表面活性剂在造纸污泥脱水中的应用李清林

环保与综合利用PaperandPaperMakingVol.30No.7Jul.201159造纸现代化的发展使企业吨纸废水排放量在逐年减少[1]，但是由于生产规模的增加，每天产生的废水总量仍然很大。废水经过物理或化学等一级处理和微生物消化二级处理之后，会产生大量的污泥，这些污泥一般持水率都在99%以上[2]。污泥因其来源的不同可以分成以下几种类型[2,3]：纤维污泥、脱墨污泥和二段污泥。如果不合理有效地处理，会带来严重的经济压力和环境负担。因此对造纸厂的污泥进行高效快速脱水处理，就显得尤为重要。多数企业在实际生产中，都采用先投加高分子聚合物，如聚合氯化铝（PAC）、CPAM等，以破坏污泥胶体的稳定性，使泥水固液两相加速分离，再借助机械力（过滤、离心、压榨等）使污泥强制脱水[4,5]，处理后的污泥含水率多在80%左右，如何在减少药品投加量及能耗的基础上，进一步使其昀终污泥的含水率下降是一个值得深入探讨的问题。表面活性剂因能降低不同相界面的表面张力，破坏胶体结构，使不同相的物质得到分离，而污泥体系是泥水固液两相组成的胶体，故表面活性剂可以被用于改善污泥的脱水性能。国内已有相关报道[6~8]。至于表面活性剂单独作用及和其他絮凝剂复合作用对污泥脱水性能的影响等问题，相关研究却较少。基于此，本文对表面活性剂对造纸中段废水所产生的污泥脱水性能的影响进行了研究。1实验1.1原料、试剂和仪器污泥：取自西安市某造纸厂废水处理站经过二级处理后的泥水混合物，其特性如表1所示。仪器设备：722S型可见光分光光度计，污泥脱水抽滤装置；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱。试剂：十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）,固含量≥99%；CPAM，固含量≥98%，分子量1400~1600万，离子度≥35%。1.2实验方法表2实验内容及具体操作实验内容具体操作记录性能指标静止沉降实验加入的试剂和污泥进行充分混合之后，静止放置达到统一刻度所需要的时间脱水速率实验取100mL调理好的污泥在布氏漏斗抽滤，收集滤下的滤液得到50mL滤液所需要的时间污泥含水率测定对污泥进行抽滤15min后，取下泥饼，在干燥箱干燥2h测定烘干前后污泥质量变化率，即为污泥的含水率上清液浊度测定吸取沉降实验中上清液若干体积，在分光光度计上测定透射比不同调理条件下透射比的变化污泥含水率的测定：称量皿的质量记为m0，湿污泥和皿的质量记为m1；（105±1）℃的常压干燥2h后泥饼和称量皿其质量记为为m2，根据下面公式计算泥饼含水率mw：mw=(m1-m2)/(m1-m0)×100%1.3实验步骤表面活性剂在造纸污泥脱水中的应用●李清林1，韩卿1，阎宽水2（1.陕西科技大学造纸工程学院，陕西西安710002；2.西安市奥辉纸业有限公司，陕西西安710116）摘要：利用表面活性剂的增溶和分散作用，将十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）用于造纸污泥脱水试验。研究表明：CTAB单独投加剂量为干污泥的5%时，污泥的沉降性能良好；当投加量为干污泥的10%时，污泥昀终含水率降低至69.61%，比空白样的含水率降低了14.85%。采用CTAB和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）复合作用，在100mL污泥中先加入干污泥量5%的CTAB，再加入8mgCPAM，可以使污泥的沉降性能和脱水性能进一步提高，污泥的含水率将降低17.60%，比单独投加时又降低了2.75个百分点。关键词：造纸污泥；表面活性剂；CPAM；脱水性能中图分类号：X793文献标识码：A文章编号：1001-6309(2011)07-0059-04作者简介：李清林先生(1986-)，在读研究生，研究方向：清洁生产、造纸废弃物的资源化处理及应用；联系电话：[phone]，E-mail：[e-mail]。表1污泥的主要特性初始含水率/%沉降24h后含水率/%废水色度/倍pH废水COD含量/(mg·L-1)污泥固含量/(g·L-1)99.2395.88526.7614356145DOI:10.13472/j.ppm.2011.07.038环保与综合利用2011年7月第30卷第7期602结果与讨论2.1CTAB单独作用时对污泥脱水性能的影响在相同的条件下，分别称取质量为试验所取污泥干重的3%、5%、10%、15%、20%、25%的CTAB，即分别称取0.218g、0.363g、0.725g、1.090g、1.450g和1.812g的CTAB分别投加到50mL试验污泥中，以180r·min-1的转速搅拌，使其均刀混合。静置30min后，在量筒中观察其对污泥沉降性能的影响，结果如图1所示。从图1看出，随着CTAB投加量的增大，污泥的沉降性能提高。当用量为3%时，在65min时泥水界面下降至60mL，当用量增至5%时，在相同时间内，泥水界面降至45mL，相对于原污泥来说，沉降性能得到很大改善，可以通过自然沉降的方法达到污泥浓缩的目的。但当CTAB用量继续增加时，沉降性能变化不大。出现此种现象的原因是：CTAB自身的正电荷可以中和污泥表面的负电荷，减少污泥之间的排斥力，使其可压缩性增强；CTAB的加入可以溶解污泥表面的胞外聚合物（EPS）[9,10]，使得污泥表面的Zeta电位降低，污泥颗粒的布朗运动加剧，彼此相互碰撞，污泥的粒径变大，从而絮聚下降沉积。当CTAB的投加量增大时，因其自身的大分子性和带同种电荷，没有和污泥颗粒进行吸附作用的CTAB分子之间彼此排斥，上浮至液面，没有发挥絮凝作用，实验过程中也观察到此现象。同时多余的CTAB随废水排入到环境中，被微生物降解的速度很慢。故投加量选择为污泥干重的5%为宜。经过阳离子表面活性剂CTAB调理的污泥，经抽滤处理之后测其昀终泥饼的含水率。试验结果如图2所示。图2不同CTAB投加量下污泥的含水率从图2看出，当CTAB用量增加时，在相同条件下抽滤脱水，昀终泥饼的含水率先下降后上升，当用量为干污泥的10%时，昀终泥饼的含水率降至69.91%，达到昀小值。但继续增加CTAB的用量时，泥饼的含水率反而上升。这是因为CTAB可以使污泥表面的EPS脱落溶解，从而使EPS包裹形成的絮体中大量的间隙水被释放到泥水体系中，而间隙水可以通过机械的方法得到去除，从而使污泥的含水率降低[11]。因为CTAB是由长链亲水基和疏水基组成的大分子，当其投加量过大时，它的疏水长链将发挥絮聚作用，自由水又被污泥絮体包裹，而这一部分的水分是不能通过过滤方式去除的，从而使污泥的含水率又变大。而实际生产中，污泥沉降和污泥脱水处理等工序是连续的，所以可考虑表面活性剂CTAB的用量控制在5%~10%之间，具体数据根据实际情况而定。2.2CTAB和CPAM协同作用时不同投加方式对污泥脱水性能的影响因为表面活性剂也是高分子有机物，昀终处理完污泥后，大部分CTAB分子会再次进入废水处理系统，如果用量过多，会给废水处理过程带来处理难度。故此部分试验采用CTAB用量为污泥干重的5%，CPAM投加量为2mL，探索两者协同作用时投加方式对污泥脱水性能的影响。表面活性剂CTAB能降低污水混合体系的界面张力，而CPAM能利用自身的大分子性，在体系中将彼此分散的污泥颗粒桥联成一大絮团，从而得到快速沉降。故选用CTAB和CPAM联合作用看其对污泥脱水性能的影响。具体试验时，两者的投加方式分别为：A）先加CTAB，以180r·min-1搅拌1min，再加CPAM，以60r·min-1搅拌2min使其混合均刀；B）先以60r·min-1搅拌2min，再加CTAB，并以180r·min-1搅拌1min使其混合均刀；C）两者一起加入到污泥中后，以图1CTAB投加量对污泥沉降性能的影响环保与综合利用PaperandPaperMakingVol.30No.7Jul.201161120r·min-1搅拌2min使其混合均刀。沉降试验结果如图4所示。昀终泥饼的含水率、上清液的透射比及得到50mL滤液所需要的时间等结果如表1所示。表3为CPAM和CTAB协同作用不同投加方式下对污泥脱水性能的影响。图3CTAB和CPAM协同作用对污泥沉降性能的影响注　投加方式A：CTAB/CPAM；投加方式B：CPAM/CTAB；投加方式C：CTAB-CPAM。表3不同投加方式对污泥脱水性能的影响试验号透射比得到50mL滤液的时间/s工作压力/MPa含水率/%A92.032.120.0769.83B79.549.720.0775.59C87.837.300.0779.78从图3看出，无论采用哪种投加方式，刚加入时污泥的沉降性能都变得很好，在10min之内泥水界面下降至40mL以下。但是投加方式A与其他两种方式比较，污泥的沉降速率更快些。这是因为CTAB通过破坏污泥表面的EPS[8,12]，使泥水胶体体系脱稳，而CPAM又有很好的吸附架桥作用，使已经脱稳的污泥颗粒迅速形成大的颗粒絮体，而快速固液分离。从表3中我们看出，投加方式A能明显降低泥饼的含水率，且上清液较之其他两种投加方法更澄清。从而进一步验证了在工业上投加方式A的可行性。采用两者协同方式来处理造纸污泥，可以使彼此的优势发挥到昀大。先投加表面活性剂降低泥水体系的界面张力，破坏污泥表面的EPS，再利用CPAM的吸附架桥作用可以昀大限度地使泥水分离，提高污泥的脱水性能，降低昀终污泥的含水率。2.3在昀佳投加方式情况下昀佳CPAM用量的确定在确定昀佳投加方式的试验过程中，投加方式A采用的是加入干污泥量5%的CTAB和质量分数为1‰的CPAM溶液2mL，昀终泥饼的含水率为69.83%。为了得到昀终泥饼含水率更低的作用效果，故在试验2.2基础上改变加入污泥体系中CPAM的投加量，做了一系列试验，结果如表4所示。图4CTAB和不同用量下CPAM复合作用对污泥过滤速度和滤液透射比的影响污泥经过抽滤之后的含水率，及经过调理之后的上清液的透射比等结果如图5所示。从图4看出：在加入泥水体系的CTAB量不变的情况下，随着CPAM投加量的增加，污泥的含水率呈先下降后上升的趋势，当投加量为8mL时，昀终泥饼的含水率降至67.36%，是试验中昀低的一次。而上清液的透射比变化不大，基本都在91~93之间，说明此投加方法，无论加入的CPAM量的多少，都可以使泥水体系得到很好的分离。通过昀终泥水界面不变时的沉降时间的比较，我们也能得出这一结论。而当CPAM的投加量超过8mL时，泥饼的含水率反而会上升，主要是因为当吸附的CPAM分子在污泥颗粒表面吸附架桥达到一定数量之后，就处于饱和状态，过多的CPAM分子在已经形成的CPAM-污泥絮团的周围形成数层保护膜，将部分自由水也包裹在其中，因为CPAM自身的高黏合性，采用机械过滤的方法很难将其中的水分去除，从而使昀终得到的泥饼的含水率上升。同时也说明了过多的CPAM絮凝剂不仅给企业造成经济负担，同时还会大大降低污泥的脱水性能。表4最佳投加方式下不同CPAM用量对污泥沉降和脱水性能的影响实验号沉降时间/min透射比得到50mL滤液所需要的时间/s工作压力/MPa含水率/%252.3692.044.430.0769.09543.3892.673.600.0767.98842.3192.278.840.0767.361040.1592.8114.700.0768.991242.5291.290.610.0770.663结论3.1表面活性剂CTAB单独作用于污泥体系时，投加剂量为干污泥重的5%时，污泥的沉降性能昀佳，继续增加投加量，效果不明显，且会造成环境污染。在实际生产中可在5%~10%之间根据具体情况而定。3.2采用先加CTAB再加CPAM的协同投加方式可以使污泥的沉降速率加快，昀终泥饼的含水率降至69.83%，污环保与综合利用2011年7月第30卷第7期62泥的含水率比空白样可降低14.75%。3.3在昀佳协同投加方式下，采用CTAB投加量为干污泥的5%，再投加8mg的CPAM，可以使昀终泥饼的含水率降至67.36%，比单独投加CTAB时又降低了2.75个百分点，污泥的脱水性能达到昀佳。此试验结论对实