[摘要]研究了陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑PDA對一種廢紙再生造紙廢水中的污泥的絮凝脫水處理過程,探討了絮凝劑PDA的投加量、電荷密度、平均相對分子質量對絮凝脫水效果的影響,并比較了各種不同絮凝劑的處理效果。研究結果表明,絮凝劑PDA的電荷密度越大,相對分子質量越高,其絮凝脫水效果越好。在與無機絮凝劑PAC 復配使用的相同條件下,實驗室自制的絮凝劑PDA的絮凝脫水效果優于其他作對比的市售多種陽離子聚丙烯酰胺類絮凝劑。
[關鍵詞]陽離子絮凝劑;造紙廢水處理;污泥脫水;共聚物PDA
二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)與丙烯酰胺 (AM)的共聚物(PDA)是一類新型、精細、功能性的 水溶性高分子聚合物。與其他陽離子丙烯酰胺類絮 凝劑相比,具有陽離子單元結構穩定、高效無毒、使 用不受pH值變化的影響等優點,廣泛應用于石油 開采、造紙、紡織印染、日用化工及水處理等領域 中〔1~3〕。國外從20世紀50年代開始進行研究,20 世紀70年代投入工業化生產。我國在20世紀80 年代末開始研究〔4,5〕,現有小規模的工業化生產。文 獻[6,7]報道了其用于廢紙再生造紙廢水的處理過 程。本次研究把試驗室自制的共聚物PDA應用于 造紙廢水處理中的污泥脫水,并與已使用的幾種市 售的陽離子聚丙烯酰胺類絮凝劑進行了絮凝脫水效 果的比較,以開發出PDA更多的應用領域。
1 實驗
1.1 藥劑
聚合氯化鋁(PAC):工業品。陽離子絮凝劑 PDA由實驗室合成。其中,PDA1,PDA2,PDA3分別 代表不同陽離子度和相對分子質量的產物。PDA與 市售商品F4(法國產品),E2(英國產品), JS(江蘇產 品)的產品性能見表1。其中絮凝劑平均相對分子 質量大小以特性粘度數值[η]表示,[η]值由樣品溶 液在(30±0.1)℃、1 mol/L NaCl水溶液中由烏氏粘 度計經單點法測得。用作對比的樣品(F4,E2, JS) 為陽離子單體甲基丙烯酰乙酯三甲基氯化銨(DM) 與丙烯酰胺(AM)的共聚物。陽離子度為陽離子單體在共聚物總單體量中占的摩爾分數。
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1.2 水樣與水質
造紙廢水污泥取自國內最大廢紙再生造紙廠經 生化處理后二沉池的廢水污泥。水質呈灰色混濁 狀,pH值為6,上清液透過率為40%,CODCr為5 970 mg/L,SS為3 100 mg/L。
1.3 絮凝實驗法
本文通過絮凝實驗來評價各種絮凝劑及其配方 的處理效果。實驗過程為:在6~8個400 mL燒杯 中加入100 mL廢水樣,加入無機絮凝劑PAC,以180 r/min快速攪拌1 min,然后加入有機高分子絮凝劑 組分,先快速攪拌(180 r/min)20 s,再慢速攪拌(40 r/ min)20 s,靜置30 min。觀察形成污泥絮團的大小、 強度,另取上清液測定CODCr值、透過率。其中透過 率用722型分光光度計測定,以去離子水作參比,測 定波長為610 nm。CODCr值用重鉻酸鉀氧化法測 定〔8〕。濾餅含水率為絮體經布氏漏斗微減壓過濾后 在105℃烘干前后失量百分率。
2 結果與討論
2.1 無機絮凝劑PAC最佳用量選擇
不同投加量的PAC與有機高分子絮凝劑PDA (選用PDA2)配合使用處理造紙廢水的污泥,考察了 PAC投加量與絮凝效果的關系。結果表明,上清液 的透過率隨無機絮凝劑PAC的增加而增大,CODCr 去除率也有類似的關系。當PAC投加量為330 mg/ L、440 mg/L時,處理后上清液透過率均可達到令人 滿意的效果。而從經濟效益的角度考慮,本次研究 確定PAC的較佳投加量為330 mg/L。
2.2 有機絮凝劑投加量與絮凝效果的關系
在確定PAC用量后,進一步研究有機高分子絮 凝劑PDA(選用PDA3)用量與絮凝脫水效果的關系 見表2。從表2可知,隨著絮凝劑PDA3的投加量 增加,上清液CODCr去除率隨投加量的增加而增加, 當絮凝劑PDA3投加量達到一定值后,CODCr去除率 反而下降,處理后的水質的上清液透過率變化與絮 凝劑的投加量也有類似的關系。這是由于有機陽離子絮凝劑PDA是水溶性線性高分子聚合物,它的分 子鏈上帶有正電荷,具有“吸附”和“架橋”作用。當 有機絮凝劑投加量過量后,有機絮凝劑分子可能覆 蓋在膠體顆粒表面,使膠體粒子重新穩定而分 散〔10〕。而觀測到的絮團直徑雖然隨PDA的投加量 增加有先增后減的現象,但是,從絮團的緊密程度來 看則是在不斷變得堅韌結實。說明了PDA作為高 分子絮凝劑的作用。
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2.3 不同電荷密度的絮凝劑與絮凝效果的關系
不同電荷密度的絮凝劑(PDA1,PDA3)處理造紙 廢水的絮凝脫水效果見表3。從表3可以看出,當 陽離子高分子絮凝劑的平均相對分子質量相當 ([η]大約一致)情況下,電荷密度大的絮凝劑 (PDA3)的CODCr去除率比電荷密度小的絮凝劑 (PDA1)要大,PDA3樣品處理后的濾餅含水率比 PDA1樣品低,即電荷密度大的絮凝劑的絮凝效果比 電荷密度小的效果好。這是因為當有機高分子絮凝 劑的平均相對分子質量一定時,即聚合物分子的架 橋能力大約一致,而造紙廢水中纖維成分多,膠體所 帶電荷大,但陽離子對經無機絮凝劑PAC凝聚作用 后的帶有負電荷的膠體顆粒礬花進行吸附中和的作 用占主導地位。因而,電荷密度大的絮凝劑的絮凝 效果比電荷密度小的絮凝劑的效果好。
2.4 不同[η]的絮凝劑與絮凝效果的關系
不同[η]的絮凝劑(PDA2,PDA3)處理造紙廢水 的絮凝脫水效果見表3。當陽離子高分子絮凝劑電 荷密度一定的條件下,平均相對分子質量大的絮凝 劑(PDA3)CODCr去除率大,處理后水質的上清液透 過率也明顯高,絮凝后形成的絮團顆粒大且濾餅含 水率低。產生這種結果的原因是在加入無機絮凝劑 PAC后再加入電荷密度相同的有機絮凝劑PDA,但陽離子絮凝劑對經凝聚作用后帶有負電荷的膠體顆 粒礬花進行吸附中和能力相同,此時相對分子質量 大的絮凝劑的架橋能力強。因此,平均相對分子質 量大的絮凝劑可以有效的提高CODCr去除率和透過 率,且下層污泥絮凝后產生的絮體大而堅韌,易于脫 水。
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2.5 與其他樣品處理效果的比較
將由實驗室自制的絮凝劑PDA與市售的幾種 已在污水處理廠作為脫水劑使用的陽離子聚丙烯酰 胺絮凝劑(F4,E2,JS)的絮凝效果作了系統對比研 究,結果見表4。其中絮凝劑的投加量均為經系統 優化后得到的最佳用量。
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由表4各種陽離子絮凝劑與PAC配合使用處 理造紙廢水污泥的效果比較可以看出,實驗室自制 的絮凝劑PDA3由于電荷密度大且平均相對分子質 量較大,達到最佳處理效果時的投加量小且絮凝效 果好;由各種陽離子結構的陽離子高分子絮凝劑對 比可知,實驗室自制的絮凝劑PDA的絮凝效果明顯 優于實驗中作對比的市售陽離子聚丙烯酰胺絮凝 劑,這可能是由于絮凝劑PDA中含有環狀的剛性結 構,有利于提高聚合物的絮凝性能。
3 結論
研究了實驗室自制絮凝劑PDA與幾種市售的 已在污水處理廠使用的陽離子聚丙烯酰胺類絮凝劑 對廢紙再生造紙廢水中污泥脫水的處理過程,探討 了絮凝劑PDA的投加量、電荷密度、平均相對分子 質量對絮凝脫水效果的影響,并比較了各種不同絮 凝劑的處理效果。研究結果表明,絮凝劑PDA的電 荷密度越大,相對分子質量越高,其絮凝效果越好。 與國內外各種陽離子絮凝劑相比,實驗室自制絮凝 劑PDA性能優越,廢水處理后CODCr去除率達 46.5%,透過率91.2%,濾餅含水率為71.5%,且形 成的絮體大而韌,有利于脫水。此外,其陽離子單體 具有成本較低、結構穩定、pH適合范圍廣等優點。
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