陽(yáng)離子絮凝劑PDA對再生造紙廢水的污泥脫水處理

[摘要]研究了陽(yáng)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(guò)程,探討了絮凝劑PDA的投加量、電荷密度、平均相對分子質(zhì)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(zhì)量越高,其絮凝脫水效果越好。在與無(wú)機絮凝劑PAC 復配使用的相同條件下,實(shí)驗室自制的絮凝劑PDA的絮凝脫水效果優(yōu)于其他作對比的市售多種陽(yáng)離子聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑。

[關(guān)鍵詞]陽(yáng)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(lèi)新型、精細、功能性的 水溶性高分子聚合物。與其他陽(yáng)離子丙烯酰胺類(lèi)絮 凝劑相比,具有陽(yáng)離子單元結構穩定、高效無(wú)毒、使 用不受pH值變化的影響等優(yōu)點(diǎn),廣泛應用于石油 開(kāi)采、造紙、紡織印染、日用化工及水處理等領(lǐng)域 中〔1~3〕。國外從20世紀50年代開(kāi)始進(jìn)行研究,20 世紀70年代投入工業(yè)化生產(chǎn)。我國在20世紀80 年代末開(kāi)始研究〔4,5〕,現有小規模的工業(yè)化生產(chǎn)。文 獻[6,7]報道了其用于廢紙再生造紙廢水的處理過(guò) 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(yáng)離子聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑進(jìn)行了絮凝脫水效 果的比較,以開(kāi)發(fā)出PDA更多的應用領(lǐng)域。

1　實(shí)驗

1.1　藥劑

聚合氯化鋁(PAC):工業(yè)品。陽(yáng)離子絮凝劑 PDA由實(shí)驗室合成。其中,PDA1,PDA2,PDA3分別 代表不同陽(yáng)離子度和相對分子質(zhì)量的產(chǎn)物。PDA與 市售商品F4(法國產(chǎn)品),E2(英國產(chǎn)品), JS(江蘇產(chǎn) 品)的產(chǎn)品性能見(jiàn)表1。其中絮凝劑平均相對分子 質(zhì)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(jīng)單點(diǎn)法測得。用作對比的樣品(F4,E2, JS) 為陽(yáng)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(yáng)離子度為陽(yáng)離子單體在共聚物總單體量中占的摩爾分數。

1.2　水樣與水質(zhì)

造紙廢水污泥取自國內最大廢紙再生造紙廠(chǎng)經(jīng) 生化處理后二沉池的廢水污泥。水質(zhì)呈灰色混濁 狀,pH值為6,上清液透過(guò)率為40%,CODCr為5 970 mg/L,SS為3 100 mg/L。

1.3　絮凝實(shí)驗法

本文通過(guò)絮凝實(shí)驗來(lái)評價(jià)各種絮凝劑及其配方 的處理效果。實(shí)驗過(guò)程為:在6~8個(gè)400 mL燒杯 中加入100 mL廢水樣,加入無(wú)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(guān)察形成污泥絮團的大小、 強度,另取上清液測定CODCr值、透過(guò)率。其中透過(guò) 率用722型分光光度計測定,以去離子水作參比,測 定波長(cháng)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(jīng)布氏漏斗微減壓過(guò)濾后 在105℃烘干前后失量百分率。

2　結果與討論

2.1　無(wú)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(guān)系。結果表明,上清液 的透過(guò)率隨無(wú)機絮凝劑PAC的增加而增大,CODCr 去除率也有類(lèi)似的關(guān)系。當PAC投加量為330 mg/ L、440 mg/L時(shí),處理后上清液透過(guò)率均可達到令人 滿(mǎn)意的效果。而從經(jīng)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(guān)系

在確定PAC用量后,進(jìn)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(guān)系 見(jiàn)表2。從表2可知,隨著(zhù)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(zhì)的上清液透過(guò)率變化與絮 凝劑的投加量也有類(lèi)似的關(guān)系。這是由于有機陽(yáng)離子絮凝劑PDA是水溶性線(xiàn)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(guò)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(guān)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(lái) 看則是在不斷變得堅韌結實(shí)。說(shuō)明了PDA作為高 分子絮凝劑的作用。

2.3　不同電荷密度的絮凝劑與絮凝效果的關(guān)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(jiàn)表3。從表3可以看出,當 陽(yáng)離子高分子絮凝劑的平均相對分子質(zhì)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(zhì)量一定時(shí),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(yáng)離子對經(jīng)無(wú)機絮凝劑PAC凝聚作用 后的帶有負電荷的膠體顆粒礬花進(jìn)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(guān)系

不同[η]的絮凝劑(PDA2,PDA3)處理造紙廢水 的絮凝脫水效果見(jiàn)表3。當陽(yáng)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(zhì)量大的絮凝 劑(PDA3)CODCr去除率大,處理后水質(zhì)的上清液透 過(guò)率也明顯高,絮凝后形成的絮團顆粒大且濾餅含 水率低。產(chǎn)生這種結果的原因是在加入無(wú)機絮凝劑 PAC后再加入電荷密度相同的有機絮凝劑PDA,但陽(yáng)離子絮凝劑對經(jīng)凝聚作用后帶有負電荷的膠體顆 粒礬花進(jìn)行吸附中和能力相同,此時(shí)相對分子質(zhì)量 大的絮凝劑的架橋能力強。因此,平均相對分子質(zhì) 量大的絮凝劑可以有效的提高CODCr去除率和透過(guò) 率,且下層污泥絮凝后產(chǎn)生的絮體大而堅韌,易于脫 水。

2.5　與其他樣品處理效果的比較

將由實(shí)驗室自制的絮凝劑PDA與市售的幾種 已在污水處理廠(chǎng)作為脫水劑使用的陽(yáng)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(jiàn)表4。其中絮凝劑的投加量均為經(jīng)系統 優(yōu)化后得到的最佳用量。

由表4各種陽(yáng)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(shí)驗室自制 的絮凝劑PDA3由于電荷密度大且平均相對分子質(zhì) 量較大,達到最佳處理效果時(shí)的投加量小且絮凝效 果好;由各種陽(yáng)離子結構的陽(yáng)離子高分子絮凝劑對 比可知,實(shí)驗室自制的絮凝劑PDA的絮凝效果明顯 優(yōu)于實(shí)驗中作對比的市售陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝 劑,這可能是由于絮凝劑PDA中含有環(huán)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(shí)驗室自制絮凝劑PDA與幾種市售的 已在污水處理廠(chǎng)使用的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑 對廢紙再生造紙廢水中污泥脫水的處理過(guò)程,探討 了絮凝劑PDA的投加量、電荷密度、平均相對分子 質(zhì)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(zhì)量越高,其絮凝效果越好。 與國內外各種陽(yáng)離子絮凝劑相比,實(shí)驗室自制絮凝 劑PDA性能優(yōu)越,廢水處理后CODCr去除率達 46.5%,透過(guò)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(yáng)離子單體 具有成本較低、結構穩定、pH適合范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

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