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随着人们对环境质量要求的提高,当前的市政污泥处理与处置出现技术瓶颈,“污泥成灾”亟待破解。而被广泛应用于污水、污泥处理的聚丙烯酰胺(PAM)的原有絮凝性能已显露出局限性,难于满足新的技术指标要求;且其缓慢的降解及其产物使得环境累积风险日益严峻。显然,系统研究PAM对污泥的絮凝机制、提高PAM絮凝性能的改性方法及降低其环境毒理特性,从而解决PAM絮凝性能和环境友好性的问题,对于有效地处理与处置市政污泥,具有理论和实际意义。因此,本文开展如下研究工作。首先,研究不同性质PAM对污泥调理效果的影响,分析阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)的分子量和离子度对污泥颗粒的作用机理。研究结果表明,CPAM的分子量和离子度对污泥絮凝脱水的作用各有侧重,但非完全独立,而是耦合关系;其中,离子度决定了CPAM提供阳离子电解质能力,对携带负电荷污泥胶体颗粒失稳凝聚尤为重要,在污泥调理中起关键作用。继而,研究钙镁离子对PAM的改性方法,设计优化改性产物(钙/镁离子-PAM)的絮凝性能。通过分子结构表征,探究钙/镁离子-PAM的聚合改性机制;通过对污泥比阻、Zeta电位、毛细吸水时间(CST)、上清液浊度和滤液粘度等测试,研究钙/镁离子-PAM对污泥的调理效果;从钙/镁离子-PAM的分子结构特征分析其对污泥的絮凝机理。研究结果表明,钙/镁离子-PAM的分子结构是以钙/镁水合离子的多核羟桥络离子与PAM链上羧基交联。处于核心部分的多核羟桥络离子可提供更有效的阳性正电荷,与带负电荷胶体颗粒实现电中和。而多核羟桥络离子交联的PAM充分水解使高聚物分子链彻底打开,吸附架桥、网捕卷扫作用完全发挥,因而絮凝性能显著优于常规使用的CPAM;所制备的分子量分别为5.10×106Da、6.62×106Da和6.26X106Da的三种钙/镁离子-PAM,均具有废水浊度去除率≥99%、污泥比阻降低率≥97%的良好性能。最后,考察钙/镁离子-PAM和CPAM在土壤中的自然降解及对植物、动物的毒理特性,以及其对种子萌发、植株生长和蚯蚓的存活、生长、繁殖等影响差异;探讨不同PAM分子结构对其降解的影响机理。结果表明,钙镁离子对PAM的降解有促进作用,钙/镁离子-PAM降解速率比CPAM快30～50%,其环境残存时间更短,环境累积风险和影响生物持久性更小,更具环境友好性。