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浅谈污泥脱水过程中的絮凝机理

2019-09-19

近几年我国逐步重视对河湖污泥的治理工作,但由于疏浚污泥存在堆放占地面积大、干化速度慢、对环境有污染等问题,因此需要找到一种新型处理工艺。经过研究试验,现已逐步形成了一套新型污泥固化的新工艺——采用絮凝剂处理污泥,使用土工管袋提高滤水效果。此方法提高了污泥的脱水效率,避免了二次污染,有着显著的环保、经济效应。

1污泥的性质及其中水分的存在形式

1.1污泥的性质

污泥的组分复杂,变异性大,组成絮体为水中悬浮固体经不同方式胶结凝聚而成,结构松散,形状不规则,高度不均匀,比表面积与孔隙率极高,具有分形结构,外观上具有类似绒毛的分支和网状结构,为稳定存在的胶体体系,其主要特征是含水率高。

1.2污泥中水分存在的形式

污泥中所含水分的形态,尽管不同的文献有不同的分类,但一般都认为是有以下四种,即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。

图1 污泥中水分的存在形式

毛细结合水和内部结合水含量不高,只占污泥中总含水量的10%左右。因此表面吸附水和间隙水为污泥脱水的主要对象。

2污泥脱水的方法

2.1浓缩脱水

浓缩脱水主要是去除污泥的间隙水,缩小污泥的体积,通常使用的方法有:重力浓缩、气浮浓缩、离心浓缩等。

2.2絮凝剂脱水

由于浓缩脱水耗时长、占地大等缺点,很多情况下仅依靠浓缩脱水是不能满足工程要求的。为了提高脱水效率,需要对污泥进行调理。在实际生产中以加入絮凝剂的化学调理法为主。絮凝剂脱除的主要是表面吸附水。

常用的絮凝剂主要分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两大类。无机絮凝剂中常用的有铁系絮凝剂(及其聚合物)和铝系聚合物(及其聚合物)。常用的有机高分子絮凝剂为聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠。

3絮凝机理

3.1无机絮凝剂

3.1.1无机盐类絮凝剂

无机盐类絮凝剂主要是通过电解质化合物的电离作用生成的带电离子与带相反电荷的胶粒发生电中和,破坏胶体体系的稳定性,促使胶粒团聚下沉。主要的作用形态是自发水解产物及初聚物、低聚物和凝胶沉淀物。但在实际生产过程中,往往需要加入大量浓度很高的无机盐类絮凝剂才能得到满意的出水效果,因此,需对无机盐类絮凝剂进行改性。

3.1.2无机高分子絮凝剂

20世纪60年代,聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)等无机高分子絮凝剂成功问世。PAC、PFS都是以其水解产物对带电胶粒进行电中和脱稳、吸附架桥或粘附卷扫而生成粗粒絮凝体再加以去除。

无机高分子絮凝剂与无机盐类絮凝剂相比,其絮凝效能通常会提高2-3倍。这是由于无机高分子絮凝剂具有相对的形态稳定性,投入待处理污泥中,即可直接吸附在胶粒表面,发挥很强的电中和及架桥粘结作用。

其具体絮凝机理如下,如图2:

(1)与污泥胶粒表面发生结合位吸附。

(2)吸附进行电中和。

(3)胶粒间架桥并团聚。

图2 无机高分子絮凝剂的絮凝机理模型

无机高分子絮凝剂比无机盐类絮凝剂的性能有所提高,但其分子量和絮凝架桥能力仍较有机高分子絮凝剂有较大差距。

3.2有机絮凝剂

有机高分子絮凝剂加入待处理的污泥中,可以迅速引起聚沉,其絮凝性能是无机絮凝剂所无法达到的。有机高分子的絮凝机理主要分为两种:一种为电中和作用,另一种为高分子吸附架桥作用。在污泥脱水处理中阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)应用最为广泛,着重介绍其絮凝机理。

3.2.1电中和作用

CPAM带有正电荷,污泥胶粒带有负电荷,两者之间可以产生强烈的定量的吸附作用。电荷中和后,污泥体系不再稳定,胶粒开始聚集成团,加速沉降。但是由于CPAM的电中和作用絮凝效果有限,无法达到满意的脱水效果。

3.2.2 吸附架桥作用

和无机高分子絮凝剂一样,CPAM加入后首先吸附在污泥胶粒表面。起初,CPAM的浓度较低时,吸附在胶粒表面的高分子长链可能同时吸附在另一颗粒的表面上,通过这种“架桥”方式将两个或更多的胶粒连在一起,从而导致絮凝,这就是发生高分子絮凝作用的“架桥”机理。

从结构方面分析,架桥的必要条件是胶粒上存在空白表面。如果溶液中的高分子浓度很大,胶粒表面就会全部被所吸附的有机高分子物质所覆盖,胶粒不会再通过架桥连接而絮凝,相反,此时高分子物质反而对胶粒起到稳定保护作用。这也就解释了,絮凝剂的絮凝效果是随着加入量的增加而出现先上升后下降的原因,存在一个佳的絮凝剂加入浓度(往往小于1mg/L)。

从能量方面分析,架桥的必要条件是絮凝剂必须能跨越胶体颗粒间的相互作用能。根据DLVO理论,胶体粒子间存在两个方向相反的力,即吸引力(范德华引力)和排斥力(静电斥力),两种力都是胶粒间距的函数,共同作用的结果表现为相互作用能是胶粒间距的函数:

式中:Vr为胶体粒子间的相互作用能;r为胶粒半径,cm;D为水的介电常数;u为吸附层和扩散层界面上的电位;1/k为离子云的厚度,cm;H为颗粒间的最短距离;A为范德华常数。

污泥颗粒被CPAM桥联,则CPAM必须能跨越胶体颗粒间的双电层的排斥作用范围,即CPAM跨越胶体颗粒间的相互作用能时,架桥才成为可能,原理如图3所示,虚线表示扩散层的范围。

图3 高分子架桥絮凝机理

从图3中我们不难看出,在低离子强度下静电斥力阻碍架桥发生。若要改善这种情况,就需要外界提供能量,迫使胶粒运动,增加碰撞几率。最直接有效的方法就是对加入药剂后的体系进行机械搅拌,施加适当的剪切力。

式中:ρ0为颗粒的密度;W为在单位时间单位体积水中作的功;η为水的运动粘滞系数;r为颗粒半径。

由上式中可以看出,当对污泥水施加剪切力时,每个颗粒的动能与粒径的5次方成正比,所以剪切使粒径较大的颗粒动能较大,而粒径较小的颗粒动能较小,由此颗粒间产生了速度梯度,提高了颗粒碰撞的几率。此外,机械搅拌能使形成的絮凝体在污泥层中受到相互摩擦和挤压作用,从而有利于形成密实的颗粒群。另外湛含辉等人通过实验得到了剪切时间对絮凝效果的影响:强剪切后进行的弱剪切时间越长,污泥水沉降效果越好;弱剪切转速越大,污泥水沉降效果越好,但不宜过大,避免大絮体的破坏。

综上所述,根据絮凝机理可知,絮凝效果主要取决于两个因素:(1)电中和作用和吸附架桥的能力,这是由絮凝剂本身性质所决定的。(2)污泥颗粒的碰撞几率。

4结论

若想进一步降低污泥的含水率,可以从以下两个方面出发:一方面选取更适合的絮凝剂或絮凝剂组合,并找到佳浓度。合成高分子絮凝剂具有用量小,效率高等特点,但价格昂贵。若聚合单体残留会造成二次污染。研究人员发现以无机—有机高分子絮凝剂复配使用其效果优于两者单独使用效果。另外,具有高效、无毒、无二次污染、易生物降解等优点的新型天然高分子絮凝剂和生物絮凝剂正在研究开发中。另一方面在加入絮凝剂后,应适当搅拌并且控制搅拌力大小和搅拌时间,提高颗粒的碰撞几率,加速大絮体生成,提高污泥的脱水效率。

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