新型复合絮凝剂在城市污水处理中的应用研究*

刘彩红，孙玉飞，刘 滨，别伟峰

（1.内乡县环境监测站，河南 内乡 474350；2.河南省内乡县湍东镇人民政府，河南 内乡 474350；3.上海民航职业技术学院，上海 200235；4.河南省内乡县水利局，河南 内乡 474350）

近年来，随着中国城镇化进程的不断发展和城市规模的不断扩大，人们的生活越来越便利，但同时也带来了一系列的问题，其中越来越多的污水排放问题严重影响了城市的高质量发展[1-3]。我国的水资源本来就严重匮乏，水体污染进一步加剧了水资源缺乏的问题。目前，我国各大城市的污水排放量仍在呈逐年递增的趋势，污水的成分也越来越复杂，污水处理难度不断加大[4，5]。因此，研究更加高效的污水处理药剂和处理技术具有十分重要的现实意义。

由于城市污水大多来源于各种生活污水，其中的主要污染物为木有机物等物质，目前主要采用生物法和物化法等技术对其进行处理[6-8]。化学絮凝过程是其中重要的一环，在污水中加入化学絮凝剂，通过搅拌反应以及重力沉降等过程将污水中的有机污染物以及固相悬浮物等有效去除，进而达到净化水体的目的。其中絮凝剂的性能对絮凝处理效果的影响较大，因此，需要研究出性能优良的化学絮凝剂，以最大程度的提升城市污水的化学絮凝处理效果。目前，应用于污水处理的絮凝剂种类主要包括无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂以及复合絮凝剂等[9-12]，然而由于城市污水成分通常较为复杂，采用单一的絮凝剂往往无法达到较好的絮凝处理效果，需要研究更加高效的复合絮凝剂[13，14]。因此，本文以磁性纳米Fe3O4粒子、Na2SiO3、Al2（SO4）3·18H2O和羧甲基淀粉钠为原料，制备了一种适合城市污水絮凝处理的新型复合絮凝剂FAS-1，通过大量实验评价了絮凝剂加量、污水pH 值、实验温度以及沉降时间对絮凝处理效果的影响，对比评价了FAS-1 与其他常用絮凝剂的处理效果，为城市污水的高效处理提供一定的技术支持。

1 实验部分

1.1 实验材料

FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、Al2（SO4）3·18H2O、铁粉、Na2SiO3、H2SO4、NaOH、浓NH3·H2O、无水乙醇，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；羧甲基淀粉钠（CP 上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；阳离子絮凝剂PAM（工业级 河南卫澜环保科技有限公司）；聚氯化铝PAC、聚合氯化铝铁PAFC、聚合硫酸铝PAS、聚合硫酸铁PFS，工业级，新乡市灵龙水处理材料有限公司；实验用水样取自南阳市某城市污水处理厂（COD 含量为58.92mg·L-1，浊度为209NTU，初始pH 值为7.5）。

1.2 实验仪器

PHS-3C 型pH 计（上海仪电科学仪器有限公司）；HT-400C 型便携式COD 检测仪（青岛海特尔环保科技有限公司）；DP-GZ1A 型散射式浊度仪（北京亚欧德鹏科技有限公司）；SYP 型恒温水浴锅（郑州卓成仪器科技有限公司）；DZF-6020 型真空干燥箱（郑州豫华仪器制造有限公司）；DF-101S 型集热式搅拌器（河南泰洪升仪器设备有限公司）；JJ-4B型六联电动搅拌器（常州市伟嘉仪器制造有限公司）。

1.3 新型复合絮凝剂FAS-1 的制备

首先，采用共沉淀法制备出磁性纳米Fe3O4粒子，具体的实验步骤为：称取一定质量的FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O 分别将其溶于蒸馏水中，同时加入一定量的浓HCl 溶液，然后在FeCl2·4H2O 水溶液中再加入一定量的铁粉，搅拌均匀后将其与FeCl3·6H2O水溶液进行混合，再迅速加入一定量的NH3·H2O，搅拌反应2h 后即得到黑褐色的共沉淀物质，过滤收集沉淀，分别使用蒸馏水和无水乙醇清洗数次，然后将其放入恒温干燥箱中烘干，即得到磁性纳米Fe3O4粒子。

然后，继续使用制得的磁性纳米Fe3O4粒子、Na2SiO3、Al2（SO4）3·18H2O 和羧甲基淀粉钠作为原料制备新型复合絮凝剂FAS-1，具体实验步骤为：将一定质量的磁性纳米Fe3O4粒子溶于蒸馏水中，升高温度至50℃，搅拌10min，然后再加入一定质量的Na2SiO3，搅拌混合均匀后加入浓H2SO4或NaOH 溶液调节pH 值，继续在50℃下搅拌反应一定时间，然后静置1h，再按照一定的质量比加入Al2（SO4）3·18H2O溶液和羧甲基淀粉钠溶液，继续在50℃下搅拌反应一定时间，静置12h 后，即得到新型复合絮凝剂FAS-1。

1.4 城市污水絮凝实验

采用JJ-4B 六联电动搅拌器对实验用城市污水样品进行絮凝实验，具体步骤为：将1L 实验用水样加入到烧杯中，然后使用浓H2SO4或NaOH 调节pH值至设定值，加入一定量的絮凝剂，调节搅拌器转速至200r·min-1，快速搅拌2min，然后调节转速至80r·min-1，慢速继续搅拌15min，搅拌完毕后沉降一定时间，取一定量的上层清液，使用HT-400C 型便携式COD 检测仪和DP-GZ1A 型散射式浊度仪测定其COD 值和浊度值，并与初始数据进行对比，计算COD 去除率和浊度去除率。

2 结果与讨论

2.1 FAS-1 加量对絮凝效果的影响

按照1.4 中的絮凝实验方法，评价了新型复合絮凝剂FAS-1 加量对城市污水絮凝效果的影响，污水pH 值为7.5，实验温度为30℃，沉降时间为30min，实验结果见图1。

图1 絮凝剂FAS-1 加量对絮凝效果的影响Fig.1 Effect of flocculant FAS-1 on flocculation effect

由图1 可见，随着城市污水中新型复合絮凝剂FAS-1 加量的不断增大，COD 去除率和浊度去除率均呈现“先迅速升高，然后逐渐趋于稳定”的趋势，当FAS-1 的加量达到20mg·L-1时，污水的COD 去除率和浊度去除率分别可以达到92.6%和90.7%，再继续增大FAS-1 的加量，COD 去除率和浊度去除率虽然仍能继续升高，但变化的幅度较小。这是由于絮凝剂的加量越大，其在污水中所产生的絮体就越多，越容易对污水中的有机污染物和悬浮固相颗粒产生聚集作用，进而沉降下来，达到降低COD 含量和浊度值的目的。而当絮凝剂的加量达到一定程度时，过量的絮凝剂不会再对污水中的有机污染物和固相颗粒产生絮凝作用，而絮凝剂自身会产生沉降现象，导致COD 去除率和浊度去除率基本不再变化。因此，综合考虑城市污水的絮凝处理效果和处理成本等因素，推荐新型复合絮凝剂FAS-1 的最佳加量为20mg·L-1。

2.2 污水pH 值对絮凝效果的影响

按照1.4 中的絮凝实验方法，评价了实验用污水样品pH 值对城市污水絮凝效果的影响，新型复合絮凝剂FAS-1 加量为20mg·L-1，实验温度为30℃，沉降时间为30min，实验结果见图2。

图2 污水pH 值对絮凝效果的影响Fig.2 Effect of pH value of sewage on flocculation effect

由图2 可见，随着实验用城市污水pH 值的不断升高，COD 去除率和浊度去除率均呈现“先升高后降低”的趋势。当城市污水的pH 值为8 时，COD去除率和浊度去除率分别可以达到95.4%和94.2%，基本都可以达到最大值，再继续升高污水的pH 值至10 时，COD 去除率和浊度去除率均有所下降。这是由于当城市污水的pH 值较低时，水样中的胶体颗粒在酸性环境中容易带正电，使其电负性明显下降，从而会对新型复合絮凝剂FAS-1 中带正电荷的金属离子产生电斥力作用，影响其与胶体颗粒之间的电中和反应，导致絮凝效果变差，COD 去除率和浊度去除率均较低；而当城市污水的pH 值过高时（>10），新型复合絮凝剂FAS-1 在碱性环境中会导致其分子结构受到一定的破坏，从而使其吸附絮凝效果下降，影响污水的处理效果。因此，推荐城市污水的最佳pH 值为8。

2.3 实验温度对絮凝效果的影响

按照1.4 中的絮凝实验方法，评价了实验温度对城市污水絮凝效果的影响，新型复合絮凝剂FAS-1加量为20mg·L-1，污水pH 值为8，沉降时间为30min，实验结果见图3。

图3 实验温度对絮凝效果的影响Fig.3 Effect of experimental temperature on flocculation effect

由图3 可见，随着实验温度的不断升高，COD去除率和浊度去除率的变化幅度均不大，在5~80℃范围之间，新型复合絮凝剂FAS-1 对目标城市污水样品的COD 去除率和浊度去除率均能达到95%左右。这说明研制的新型复合絮凝剂FAS-1 具有良好的温度适应性，不仅能够适应常温水样，还能在低温或者高温水样中发挥较好的絮凝效果。

2.4 沉降时间对絮凝效果的影响

按照1.4 中的絮凝实验方法，评价了沉降时间对城市污水絮凝效果的影响，新型复合絮凝剂FAS-1加量为20mg·L-1，污水pH 值为8，实验温度为30℃，实验结果见图4。

图4 沉降时间对絮凝效果的影响Fig.4 Effect of settling time on flocculation effect

由图4 可见，随着沉降时间的不断延长，COD去除率和浊度去除率均呈现出“先迅速升高，然后逐渐趋于稳定”的趋势。当沉降时间达到40min 时，COD 去除率和浊度去除率分别可以达到98.7%和96.8%，再继续延长沉降时间，COD 去除率和浊度去除率基本不再变化。这是由于沉降时间越长，絮凝剂与有机污染物或悬浮固相物质形成的聚集体会产生相互碰撞，并逐渐变大，同时能够对水样中更多的污染物产生吸附，絮凝效果越好；而当沉降时间达到一定值时，聚集体已无法继续增大，COD 去除率和浊度去除率基本达到稳定。因此，推荐最佳的沉降时间为40min。

2.5 FAS-1 与其他常用絮凝剂效果对比

按照1.4 中的絮凝实验方法，对比评价了新型复合絮凝剂FAS-1、阳离子絮凝剂PAM、聚氯化铝PAC、聚合氯化铝铁PAFC、聚合硫酸铝PAS 以及聚合硫酸铁PFS 对城市污水的絮凝处理效果，絮凝剂的加量均为20mg·L-1，污水pH 值均为8，实验温度均为30℃，沉降时间均为40min，实验结果见图5、6。

图5 不同絮凝剂对COD 的去除效果Fig.5 Effect of different flocculants on COD removal

图6 不同絮凝剂对浊度的去除效果Fig.6 Effect of different flocculants on turbidity removal

由图5、6 可见，在相同的实验条件下，新型复合絮凝剂FAS-1 对目标城市污水的COD 去除率和浊度去除率均明显高于其他几种常用无机絮凝剂和有机絮凝剂，絮凝效果最佳。这是由于新型复合絮凝剂FAS-1 不仅含有絮凝效果较好的聚硅酸铝和多糖聚合物类物质，还含有磁性较强的纳米Fe3O4粒子，能够有效改善絮凝剂的综合性能，提升其絮凝效果。

3 结论

（1）实验室以磁性纳米Fe3O4粒子、Na2SiO3、Al2（SO4）3·18H2O 和羧甲基淀粉钠为原料，制备了一种适合城市污水絮凝处理的新型复合絮凝剂FAS-1。

（2）絮凝实验结果表明，絮凝剂加量、污水pH值和沉降时间对絮凝处理效果的影响较大，而实验温度对絮凝处理效果的影响则相对较小，当新型复合絮凝剂FAS-1 的加量为20mg·L-1、污水pH 值为8、实验温度为30℃、沉降时间为40min 时，城市污水样品中COD 去除率和浊度去除率分别可以达到98.7%和96.8%，絮凝处理效果较好。

（3）研制的新型复合絮凝剂FAS-1 对目标城市污水的絮凝处理效果明显优于其他几种常用的市售絮凝剂，在城市污水絮凝处理领域具有较好的推广应用前景。