验方法1 9 3 2 1 装配仪器1 9 3 2 2 反应过程1 9 v 重庆大学硕士学位论文 3 2 3 产物处理过程中应当注意的问题2 0 3 3 分析方法2 0 3 3 1 特性粘数的测定”2 0 3 3 2 阳离子度的测定( 滴定法) 2 0 3 3 3 聚合物溶解速度的测定2 0 3 3 4 固含量的测定2 l 3 3 5 红外光谱测定”2 l 3 4 结果与讨论”2 l 3 4 1 引发体系的选择2 l 3 4 2 体系p h 值的确定2 2 3 4 3 初始引发温度的确定”2 3 3 4 4 复合引发剂总浓度确定“2 4 3 4 5 复合引发剂摩尔比的确定”2 6 3 4 6 单体总浓度的确定2 7 3 4 7 单体摩尔比的确定2 9 3 4 8 反应时间的确定3 0 3 4 9 其他因素对聚合反应的影响3l 3 5 自制c p a m 的性质及结构表征“3 4 3 5 1 物理性质3 4 3 5 2 红外谱图分析3 4 3 5 3 使用及存储中应注意的问题3 6 3 5 4 成本分析”3 6 3 6 本章小结3 7 4 自制阳离子污泥脱水絮凝剂用于实际污泥的研究3 9 4 1 主要试剂、仪器及材料3 9 4 2 实验方法3 9 4 3 污泥脱水性能分析方法3 9 4 3 1 污泥含水率的测定( p ) 3 9 4 3 2 挥发性固体含量的测定( v s ) “4 0 4 3 3 污泥p h 值的测定4 0 4 3 4 上清液浊度、色度的测定”4 0 4 4 结果与讨论4 0 4 4 1 阳离子度对污泥脱水效果的影响4 0 4 4 2 粘均分子量对污泥脱水效果的影响4 2 v i 目录 4 4 3c p a m 浓度对污泥脱水效果的影响4 3 4 4 4 投加量对污泥脱水效果的影响4 5 4 4 5 其他因素对污泥脱水效果的影响4 6 4 4 6 几种脱水絮凝剂处理效果比较4 8 4 4 7 处理成本计算5 0 4 5 本章小结5 0 5c p a m 对污泥调质机理的初步研究5 l 5 1 前言5 l 5 1 1c p a m 的电中和理论5 l 5 1 2c p a m 的吸附架桥理论5 l 5 2 实验部分5 2 5 2 1 主要仪器、试剂”5 2 5 2 2 实验方法5 2 5 2 3 结果与讨论5 3 5 3c p a m 的絮凝脱水作用机理及初步模型6 1 5 3 1 絮凝脱水的作用力6 l 5 3 2c p a m 的絮凝机理及初步模型6 1 5 4 本章小结6 1 6 结论与展望6 3 6 1 结论6 3 6 2 展望- 6 3 致谢6 5 参考文献6 7 附录a ”7 l 附录b 7 3 i 1 引言 1 引言 1 1 污泥处理现状 近年来，随着我国经济和城市化的发展，城市污水的排 国国家环保总局提供的数字，2 0 0 4 年我国污水排放量为4 8 2 亿吨，排放量呈逐年上 升趋势，远远超过了治理速度。污水污泥就是在工业废水和生活污水的处理过程 中产生的固体废物，其产量巨大，按污泥产量占处理水量的0 3 0 5 ( 以含水 率9 7 计) 计算，我国城市污水厂污泥的年产量约为8 0 - - 1 4 0 万吨( 以含水率9 7 计) ，预计至u 2 0 1 0 年，我国污泥产量将是现在的5 倍以上u j 。根据有关预测，2 0 1 0 年污水排放量将达n 5 2 0 亿吨，2 0 2 0 年污水排放量将达至t j 5 3 6 亿吨【2 j 。因此，我国污 水处理事业不断取得进步的同时，将面临巨大的污泥处理压力。 我国污水污泥处理处置技术还刚刚起步，长期以来，存在着重污水处理，轻 污泥处理的倾向。在我国已建成的污水处理厂中，有污水处理设施中有污泥稳定 处理设施的还不n 1 4 ，处理工艺和配套设备较为完善的不至l j l 1 0 3 1 。污水污泥处理 处置中存在着诸如处理效率低、工艺设备落后、不完善等问题。综合国内外剩余 污泥的处理与处置技术发现，目前的污泥处理处置方法普遍存在基建投资大( 占 总投资3 0 - - 4 0 ) 、运行费用高( 占总运费2 0 5 0 ) 等问题，最终处置技术 如土地利用、卫生填埋、填海、焚烧等一直受到污泥中残留的有毒、有害物质影 响，环境安全性差。因此，研究安全、高效、经济的污泥处理工艺，实现污泥的 减量化、资源化和无害化具有重要的理论意义和现实意义【。 在污泥的处理和处置中，污泥调质是很重要的一环。所谓调质是通过调整固 体粒子群性质及其排列状态，减小固体颗粒与水的亲和力，使凝聚力增强，颗粒 变大，使固液分离更加容易。由于污泥颗粒的特殊絮体结构及高度亲水性，使其 包含的水分很难被脱除，污泥中水分含量高达9 5 - 9 7 ，导致污泥有巨大的容 积，这给污泥的后续处理带来很大困难。所以，只要将其中的水分去除，就会大 大缩小污泥的体积，将会大大提高对污泥的处理能力。污泥调质的方法主要有生 物调质法( 如厌氧和好氧消化) 、化学调质法和物理调质法三大类1 4 1 。如冷冻熔解 法、热处理法、污泥淘洗法等，而在污泥中投加絮凝剂的化学调质法，因为操作 简单、效果好而成为比较常用的调质方法。在污泥中加入絮凝剂进行调质后，使 污泥的脱水性能得到大大改善，在随后的机械脱水中更好脱水，便于污泥的处理 和处置。 重庆大学硕士学位论文 1 2 污泥的性质 污泥的成分比较复杂，通常含有大量的有毒有害物质( 如有机残片、寄生虫 卵、细菌、无机颗粒、重金属等) 、植物营养素( 如氮、磷、钾) 、有机物和水分 等。污泥主要是由亲水性带负电的胶体颗粒组成，颗粒细小很不均匀( 直径在 o 1 u m - - 1 0 u m 之间) ，颗粒之间是相互排斥的、比较稳定，比重在0 9 5 - 1 0 4 之 间，颗粒与水的结合力很强。污泥含水率很高( 一般都在9 5 以上) ，过滤比阻值较 大，因而，脱水性能较差p - 6 1 。 污泥中的水分大致分为三种l 阳j ：( 一) 自由水。存在于污泥颗粒间隙中的水， 约占污泥水分的7 0 ；( - - ) 间隙水。存在于絮体、微生物的裂缝及空隙内滞存的 水，这种水被固定在絮体或微生物细胞结构内，絮体或细胞破坏时，才能变成自 由水，约占2 0 ；( 三) 表面吸附水。以氢键结合在粒子的表面，牢固固定的水分 子多重层，这种表面吸附水仅限于和固体物表面的结合，约占污泥水分的7 ；( 四) 键合水，亦称水合水。与粒子通过化学键结合的水，约占污泥水分的3 。( 也有资 料将间隙水、表面吸附水和键合水三部分称为结合水。) 污泥中的水分与污泥颗粒 结合的强度大d , j | 页序大致为：水合水 表面吸附水 间隙水 自由水。最容易除去的 水是自由水，通过自然过滤、浓缩或机械脱水即可除去；间隙水是限于絮体或微 生物细胞内，为了挤压出这种水需要破坏这种结构或通过压缩能够去除；表面吸 附水与污泥颗粒通过氢键结合得较牢固，只有破坏了这种作用力，才有可能通过 机械的方法去除这部分水；对于与污泥颗粒化学键合的键合水，用机械的方法是 不能去除的。因此，污泥调质剂的主要作用在于去除间隙水和表面吸附水。 1 3 絮凝剂调质污泥的机理 污泥调质的主要任务就是增大污泥颗粒尺寸，克服水合作用和电性排斥作用。 目前，有三种作用机理可以解释污泥脱水絮凝剂的调质作用【l 2 】：电中和作用。 污泥颗粒本身带负电荷，相互间排斥，在污泥中加入与胶体带相反电荷的聚电解 质，含有的阳离子基团能较好的中和污泥颗粒，降低粒子的鼍电位，使粒子相互吸 引形成絮团。去水化作用。由于絮凝剂分子具有的一些疏水基团，有利于污泥 的表面附着水转化为游离水，同时能较好地防止污泥沾粘滤布，从而改善污泥的 脱水性能。吸附作用。主要以吸附架桥和表面吸附为主。吸附架桥作用包括两 种情形：第一，高分子絮凝剂依靠分子上的c o o 一，c o n h 2 ，心m 等活性基团所 产生的氢键力、范德华力、配位键力等物理化学作用与污泥颗粒发生作用，把许 多污泥小胶粒吸附起来，形成更大的颗粒。当较大的絮团形成时，又会产生所谓 的“网捕”效应，带动其他未絮凝的颗粒一起絮凝，从而形成强度较大，不易破碎的 絮体，便于污泥脱水【1 3 】。至于氢键产生的具体规律尚需进一步研究；第二，在两 2 1 引言 个同号污泥颗粒之间，由异号胶体连在一起。这种架桥作用可以解释为异号胶体 互凝现象。絮凝剂对污泥的调质作用，一般是是通过上述三种作用机理调整固体 粒子群性状及其排列状态，使之适合于各种不同类型污泥的脱水条件。 1 4 污泥脱水絮凝剂的研究开发现状 常用的污泥脱水絮凝剂，一般有无机和有机高分子絮凝剂以及微生物絮凝剂 三大类。无机高分子污泥脱水絮凝剂品种较少，主要是聚铁、聚铝系列。这类絮 凝剂虽然经济，操作简单，但用量大，且絮凝效果差，以后将被逐步的淘汰。本 文不作过多介绍。应用较多的还是有机高分子污泥脱水絮凝剂，主要有合成型和 天然高分子改性型【1 4 】。其中，聚丙烯酰胺( p a m ) 类高分子絮凝剂约占有机高分 子污泥脱水絮凝剂的8 0 以上。另外，近年来微生物絮凝剂应用于污泥脱水上也 有了报道1 1 5 】。 1 4 1 合成型有机高分子污泥脱水絮凝剂 合成型有机高分子絮凝剂多为水溶性的聚合物，多为分子量从数万到千万级。 的水溶性线状化合物，分子中有许多极性基团，容易与胶粒相互吸附形成大的絮体 物质，在市场上占绝大优势。按其分子链上带电基团的电性，可分为阳离子型、阴 离子型、非离子型和两性絮凝剂四种类型。此外，还有它们之间的复合型，或它二 们与无机絮凝剂的复合型。污泥脱水中，应用效果较好的是阳离子和两性高分子 污泥脱水絮凝剂【1 4 j 。 目前，合成高分子污泥脱水絮凝剂主要以丙烯、马来酸等为原料，以 c o o h ，- 旬h _ c o n h 2 厂c o 等一种或几种为活性基团，通过聚合反应获得分子 量从数万到千万级的水溶性线状化合物。其中，国外有机高分子污泥脱水絮凝剂 中有8 0 左右是合成型的，我国只有在上世纪9 0 年代才有对合成型污泥脱水絮凝剂 的专业研究l 1 6 l 。 ( 1 ) 阳离子型 污泥由带负电荷的离子群组成，阳离子污泥脱水絮凝剂可通过吸附、电中和 及吸附架桥作用使带负电荷的胶体颗粒和其它污染物质脱稳而得到去除，具有良好 絮凝脱水功能。目前，它成为污水处理厂处理污泥的主要产品。阳离子污泥脱水 絮凝剂的大发展时期是在二十世纪七、八十年代，与国外环保事业发展同步。我 国的发展时期约后延了二十年i l 7 。 目前，国内外使用最普遍的阳离子污泥脱水絮凝剂是聚丙烯酰胺类，市场上 所售该产品主要有以利用二甲基二烯丙基氯化铵和丙烯酰胺共聚、利用甲基丙烯 酸二甲胺乙酯氯甲烷盐( 或丙烯酸二甲胺乙酯氯甲烷盐) 和丙烯酰胺共聚的两种。其 中，a m 与d m c 或d a c 的共聚物是阳离子型聚丙烯酰胺污泥脱水絮凝剂的主导产 重庆大学硕士学位论文 品，在国外属第二代阳离子p a m 絮凝剂品种。2 0 世纪8 0 年代初该产品在日本、美国 等开始了大规模工业化生产，主要为水溶液法粉末产品。据报道【1 3 】，该产品在日 本的阳离子粉末产品中约占9 0 以上的产量。开发d m c ( d a c ) 与a m 共聚物，关键 是d m c ( d a c ) 单体的开发。虽说生产中许多重大技术问题目前已得到解决，但还 有一些问题有待改进，比如尚未找到理想的催化剂；原料质量有待提高等。目前， 国内齐鲁石化公司研究院已建成5 0 0 吨天规模的d m a m t _ 业生产装置，并建成了 3 0 0 吨天规模的d m c 生产装置【l 明。国内由于生产规模小、成本高，难以与进口产 品竞争，目前所需d m c 大都依赖进口。 除p a m 系列外，污泥脱水上有应用价值的还有聚乙烯亚胺、聚乙烯吡啶盐酸盐、 聚丙烯氨基阳离子改性物等。日本的t a k a h a s h i 等人【2 0 l 在聚乙烯咪唑啉丙烯腈衍生 物阳离子污泥脱水絮凝剂方面也有研究，他们用含腈基的聚合物与多元胺在t h f 中进行反应，得到聚乙烯咪唑啉或其盐，用于水处理絮凝的研究。h i g a s l l i n o 等人【2 l 】 用聚丙烯腈、乙二胺等物质合成了具有支链结构的聚乙烯咪唑啉酸盐，用于污泥 处理，发现可以有效的降低滤饼的含水率。t o s h i h i k o 等人【2 2 j 采用n 一乙烯基甲醚胺 和丙烯腈共聚物加酸水解得到的脒类阳离子污泥脱水絮凝剂。t o s h i y u k i 等人【2 3 】研 究了阳离子纤维素衍生物和含季铵基的阳离子絮凝剂处理污泥。但国内对此类方 面的研究很少，尚未见报道。国内9 0 年代李多松等瞄】报道了用k h y c 型絮凝剂作 为污泥脱水絮凝剂。k h y c 型絮凝剂是丙烯酸酯季铵盐与丙烯酸胺的共聚物。一定 试验条件下，k h y c 型絮凝剂的各项指标均优于p a m ，且该种絮凝剂为液体状， 流动性好，溶解迅速且无块状，操作非常方便。并且处理费用低，污泥适用范围 大。汪晓军等【2 5 】以价格比较便宜的双氰胺、甲醛为化工原料合成了双氰胺一甲醛 类污泥脱水阳离子絮凝剂。双氰胺甲醛污泥脱水絮凝剂具有较高的阳离子电荷密 度、具有多种高活性的吸附基团、有高分子链的架桥作用，同时还具有一定的疏水 基团，有利于污泥表面附着水转化为游离水，较好地防止污泥沾粘滤布，从而改 善污泥的脱水性能。另外，操作简单，反应温和，生产周期短，利于规模生产。但 近些年来，很少见此类污泥脱水絮凝剂的研究报道，实际应用的也很少，可能是由 于其聚合产品中残留单体的毒性限制了它的广泛应用。 ( 2 ) 两性型 两性型絮凝剂在高分子链节上同时含有阴、阳两种离子基团，其中阳离子基 团以氨基、亚氨基、季铵基为主，阴离子基团以- - - - - c o o m ( 其中m 为氢离子或金 属离子) 为主。与仅含有一种电荷的阴离子或阳离子絮凝剂相比，它能适用于阴、 阳离子共存的污染体系，p h 值适用范围宽、抗盐性好。在污泥脱水中，它不仅具 有电中和、吸附架桥作用，而且还有分子间的“缠绕”包裹作用，具有较好的脱水 性能。它对不同性质、不同腐败程度的污泥都有较好的脱水、助滤作用，得到的 1 引言 泥饼含水率低，且用药量较少，已经成为国内外研究的热点 2 6 1 。近几年，日、德、 美等国对两性絮凝剂开展了实用性研究，相继发表了些专利。 国内两性絮凝剂的研究尚处于起步阶段。目前研制的主要品种为两性聚丙烯 酰胺类，主要的合成方法是 2 7 ga 部分水解的聚丙烯酰胺通过曼尼奇反应生成具有 羟基和胺甲基的两性聚丙烯酰胺；b 通过三元共聚合成两性聚丙烯酰胺。 ( 3 ) 复合型 随着工业的发展和人民生活水平的提高，污泥内部成分越趋多样、复杂，单 一的絮凝剂已不能满足污泥脱水的要求，于是人们开始研制将絮凝剂采用多种方 式复合用于污泥脱水，其优点是复合絮凝剂能发挥各种絮凝剂的优点，降低絮凝 剂成本，提高脱水性能。 无机絮凝剂+ 阳离子絮凝剂 在污泥脱水中，无机絮凝剂主要是对水中具有相反电荷的胶体起中和、压缩 双电层作用，从而使胶体脱稳絮凝，实现固液分离，但投加量大，效果不佳。阳 离子絮凝剂主要是对已脱稳的絮凝颗粒起吸附架桥作用，从而使其快速形成大的 絮体，易于分离，但悬浮物的回收率低，滤饼含水率高。将无机絮凝剂与阳离子 絮凝剂复合使用，效果更好。 有人将三氯化铁与聚乙烯醇复合使用，研究表明，当三氯化铁与聚乙烯醇投 加比例为4 ：l ，复合絮凝剂用量为干泥量的1 o 时，可以获得最大颗粒的絮凝体， 易于沉淀分离，污泥含水率由9 4 下降到7 1 ，其体积缩小至原体积的2 ，且滤 液澄清度高，透光率达9 8 ，大大优于单独投加单一絮凝剂的脱水性能【2 8 l 。 o 无机絮凝剂+ 两性絮凝剂 先添加无机絮凝剂，通过电中和作用使污泥脱稳，然后加入两性高分子絮凝 剂进行脱水，可以有效降低两性有机高分子絮凝剂的投加量、形成高强度的絮凝 体，改善脱水性能。研究表明【2 9 】，在p h 值为5 8 的污泥中，先添加无机絮凝剂， 再添加阳离子度与阴离子度比为1 2 2 0 的两性高分子絮凝剂，脱水效果显著。这 种无机絮凝剂与两性有机高分子絮凝剂共用的方法，广泛用于难脱水污泥脱水性 能的改善。 阳离子型+ 两性絮凝剂 阳离子型、两性型絮凝剂都具有较好的脱水效果，采用两类絮凝剂共用的方 法进行污泥脱水，可进一步降低絮凝剂投加量，形成高强度的絮凝体。例如：s a t o r u 等【3 0 】提出阳离子结构单元与非离子结构单元比大于0 2 的阳离子絮凝剂和阴离子结 构单元与阳离子结构单元之比为0 8 1 5 的两性絮凝剂共用，在两者的质量比为 3 5 ：6 5 9 5 ：5 时，可降低最佳投加量、改善重力过滤性能和滤饼含水率。对于无机 盐和表面活性剂含量高、脱水困难的污泥滤饼含水率可降至a j 7 7 8 。 5 重庆大学硕士学位论文 利用阳离子一两性聚合物复合絮凝剂处理污泥，絮凝性能明显提高，因此阳 离子一两性聚合物复合絮凝剂在污泥脱水中的应用越来越被人们重视。 1 4 2 天然高分子改性污泥脱水絮凝剂 2 0 世纪7 0 年代以来，许多国家开始重视化学改性天然高分子污泥脱水絮凝剂 的研制 3 1 - 3 4 1 。天然高分子改性阳离子污泥脱水絮凝剂原料来源广泛，价格便宜，无毒， 易