污泥脱水絮凝剂研究与发展趋势

近年来，随世界工业的发展及人口的增加，污泥产量增长明显。近年来，污泥的处置成为当今的一大难题。据统计，我国每年排放干污泥约为550万～600万ｔ，且不断增加。我国现阶段污泥的处置方法普遍是堆积、填埋。这些污泥的堆放不仅占用了大量的土地，而且还将对环境产生巨大的危害。

污泥一般是污水处理过程中产生的固体废物。根据污水来源，分为工业污泥和生活污泥两类。传统的污泥处理方法主要有以下４种：卫生填埋、土地利用、焚烧和投海，但是这些方法在二次污染、大气污染控制、投资及运营成本等方面存在的问题限制了其实际应用。目前我国对城市污泥主要采用临时填埋的处置方式，既占用了大量土地，又对生态环境造成了破坏。

另外，污泥的成分非常复杂，含有很多病原微生物、寄生虫卵及重金属等，且未处理的污泥含水量很高，一般为95％～99.5％，因此必须进行脱水处理。干化后的污泥可用作化肥，土壤改良剂进行资源化利用。所以，当前环保对污泥的处理可概括为以下四点：无害化、稳定化、减量化、资源化。

1、污泥含水特性

1.1污泥含水率分析

 污泥中所含水分的重量与污泥总重量之比的百分数称为污泥含水率。一般污水处理厂初始的污泥含水率很高，大于99％，相对密度接近1。污泥固体成分分为有机物和无机物成分，一般污泥固体颗粒越细小，其含的有机物越多，污泥的含水率也越高。颗粒较大则无机物含量较高。

污泥含水率的微小变化，也能造成污泥体积的显著改变。污泥体积、固体含量和含水率三者的关系可由式推导V2＝V1（100－P1）（100－P2）式中，V1、P1分别表示处理前的污泥总体积和含水率（％），V2、P2分别表示经过处理后的污泥总体积和含水率（％）。由上述公式可得，污泥含水率微小的降低，总体积也能显著减小。

例如，污泥含水率从99.5％浓缩到95％时，污泥体积仅为原来的1/10。而污泥含水率从99.5％即使浓缩到98.5％，体积也可缩小为原来的1/3。所以降低污泥的含水率对污泥的减量化有着十分重要的参考意义。

1.2污泥中水分的存在形式

 Mülle等在20世纪80年代对污泥的特性研究后认为，水分在污泥中分为４种形态，即间隙水、表面吸附水、毛细结合水和内部结合水。

间隙水：不与固体直接结合的由污泥颗粒包围着的游离水分，与污泥颗粒的作用力很弱因而很容易分离。污泥调理剂对这部分水的分离效果很明显，间隙水一般占污泥水分的70％。

毛细管结合水：污泥颗粒间会形成一些小的毛细管，这种毛细管分为裂纹形和楔形两种。其中充满的水分分别称为裂纹毛细管结合水和楔形毛细管结合水，约占污泥水分的20％左右。

表面吸附水：污泥在标准状态下为胶体状态，污泥胶体粒度小，因而比表面积大，由于表面张力的作用吸附水分较多。由于DLVO力的存在，胶体颗粒带有同号电荷，互相排斥，阻碍颗粒的凝聚絮团。这部分水使用普通的浓缩或者脱水方法很难去除，因此需加入起混凝作用的电解质以使颗粒互相粘附沉降，达到污泥固体与水分分离的目的。表面吸附水约占污泥水分的7％左右。

内部结合水：存在于污泥颗粒内部或者微生物细胞体内的水分统称为内部结合水，内部水的含量与污泥颗粒有机质含量、微生物细胞体所占比例有关。这部分水很难用机械方法去除，必须破坏细胞膜释放细胞液，将内部结合水转化为外部液体才能去除。内部结合水约占污泥水分的3％左右。

2、污泥脱水絮凝剂的应用及研究进展

污泥絮凝剂的使用属于污泥的化学调理，絮凝剂对污泥具有混凝作用。混凝一般起压缩双电层、吸附架桥和网捕三个方面作用。根据絮凝剂的成分的不同可将絮凝剂分为无机絮凝剂、合成有机絮凝剂、天然高分子絮凝剂、微生物絮凝剂和复合絮凝剂5大类。

2.1无机絮凝剂

无机絮凝剂属于传统的絮凝剂，应用历史悠久，广泛的用于污泥脱水。无机脱水剂主要是铁盐、铝盐、铝铁盐和石灰等。除石等助凝作用的调理剂，无机调理剂主要为絮凝剂。按相对分子质量分为无机低分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂。

传统的无机低分子絮凝剂主要分为铝盐系和铁盐系。如硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁等。无机低分子絮凝剂价廉易得，但投加量大，一般要达到污泥干固体重量的5％～20％，因而导致滤饼体积增大。另外铁离子具有颜色且铁盐腐蚀性较强；水中的氯离子能够降低明矾的絮凝作用，从而增加了明矾的投加量。现在无机低分子絮凝剂的使用已越来越少。

20世纪60年代开始，无机高分子絮凝剂被陆续使用并流行。由于其性价比高的优势，目前已在世界很多地区尤其是日本、俄罗斯和西欧、中国等地区取代了传统无机低分子絮凝剂。而美国由于有机高分子絮凝剂发展迅速及普遍应用，无机高分子絮凝剂发展相对滞后。无机高分子絮凝剂在传统的铁盐、铝盐基础上发展起来，主要以聚氯化铝、聚硫酸铁为主。因为高分子絮凝剂分子量大，高分子链聚合度高，可形成“胶粒－高分子物质－胶粒”的集合体，起到无机低分子絮凝剂所不具有的吸附架桥作用。因为絮凝能力强、絮凝效果好、价格相对低廉等优点，无机高分子絮凝剂已逐步成为无机调理药剂的主流。

2.2合成有机高分子絮凝剂

合成有机高分子絮凝剂在近30年来的增长很快，尤其以美国为主。有机高分子絮凝剂相对分子量大，架桥吸附能力更强，网捕性能较好，且具有用量小效率高，受ｐＨ、共存盐类及温度影响较小的优点。合成有机高分子絮凝剂分为阳离子型、阴离子型、非离子型、两性型絮凝剂。一般城市生活污泥多带负电，宜使用阳离子型絮凝剂；工业污泥多带正电，宜使用阴离子型絮凝剂。目前使用最广泛的合成有机高分子絮凝剂是聚丙烯酰胺及聚丙烯酰胺的衍生物。

印度伯拉理工学院等在氮气氛围中，以硝酸铈铵为引发剂，微波促进合成的方式，采用羧甲基淀粉与聚丙烯酰胺接枝共聚得到CMS－g－PAM 高效絮凝剂。在微波加热下，可观测到合成率达50％。

在合成两性型有机高分子絮凝剂方面，朱胜庆等以疏水单体全氟辛基乙基丙烯酸酯（FM）、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）通过自由基胶束共聚合成了P（FM－AMPS－AM－DMC）四元共聚物，称为氟碳型两性聚丙烯酰胺絮凝剂。该药剂与聚氯化铝相比，用于洗煤水絮凝时具有高效性，且能在较宽的温度范围（10～80℃）内及较宽的洗煤水ｐＨ范围内使用。污泥脱水试验中可将污泥滤饼含水率由36.5％降至15.6％。

专利方面，王有华等发明了一种适合应用于石油、化工等行业的污泥处理的复合型污泥脱水聚合物。主要以阴离子或非离子聚烯酰胺、甲醛、有机胺、亚硫酸氢钠、新鲜水为原料，辅以少量助剂，在一定的温度下反应制得磺甲基聚丙烯酰胺和胺甲基聚丙烯酰胺为主要成分的胶体水溶液。其处理的滤后液COD基本低于2000mg/l，油含量在1000mg/l以下。古耀坤等通过添加十二烷基二甲基苄基氯化铵表面活性剂的方法在板框压滤机脱水中使用，并递增式设定污泥注入压力的方法可明显降低污泥的比阻值，且提高滤饼的含固率。

2.3天然有机高分子絮凝剂

早在公元前16世纪，古埃及就已尝试用甜扁桃汁作为絮凝剂。近代，天然高分子絮凝剂被相继研究开发。如今，淀粉衍生物、纤维素衍生物、植物胶、多聚糖类絮凝剂经过适当的化学改性后已被广泛使用。某些天然高分子具有水溶性好、分子量大、

且有适宜的活性基团的优点，非常适合做絮凝剂，更重要的是天然高分子原料来源广泛，价格低廉且无毒或低毒，以其“绿色絮凝剂”的称号受到广泛关注。

污泥脱水领域研究较为深入的是壳聚糖类絮凝剂。目前国外已开始采用壳聚糖类絮凝剂做污泥脱水剂增稠剂，工业效果应用较好。壳聚糖分子链内的六元环平面有一定角度，侧链上有羟甲基、羟基和胺基等活性基团，决定了壳聚糖除了吸附、架桥，还有普通絮凝剂所没有的螯合、交联功能。山东大学的顿咪娜等和武汉大学的邹鹏等都做了壳聚糖调理剂与聚丙烯酰胺（PAM）对污泥脱水性能影响的比较。顿米娜等在两种絮凝剂各自不同的温度、PH 值、搅拌时间以及投加量对污泥调理效果最佳时进行比较，发现壳聚糖和PAM对活性污泥的脱水效果相当，对消化污泥壳聚糖略逊于PAM 的调理效果。邹鹏等发现，要达到相同的絮凝效果壳聚糖用量大于阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）。而先加氯化铝再加壳聚糖的复配方法，比这两种絮凝剂单独投加的最佳效果要好。

杜丽英等以壳聚糖为原料，通过接枝共聚反应合成了壳聚糖－AM－DMDAAC，壳聚糖－AM ，壳聚糖－AA三种天然改性高分子絮凝剂对活性污泥调理，结果表明，壳聚糖－AM－DMDAAC阳离子型接枝共聚物效果最好。调理后的100mL污泥真空抽滤1min的滤液体积可达到70mL，抽滤5min后可将污泥含水率从95.4％降低到86.4％，脱水效果优于壳聚糖、聚丙烯酰胺等其他几种常用的污泥脱水剂。

而在其他天然高分子絮凝剂方面，Hartong等人研究了环糊精改善污泥脱水性能的机理，发现环糊精不仅能有效降低滤饼比阻，其特殊结构能破坏水中悬浮的阳离子胶体，减小悬浮液浊度并凝聚聚合物链。

2.4微生物絮凝剂

微生物絮凝剂是一种利用生物技术，通过从微生物体或其分泌物中发酵、抽取、精制而得到的一种具有生物分解性和安全性的高效、无毒的新型水处理絮凝剂。其具有絮凝活性高、安全、可生物降解、无二次污染的优势，越来越受到重视。微生物絮凝剂的絮凝机理不甚清楚，主要有双电层压缩学说、吸附架桥学说和化学反应学说。目前较为普遍接受的是“吸附架桥”学说。该学说认为絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力，同时吸附多个胶体颗粒，在颗粒间产生“架桥现象”，以形成一种网状三维结构而沉淀下来。

张娜等以酱油曲霉为原料，产生的微生物絮凝剂（MBF）为污泥絮凝脱水剂，进行城市污水处理厂浓缩污泥的调理。研究表明，调理后的污泥在3000r/min离心9min，污泥脱水率可达82.7％，滤饼含水率降低至77.3％，污泥脱水后体积减至原来的1/5左右。

王琳等用研制的微生物絮凝剂MBF－C对二沉池浓缩污泥进行调理，结果表明，当期投加量为20mg/l；助凝剂CaCl2投加量为75mg/l，PH 为7.5，搅拌速度为300r/min时，经离心脱水后污泥含水率为84.5％，体积减小80％左右，调理效果优于PAM/PAC及FeCl3。 

赵继红等以活性污泥为原料，从中筛选出一株微生物絮凝剂产生菌，优化培养后命名为M－127。将其用于污泥脱水，并与聚丙烯酰胺、聚合氯化铝及硫酸铝进行脱水效果比较。实验表明，当絮凝剂在浓度40mg/l，PH＝6.5的最佳条件下，污泥比阻可降至4.71×1010m/kg，脱水率可达96.3％，效果优于PAC、PAM 以及Al2(SO4)3。

2.5复合絮凝剂

有若干无机、有机絮凝剂制备或复配而成的絮凝剂称为复合絮凝剂。目前常用的复合絮凝剂有无机／无机、无机／有机等复合絮凝剂。复合型絮凝剂是最近几年才开始研制的新型絮凝剂，它能综合单一絮凝剂的各自不同的优点，克服某些性能上的不足。如复合絮凝剂适应范围广，PH 使用范围大，对各种浓度水质或有色废水等均有良好净化效果，污泥脱水性能好等诸多优点，在水处理领域得到越来越广泛的研究与应用。

目前，以无机／有机复合絮凝剂的研究应用较多。曾德芳等以粘土矿物累托石和虾蟹壳为主要原料，将累托石进行改性，虾蟹壳与氢氧化钠制成天然高分子材料，配置成复合絮凝剂工作液。在最佳条件下，与聚丙烯酰胺相比，污泥脱水率提高了5.47％，污泥沉降时间缩短了33.33％，吨污泥单耗絮凝剂成本下降了4％，且处理过程中的二次污染大幅度减小。

郭亚萍等将三氯化铁与聚乙烯醇以4:1配合使用，与单独使用三氯化铁、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺三种絮凝剂进行污泥调理效果的比较，发现复合时脱水效果均优于单独使用以上三种絮凝剂。该复合絮凝剂用量为干泥量的1.0％时，污泥含水率由94％下降到71％，其体积可缩小为原体积的2％，且滤液透光率达98％。

吴幼权等对天然高分子／有机复合絮凝剂进行了研究。在氮气保护下，以硝酸铈铵为引发剂，采用壳聚糖与有机单体丙烯酰胺接枝共聚制得壳聚糖衍生物（CAM），再与阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）复配，制备了复合絮凝剂CAM－CPAM。考察了该复合絮凝剂对污泥脱水性能的影响。发现经该复合絮凝剂调理的污泥脱水性能明显由于壳聚糖（CST）和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）。当投加量为30mg/l时，污泥脱水率可达90％以上，沉降速率可达0.55cm/s，滤液浊度小于8NTU，透光率高于85％。

3、新型絮凝剂的发展及研究现状

近年来，随着合成技术的发展和工业应用的需要，越来越多的新型结构聚合物絮凝剂得到开发与应用。污泥脱水絮凝剂在技术上经历了从单一品种到多品种，从单组份到多组份，从一般功能到特殊功能或多功能的发展过程。

随着对环境要求的日益提高，化学调理成为污泥脱水不可避免的处理程序，一些新型的调理药剂或辅助方法也被研发出来。日本的Sakohara等研究了将热敏性聚合物与有机絮凝剂共聚，通过热敏性聚合物在常温下亲水，在温度较高时（32℃以上）疏水的特性以调节污泥脱水性能。有效剂量是传统絮凝剂的两到三倍。

其他方面，HansSaveyn等研究了污泥在电场下投加絮凝剂的脱水性能。污泥的超声波预处理、臭氧预处理也被研究，且有些已经投入工业化使用。

广州市正源环境工程有限公司转自百度文库