CPAM在污泥濃縮脫水中用量的優化控制

王曉燕，張寶軍，袁 濤，王曉玲，高 將（1.江蘇建筑職業技術學院 建筑設備與市政工程學院，江蘇省徐州市 221116）

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CPAM在污泥濃縮脫水中用量的優化控制

王曉燕，張寶軍，袁 濤，王曉玲，高 將
（1.江蘇建筑職業技術學院 建筑設備與市政工程學院，江蘇省徐州市 221116）

摘 要：通過對污泥上清液渾濁度、pH值、電導率和污泥體積的測定，以確定有機高分子絮凝劑陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）在污泥濃縮脫水中的最佳濃度。結果表明：污泥上清液的pH值為7.00～8.10；隨著CPAM溶液濃度的增加，污泥上清液的渾濁度先升后降，電導率呈線性增加；CPAM溶液質量濃度為0.30 g/L時，污泥上清液渾濁度最低，電導率為220.0～270.0 μS/cm，不會對環境造成二次污染，絮體沉降較快，濃縮污泥密實，體積最小。因此，為達到最佳的污泥減量效果，CPAM溶液質量濃度應為0.30 g/L。

關鍵詞：陽離子聚丙烯酰胺 污泥 濃縮 脫水

聚丙烯酰胺是全球消費量最大、應用最廣泛的合成類水溶性高分子化合物［1］，一般用于采油、造紙、選礦、洗煤、紡織、冶金、水泥增強劑、高吸水性樹脂、黏合劑、水處理等行業，而且應用領域不斷擴大。陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）大分子鏈上的正電荷密度高，水溶性好，絮凝能力強，在污水處理中用量少，而且無毒、對環境無污染，因此，在水處理中污泥脫水方面的應用引起廣泛關注［2］。隨著我國城鎮的發展，污水處理量不斷提高，污泥產量急劇增加，2016年，我國城鎮污水處理廠產生的污泥量將突破35 000 kt［3］。目前，我國污泥處理費用已占污水處理廠總運行費用的20%～50%，甚至高達70%［4］。污泥中水分的分離過程是污泥處理的重要步驟，旨在減少污泥的體積，從而減輕后續處理環節的污泥體積負荷。由于污泥顆粒帶負電荷，相互間排斥，污泥顆粒表面極性基團對水分子的強烈吸附，使顆粒表面附著水膜，進一步阻礙了顆粒間的結合，最終形成穩定的膠體分散系統［5］。因此，將污泥中的水分進行濃縮脫水，是處理污泥的關鍵。在污泥中加入高分子絮凝劑CPAM，利用絮凝劑與污泥間電性中和、吸附架橋作用，以及分子間的纏繞包裹作用可以改善污泥的脫水性能［6］，提高污泥脫水效果，從而減少運輸費用和后續處置費用。本工作利用有機高分子絮凝劑CPAM對污泥進行濃縮脫水研究。

1　實驗部分

1.1主要原料及儀器

CPAM，加拿大Clearflow Enviro Systems Group Inc公司生產。污泥取自加拿大埃德蒙頓市Big Lake湖底，取樣點位于湖泊的入口和出口處，污泥試樣各取2份，分別命名為In1，In2，Out1，Out2。污泥性質見表1。

表1　污泥試樣的性質Tab.1 Characteristics of sludge

渾濁度采用美國Orbeco-Hellige Analytical Systems Inc公司生產的Digital Direct-Reading Turbidimeter TL#1型渾濁度儀測試；pH值和電導率采用威達優爾貿易（上海）有限公司制造的B40PCID型臺式萬用表測試。

1.2測試方法

泥餅含水率：污泥經處理后，取部分置于表面皿中，于105 ℃干燥6～8 h后，冷卻，稱量，計算泥餅的含水率［見式（1）］。本實驗采用含水質量分數為97.0%的污泥。

式中：A為泥餅含水率；m0為稱量皿的質量；m1為濕污泥與稱量皿的總質量；m2為干燥泥餅與稱量皿的總質量。

渾濁度：溫度為25 ℃，分別將質量濃度為0.05，0.10，0.30，0.50，2.00，5.00 g/L的CPAM溶液50 mL加到50 mL污泥中，以200 r/min攪拌1 min，靜置1 h，取污泥上清液測試渾濁度。

pH值：溫度為25 ℃，分別將質量濃度為0.05，0.10，0.30，0.50，2.00，5.00 g/L的CPAM溶液80 mL加到20 mL污泥中，以200 r/min攪拌1 min，靜置1 h，取污泥上清液測試pH值。

電導率：電導率反映了水中含鹽量的多少，是水純度的一個重要指標。水的純度越高，含鹽量越低，電導率越小。電導率按式（2）計算。

式中：K25為污泥上清液在25 ℃時的電導率，μS/ cm；Kt為污泥上清液在溫度為t ℃時的電導率，μS/ cm；a為各種離子電導率的平均溫度系數，取值0.022/1 ℃；

污泥體積：選取經不同濃度CPAM溶液處理過的100 mL污泥及其上清液，在量筒中沉淀24 h后測定量筒底部的污泥泥餅體積，記錄固液界面處讀數。

2　結果與討論

2.1CPAM溶液濃度對上清液渾濁度的影響

污泥上清液的渾濁度可以表征污泥的泥水分離效果，渾濁度越低，絮凝劑調理污泥性能越好。從表2看出：隨著CPAM溶液濃度的增加，上清液的渾濁度先降后升。CPAM溶液質量濃度為0.30 g/ L時，上清液渾濁度最低；CPAM溶液質量濃度高于0.30 g/L后，渾濁度上升。這說明CPAM溶液質量濃度為0.30 g/L時，分離效果最好。實驗中還觀察到：CPAM溶液質量濃度為0.30 g/L時，上清液液面無絮體漂浮物存在；隨著CPAM溶液濃度的增加，污泥絮體沉降速率變慢，絮體變大，上清液黏度增加。 因此，在實際污泥處理中，應合理控制CPAM溶液的濃度，使上清液渾濁度達到最佳。

表2　CPAM溶液濃度對上清液渾濁度的影響Tab.2 Effect of CPAM solution concentration on turbidity of supernatant NTU

2.2CPAM溶液濃度對上清液pH值的影響

從表3可以看出：上清液的pH值為7.00～8.10，屬中性范圍，滿足環境要求，不會對環境造成二次污染。

2.3CPAM溶液濃度對上清液電導率的影響

水溶液的電導率是測量水中鹽、離子、雜質等成分的重要指標，這些成分在水溶液中的含量越高，電導率越大，導電性能越強。因此，該指標常用于推測水中離子的總濃度或含鹽量。一般天然水的電導率為50.0 ～1 500.0 μS/cm，無機鹽含量高的水的電導率可達10 000.0 μS/cm 以上，一般認為電導率低于600.0 μS/cm時，水質尚好［7］。

從表4可以看出：隨著CPAM溶液濃度的增加，上清液電導率增加，尤其在CPAM溶液質量濃度大于0.30 g/L以后，隨著CPAM溶液濃度的增加，電導率呈線性增大。CPAM溶液質量濃度為0.05 g/L時，電導率最??；CPAM溶液質量濃度為0.30 g/L時，電導率為220.0～270.0 μS/cm，相當于一般天然水的電導率；CPAM溶液質量濃度為2.00 g/L時，電導率大于500.0 μS/cm，CPAM溶液質量濃度為5.00 g/L時，電導率大于700.0 μS/cm。考慮到Big Lake天然湖水的電導率為300.0～400.0 μS/cm，CPAM的加入是為了污泥脫水濃縮，使污泥減量，凈化水質，而不應影響湖水的生態環境。因此，在對湖水進行處理時，加入CPAM后的電導率應接近天然湖水的電導率，CPAM溶液質量濃度應控制在0.30～0.50 g/L。

表3　CPAM溶液濃度對上清液pH值的影響Fig.3 Effect of CPAM solution concentration on pH value of supernatant

表4　CPAM溶液濃度對上清液電導率的影響Tab.4 Effect of CPAM solution concentration on conductivity of supernatant μS/cm

2.4CPAM溶液濃度對污泥體積的影響

從表5可以看出：CPAM溶液質量濃度小于0.30 g/L時，污泥體積基本保持不變；CPAM溶液質量濃度為0.30 g/L時，污泥體積明顯減小，此時絮體沉降較快且密實；待質量濃度大于0.30 g/L，可明顯看見絮體之間的空隙，污泥體積增加。這是由于CPAM的長鏈結構可促進污泥絮體之間通過范德華力產生良好的吸附架橋作用，同時，由于CPAM所帶的正電荷可以中和污泥表面的負電荷，減小了污泥之間的靜電斥力，增強了污泥的可壓縮性，從而使污泥的沉降性能得到改善；但超過最佳用量后，污泥帶正電荷，造成顆粒間的電荷排斥。因此，過量的CPAM會導致污泥的沉降性能變差［8］，污泥絮體也互相排斥，污泥體積反而增加。為了達到污泥減量最佳效果，CPAM溶液質量濃度應為0.30 g/L。

表5　CPAM溶液濃度對污泥體積的影響Tab.5 Effect of CPAM solution concentration on sediment cake volume mL

3　結論

a）CPAM溶液質量濃度為0.30 g/L時，上清液液面無絮體漂浮物存在，渾濁度最低，污泥絮體沉降速率快，泥餅密實、體積最小。

b）CPAM溶液濃度對污泥上清液的pH值影響較小，污泥上清液的pH值為7.00～8.10，滿足環境要求，不會對環境造成二次污染。

c）CPAM溶液質量濃度為0.30 g/L時，上清液電導率為220.0～270.0 μS/cm，符合天然水水質標準。

4　參考文獻

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Experimental study on optimized control of CPAM dosage on sludge thickening and dewatering

Wang Xiaoyan，Zhang Baojun，Yuan Tao，Wang Xiaoling，Gao Jiang
（Construction Equipment and Municipal Engineering Institute，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract：This research focuses on the optimal dosage of cationic polyacrylamide（CPAM） for sludge thickening and dewatering problem. The dosage is determined by measuring the conductivity，pH，supernatant turbidity，and the volume of sludge. The experimental results show that the pH value of sludge supernatant ranges from 7.00 to 8.10 and the turbidity rises then drops to the lowest when the dosage of CPAM increases to 0.30 g/L. The results also show that the sludge supernatant conductivity follows the dosage of CPAM，and goes up to range from 220.0 μS/cm to 270.0 μS/cm when the dosage reaches 0.30 g/L，which will not cause secondary pollution. Furthermore，the volume of sludge cake will be in dense condition and smallest volume. Therefore，the optimal mass concentration of CPAM is 0.30 g/L.

Keywords：cationic polyacrylamide； sludge； thickening； dewatering

基金項目：“江蘇省高校優秀中青年教師和校長境外研修”項目。

作者簡介：王曉燕，女，1968年生，副教授，2005年碩士畢業于江蘇大學環境工程專業，研究方向為水處理。聯系電話：13776589220；E-mail：349895285@qq.com。

收稿日期：2015-12-01；修回日期： 2016-02-27。

中圖分類號：TQ 326.4

文獻標識碼：B

文章編號：1002-1396（2016）03-0024-03