兩性高分子脫水劑p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)污泥脫水應(yīng)用研究

官 悅，蘇 智，張鈺涵，朱 明,2,,秦 丹,2,3

(1.四川師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 成都 610068；2.四川教育廳特種廢水處理工程實驗室，成都 610066；3.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都 610207)

1 前 言

污泥處理是污水處理的重要部分，污泥中含有大量的有機(jī)物、重金屬和病原體等有毒有害物質(zhì)，不進(jìn)行有效處理將對環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染；污泥含水率一般在98.0%以上，為改善污泥脫水性能，在污泥進(jìn)行脫水前，都需要投加脫水劑對污泥進(jìn)行調(diào)理，以提高污泥的脫水效率[1]。目前廣泛使用的是陽離子型聚丙烯酰胺脫水劑，丙烯酰胺屬神經(jīng)性致毒的劇毒品，制備聚丙烯酰胺殘存單體及聚丙烯酰胺的降解都會給環(huán)境帶來潛在的威脅[2]。因此選用無毒低毒的單體制備高分子脫水劑是未來重要發(fā)展方向之一。

二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)、甲基丙烯酰氧乙基氯化銨(DMC)是帶有不飽和碳碳雙鍵及季胺基團(tuán)的無毒陽離子單體，多用于水處理、輕紡造紙等領(lǐng)域[3]；衣康酸(IA)是具有不飽和碳碳雙鍵和羧基基團(tuán)的無毒陰離子單體，廣泛用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)[4]。本研究采用DMDAAC、DMC和IA為共聚合單體，以水溶液作反應(yīng)介質(zhì)制備高分子脫水劑用于污泥脫水，對高分子脫水劑的合成與應(yīng)用具有一定參考價值。

2 試驗部分

2.1 主要儀器和試劑

250mL四頸瓶，W201B恒溫水浴鍋，SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵(上海申順生物科技有限公司)；富華501超級恒溫水箱(江蘇省金壇市富華儀器有限公司)；NTS-2A數(shù)字溫度壓力計(江蘇威卡儀表有限公司)；真空穩(wěn)壓包WYB-1型(南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所)；Vertex70型傅里葉變換和紅外光譜儀(德國BRUKER公司)；TGAQ500熱失重分析儀(美國TA儀器公司)；DSCQ100差示掃描量熱儀(美國TA儀器公司)；JSM-7500F電鏡掃描儀(日本電子株式會社)。DMDAAC(工業(yè)級，用前精制)、DMC(工業(yè)級)，成都順利達(dá)有限公司；IA(工業(yè)級)、K2S2O8(AR，用前精制)、NaHSO3(AR)、丙酮(AR)，成都科龍化工試劑廠。

2.2 脫水劑制備及表征

脫水劑p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)實驗室自制，制備方法參照文獻(xiàn)[5]；FT-IR表征采用KBr壓片法；SEM圖像分析采用切片表面噴金法；TGA測試升溫速度是10℃/min、N2氛圍；DSC測試升溫速度是10℃/min、N2氛圍。

2.3 污泥脫水試驗

2.3.1 污泥參數(shù)測定及脫水試驗

下表是某污水處理廠原污泥的性質(zhì)。

表 原污泥性質(zhì)Tab. The original sludge properties

污泥含水率、泥餅含水率、濁度和污泥比阻的測定及計算參照文獻(xiàn)[6]。

2.3.2 絮體電鏡掃描及空隙分形維數(shù)非線性計算

將污泥處理后的濾餅放在櫥柜中自然風(fēng)干，進(jìn)行電鏡掃描得SEM圖，采用分形理論的Sandbox盒子計數(shù)法計算泥餅的空隙分形維數(shù)Df[7]。

3 結(jié)果與討論

3.1 紅外譜圖表征

圖1是p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)的FT-IR圖。

圖1 p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)的FT-IR圖Fig.1 The FT-IR of p (DMDAAC-co-IA-co-DMC)

圖1中，954.23cm-1處是季銨鹽基團(tuán)-N+(CH3)3的特征吸收峰，1 169.82cm-1是吡咯環(huán)吸收峰，1 394.88cm-1和1 477.35cm-1是-COO-基團(tuán)吸收峰，1 637.68cm-1是吡咯環(huán)骨架-N=的特征吸收峰，1 734.46cm-1是-C-O-C=O-基團(tuán)的吸收峰，2 929.67cm-1是-CH2-和-CH3基團(tuán)的吸收峰。說明DMDAAC,IA,DMC發(fā)生了共聚，產(chǎn)物是p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)[8]。

3.2 差熱分析圖

圖2是p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)的TGA和DSC圖。

圖2 p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)的TGA和DSC圖Fig.2 The TGA and DSC of p (DMDAAC-co-IA-co-DMC)

從TGA圖可知，溫度升高至97℃，聚合物出現(xiàn)第一次失重，失重率為21.65%；在260℃出現(xiàn)了第二次失重，失重率為41.01%；第三次的失重在390℃，失重率為23.67%；由此可得，三次失重是由于共聚物具有不同的結(jié)構(gòu)單元，產(chǎn)物的分解溫度較高，常溫下是保持穩(wěn)定；從DSC圖知，在66.21℃時，此過程可能是合成產(chǎn)物的相變溫度，可能是吸潮水分結(jié)晶后的相變[9]。

3.3 脫水劑投加量對污泥比阻的影響

污泥脫水在實際工程中除加入脫水劑外，還需要加入助凝劑(硅藻土、硫酸鐵等)，以提高脫水效率。本試驗加入硅藻土作助凝劑，與脫水劑p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)復(fù)配考察脫水效果。

圖3是抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑投加量對污泥比阻的影響關(guān)系圖。

圖3 抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑投加量對污泥比阻的影響Fig.3 Effect of dehydrating agent dosage quantity on specific resistance of sludge when suction filter pressure is 20 kPa.

圖3中，脫水劑投加量為40mg/100g時，污泥比阻為0.502×1012m/kg，降低率為69.9%；硅藻土∶脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1時，污泥比阻為0.48×1012m/kg，污泥比阻降低率為71.1%。

3.4 脫水劑投加量對泥餅含水率的影響

圖4是抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑投加量對泥餅含水率的影響關(guān)系圖。

由圖4得，脫水劑投加量為40mg/100g，泥餅含水率降低至69.6%，去除率為11.5%；硅藻土與脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1時，泥餅含水率從78.0%降低到62.9%，降低率為17.4%。

3.5 脫水劑投加量對濾液濁度的影響

圖5是抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑投加量對濾液濁度的影響關(guān)系圖。

圖4 抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑投加量對泥餅含水率的影響Fig.4 Effect of dehydrating agent dosage quantity on moisture content of sludge cake when suction filter pressure is 20 kPa.

圖5 抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑投加量對濾液濁度的影響Fig.5 Effect of dehydrating agent dosage quantity on filtrate turbidity when suction filter pressure is 20 kPa.

由圖5看出，脫水劑投加量為40mg/100g，濁度明顯降到25，去除率54.0%。硅藻土與脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1時，濁度從55降低到20，去除率為63.5%。

3.6 抽濾壓強(qiáng)對污泥比阻、泥餅含水率、濾液濁度的影響

圖6是抽濾壓強(qiáng)對污泥比阻、泥餅含水率、濾液濁度的影響關(guān)系圖。

由圖6可知，脫水劑投加量為40mg/100g，硅藻土投加量與脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1，抽濾壓強(qiáng)控制為50kPa時，污泥比阻降低率提升至73.8%，泥餅含水率為65.0%，濾液濁度去除率提高至77.8%。

當(dāng)脫水劑的量和作用于污泥膠粒的附加外力(抽濾壓強(qiáng))增大，在附加外力略大于絮體與水的結(jié)合力時，絮凝效果相對較好，這時污泥的絮體緊致。如加入脫水劑過量，脫水劑過量的電荷會導(dǎo)致污泥絮體松散，泥餅含水率升高，因為污泥中主要以帶負(fù)電的膠粒為主，本研究所加入的脫水劑具有兩性，且陽離子度較高，所以，在加入脫水劑后，陽離子部分同帶負(fù)電的膠粒中和吸附架橋并且沉淀，濁度明顯下降；將有機(jī)脫水劑與助凝劑復(fù)配結(jié)合，助凝劑帶有的陽離子度比有機(jī)脫水劑高，增加了其表面與層間吸附性能，與脫水劑通過電中和作用于污泥從而使污泥顆粒脫穩(wěn)，易于脫水[10]。但是隨著脫水劑量的增多，過量的脫水劑也是增加濾出液濁度的因素之一；附加外力過大，脫水劑的吸附架橋、靜電、卷掃及網(wǎng)捕作用減弱，降低脫水劑的脫水效率[11]。

圖6 抽濾壓強(qiáng)對污泥比阻、泥餅含水率和濾液濁度的影響Fig.6 Effect of the suction filter pressure on specific resistance of sludge,moisture content of sludge cake and filtrate turbidity.

3.7 污泥濾餅分形計算

圖7、圖9和圖11不同試驗條件下污泥濾餅的SEM圖。

圖7 抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑40mg/100g的SEMFig.7 The SEM of sludge when the suction filter pressure was 20kPa and dehydrant dosage was 40mg/100g

圖8、圖10和圖12是對應(yīng)的SEM圖通過Sandbox盒子計數(shù)法的lnN與lnε關(guān)系圖。

圖8 抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑40mg/100g的lnN對lnεFig.8 lnN vs lnε when the suction filter pressure was 20kPa and dosage was 40mg/100g

圖9 抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑40mg/100g、硅藻土與脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1的SEMFig.9 The SEM of sludge when the suction filter pressure was 20kPa,dosage was 40mg/100g and mass ratio was 0.1∶1

圖10 抽濾壓強(qiáng)20kPa、脫水劑40mg/100g、硅藻土與脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1的lnN對lnεFig.10 lnN vs lnε when the suction filter pressure was 20kPa,dosage was 40mg/100g and mass ratio 0.1∶1

圖11 抽濾壓強(qiáng)50kPa、脫水劑40mg/100g、硅藻土與脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1的lnN對lnεFig.11 The SEM of sludge when the suction filter pressure was 50kPa,dosage was40mg/100g and mass ratio was 0.1∶1

圖12 抽濾壓強(qiáng)50kPa、脫水劑40mg/100g、硅藻土與脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1的SEMFig.12 lnN vs lnε when the suction filter pressure was 50kPa,dosing quantity was 40mg/100g and mass ratio mass ratio was 0.1∶1

從SEM圖7、圖9和圖11可知，圖11中，污泥濾餅SEM圖縫隙少而緊實，基本為整塊狀態(tài)，說明其中含水少，絮體結(jié)構(gòu)密實[12]，得到對應(yīng)污泥濾餅的空隙分維數(shù)Df分別為0.998 6、0.992 7、0.986 0，Df大小可與濾餅的結(jié)構(gòu)形態(tài)和粗糙程度對映，Df越大，表明濾餅的形態(tài)越復(fù)雜、空隙數(shù)越多、絮體結(jié)構(gòu)越松散、含水率越高，脫水就越困難[13]。

4 結(jié) 論

實驗自制高分子脫水劑p(DMDAAC-co-IA-co-DMC)用于污泥脫水試驗，投加量為40mg/100g時：污泥比阻從1.67×1012m/kg降至0.502 5×1012m/kg，降低69.9%；泥餅含水率從98.6%降至69.6%，降低11.5%；濁度從55降至25，降低54%。以脫水助劑硅藻土與自制高分子脫水劑復(fù)配改善污泥脫水效果，硅藻土與脫水劑質(zhì)量比為0.1∶1，抽濾壓強(qiáng)為50kPa的條件下，污泥比阻為0.437×1012m/kg，泥餅含水率為64.95%，濁度為12.23，污泥比阻降低率為73.8%，泥餅含水降低率為17.4%，濁度去除率為77.8%。在抽濾壓強(qiáng)為50kPa，脫水劑投加量為40mg/100g，硅藻土質(zhì)量與脫水劑質(zhì)量之比為0.1∶1時試驗結(jié)果最好，對泥餅絮體SEM圖進(jìn)行分形計算，得到分形維數(shù)Df為0.986 0。