摘要：介紹陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）在污水處理設(shè)施中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過實(shí)驗(yàn)研究探討了溶解水溫，攪拌速度，溶解助劑用量等對CPAM的溶解性的影響。結(jié)果表明，水溫越高，攪拌速度越快，CPAM溶解速度越快，但能耗也越大，經(jīng)乙醇潤濕后的CPAM，其溶解性有一定的提高。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出了較佳的溶解條件：溶解水溫：30-50℃，攪拌速度200-300（r/min），乙醇用量控制在溶解水量的0.2%-0.4%。本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對指導(dǎo)污水處理廠在冬季氣溫較低時(shí)，污泥脫水設(shè)施的工藝調(diào)整及技術(shù)改造，以降低藥耗，控制污水處理成本具有較高的實(shí)用價(jià)值。
聚丙烯酰胺（PAM）是一種線型高分子聚合物，具有優(yōu)良的增稠絮凝、沉降、過濾、增黏、助留、凈化等多項(xiàng)功能，按離子特性分為非離子、陰離子、陽離子和兩性離子型四種類型。其中陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）是由一種陽離子單元和丙烯酰胺非離子單元構(gòu)成的共聚物，其分子鏈上帶有可以電離的正電荷基團(tuán)（一CONH2），在水中可以電離成聚陽離子和小的陰離子，能與分散于溶液中的懸浮粒子吸附和架橋，有著較強(qiáng)的絮凝作用。它在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛，特別適用于城市污水、污泥及其他工業(yè)污泥的脫水處理。
在采用活性污泥工藝運(yùn)行的污水處理設(shè)施中，由于其排出生物處理系統(tǒng)的剩余污泥有機(jī)物含量高，在后續(xù)脫水處理中一般選用陽離子有機(jī)高分子絮凝劑如陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）進(jìn)行加藥調(diào)理。CPAM在投加之前需要事先配制成一定濃度的水溶液。
然而，在污泥脫水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，往往冬季藥耗會大幅增加。例如某污水處理廠2012年相對氣溫較高的4-10月污泥脫水CPAM平均藥耗為6.6kg/t DS，而相對氣溫較低的其他月份平均藥耗為8.5kg/t DS，后者相比前者高出28.8%。其主要原因是：CPAM受冬季低溫影響溶解不完全，且低溫對CPAM的絮凝效果有一定影響。因此，低溫不僅會增加污泥脫水藥耗，降低污泥脫水效率，還會大幅提高污水處理設(shè)施的運(yùn)行成本。所以在冬季低溫天氣時(shí)，污泥脫水處理過程中實(shí)現(xiàn)CPAM的低耗利用已經(jīng)顯得十分迫切。
針對以上問題，擬從影響CPAM溶解性的因素如溶解溫度、攪拌條件、溶解助劑用量等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，總結(jié)在不影響CPAM藥性前提下的較佳溶解條件。
1、試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)藥品與儀器
本試驗(yàn)使用的藥品、儀器及其型號規(guī)格如表1所示。
表1 藥品、儀器名稱及型號規(guī)格
| 名稱 | 型號規(guī)格 |
| 無水乙醇 | 分析純 |
| 數(shù)顯恒溫恒速多頭磁力攪拌器 | HJ-6B |
| 萬分之一電子天平 | FA1004 |
| 水分快速測定儀 | HB43-S |
| 離心沉淀機(jī) | LXJ-Ⅱ |
| 燒杯 | 250mL、500mL |
| 量筒 | 250mL |
| 洗耳球 | 中號、小號 |
| 移液管 | 15mL、2mL |
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 試驗(yàn)材料及污泥來源
本試驗(yàn)選用某污水處理廠脫水機(jī)房現(xiàn)用的陽離子聚丙烯酰胺干粉為研究對象。其基本特性如表2所示。
表2 現(xiàn)用CPAM基本特性
| 名稱 | 陽離子聚丙烯酰胺（CPAM） |
| 型號 | 巴斯夫8185 |
| 外觀 | 白色粉末狀 |
| 離子度/% | 80 |
| 分子量/萬 | 1000 |
| 化學(xué)結(jié)構(gòu)式 | （CH2CHCONH2） |
本試驗(yàn)使用的污泥選用某污水處理廠重力濃縮和機(jī)械濃縮后的調(diào)節(jié)池污泥，其含水率在97.0%左右。
1.2.2 試驗(yàn)裝置
本試驗(yàn)采用可調(diào)節(jié)式恒溫恒速磁力攪拌方式對陽離子聚丙烯酰胺進(jìn)行溶解試驗(yàn)。溶解裝置主要由恒溫恒速攪拌器、磁攪拌子、溫度傳感器、固定支架、燒杯等組成，如圖1所示。
1.2.3 試驗(yàn)步驟
量取200mL水置于500mL燒杯中，加入磁攪拌子后放在數(shù)顯恒溫恒速多頭磁力攪拌器上，開啟攪拌，調(diào)節(jié)至預(yù)定轉(zhuǎn)速（150-450r/min） ，并加熱水溫至預(yù)定溫度（20-80℃） 后，稱取0.4g CPAM干粉于500mL燒杯中，將加熱恒溫水連同攪拌子小心地徐徐倒人盛有CPAM的燒杯中，并將其放于試驗(yàn)裝置上溶解。記錄所需溶解時(shí)間，溶液為略顯沉濁或較少量細(xì)微凝膠的黏稠溶液，即合格。另外，在做乙醇用量與溶解時(shí)間關(guān)系試驗(yàn)時(shí)，在盛有CPAM干粉的燒杯中預(yù)先加人一定量的無水乙醇進(jìn)行潤濕助溶，10min后再進(jìn)行溶解。
CPAM溶解后，關(guān)閉數(shù)顯恒溫恒速多頭磁力攪拌器。經(jīng)溶解后的CPAM溶液需要“熟化"30min后才能使用。量取160mL污泥樣于250mL燒杯中，然后用15mL的移液管移取12mL CPAM溶液加入250mL燒杯中（按5.0g/kg DS的投藥量計(jì)算用藥量），用玻璃棒均勻攪拌1min，攪拌速度60r/min，再用離心沉淀機(jī)離心10min后（轉(zhuǎn)速2500r/min），濾去上清液，測量其污泥含水率。總結(jié)出在滿足平穩(wěn)的脫水效果的前提下，CPAM的較佳溶解條件，即較適宜的溶解溫度、攪拌速度及助溶劑用量等。
1.2.4 分析方法
污泥含水率測定方法：水分快速測定儀。
2、結(jié)果與討論
2.1 水溫對CPAM溶解時(shí)間的影響
水溫的高低直接影響CPAM的溶解速度。水溫越高，其溶解速度越快，但水溫過高CPAM的分子鏈結(jié)構(gòu)可能會被破壞，會影響污泥脫水效果。CPAM在不同水溫下溶解時(shí)間及污泥脫水含水率如表3所示，其中12℃是本試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的自然水溫。
表3 水溫與CPAM溶解時(shí)間及污泥脫水含水率關(guān)系表
| 序號 | 水溫/℃ | 溶解時(shí)間/min | 含水率/% |
| 1 | 12 | 171 | 86.1 |
| 2 | 20 | 84 | 86.9 |
| 3 | 30 | 64 | 86.2 |
| 4 | 40 | 55 | 86.5 |
| 5 | 50 | 46 | 86.1 |
| 6 | 60 | 34 | 86.2 |
| 7 | 70 | 30 | 85.1 |
| 8 | 80 | 28 | 84.2 |
根據(jù)表3的數(shù)據(jù)繪制出水溫與CPAM溶解時(shí)間及污泥脫水含水率關(guān)系曲線，如圖2所示。
由圖2可知隨著水溫升高，CPAM的溶解速度明顯加快。水溫從12℃上升到60℃，CPAM的溶解時(shí)間減少較迅速，而從60℃上升到80℃， CPAM的溶解時(shí)間減少較緩慢。
此外，使用水溫更高的CPAM溶液，經(jīng)脫水后的污泥含水率相對更低些，說明水溫高，CPAM溶解得更充分。但總體上隨著水溫變化，脫水后污泥的含水率沒有明顯波動，可見溶解水溫在80℃以下時(shí)對CPAM的分子結(jié)構(gòu)破壞程度不明顯。
2.2 攪拌速度對CPAM溶解時(shí)間的影響
攪拌的速度對CPAM的溶解速度影響較大。攪拌越快，其溶解速度越快，但是過快的攪拌速度產(chǎn)生的過強(qiáng)剪切力會造成CPAM的分子鏈發(fā)生斷裂，從而影響污泥脫水效果。CPAM在不同攪拌速度下的溶解時(shí)間及污泥脫水含水率如表4所示。
表4 攪拌速度與CPAM溶解時(shí)間及污泥脫水含水率關(guān)系表
| 序號 | 攪拌速度/（r·min-1） | 溶解時(shí)間/min | 含水率/% |
| 1 | 150 | 109 | 86.3 |
| 2 | 200 | 46 | 86.1 |
| 3 | 250 | 36 | 86.5 |
| 4 | 300 | 26 | 86.2 |
| 5 | 350 | 23 | 85.7 |
| 6 | 400 | 21 | 85.9 |
| 7 | 450 | 20 | 85.4 |
根據(jù)表4的數(shù)據(jù)繪制出攪拌速度與CPAM溶解時(shí)間及污泥脫水含水率的關(guān)系曲線，如圖3所示。
由圖3可知隨著攪拌速度的加快，CPAM的溶解速度明顯加快。攪拌速度從150r/min增加到300r/min，CPAM的溶解時(shí)間減少較迅速；從300r/min增加到450r/min，CPAM的溶解時(shí)間減少較緩慢。
此外，由圖3可知，使用攪拌速度更快的CPAM溶液，脫水后的污泥含水率相對更低，說明攪拌速度快CPAM溶解得更充分。但總體上隨著攪拌速度的改變，脫水后污泥的含水率沒有明顯波動，可見采用磁力攪拌條件，攪拌速度在450r/min以下時(shí)，對CPAM的分子結(jié)構(gòu)破壞程度不明顯，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)選用的CPAM具有較高分子量，其制備的溶液會更耐剪切。
2.3 乙醇用量對CPAM溶解時(shí)間的影響
在水溶CPAM之前，使用醇類對CPAM干粉進(jìn)行潤濕一段時(shí)間，然后加水溶解，由于醇類等有機(jī)小分子物質(zhì)除了對CPAM顆粒進(jìn)行吸附、潤濕、滲透等物理作用外，其對CPAM水化和氫鍵的形成還有一定作用，加人醇類等助溶劑可改善CPAM的溶解性。本試驗(yàn)采用無水乙醇作為溶解助劑，在稱取的0.4g CPAM干粉中添加適量的乙醇，經(jīng)過10min潤濕后，再加人200mL水，并調(diào)整攪拌速度為200r/min，水溫控制為50℃進(jìn)行溶解試驗(yàn)。CPAM在不同乙醇用量時(shí)的溶解時(shí)間及污泥脫水含水率如表5可知。
表5 乙醇用量與CPAM溶解時(shí)間及污泥脫水含水率關(guān)系表
| 序號 | 乙醇用量/% | 溶解時(shí)間/min | 含水率/% |
| 1 | 0.0 | 46 | 86.3 |
| 2 | 0.2 | 41 | 85.3 |
| 3 | 0.4 | 40 | 87.5 |
| 4 | 0.6 | 42 | 87.7 |
| 5 | 0.8 | 41 | 86.7 |
| 6 | 1.0 | 42 | 84.4 |
根據(jù)表5的數(shù)據(jù)繪制出乙醇用量與CPAM溶解時(shí)間及污泥脫水含水率的關(guān)系曲線，如圖4所示。
由圖4可知乙醇用量為0.2%-0.4%的溶解水量時(shí)，溶解速度有所加快，而繼續(xù)增加乙醇用量，溶解時(shí)間減少不明顯，這可能是因?yàn)樵谝欢l件下，醇類對CPAM水化和氫鍵等形成的促進(jìn)作用已基本達(dá)到平衡。
因此，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，本試驗(yàn)乙醇用量宜取水量的0.2%-0.4%。此時(shí)，CPAM的溶解速度相對較快，污泥脫水效果比較理想，而乙醇用量并不多。
3、結(jié)論
對于污水處理廠污泥脫水過程中使用的陽離子聚丙烯酰胺的溶解性，根據(jù)上述的研究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：
（1） CPAM溶解水溫越高、攪拌速度越快，其溶解速度越快，但增加到一定程度后，溶解時(shí)間減少不明顯，而此時(shí)能耗明顯增加，因此，可確定一個(gè)適宜區(qū)間為：水溫控制在30-50℃，攪拌速度宜取200-300r/min。
（2） 助溶劑乙醇的使用對于CPAM的溶解性具有一定效果。但乙醇用量控制在溶解水量的0.2%-0.4%時(shí)，其溶解速度加快明顯，此后隨著乙醇用量的增加，CPAM的溶解速度無明顯加快，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，乙醇用量宜取溶解水量的0.2%-0.4%。
（3）鑒于試驗(yàn)研究結(jié)果，污水處理廠在冬季運(yùn)行時(shí)只需增加少量投資，添加一套可調(diào)溫加熱裝置對CPAM溶解用水進(jìn)行適當(dāng)加熱，并在低溫天氣時(shí)適當(dāng)提高攪拌速度，且有條件情況下，在CPAM干粉加水溶解之前預(yù)先加人少量助溶劑潤濕一段時(shí)間，就能有效提高CPAM溶解速度及溶解程度。因此，本試驗(yàn)結(jié)果對指導(dǎo)污水處理廠在冬季氣溫較低時(shí)，通過污泥脫水設(shè)施的工藝調(diào)整及技術(shù)改造，以降低藥耗、控制污水處理成本具有較高的實(shí)用價(jià)值。
