高效复合絮凝剂的制备及絮凝效果的研究

赵 飞

（襄阳生态环境监测中心，湖北 襄阳 441000）

絮凝技术是常用的废水处理方法，在大部分情况下，人们会选择无机絮凝剂以及合成的一般高分子絮凝剂。但是对于一些复杂水样，单一絮凝剂的作用可能并不明显[1]。无机絮凝剂主要是通过电荷的凝聚作用发生絮凝反应，通常被分为传统的无机絮凝剂和高分子絮凝剂两类。

由于絮凝剂中的金属离子容易与胶体发生中和反应，要增大投加药量[2]。又因为絮凝剂是凭借电中和凝聚作用进行絮凝，所以絮凝出现的颗粒体积小，而且絮凝剂中存在大量的金属离子，产生毒性[3-4]，其中的阴离子使絮凝剂具有强腐蚀性[5]。因此，人们一般会将单一的低分子无机盐絮凝剂与其他高价絮凝剂配合使用，既可以降低成本，又可以降低絮凝剂的危害[6-7]。

常用的合成有机絮凝剂有聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）、聚丙烯酸钠（Sodium Polyacrylate，PAAS）、聚乙烯亚胺（Polyethyleneimine，PEI）等。以PAM为例，其具有选择性吸附、易脱附、重复利用率高等优势[8]。但由于该絮凝剂中存在金属离子，残留物通常有毒；又因为该絮凝剂是合成高分子，其产物难以降解，所以对PAM的研究主要在于其改性方面[9]。由于PAM的高分子结构，人们通常将其作为助凝剂配合其他絮凝剂使用。

本研究主要分为絮凝剂的制备和絮凝效果的研究两部分。通过查阅相关文献，了解复合絮凝剂的组合搭配和相应的制备条件，并结合实验水样的性质进行制备。絮凝剂效果的研究是在制备的基础上进行的，通过单因素和正交实验确定最佳实验条件，并做平行实验进行验证。

1 实验

1.1 试剂和仪器

实验试剂主要有硅酸钠、硫酸锌、PAM、硫酸、氢氧化钠，均为分析纯。实验仪器包括混凝试验搅拌机（ZR4-6，深圳中润）、便携式浊度计（雷磁WZB-175，上海精仪）、电子天平（FA2204N，上海箐海）、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）快速消解仪、COD快速测定仪（DR200，美国哈希）等。

1.2 实验方法

PAM的制备：称取适量PAM，加入适量蒸馏水，配制成5 g/L的PAM溶液。

聚硅酸锌（Poly-Zinc Silicate Sulfate，PZSS）的制备：取适量硅酸钠试剂于500 mL烧杯中，加适量蒸馏水，使其质量比为30∶1 000。搅拌均匀后加入稀硫酸溶液调节pH，使pH在2.0～3.0，搅拌活化1 h后，加入适量硫酸锌试剂，搅拌均匀，再将该溶液静置熟化1 h，得到PZSS溶液[9-10]。

复合絮凝剂（PZSS-PAM）的制备：取适量5 g/L的PAM溶液至PZSS溶液中，搅拌均匀后，放置熟化1 h，得到一定复配比例的复合絮凝剂溶液。

浊度去除率是絮凝剂性能的参考条件之一。浊度的测定参照HJ 1075—2019《水质 浊度的测定 浊度计法》。取200 mL垃圾渗滤液水样，调节pH后，加入适量复合絮凝剂，以300 r/min快转3 min，以50 r/min慢转1 min，静置15 min。取液面1 cm以下的上清液，测量浊度，根据下列公式计算去除率：

式中：ρ0为水样初始浊度，NTU；ρ1为反应后上清液浊度，NTU。

COD去除率是絮凝剂性能的参考条件之一。COD的测定参照HJ/T 399—2007《水质 化学需氧量的测定 快速消解分光光度法》。

取200 mL垃圾渗滤液水样，适当调节pH，搅拌均匀，加入复合絮凝剂，以300 r/min快转3 min，以50 r/min慢转1 min，静置15 min。用滴管取液面1～2 cm以下的上清液。按照COD测定标准加入相应试剂，消解15 min后，使其冷却至室温，再使用COD快速测定仪测量消解后水样中的COD，计算得出COD去除率。

本研究所用水样取自某垃圾填埋场渗滤液处理后尾水，待排入城镇污水处理厂进行下一步生化处理。

1.3 实验结果

经测定，水样的浊度为200～300 NTU，COD为1 000～3 000 mg/L。

锌硅比对絮凝效果的影响如图1所示。由图1可知，当锌硅比为1.5时，PZSS的絮凝效果最佳。当锌硅比高于或低于1.5时，该絮凝剂的絮凝效果会下降。在实验过程中也明显发现，当锌硅比较低时，需要增加投加量来提高絮凝效果，且去除率并不高。由于投加量的增大，絮凝剂中的锌含量也逐渐增加，使其吸附能力更强，但若锌离子浓度过大，离子之间产生电排斥作用，会使吸附能力减弱，所以锌硅比一定要适当、投加要适量。

图1 锌硅比对絮凝效果的影响

体积比对絮凝效果的影响如图2所示。由图2可知，不同体积比的线性趋势比较相近，当体积比为5∶1时，絮凝效果略差；当体积比为10∶1、投加量为11 mL时，去除效果最好；当体积比为20∶1、投加量为12 mL时，去除效果最好。浊度去除率分别为84.57%、85.48%，相差不大，从经济角度出发，选择体积比20∶1。

图2 体积比对絮凝效果的影响

体积比、pH和投药量对复合絮凝剂絮凝效果的影响如图3所示。由图3可知，当体积比为15∶1时，峰值出现，该絮凝剂对浊度和COD的去除效果最佳，分别为83.48%和45.57%。当pH为8.0时，浊度的去除效果最佳，可达87.83%；当pH为7.0时，对COD的去除率最高，可达43.44%。由此可见，该水样在过酸或过碱条件下波动较大，影响絮凝效果，最好将pH稳定在7.0～8.5。当pH过高时，该絮凝剂中的铝离子由羟基铝转化成偏铝酸根，使絮凝效果下降。随着投药量的增大，浊度去除率缓缓上升，当投药量为11 mL时，峰值出现，浊度去除率在90.00%以上。COD上下波动，当投药量为12 mL时，峰值出现，COD去除率为50.16%。当絮凝剂含量达到一定值时，水样中的正负电荷对等，效果最好，继续增大投加量，过量的正电荷在废水中相互排斥，絮凝效果降低。

图3 体积比、pH、投药量对絮凝效果的影响

通过正交实验发现，在水样量为200 mL、快转300 r/min、慢转50 r/min、沉降时间为15 min条件下，当VPZSS∶VPAM＝20∶1、pH为8、投加量为10 mL时，浊度去除效果最佳；当VPZSS∶VPAM=20∶1、pH为8、投加量为12 mL时，COD去除效果最佳。

2 结语

采用1.2制备的复合絮凝剂，以VPZSS∶VPAM、投药量和pH作为单因素分别进行平行实验发现，当体积比为15∶1时，该絮凝剂对水样的浊度和COD去除效果最佳，分别为83.48%和45.57%。以pH为变量，当pH=8.0时，浊度去除率出现峰值，为87.83%；当pH=7.0时，COD去除率出现峰值，为43.44%，说明浊度和COD不能同步达到最佳去除效果。通过实验发现，这种复合絮凝剂受pH影响较大，在7.0～8.5的碱性条件下絮凝效果较好；当投药量为11 mL时，最佳浊度去除率为90.47%；当投药量为12 mL时，最佳COD去除率为50.16%。在单因素实验的基础上进行正交实验发现，当体积比为20∶1、投药量为12 mL、pH=8.0时，浊度和COD的去除率最高，分别为89.89%、54.76%，为工业废水的絮凝沉淀去除COD和浊度提供了基础数据和实验方案。