温度响应型絮凝剂对污泥热固化脱水的作用机理

As an important step to reduce sludge volume and facilitate resource utilization, sludge dewatering remains as a major challenge in wastewater treatment. For the increasing amount of sludge, research on exploring cost-effective methods and techniques to improve the dewaterability of the sludge is currently an important issue to be solved. On the basis of the previous studies, a new thermal curing treatment is firstly proposed and applied to dewatering of sludge by using of a type of temperature-responsive flocculant. This flocculant can soften and shrink when heated due to its sensitivity to temperature, and then it can connect, stick or wrap other suspended solid contaminants in the sludge. The project is aim to design molecular weight controllable, good response performance block polymers, and to evaluate the potential of temperature-responsive flocculant for improving the dewaterability. It is made to the principle of flocculation between flocculant and suspended solid particles, the interactions between solid particles in the sludge, and the influences of various factors on the dewaterability of sludge under thermal curing treatment. Furthermore, it is attempt to explore the mechanism of temperature-responsive flocculant in dewatering of sludge under thermal curing treatment by studying the morphology of sludge, moisture distribution in the sludge, the variation of free water and bound water content, and the variation of water-binding capacity of sludge from thermodynamic point of views.

污泥脱水是实现污泥减量化和资源化利用中的关键一步，但目前其仍面临很大的挑战。对于日益增长的污泥排放量而言, 探索经济有效的污泥脱水方法和技术以改善污泥的脱水性能是目前亟待解决的一个重要课题。本项目通过利用温度响应型高分子化合物加热软化并收缩的特性，首次将其作为絮凝剂用于污泥的热固化脱水。首先筛选合适的温度响应聚合物单体，对嵌段共聚物的结构和分子量进行调控，制备出能使污泥热固化的絮凝剂；然后深入研究絮凝剂与废水中胶体污染物质之间的聚沉作用原理及凝聚污泥分子间相互作用与特性，根据污泥水分的分布特征及其脱水性能探讨其热固化影响因素；最后通过研究热固化后污泥形态特征、水分分布特征及自由水和束缚水含量的变化规律，并从热力学角度研究污泥对水分束缚强度变化，进而揭示温度响应型絮凝剂对污泥热固化脱水的作用机理。

污泥脱水是实现污泥减量化和资源化利用中的关键一步。针对目前污泥调理技术效率低、成本高、能耗高等问题，通过利用制备的丙烯酸类聚合物的温度响应行为，研究将其作为絮凝剂用于印染混凝污泥的低温热固化脱水处理。首先筛选合适的丙烯酸系聚合物单体，对其结构进行调控，利用溶液聚合法制备了21种丙烯酸类聚合物。在对其环境响应行为研究基础上得到了具有良好温度响应行为的组分，其组成为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和丙烯酸丁酯，其中甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸的比值约为2:1。该组分制备得到的丙烯酸聚合物水溶液加酸之后，聚合物大分子链上的羧基的质子化程度增高，发生酸析，使聚合物失去稳定性，以颗粒絮体的形式析出，再加热到75℃以上后，析出的絮体发生相互作用并发生固化收缩，形成结构致密的块状固体。然后深入研究了其作为絮凝剂用于印染污泥的调理，考差了絮凝剂用量、酸的用量、热处理温度和时间对污泥脱水效果的影响，得到了最佳工艺处理条件：PR的投加量为15 mg/g，硫酸的投加量为0.002 mL/g，在75℃条件下热处理30 min。在此条件下处理后，污泥比阻由2.50×1014 m/kg降低到2.80×1012m/kg，污泥的比阻降低了98.80%，为易过滤污泥；污泥泥饼含水率可降至84.59%。最后根据脱水污泥的微观结构、水分分布情况、污泥颗粒表面基团变化等探讨了其低温热固化脱水机理。其脱水过程可分为两个步骤：加酸析出的聚合物大分子链可破坏污泥颗粒亲水基团与水分子之间的相互作用，降低污泥颗粒对水的束缚能力，污泥颗粒开始团聚；当温度升到75℃以上时，聚合物大分子链发生剧烈蜷缩，借助范德华力、氢键等与污泥颗粒发生相互作用，并通过吸附架桥和沉淀网捕，使污泥颗粒相互黏结，污泥颗粒中部分结合水转变为自由水并通过孔道释放出来，最终形成密实多孔的泥饼。结果表明，利用丙烯酸类聚合物的温度响应型行为对污泥进行低温热调理，可实现较好的污泥脱水效果。