聚丙烯酰胺PAM在城市污泥调质方面的应用

    污水处理过程中产生的污泥颗粒较小，且带负电，颗粒间彼此排斥，导致活性污泥聚集体不易被压缩和自然沉降。同时，污泥表面存在的胞外聚合物(EPS)中的蛋白质带有很多高度亲水的极性基团，如-COO-、-CONH2、-OH、-SH 和磷酰基等，使污泥絮凝体外表面吸附大量的水分子，不仅增加了细胞粘附水的量，而且在其表面形成一层密度较厚的水膜，增加了污泥脱水的难度;胞外总糖的亲水性能强于胞外蛋白质，具有较强的粘附性，使污泥形成凝胶体，并含较多的间隙水，影响胶体颗粒布朗运动，减弱絮凝作用。污泥调质的目的之一是向污泥中投加各种调理剂，通过改变污泥颗粒表面的电荷性能，使污泥EPS中的糖类、蛋白质和核酸等释放出来，降低污泥表面能与水分子结合的大分子物质的数量，减弱污泥颗粒间的排斥作用，降低污泥颗粒的亲水性，从而改善污泥的脱水性能。
    目前，聚丙烯酰胺PAM在城市污泥调质方面的应用十分广泛。城市污泥颗粒胶体通常带负电荷，阴离子聚丙烯酰胺PAM对城市污泥调质的作用机制主要有: PAM 中某些基团所产生的氢键和范德华力等吸附作用，或聚丙烯酰胺PAM中某些基团与胶体表面产生特殊的反应和架桥作用。这些作用受聚丙烯酰胺PAM相对分子质量、水解度的影响，致使污泥的沉降性能和脱水性能因聚丙烯酰胺PAM剂型的不同而异，当相对分子质量相同时，水解度越大，污泥絮凝颗粒的粒径和上清液的体积愈大，污泥的比阻愈小，泥饼的含固率愈高，对脱水性能和沉降性能的改善效果越好; 而水解度相同时，相对分子质量增大，污泥絮凝体的粒径和上清液的体积愈大，污泥的比阻愈小，泥饼含固率越高，对脱水性能和沉降性能的改善效果越好，但当相对分子质量进一步增大至1200万时，污泥絮凝体的颗粒变小，比阻增大，泥饼含固率降低，脱水性能和沉降性能相应降低。分析认为，聚丙烯酰胺PAM水解度越高，其链上可水解的活性官能团越多，带负电官能团和水解出的H+等通过吸附架桥和氢键等作用压缩污泥表面双电层，使表面EPS脱落，絮凝颗粒重新絮凝增大，释放出更多的自由水; 而聚丙烯酰胺PAM水解度相同时，相对分子质量越大，絮凝的分子链就长，活性官能团越多，其吸附、架桥、网捕能力就越强，对污泥沉降性能改善效果越好，但相对分子质量过大时，许多聚丙烯酰胺PAM链端就吸附在同一污泥颗粒上，或缠绕在其表面形成水化壳，阻碍絮凝，从而降低污泥的沉降和脱水性能． 因而，对污泥脱水性能的改善存在的聚丙烯酰胺PAM剂型。本研究中，阴离子聚丙烯酰胺PAM剂型为相对分子质量800万、水解度20%的聚丙烯酰胺PAM，其次为相对分子质量600万、水解度30%的聚丙烯酰胺PAM。
    经聚丙烯酰胺PAM调质后污泥絮凝颗粒粒径、沉降后上清液的体积、比阻及泥饼含固率随聚丙烯酰胺PAM投加量的增加而发生变化。其中，A剂型聚丙烯酰胺PAM因水解度过低、E剂型聚丙烯酰胺PAM因相对分子质量过大对污泥调质的影响较小，改变投加量对污泥的沉降性能影响不大; 但对C和D剂型而言，随投加量的增加，污泥絮凝颗粒粒径和沉降后上清液的体积逐渐增大、比阻降低，泥饼含固率增高，当投加量达到75mg·L－1 后，粒径＞0.85mm的污泥絮凝颗粒组成和上清液体积达大值，而此时比阻低，泥饼含固率高，但当投加量超过该值时，反而降低． 这表明聚丙烯酰胺PAM投加量愈大，参与吸附架桥的PAM分子就越多，对污泥脱水、沉降性能的改善效果就越好，但当投加量超过某一点时，用量增多会导致絮凝剂分子自身缠绕使吸附架桥能力降低，因而，从污泥调质的角度来看，聚丙烯酰胺PAM存在用量。 本研究中，C、D 剂型聚丙烯酰胺PAM的用量为75 mg·L－1，此时以干污泥计，聚丙烯酰胺PAM投加率为1.7‰，即每吨干污泥需投加C、D剂型聚丙烯酰胺PAM均为1.7kg，低于在将阴离子聚丙烯酰胺PAM应用于污泥脱水研究中发现的投加率范围0.23%～0.31%，这可能是由聚丙烯酰胺PAM的相对分子质量、水解度及污泥性质不同所引起。投加聚丙烯酰胺PAM之所以能改善城市污泥的沉降和脱水性能，与其通过吸附、表面反应、架桥等作用对污泥表面物质的影响有关。结果表明，污泥经A、B、C和D4种剂型聚丙烯酰胺PAM调质后，上清液中核酸、蛋白质和多糖浓度的变化趋势与污泥沉降后上清液体积(图3) 及泥饼含固率的变化(图5) 趋势相同，与污泥比阻的变化趋势相反(图4)。由于上清液中的核酸、蛋白质和多糖主要来自污泥中EPS的释放，其浓度的提高表明聚丙烯酰胺PAM促进了污泥表面EPS的脱落。还表明，向城市污泥投加阴离子聚丙烯酰胺PAM后，上清液中蛋白质和总糖浓度的变化幅度大于核酸，从变化趋势看，投加A、B、C 和D4种剂型聚丙烯酰胺PAM使上清液蛋白质、总糖和核酸浓度均高于未添加聚丙烯酰胺PAM的处理，而投加E剂型聚丙烯酰胺PAM使核酸浓度呈先降低再上升的趋势。这可能与它们在EPS中所占的比例和不同剂型聚丙烯酰胺PAM对EPS的作用强弱有关。在污泥中，糖类和蛋白质占EPS总量的70%～80%，而核酸所占比例较低。EPS的脱落降低了污泥表面的负电荷，增强了污泥的疏水性，使更多的结合水转变为自由水，有利于细小颗粒重新絮凝成紧实的大絮凝体，使污泥易于沉降，上清液体积增加，同时大的絮凝体可减轻过滤介质堵塞，降低污泥比阻，改善污泥脱水性能。