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复合絮凝剂在水处理中的应用与研究进展
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2021-04-12 10:35:59 浏览次数:
王 瑞      张逸飞      曲广淼       杨福兴  
( 1 南京科技职业学院生物与环境学院, 江苏 南京 210048; 2 河海大学环境学院,江苏 南京 210098; 3 南京科技职业学院化工与材料学院, 江苏 南京 210048)

摘 要: 介绍了几种复合絮凝剂及其在水处理中的应用现状, 分析了它们的优点、缺点和未来研究方向。提出在絮凝法的实际应用中, 应根据不同类型废水的水质特征, 开发针对性强、絮凝效果好、处理成本低、环境友好的绿色复合絮凝剂, 同时还应进一步加强复合絮凝剂的絮凝机理和使用过程智能化管理等方面研究, 以提高复合絮凝剂的利用效率。

关键词: 絮凝法; 复合絮凝剂; 水处理; 絮凝机理

       絮凝法具有操作简便、投资成本低、运行稳定、处理效果好等优点, 是水处理中应用最为广泛的处理方法之一, 在微污染水源处理、废水处理、中水处理等领域中发挥着重要的作用[ 1] 。絮凝剂的开发是絮凝法处理技术的核心问题, 近年来,随着工业的迅速发展和产品类型的多样化, 废水的种类和数量日趋增多, 水质亦变得愈加复杂, 运用絮凝法处理时, 采用单一的絮凝剂往往很难达到理想的处理效果。复合絮凝剂是指由两种或多种絮凝剂复配形成的高分子絮凝剂, 可克服单一絮凝剂的不足, 能充分发挥几种絮凝剂的协同作用, 产生增效互补作用。近年来, 研发和应用较多的复合絮凝剂主要有无机- 无机复合絮凝剂、有机- 有机复合絮凝剂、无机- 有机复合絮凝剂、微生物复合絮凝剂、复合磁性絮凝剂。

 
  • 1.无机-无机复合絮凝剂
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        无机-无机复合絮凝剂是在传统的聚合铝盐、铁盐或聚硅酸的基础上引入 Ca2+ 、Mg2+ 、Zn2+ 、SO2- 、Cl- 、PO3- 等离子的一种或几种合成的复合无机高分子絮凝剂, 主要有聚合硫酸氯化铝、聚合硫酸氯化铝铁、聚合磷酸氯化铝铁、聚合硅酸铁等。与常规的无机絮凝剂相比, 无机- 无机复合絮凝剂增加了无机絮凝剂分子量, 强化了吸附架桥和电中和能力, 具有更好的絮凝效果和更宽的应用范围。王景垒等[ 2] 合成一种新型聚合硅酸氯化铝铁絮凝剂( PAZFSC) , 对傀儡湖冬季含藻水水样进行处理, 研究表明, 在 PAZFSC和 PAC分别投加量为 14 mg/L 和 16 mg/L时, 藻类去除率分别高达 98. 7%和 92. 34%, 剩余浊度分别为 0. 8 NTU和 1. 4 NTU, PAZFSC除藻和去浊效果均优于 PAC, 且通过絮体扫描电镜发现, PAZFSC絮凝沉降后的絮凝密实性更好、絮体体积更大、沉降速度更快。但是, 与有机高分子絮凝剂相比, 无机- 无机复合絮凝剂在应用中仍然存在分子量低、对废水中带电悬浮颗粒物吸附架桥能力弱、投药量大、污泥产量大等缺点[ 3] 。

  • 2.有机-有机复合絮凝剂
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        有机絮凝剂具有用量小、絮凝效果好、处理成本低、适应范围广等优点, 但多数人工合成的有机高分子絮凝剂具有一定的毒性, 不宜处理饮用水, 天然有机絮凝剂虽具有绿色环保、 无毒、价格低廉、易于生物降解等优点, 也存在电荷密度小、相对分子量较低、易发生生物降解而失去活性等缺点[ 4] 。有机- 有机复合絮凝剂主要是指淀粉、壳聚糖、纤维素、植物胶等天然有机高分子化合物与聚丙烯酰胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵等人工合成有机高分子化合物制备的复合絮凝剂, 既能克服其单独使用的缺点又能发挥各自的优势, 可实现不同有机絮凝剂间的优势互补。朱贝贝等[ 5] 以壳聚糖和甲基丙烯酰胺氧乙基三甲基氯化铵( DMC)为原料, 硝酸铈铵为引发剂, Span- 20为乳化剂, 合成了壳聚糖- DMC接枝共聚物, 以其为絮凝剂处理高岭土悬浮液, 结果表明絮凝效果明显优于壳聚糖, 略好于聚丙烯酰胺, 且在 pH 为 6. 0、投加量为 2. 0 mg/L 时透光率最高, 絮凝效果最佳。

 
  • 3.无机-有机复合絮凝剂
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        无机-有机复合絮凝剂可分为无机-人工合成有机絮凝剂和无机-天然有机高分子絮凝剂两种类型。此类絮凝剂能有效利用无机絮凝剂的高正电荷密度和有机高分子絮凝剂的桥连作用, 具有投加量少、絮体形成快、絮凝效果好、成本低等优点, 是近年来复合絮凝剂研究的热点之一。张鹏等[ 6] 以聚合氯化铝、四氯化钛、阳离子聚丙烯酰胺为原料制备了无机- 有机复合絮凝剂聚钛氯化铝-阳离子聚丙烯酰胺( PTA- CPAM) , 研究表明, 在 m( CPAM) /m( PTA) = 0. 4、PTA- CPAM投加量为9. 0 mg/L、pH 为 9. 0 的 条 件 下, 净 水 效 果 最 佳, 且 PTA -CPAM对不同初始浊度的水样均有较好的除浊能力, 除浊性能 明显优于 PAC、PAS、PFAS等 现 有 絮 凝 剂。赵 瑾 等[ 7] 以Fe2( SO43 与二甲基二烯丙基氯化铵( PDMDAAC) 为原料制备 出新型无机 - 有机复合絮凝剂 Fe2( SO4 ) 3 - PDMDAAC, 与Fe2( SO43 相比, 该复合絮凝剂对海水中浊度、CODMn、TP的去除效果均有一定程度的提高。王郑等[ 8] 研究了聚合氯化铝- 壳聚糖复合絮凝剂和单独聚合氯化铝对水中溶解态腐殖酸的去除对比实验, 聚合氯化铝-壳聚糖复合絮凝剂在投加量 80 mg/L 时便可达到单独聚合氯化铝投加量为 150 mg/L时的去除效果, 且前者适应的 pH 值范围更广。今后, 无机絮凝剂与安全、无毒的天然有机高分子絮凝剂复合制备的无机- 天然有机高分子复合絮凝剂将逐渐成为研究的热点, 此外, 在无机- 有机复合絮凝剂的性能优化、絮凝机理、合成工艺优化、原料筛选范围等方面还有待进一步深入研究。

  • 4.微生物复合絮凝剂
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        微生物絮凝剂是通过微生物发酵、培养产生的具有一定絮凝活性的代谢产物, 主要成为糖蛋白、粘多糖、蛋白质和脱氧核糖核酸等高分子化合物。微生物絮凝剂具有易生物降解、絮凝效率高、安全无毒等特点, 在水处理领域有广阔的市场前景, 但存在菌种对环境要求较高、稳定性差、防腐保质期短、 生产成本高等缺点, 在一定程度上制约了其规模化应用。当前, 如何开发多种菌群协作的复合型微生物絮凝剂、降低微生物絮凝剂制备成本及与无机、有机絮凝剂的复配等方面是研究的重点。侯玉琳[ 9] 将微生物絮凝剂 XQ03与无机絮凝剂 PAC复配处理印染废水, 研究表明, 处理效果比单独使用任一种絮凝效果更好, 与 PAC相比絮凝率提高了 8. 4%, 且复配使用时PAC的用量减少了 56%, 微生物絮凝剂用量减少了 20%。Guo 等[ 10] 研究了微生物絮凝剂与无机、有机絮凝剂的联合使用, 复配使用可通过增加电荷中和与桥接作用大大提高絮凝效率和絮体形成速度。

  • 5.复合磁性絮凝剂
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        复合磁性絮凝是将传统絮凝剂和磁性纳米材料( 主要为Fe3O4)复合而成的絮凝剂, 具有良好的磁相应性, 具有可缩短絮凝处理的固液分离时间、提高絮凝效率、拓展应用范围和降低运行成本等特点。目前研究最为广泛的复合磁性絮凝剂是以高分子聚合物为壳, 无机磁性材料为核, 主要采用包埋法和乳液聚合法制备而成[ 11] 。李瑞胶等[ 12] 将聚硅硫酸铁-壳聚糖复合高分子材料包覆在纳米 Fe3O4 表面制备得到新型磁性絮凝剂PFSS- CTS@Fe3O4, 用此絮凝剂处理某污水处理厂进水, PFSS- CTS@Fe3O4 絮凝剂在投加量 180 mg/L、沉降时间 20 min条件下, 废水 COD、浊度、色度的去除率最高分别可达 85. 12%、93. 54%、89. 74%。罗米娜等[ 12] 将 Fe3O4 和 SiO2 制备的磁性载 体与九水硅酸钠、硫酸铝和硫酸铁复合反应得到一种新型的磁性聚合硅酸硫酸铝铁絮凝剂, 实验表明, 在铝、铁摩尔比 3: 1、 铝加铁与硅的摩尔比 1: 1、pH 值 9、磁絮凝剂投加量 0. 3 g、 沉降时间 4 min时, 高岭土悬浊液的浊度去除率可达 88. 38%, 比聚合硅酸硫酸铝铁去除率提高了 5% , 且沉淀时间缩短了3. 5倍。复合磁性絮凝剂作为一种新兴的水处理絮凝剂, 有着 美好的应用前景, 但在相关机理及化学键转变的研究方面鲜有报道, 今后有待进一步加强研究。

  • 6.结 语
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        絮凝法是水处理领域应用最为广泛的方法之一, 而絮凝剂是该法的关键与核心。因此, 在絮凝法的应用过程中, 应根据不同的废水水质特征, 开发出高效、经济、安全、环保的绿色复合絮凝剂。此外, 在复合絮凝剂的絮凝机理、化学键转变和使用过程智能化管理等方面还有待进一步深入研究, 以提高复合絮凝剂的使用效率。