CPAM在污泥濃縮脫水中影響因素分析與試驗研究

謝巧玲+管丹蓉

摘 要：研究了CPAM在污泥濃縮脫水時的影響因素，如CPAM溶液濃度，pH值，攪拌速度，環境溫度等對污泥脫水的影響。試驗表明，CPAM的投加能夠顯著提高污泥濃縮脫水的效率，且當CPAM濃度為0.3g·L-1，pH值6.7-7.5，攪拌速度200r.min-1，溫度25℃-30℃時，污泥濃縮脫水的效果最好。進一步研究發現，溫度對污泥濃縮脫水效果影響很小，對污泥沉降的速度影響較大。

關鍵詞：污泥；CPAM；濃度脫水；影響因素

污水處理廠會產生大量的水處理過程中的污泥，污泥的主要特點是含水率高（有的高達99%[1]），這是影響污泥量的主要因素，導致運輸成本高、堆放面積大，不利于后續的處理問題。當污泥的水分含量從95%降低到85%時，體積減少到原來的1/3，水分含量降低到65%，體積減少到1/7[2]。因此，它是一種有效的方法，以減少污泥體積負荷，并降低后續處理的成本。絮凝沉降技術因其經濟簡便， 而成為最常用的污泥濃縮脫水方法。有機高分子絮凝劑聚丙烯酰胺（Cationic Polyacrylamide，CPAM）大分子鏈上所帶的正電荷密度高，水溶性好， 絮凝能力強， 在污水處理中用量少， 無毒、對環境無污染， 因而它在污泥脫水方面的應用引起廣泛關注。本試驗將利用有機高分子絮凝劑CPAM對污泥進行濃縮脫水的影響因素分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）為鞏義市昌明水處理材料有限公司生產，試驗污泥取自浙江省嘉興南湖湖底，取樣點位于湖泊的入口和出口處，污泥試樣各取兩份，分別命名為IN1、IN2、OUT1和OUT2。污泥性質如表1所示。

實驗用儀器包括電子天平（精確到0.001g），表面皿、烘干箱，量筒，燒杯等；渾濁度采用美國Orbeco-Hellige Analytical Systems Inc公司生產的Digital Direct-Reading Turbidimeter TL#1型渾濁度測試儀；pH值和電導率采用威達優爾貿易上海有限公司制造的VWR-B40PCID型臺式表測試；溫度控制采用加拿大Conviron公司生產的CMP3244型溫控室，攪拌器采用美國Caframo公司生產的BDC250型實驗室用攪拌器。

1.2 實驗指標

渾濁度是反映天然水及飲用水的物理性狀的一項指標。天然水的渾濁度是由于水中含有泥沙、粘土、有機物、微生物等微粒懸浮物所致。渾濁度是泥水分離的重要指標，渾濁度越低， 絮凝劑調理污泥性能越好。為保證實驗達到泥水分離的目的，以渾濁度作為測定指標，從而研究污泥沉降濃縮時的影響因素。

2 結果與討論

2.1 CPAM溶液濃度對污泥脫水性能的影響

試驗保持室內溫度25℃，分別配制0.05g/L、0.1g/L、0.3g/L、0.5g/L、2g/L、5g/L的CPAM溶液，取不同濃度溶液50ml投加到50ml的污泥中，保持200r/min轉速攪拌1分鐘，靜置1小時，取污泥上清液，測試其渾濁度，測試結果如圖1所示。

由圖1可以看出，污泥上清液的渾濁度隨著CPAM濃度的增加先下降后上升，在CPAM濃度0.3g/L時，污泥上清液的渾濁度最低。CPAM溶液濃度大于0.3g/L，污泥上清液渾濁度不降反升，上清液粘度增加，絮體沉降速度緩慢。這是因為陽離子聚丙烯酰胺的加入量過多，通過電荷排斥和重新穩定的帶正電荷的膠體粒子H+的長分子鏈的末端吸附污泥顆粒，不利于污泥脫水，相應也增加了處理成本；此外，用量過多，由于聚電解質的大分子結構，絮體結構松散，形成了一個相對剛性的污泥絮體水分難以去除。添加劑過小，電中和，吸附架橋效果弱，不是一組聚污泥，污泥水分離不夠好，不利于脫水[3]。因此， 結合不同投加量下的試驗現象及處理費用問題， 本文確定優化投加量為0.3g/L，當CPAM 投加量過大時，雖然絮凝效果較好，但由于膠體黏度過大，吸附架橋作用受到抑制，脫水效果反而變差。

2.2 pH值對CPAM污泥脫水性能的影響

試驗保持室溫25℃，分別用HCL和NaOH調制污泥，研究不同pH值時CPAM對污泥脫水效果的影響。取0.3g/L的CPAM溶液50ml投加到50ml的污泥中，保持200r/min轉速攪拌1分鐘，靜置1小時，取污泥上清液，測試其渾濁度，測試結果如圖2所示。

由圖2可以看出，pH值低于6.7即酸性條件下，或者高于7.5堿性條件下，污泥上清液的渾濁度升高。pH值在6.7-7.5即接近中性的條件下污泥上清液濁度較低，分離效果好。雖然CPAM在低值的酸性環境中的電離度較大，分子形狀趨向舒展，且加酸后，會使污泥絮體的表面電荷減弱，這些都有利于絮凝作用但是酸性條件也會使污泥絮體的胞外聚合物溶解，不利于絮凝[4]。堿性環境會增加污泥中的OH-，而CPAM分子鏈卷曲，電離度小，理論上中和OH-需要加大CPAM的濃度，實驗中看到，pH值在8.5-10的污泥，加入CPAM攪拌后沉降時絮體較小，不易沉降，渾濁度值較高。因此用CPAM處理污泥時，適宜在pH值6.7-7.5的范圍內，污泥不需要加入酸或者堿處理。

2.3 攪拌速度對CPAM污泥脫水性能的影響

試驗保持室溫25℃，取0.3g/L的CPAM溶液50ml投加到50ml的污泥中，分別用50，100，200，400，500r/min轉速攪拌1分鐘，靜置1小時，取污泥上清液，測試其渾濁度，測試結果如圖3所示。

攪拌速度對CPAM 的影響較大，過快的攪拌速度產生的強剪切力會造成CPAM 的分子鏈斷裂，從而影響最終污泥脫水效果。實驗顯示，當攪拌速度在50r/min時，一分鐘的攪拌使CPAM與污泥混合不夠充分，絮體大小不一且分散不易沉降，隨著攪拌速度增加至200r/min時，絮體均勻易沉降，當轉速再增加至500r/min時，絮體變小并懸浮于上清液中，沉降緩慢。綜上所述，攪拌速度適宜采用200r/min。同時實驗中觀察到，攪拌速度，攪拌時間，反應容器的直徑對污泥的絮體形成均有影響，生產中應根據沉淀池直徑做中試試驗以確定攪拌速度與時間。

2.4 溫度對CPAM脫水性能的影響

試驗在溫控室溫度4℃ 10℃ 22℃ 30℃時，取0.3g/L的CPAM溶液50ml分別投加到50ml的污泥中，攪拌速度200r/min攪拌1分鐘，靜置1小時，取污泥上清液，測試其渾濁度，測試結果如圖4所示。

試驗采用CPAM與污泥攪拌后靜置一小時，取上清液測試。溫度在22℃以上時，靜置初期污泥絮體沉降速度很快，而低溫10℃以下時，靜置初期的絮體懸浮于上清液中，沉降速度緩慢，隨著時間的推移，絮體沉降下來，一小時后檢測上清液渾濁度，渾濁度值如圖4所示差異不大，溫度的影響并不明顯。

理論上認為溫度升高，顆粒的熱運動加劇，增加了顆粒間的碰撞，有利于絮凝沉降[5]，也有實驗證明，外界溫度不同，污泥沉降速度不同。在相同的時間下，溫度越高，污泥沉降越快[6]。

本次試驗顯示CPAM確實在溫度高的環境下很快的絮凝沉降，但是低溫環境只要給予合適的攪拌速度和攪拌時間，靜置合適的時間，泥水分離的效果與高溫環境差異不大，這對低溫環境的污泥處理及節能減排有很好的理論指導意義。

3 結束語

通過試驗可知，CPAM溶液的投加對污泥濃縮脫水效果良好，試驗過程安全高效，具體結果如下。

（1）保持CPAM溶液投加量為0.3g/L，上清液面無小絮團漂浮物存在，渾濁度值達到最低。

（2）pH值6.7-7.5的范圍內，CPAM處理污泥的效果最好，處理后的污泥pH值中性，不會對環境造成二次污染。

（3）攪拌速度200r/min時，絮體均勻易沉降，同時攪拌速度與時間，反應容器的直徑對污泥的絮體形成均有影響。

（4）溫度對渾濁度的影響差異不大。低溫環境只要給予合適的攪拌速度和攪拌時間，靜置合適的時間，泥水分離的效果與高溫環境差異不大，這對低溫環境的污泥處理及節能減排有很好的理論指導意義。

參考文獻

[1]陳世朋，張景來.污水處理中的污泥脫水技術研究進展[J].污染防治技術，2006，19（1）：16-30.

[2]魏國俠.污泥處理和資源化技術[A].2004全國能源與熱工學術年會論文集（2）[C].2004：319-323.

[3]鄭懷禮，李林濤，蔣紹階，等.CPAM調質濃縮污泥脫水的影響因素及其機理研究[J].環境工程學報，2009，3（6）：1009-1102.

[4]苗兆靜.污泥調理中調質條件對污泥脫水性能的影響[D].武漢理工大學，2005：34-35.

[5]何旭，俞志敏，衛新來，等.聚丙烯酰胺對生活污泥脫水的實驗研究[J].環境科學導刊，2015，34（1）：61-66.

[6]Luo Y. L. ，Yang Z. H. ，Xu Z. Y.， et al. Effect of trace amounts of polyacrylamide （PAM） on long-term performance of activated sludge [J]. Hazard. Mater，2011，189（1） ： 69-75.