煤泥水生物絮凝中助凝剂的研究现状及展望

董敬申，张东晨

(安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

近年来助凝剂已在很多领域得到应用，主要用在废水、污水处理等方面。在水处理工艺中，若仅仅使用絮凝剂达不到理想沉降效果或絮凝剂用量过大的情况下，就需要通过添加适当助凝剂来提高絮凝效果。有关研究表明，向浊度为55NTU的高岭土悬浊液中加入定量聚丙烯酰胺和用有机溶剂法制备出的羧甲基淀粉助凝剂，其浊度去除率可达98%[2]。杨红梅[3]在泡菜废水处理研究中，当采用阴离子聚丙烯酰胺作助凝剂后，相比仅用聚合氯化铝，化学需氧量COD和浊度去除率分别从33.4%、57.1%提高至37.7%、96.7%。仲米贵[4]以聚合氯化铝(PAC)为凝聚剂，壳聚糖(CTS)为助凝剂，对混凝水体进行试验,得出最佳助凝条件为：pH 值为中性及弱碱性,PAC 浓度为 30 mg/ L,CTS 投加量为 0. 2 mg/ L。毛玉红等[5]在以聚合氯化铝(PAC)为凝聚剂、CTS为助凝剂的条件下，在Taylor-Couette反应器中进行混凝试验得出，添加助凝剂后不仅有助于降低混凝剂的用量，还可以有效提高混凝物的稳定性。WU Chunde等[6]以硅藻土作为助凝剂与 PAC 联用除藻。罗岳平等[7]也用粉末活性炭作前助凝剂对PAC 除藻效果做了研究，得出联合使用粉末活性炭、高岭土和 FeCl3是非常有效的助凝除藻新技术。黄正杰等[8]用活化硅酸为助凝剂与PAM联合对江苏某湖水进行了研究，得出活化硅酸作为助凝剂在增大矾花,提高沉降性能,降低出水浊度等方面具有良好的辅助作用，可节省混凝剂的用量。

1 助凝剂的作用及类型

从广义上来讲，但凡不能够在水处理工艺中单独用作混凝剂，却可以配合凝聚剂或絮凝剂的使用，提高或改善凝聚和絮凝效果的辅助药剂均可称为助凝剂。助凝剂的类型众多、作用广泛，主要是用于调节或改善絮粒结构，增大絮粒粒度和密度，促进絮体的沉降，还能有效减少絮凝剂的投加量，降低水中有机物的含量，去除重金属离子及其他放射性物质等。表1列举了助凝剂的常见分类、使用条件和典型的助凝剂。除表1所列之外，作为链状高分子有机物的纤维素因其来源广泛、价格低廉，同时具有较好的吸附性和疏水性等特点，同样有着作为助凝剂的潜力[1]。

表1 助凝剂的类型及使用条件

2 煤泥水生物絮凝的特点

煤炭中的原生煤泥、次生煤泥与选煤用水相混合，形成的便是煤泥水[9]。煤炭经过湿法分选作业后产生的煤泥水中不仅含有大量的悬浮颗粒，还会有部分残留药剂，煤泥水若不加处理直接外排会对自然环境造成严重污染，所以构建更加成熟完善的煤泥水处理系统对提高选煤厂的经济效益、节约水资源和环境保护等方面都有着重要的意义。由于煤泥水中部分煤泥颗粒具有粒度细、灰分高和易泥化等特点，必须采取有效手段来强化沉淀效果。絮凝沉降是煤泥水处理过程中有效且成本较低的方法，现已为选煤厂广泛采用，而选择性能优良的絮凝剂是煤泥水处理的关键所在[10]。选煤厂常用的的絮凝剂是聚丙烯酰胺及其衍生物，虽然聚丙烯酰胺这类高分子絮凝剂有着絮凝效率高、生产成本低等优点[11]，但在絮凝剂用量过大时，絮凝剂在煤泥水中的不断积聚会显著增加煤泥水的黏度，使得其可处理性能变差。此外，聚丙烯酰胺会在热降解、机械剪切、氧化、水解等作用下，生成具有强烈致癌作用和神经毒性的单体丙烯酰胺[12]。欧洲为了保持土壤环境的洁净，采取了从源头治理的措施，于2003年制定了对聚丙烯酰胺及其衍生物在工业方面使用的限制[13]。而微生物絮凝剂是一种比较新型的絮凝剂，主要是从细菌、真菌等微生物或其分泌物中提炼得到，由于微生物絮凝剂在使用过程中不会产生污染可最终实现无污染排放[14]，因此越来越受到研究者的关注。

微生物絮凝剂的研究与应用在很多领域中都取得了重要进展。在煤泥水絮凝沉降研究中，刘志勇[15]利用球红假单胞菌(Rhodopseudomonas Spheroides)和黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)进行微生物絮凝试验研究，发现球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌絮凝率最高可达93.4%和93.5%。侯志翔等[16]通过研究得出：枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)产絮凝剂在最佳絮凝工艺参数条件下絮凝率可达83.1%；烟曲霉(Aspergillus fumigatus)产絮凝剂在最佳絮凝工艺参数条件下可达81.6%的絮凝率；上述两种絮凝剂协同作用，絮凝率可达92.3%。王涛等[17]研究发现诱变驯化作用，可以有效地提高酵母菌RY-46和HY-62、多粘类芽孢杆菌和黑曲霉产生的絮凝剂的絮凝活性。冀敏敏等[18]利用球红假单胞菌、枯草芽孢杆菌、黄孢原毛平革菌对煤泥水分别进行多级絮凝研究，均得到了较好的絮凝结果。

3 煤炭生物絮凝中助凝剂的研究

目前微生物絮凝煤泥水方面常用的助凝剂为CaCl2。在絮凝过程中由于有Ca2+的存在，能有效的降低煤泥水中胶粒的表面电荷，同时还能增强微生物絮凝剂与胶粒之间的吸附架桥等作用，从而增强絮凝效果。此外，钙、镁、铁等离子也是微生物重要的营养成分，CaCl2要比MgCl2更利于生物吸收。而CaCl2比FeCl3的成本要低。

吴学凤[19]利用白腐真菌(White rot fungi)和酱油曲霉(Apsegrillus sojae)作絮凝剂产生菌，由白腐真菌振荡培养36 h后制成的微生物絮凝剂在加药量为0.5%，助凝剂CaCl2用量为 0.2 g/L的条件下，絮凝率可达94%；由酱油曲霉培养72 h后制成的微生物絮凝剂在加药量为1.5%、助凝剂CaCl2用量为0.2 g/L的条件下，絮凝率达到90.76%。梁峙[20]用白腐真菌作生物絮凝剂处理细粒煤泥水的研究得出：在煤泥水质量浓度为27.42 g/L，絮凝剂体积分数为15 mL/L，助凝剂CaCl2质量浓度为5.0 g/L，pH值为11的条件下，絮凝活性最佳，絮凝率可达98.71%；并做了金属离子对絮凝活性的影响试验，研究发现多种金属阳离子对该生物絮凝剂有助凝作用，得出各离子对絮凝活性影响的排序，为Ca2+>K+>Mg2+>Na+，其中以Ca2+对白腐真菌产生的生物絮凝剂的助凝效果尤为显著。冀敏敏[18]在对低阶煤生物多级絮凝研究中使用CaCl2作为助凝剂，也取得了较好的絮凝效果。

4 煤炭生物絮凝中助凝剂的研究前景展望

在煤炭洗选加工领域，具有优良絮凝效果的生物絮凝技术的研究取得了较大进展。研究表明，煤泥水生物絮凝中添加一定类型适量的助凝剂，不仅可减少絮凝剂的添加量，增强了絮凝效果，而且可以大大减少对环境和人体有负面影响的有毒有害物质的用量。

近年来助凝剂的研究有了很大的发展，在很多领域特别是在水处理方面已得到广泛应用，但由于很多菌类在不适宜的环境中容易失活，加之研究手段与条件的限制，目前煤泥水微生物絮凝研究中的助凝剂种类仍然不多，对微生物絮凝的助凝机理研究也不够深入。因此，今后可以在以下几个方面开展研究：

(1)通过选育絮凝活性高、环境适应能力更强的絮凝菌种，降低絮凝微生物菌种的培养成本，使煤炭微生物絮凝技术更加实用。

(2)深入研究已在水处理行业应用的助凝剂，如活化硅酸、壳聚糖、硅藻土、海藻酸钠、纤维素等，将之应用到微生物絮凝煤泥水的工艺中。

(3)探索不同助凝剂在煤泥水处理中的最佳条件，如温度、pH值、投加量等。

(4)结合煤颗粒表面结构特征等因素对生物絮凝、助凝剂的作用机理开展深入研究。

(5)尝试对助凝剂进行改性，使其在微生物絮凝剂中达到最佳的助凝效果，综合考虑处理性能以及经济性，在保证絮凝效果的前提下减少对环境的污染。

(6)根据不同煤种性质上存在的差异，有针对性地选择不同菌种和助凝剂，以达到该煤种的最佳絮凝效果。