高效復合絮凝劑的制備及絮凝效果的研究

趙 飛

（襄陽生態環境監測中心，湖北 襄陽 441000）

絮凝技術是常用的廢水處理方法，在大部分情況下，人們會選擇無機絮凝劑以及合成的一般高分子絮凝劑。但是對于一些復雜水樣，單一絮凝劑的作用可能并不明顯[1]。無機絮凝劑主要是通過電荷的凝聚作用發生絮凝反應，通常被分為傳統的無機絮凝劑和高分子絮凝劑兩類。

由于絮凝劑中的金屬離子容易與膠體發生中和反應，要增大投加藥量[2]。又因為絮凝劑是憑借電中和凝聚作用進行絮凝，所以絮凝出現的顆粒體積小，而且絮凝劑中存在大量的金屬離子，產生毒性[3-4]，其中的陰離子使絮凝劑具有強腐蝕性[5]。因此，人們一般會將單一的低分子無機鹽絮凝劑與其他高價絮凝劑配合使用，既可以降低成本，又可以降低絮凝劑的危害[6-7]。

常用的合成有機絮凝劑有聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）、聚丙烯酸鈉（Sodium Polyacrylate，PAAS）、聚乙烯亞胺（Polyethyleneimine，PEI）等。以PAM為例，其具有選擇性吸附、易脫附、重復利用率高等優勢[8]。但由于該絮凝劑中存在金屬離子，殘留物通常有毒；又因為該絮凝劑是合成高分子，其產物難以降解，所以對PAM的研究主要在于其改性方面[9]。由于PAM的高分子結構，人們通常將其作為助凝劑配合其他絮凝劑使用。

本研究主要分為絮凝劑的制備和絮凝效果的研究兩部分。通過查閱相關文獻，了解復合絮凝劑的組合搭配和相應的制備條件，并結合實驗水樣的性質進行制備。絮凝劑效果的研究是在制備的基礎上進行的，通過單因素和正交實驗確定最佳實驗條件，并做平行實驗進行驗證。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

實驗試劑主要有硅酸鈉、硫酸鋅、PAM、硫酸、氫氧化鈉，均為分析純。實驗儀器包括混凝試驗攪拌機（ZR4-6，深圳中潤）、便攜式濁度計（雷磁WZB-175，上海精儀）、電子天平（FA2204N，上海箐海）、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）快速消解儀、COD快速測定儀（DR200，美國哈希）等。

1.2 實驗方法

PAM的制備：稱取適量PAM，加入適量蒸餾水，配制成5 g/L的PAM溶液。

聚硅酸鋅（Poly-Zinc Silicate Sulfate，PZSS）的制備：取適量硅酸鈉試劑于500 mL燒杯中，加適量蒸餾水，使其質量比為30∶1 000。攪拌均勻后加入稀硫酸溶液調節pH，使pH在2.0～3.0，攪拌活化1 h后，加入適量硫酸鋅試劑，攪拌均勻，再將該溶液靜置熟化1 h，得到PZSS溶液[9-10]。

復合絮凝劑（PZSS-PAM）的制備：取適量5 g/L的PAM溶液至PZSS溶液中，攪拌均勻后，放置熟化1 h，得到一定復配比例的復合絮凝劑溶液。

濁度去除率是絮凝劑性能的參考條件之一。濁度的測定參照HJ 1075—2019《水質 濁度的測定 濁度計法》。取200 mL垃圾滲濾液水樣，調節pH后，加入適量復合絮凝劑，以300 r/min快轉3 min，以50 r/min慢轉1 min，靜置15 min。取液面1 cm以下的上清液，測量濁度，根據下列公式計算去除率：

式中：ρ0為水樣初始濁度，NTU；ρ1為反應后上清液濁度，NTU。

COD去除率是絮凝劑性能的參考條件之一。COD的測定參照HJ/T 399—2007《水質 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法》。

取200 mL垃圾滲濾液水樣，適當調節pH，攪拌均勻，加入復合絮凝劑，以300 r/min快轉3 min，以50 r/min慢轉1 min，靜置15 min。用滴管取液面1～2 cm以下的上清液。按照COD測定標準加入相應試劑，消解15 min后，使其冷卻至室溫，再使用COD快速測定儀測量消解后水樣中的COD，計算得出COD去除率。

本研究所用水樣取自某垃圾填埋場滲濾液處理后尾水，待排入城鎮污水處理廠進行下一步生化處理。

1.3 實驗結果

經測定，水樣的濁度為200～300 NTU，COD為1 000～3 000 mg/L。

鋅硅比對絮凝效果的影響如圖1所示。由圖1可知，當鋅硅比為1.5時，PZSS的絮凝效果最佳。當鋅硅比高于或低于1.5時，該絮凝劑的絮凝效果會下降。在實驗過程中也明顯發現，當鋅硅比較低時，需要增加投加量來提高絮凝效果，且去除率并不高。由于投加量的增大，絮凝劑中的鋅含量也逐漸增加，使其吸附能力更強，但若鋅離子濃度過大，離子之間產生電排斥作用，會使吸附能力減弱，所以鋅硅比一定要適當、投加要適量。

圖1 鋅硅比對絮凝效果的影響

體積比對絮凝效果的影響如圖2所示。由圖2可知，不同體積比的線性趨勢比較相近，當體積比為5∶1時，絮凝效果略差；當體積比為10∶1、投加量為11 mL時，去除效果最好；當體積比為20∶1、投加量為12 mL時，去除效果最好。濁度去除率分別為84.57%、85.48%，相差不大，從經濟角度出發，選擇體積比20∶1。

圖2 體積比對絮凝效果的影響

體積比、pH和投藥量對復合絮凝劑絮凝效果的影響如圖3所示。由圖3可知，當體積比為15∶1時，峰值出現，該絮凝劑對濁度和COD的去除效果最佳，分別為83.48%和45.57%。當pH為8.0時，濁度的去除效果最佳，可達87.83%；當pH為7.0時，對COD的去除率最高，可達43.44%。由此可見，該水樣在過酸或過堿條件下波動較大，影響絮凝效果，最好將pH穩定在7.0～8.5。當pH過高時，該絮凝劑中的鋁離子由羥基鋁轉化成偏鋁酸根，使絮凝效果下降。隨著投藥量的增大，濁度去除率緩緩上升，當投藥量為11 mL時，峰值出現，濁度去除率在90.00%以上。COD上下波動，當投藥量為12 mL時，峰值出現，COD去除率為50.16%。當絮凝劑含量達到一定值時，水樣中的正負電荷對等，效果最好，繼續增大投加量，過量的正電荷在廢水中相互排斥，絮凝效果降低。

圖3 體積比、pH、投藥量對絮凝效果的影響

通過正交實驗發現，在水樣量為200 mL、快轉300 r/min、慢轉50 r/min、沉降時間為15 min條件下，當VPZSS∶VPAM＝20∶1、pH為8、投加量為10 mL時，濁度去除效果最佳；當VPZSS∶VPAM=20∶1、pH為8、投加量為12 mL時，COD去除效果最佳。

2 結語

采用1.2制備的復合絮凝劑，以VPZSS∶VPAM、投藥量和pH作為單因素分別進行平行實驗發現，當體積比為15∶1時，該絮凝劑對水樣的濁度和COD去除效果最佳，分別為83.48%和45.57%。以pH為變量，當pH=8.0時，濁度去除率出現峰值，為87.83%；當pH=7.0時，COD去除率出現峰值，為43.44%，說明濁度和COD不能同步達到最佳去除效果。通過實驗發現，這種復合絮凝劑受pH影響較大，在7.0～8.5的堿性條件下絮凝效果較好；當投藥量為11 mL時，最佳濁度去除率為90.47%；當投藥量為12 mL時，最佳COD去除率為50.16%。在單因素實驗的基礎上進行正交實驗發現，當體積比為20∶1、投藥量為12 mL、pH=8.0時，濁度和COD的去除率最高，分別為89.89%、54.76%，為工業廢水的絮凝沉淀去除COD和濁度提供了基礎數據和實驗方案。