表面活性剂与聚丙烯酰胺对污泥脱水性能的影响

发布日期:2015-04-20 20:01:37
  全国设市城市、 县累计建成城镇污水处理厂3198座,bbo必博_bbo必博官网_bbo必博娱乐:处理能力达到 1.38亿m3/d。按照污泥产量约为污水处理量的0.3% ~0.5%[1]计算,将来我国的污泥年产量将会达 到2.52亿t(以含水率97%计)。污泥具有含水率 髙,存储、运输、处置困难等特点,且污泥中含有大量的病原菌、重金属等有毒有害物质,如果不能妥善处 理,还会造成二次污染。
  
  脱水性能是污泥处理处置中非常重要的环节, 降低污泥含水率,能够有效的减少污泥体积,为后续 的填埋、焚烧等最终处理处置方式带来方便。污泥 属于难脱水物质,实践中常通过投加混凝剂、聚电解 质等物质来改善其脱水性能。聚丙烯酰胺(PAM) 是城市生活污水处理厂污泥脱水处理中非常重要的 絮凝剂,但近年研究发现,聚丙烯酰胺(PAM )能有 效改善污泥的脱水性能,可用作污泥脱水的调理剂, 只能提高脱水的速度[4_5],不能增加脱水的程度。 表面活性剂能够改变污泥絮体结构和性质,使污泥 中更多的水分转化为便于脱除的自由水[6_7]。因 此,本实验将聚丙烯酰胺与表面活性剂联合作用对 污泥进行调理,综合两者的优点,以达到污泥的脱水 速度、脱水程度都提髙的目的。
  
  1试验部分1.1材料与仪器污泥取自武汉市某污水处理厂污泥调节池,采 样后置于冰箱冷藏保存。为了保证实验的可比性, 实验污泥均在采样后5d内用完。污泥含水率91% ~93%,pH6.6-7.40主要化学试剂:P离子表面活性剂十二烷基苯 磺酸钠(SDS);阳离子表面活性剂十二烷基三甲基 氯化铵(DTAB);阳离子聚丙烯酰胺(PAM)。实验 前配置成浓度〇。 1 %溶液备用,所用水均为蒸馏水。
  
  主要仪器:电子分析天平;DBJ>623型电子变逢 揽拌机;101型电热鼓风干燥箱;UV-紫外分光光度 计;Quanta2000描电镜(SEM); MS2000激光粒度 仪;2XZ-1型旋片式真空泵。
  
  1.2试验方法1.2.1污泥比阻及泥饼含水率测定分别取100mL污泥放入6个250mL量筒中,在 一定条件下投人不同量的药刑,并将经调理的 100mL污泥混合样均匀倒人古氏漏斗内,静置 1 min,直至漏斗底部不再有滤液流出,开启真空栗, 至额定真空度(〇。〇5MPa)时,开始记录滤液体积,每隔15s记录1次,直至漏斗中污泥层出现裂缝,真空 被破坏为止,利用差量法测定滤纸上污泥的含固率。 1.2.2滤液中蛋白质含量的测定将经调理的l〇〇mL污泥,真空抽滤后取其滤 液,采用双缩脲法[16],在紫外条件下测出吸光度,再 以牛血清蛋白为标准蛋白测定出滤液中胞外蛋白质 含量。在相同外界条件下进行标准曲线测定。
  
  1.2.3污泥沉降性能的测定污泥的调理过程如1.2. 1,调理好污泥倒人 lOOmL量筒中,每隔一定时间记录一次污泥体积,共 计时30min。在同等条件下,比较污泥的沉降性能。 1.2.4污泥的微观结构观察处理后的污泥部分干燥后通过扫描电镜拍照, 待测污泥样品用去离子水稀释,并搅拌使污泥保持 悬浮状态,将污泥样品通过蠕动泵送入粒度分析仪 器的分析室进行测定,每个样品检测三次。
  
  2结果与讨论2.1表面活性剂和PAM联合作用对污泥过滤性能 的彩响2.1.1对滤饼含水率的影响试验考察单独投加PAM调理污泥,通过真空抽 滤方式对调理污泥进行脱水,PAM投加量对滤饼含 水率的影响见图1。从图1可以看出,随着PAM投 加量的增加,滤饼的含水率不断的降低,当投加量为 0? 8mg/gDS(干污泥的质量)时,滤饼的含水率最低, 为74.42% ,而继续增加投加量时,滤饼含水率反而 又呈上升趋势。
  
  阳离子型聚丙烯胺PAM含有阳离子基团,水解 后释放出阳离子,能中和污泥絮体中负电荷,压缩扩 散层,且PAM为长链髙分子结构物质,具有长链 “吸附架桥”作用,能够吸附、包卷和捕集污泥颗粒, 形成较大的污泥絮体[8]。污泥的脱水性能跟其污 泥絮体结构有很大关联,污泥颗粒越大,其脱水性能 越好,投加PAM增大了污泥絮体,同时减少了污泥 絮体之间的电荷排斥作用,从而使得污泥的脱水性 能得到改善。但过量的PAM又会因浓度过大而造 成其长链无法展开,起不到“吸附架桥”作用,反而 会造成污泥带上正电荷产生电荷排斥作用,而导致 脱水效果减弱W〇
  
  为进一步探讨投加PAM对污泥脱水速度的影 响,研究了不同时间下,真空抽滤后原泥和PAM调 理后污泥的滤饼含水率的变化情况,其结果见图2。
  
  由图2可知,原泥和PAM调理后污泥滤饼含水 率均随着抽滤时间的增加而不断降低,最后趋于稳 定。在抽滤25min之后,原泥含水率基本稳定在 78%左右,而PAM调理后污泥则抽滤1 min之后,就 基本没有太大变化,含水率稳定在74%左右。这表 明,投加PAM能够显着的改善污泥的脱水速度,但 调理后污泥滤饼含水率最低为73.54% ,与原泥的 77.45%相比较,相差不大,说明PAM并不能明显的 提髙污泥的脱水程度。
  
  为了提高污泥脱水程度,研究了表面活性剂和 聚丙烯酰胺(PAM)联合作用对污泥脱水性能的影 响,结果见表1。
  
  由表1可知,投加适量的DTAB和PAM调理, 滤饼含水率随着DTAB投加量增加而降低,当 DTAB 和 PAM 投加量为 0? 08g/gDS 和 PAM 0? 8mg/ g DS时,滤饼含水率最低为65.41%,当DTAB投加 量超过〇? 〇8g/gDS,滤饼的含水率随着DTAB投加 量增加而增加。因此,DTAB和PAM联合作用最佳 投加量为 〇。 〇8g/g DS 和 PAM 0.8mg/g DS。
  
  表1表面活性剂和PAM联用对滤饼含水率的影响Table 1 Influence of surfactant and polyacrylamidaon dewaterability of sludge表面活性剂 /g ? g'1含水率/%阳离子聚丙烯酰胺(PAM) 投加量/mg ? g_10.60.81.0十二烷基三0.0272.1970.1974.47甲基溴化铵0.0469.6569.6570.63(DTAB)0.0866.3165.4167.230.170.2271.4373.180.1272.5974.8576.562.1.2对比阻的影响污泥比阻(SRF)是表示污泥过滤性能的综合指 标。一般认为比阻在l〇9 -lO^V/g的污泥属于难 过滤的污泥,比阻在〇。 5 ~0.9xlO%Vg之间的污泥 属于中等过滤难度,比阻小于〇。 4X109sVg的污泥 容易过滤[1°]。污泥经过DTAB和PAM(0. 8mg/ gDS)联合作用及单独使用PAM调理时,污泥比阻 随DTAB和PAM投加量的变化见图3。
  
  由图3可知,DTAB与PAM联合作用或者单独 使用PAM时,污泥比阻均呈先下降,后上升趋势。 联合作用条件下,DTAB和PAM投加量分别为0. 08g/gDS、0.08g/gDS时,污泥比阻达到最低4. 60x l〇8s2/g,继续增加DTAB投加量时,比阻又呈升高 趋势;仅用PAM时,在投加量为0. 8mg/g DS时,比 阻达到最低4. 80xl08sVg,当投加量>0. 8mg/g时, 污泥比阻又变大。
  
  SRF的主要影响因素是污泥的分散程度,而污 泥分散程度又跟污泥颗粒大小和颗粒表面电荷有 关[11]。污泥颗粒越小,SRF也大,同时污泥颗粒过 小,也容易堵塞滤饼过滤孔隙,增大比阻;污泥颗粒 越小,污泥颗粒比表面积就越大,比表面带负电荷就 越多,污泥絮体颗体系中电荷斥力作用就越强,污泥 分散程度就越高,比阻就越大。
  
  PAM通过“吸附架桥”增大了污泥絮体,减小污 泥分散度,“电中和”作用也减小了电荷排斥力,从 而能够降低比阻;当PAM投加过量时,因长链无法 展开,起不到“吸附架桥”作用,还会造成污泥颗粒 表面带上正电荷,造成污泥的分散程度高,比阻也随 之升高。
  
  DTAB和PAM联合调理污泥时,DTAB和PAM 7JC解大量阳离子,中和污泥负电荷,降低污泥分散 度,结合PAM的“吸附架桥”和DTAB的“增溶”作 用改变了污泥絮体结构,释放出污泥絮体中的结合 水,提高了污泥脱水性能,从而使污泥比阻降低。但 是过量的DTAB,也会因它的“增溶”作用,使得大量 的胞外聚合物(EPS)释放出来,增加了溶液粘度,使 得污泥脱水困难,比阻上升。
  
  2.2表面活性剂和PAM联合作用对污泥絮体的影 响2.2.1对蛋白质含量的影响污泥絮体是由微生物细胞、无机颗粒、胞外聚合 物(EPS)构成,微生物细胞在一定环境条件下在细 胞壁外产生的多聚合物,就是胞外聚合物,其中包括 糖类、蛋白质、核酸和脂类等,其中主要成分为蛋白 质,胞外聚合物质量占活性污泥质量的80%,污泥 干重的15%[12]。因此,可以跟滤液中蛋白质浓度 变化来调理对絮体的影响。
  
  从图4可以看出,单独投加PAM时,滤液中蛋 白质的浓度随着PAM投加量的增加而升高,滤液的 浓度不断升高,说明污泥的絮体结构发生了改变。 DTAB和PAM联合作用时,蛋白质的浓度随PAM 投加量的增加而升高。PAM通过“吸附架桥”增大 了污泥絮体,松散絮体被聚集起来,形成更加致密絮 体结构,絮体表面少许蛋白质进人滤液中。DTAB 具有“两亲”和“增溶”的性质,DTAB与絮体表面蛋 白质相接合,通过撹拌作用,絮体表面蛋白质脱离絮 体,絮体结构改变,EPS被破坏,同时在DTAB的“增 溶”特性下,大量EPS溶人滤液中,污泥絮体中的结 合水释放出来,溶液中的蛋白质含量也不断的提髙; 当继续投加PAM时,又因其“吸附架桥”作用使被2.2.2对污泥粒径的影响经过调理后的污泥絮体粒径的分布情况见表 2。从表 2 可以看出,PAM 0. 8mg/gDS 和 DTAB0. 08g/gDS+PAM0. 8mg/gDS联合调理后污泥,污泥絮 体面‘粒径:PAM>DTAB+PAM>原泥。
  
  表2调理后污泥与原泥的粒度分布 Tab. 2 Size distribution of sludge before and after conditioning |xm粒度分布 ^10^20^50^80^90原泥/jun29.114 31.456 65.535 98.342 169.257PAM 调36.645 45.678 89.486 207.871 267.485 DTAB+PAM 调理/urn 30.424 41.547 79.567 143.468 193.252注。为污泥样品中体积累积百分比为10%时颗粒的最大直径(余同)。
  
  污泥絮体是由微生物细胞、无机颗粒、胞外高分 子(EPS)和高价阳离子之间物理化学作用的结果, 其中EPS对污泥絮体的稳定性有着重要的作 用[&15],絮体表面的EPS改变直接影响污泥絮体粒 径变化。PAM通过“吸附架桥”增大了污泥絮体,大 量污泥絮体被吸附到一起,形成大颗粒,表2粒径数 据也证实了这一点。DTAB和PAM联合调理污泥 时,结合PAM的“吸附架桥”和DTAB的“增溶”作 用改变了污泥絮体结构,释放出污泥絮体中的结合 水,污泥絮体结构被破坏,导致污泥粒径变小。
  
  为了解DTAB和PAM调理前后对污泥絮体颗 粒的影响,将经过处理后的污泥进行SEM扫描,结 果见图5。从图5中可以看出,经过DTAB和PAM 联合作用后,污泥絮体比PAM调理后要细小、破碎。 这与激光粒度仪的分析结果一致。
  
  图5污泥的扫描电镜 Fig. 5 SEM image of sludge2.3表面活性剂和PAM联合作用对污泥沉降性能 的影响污泥沉降性能的好坏是影响整个污泥处理过程 的重要因素。实验以30min内沉降污泥的体积为指 标来评定污泥的沉降性能。从图6可以看出,投加 DTAB 0.08g/gDS 和 PAM 0_ 8mg/gDS 调理后污泥的 沉降性稍好一点,而只单独投加PAM 0. 8mg/gDS调 理污泥的沉降性能却是较差的。
  
  污泥絮体粒径和EPS能够影响污泥的沉降性 能[16_17]。在沉降初始阶段,污泥的粒径增大能提高 的沉降效果,但是EPS中游离结合水的含量越多, 污泥的沉降脱水性能愈差[18]。PAM通过“吸附架 桥”增大了污泥絮体,提高污泥的沉降性能。DTAB 和PAM联合调理污泥时,PAM的“吸附架桥”和 DTAB的“增溶”作用改变了污泥絮体结构,释放出 污泥絮体中的结合水,因此联合作用时对污泥沉降 性能要比单独使用PAM时要好。
  
  3结 论(1)DTAB、PAM 投加量为 0. 08g/gDS 和 0? 8mg/gDS时,污泥滤饼的含水率达到最低值65.
  
  41% 0(2)DTAB和PAM联合调理污泥相比较单独使用PAM时,不仅能提高污泥脱水速度,还能够改善污泥脱水程度。
  
  (3)扫描电镜和粒径分析表明,DTAB和PAM联合调理污泥比单独使用PAM调理污泥,污泥絮体粒径变小,EPS结构被破坏,释放结合水,从而能够使得污泥的脱水性能得到提高。
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