摘要:通過改變水溶液聚合配比、溫度和時間等得出合成高分子絮凝劑CPF的最佳工藝條件。并將合成的CPF絮凝劑與5種無機絮凝劑進(jìn)行復(fù)配，對生活污水進(jìn)行絮凝處理，優(yōu)化出CPF與無機絮凝劑的最佳復(fù)配方案。采用最佳復(fù)配方案，進(jìn)行了絮體回用效果實驗，為CPF絮凝劑在水處理中的應(yīng)用提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:高分子絮凝劑CPF;無機絮凝劑;生活污水

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)是一種重要的陽離子單體，它的均聚物與丙烯酰胺(AM)合成產(chǎn)生的共聚物聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(cationic  polymeric flocculant-DMC copolymer，CPF)是一種多功能、高活性的陽離子高分子絮凝劑。在眾多高分子絮凝劑中，CPF以電荷度可控、電荷分布均勻、分子量高、適用范圍寬、成本低而備受矚目；除上述特點外，CPF還具有在水處理中用量小、絮凝速度快、產(chǎn)生污泥量少、處理效率高等諸多優(yōu)點，而且使用后易為環(huán)境中微生物所分解[1]。CPF在美國、日本等國廣泛用于石油、造紙、食品加工和印染紡織等工業(yè)廢水和生活污水的凈化處理，目前已成為最重要的一類陽離子粉末產(chǎn)品，而國內(nèi)的CPF的生產(chǎn)能力低，在水處理中的應(yīng)用也不廣泛[2]。

l 高分子絮凝劑CPF的合成

1．1 試劑與儀器

DMC，70．28% 的水溶液；AM；K2S208；NaHSO3；通N2裝置；恒溫裝置；烏氏粘度計。

1．2 實驗方法

將一定量的DMC水溶液與AM水溶液按比例混合，置于反應(yīng)容器中，加蒸餾水稀釋到所需濃度，通N215 min，然后將適量的K2S2O8／NaHSO3溶于水后加人到混合溶液中，并繼續(xù)通N2 10 min。將反應(yīng)容器口密封后置于50cI=恒溫水浴中反應(yīng)數(shù)小時后停止，即得CPF，經(jīng)烏氏粘度計測定后，用其特性粘度表征其相對分子質(zhì)量的大小。

通過改變陽離子單體用量、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度的多次正交實驗，得出CPF的最佳聚合條件：單體配比為DMC%(質(zhì)量)為40%-60% ，DMC水溶液的濃度為14% ～18% ，反應(yīng)時間為4～5 h，反應(yīng)溫度為45～55℃ 。在此反應(yīng)條件獲得的CPF產(chǎn)品的特性粘度為744．6 mL／g。

2 5種無機絮凝劑與CPF絮凝劑單獨、復(fù)配處理生活污水的效果對比

目前生活污水處理中常用的無機絮凝劑有：FeCI3、FeSO4、Fe2(SO4)3、AICI3和AI2(SO4)3等[3、4]。先將CPF絮凝劑與上述5種無機絮凝劑在各自最佳投加量的條件下進(jìn)行效果對比實驗，再將CPF絮凝劑分別與FeCI3、FeSO4、Fe2(SO4)3、AICI3和AI2(SO4)3 5種無機絮凝劑復(fù)配，考察復(fù)配使用的效果。

2．1 試劑與儀器

CPF，自制( η=744．6 mL／g)；三氯化鐵，分析純；硫酸亞鐵，分析純；硫酸鐵，分析純；三氯化鋁，分析純；硫酸鋁，分析純；COD測定試劑；DF-101B電動磁力恒溫攪拌器；PHS．3B精密pH計；JHR-2型節(jié)能COD恒溫加熱器。

2．2 生活污水水質(zhì)

水樣為西南科技大學(xué)生活污水，其主要水質(zhì)指標(biāo)為COD 360 mg／L；SS 150 mg／L；pH 7．2(本文中，生活污水處理實驗均采用此水樣)。

2．3 出水水質(zhì)控制指標(biāo)

出水水質(zhì)控制指標(biāo)執(zhí)行國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級標(biāo)準(zhǔn)，即COD <60 ms／L；SS <20 mg／L；pH 6～9。

2．4 實驗方法

單獨處理：分別取1000 mL污水樣于6個1000 mL燒杯中，在高轉(zhuǎn)速(100～120 r／min)攪拌下將一定量的6種絮凝劑分別投入6個燒杯中，攪拌3 min后，降低轉(zhuǎn)速至40 r／min，攪拌5 min。靜置20 min后，取上層清液進(jìn)行水質(zhì)分析。

復(fù)配處理：取1000 mL污水樣于1000 mL燒杯中，在高轉(zhuǎn)速(100～120 r／min)攪拌下加入一定量的無機絮凝劑，攪拌1．5 min后加入CPF絮凝劑，再攪拌1．5 min后，降低轉(zhuǎn)速至40 r／min，攪拌5 rain后靜置20 min，取上層清液進(jìn)行水質(zhì)分析。

2．5 水質(zhì)分析

COD測定采用重鉻酸鉀法(GB11914)，pH測定采用玻璃電極法(GB6920—1986)，SS測定采用濾紙法。

2．6 實驗結(jié)果

5種無機絮凝劑與CPF絮凝劑單獨處理和復(fù)配處理效果比較如表1和表2所示。

由表1可知，與FeCI3、FeSO4、Fe2(SO4)3、AICI3和Al2(SO4)3，5種無機絮凝劑相比，CPF絮凝劑用量最少，且處理效果最好。5種無機絮凝劑中，以AICI，處理效果最好，F(xiàn)eSO4次之，Al2(SO4)3最差。CPF絮凝劑的絮凝機理主要是吸附電中和機理和吸附架橋機理。CPF的高分子鏈上帶有正電荷，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為：

膠體表面一般帶負(fù)電荷，加入的CPF絮凝劑被吸附在膠體顆粒上，使膠體顆粒表面電荷中和，降低了ξ電位，使膠體的脫穩(wěn)和凝聚易于發(fā)生。溶液膠粒對高分子有強烈吸附作用，CPF絮凝劑具有線性結(jié)構(gòu)，加人溶液后，一端被吸附在一個膠粒表面，未被吸附的一端會被其他膠粒吸附，形成一個高分子鏈狀物，同時吸附在2個以上的溶液膠粒表面。高分子把大量膠粒連接在一起，就形成了肉眼可見的粗大、易沉的絮體。吸附電中和和吸附架橋機理的綜合作用，使CPF絮凝劑具有良好的絮凝效果。

由表2可知，上述5種無機絮凝劑與CPF絮凝劑復(fù)配后的處理效果均有很大提高。其中，AICI3與CPF絮凝劑復(fù)配使用的處理效果最好，F(xiàn)eSO4次之，Al2(SO4)3 最差。因此，在實際處理中，宜采用AICI3與CPF絮凝劑復(fù)配。

因CPF絮凝機理主要是吸附電中和機理和吸附架橋機理，無機絮凝的絮凝機理則主要體現(xiàn)在壓縮雙電層機理和沉淀網(wǎng)捕機理上，當(dāng)CPF絮凝機與無機絮凝劑復(fù)配使用時，上述機理產(chǎn)生協(xié)同作用，使絮凝效果大大增強。在復(fù)配過程中，先加入無機絮凝劑再加入有機絮凝劑，可認(rèn)為先起絮凝作用的是壓縮雙電層機理和沉淀網(wǎng)捕機理，吸附電中和機理及吸附架橋機理起協(xié)同作用，并對前述機理加以強化。

3  CPF絮凝劑與AICI3復(fù)配處理生活污水的最佳絮凝條件

在上述5種無機絮凝劑中，AICI3與CPF絮凝劑的復(fù)配效果最好，通過正交實驗優(yōu)化確定CPF+AICI3復(fù)配絮凝劑在生活污水處理中的最佳絮凝條件(最佳用量和最佳pH值)。結(jié)果如表3和表4所示。

由表3可知，1．7 mg／L CPF絮凝劑與20 mg／LAICI3復(fù)配使用效果最好，COD、SS的去除率分別為：96．3% 和98．0% ，完全能夠達(dá)到出水水質(zhì)控制指標(biāo)。

由表3還可看出，當(dāng)CPF+AICI 用量為0．5+7～ 1．1+13 mg／L時，絮凝效果不太理想，當(dāng)用量增至1．4+17 mg／L時，通過絮凝劑的電中和和吸附架橋作用，ξ電位逐漸降低，絮凝效果逐漸增強至最佳。此后，再增大其用量，膠粒間會出現(xiàn)斥力和毫電位增加，使已形成的絮體重新分散為穩(wěn)定的膠體，絮凝效果反而減弱；同時，也由于過量的絮凝劑將廢水中的膠體顆粒表面的活性點包裹，使吸附架橋變得困難，導(dǎo)致絮凝效果變差。因此，其最佳用量應(yīng)為1．4 +17 mg／L。

由表4可知，當(dāng)pH值在6—9范圍內(nèi)，COD及ss的去除率均較高。pH值在6以下或9以上，COD及ss的去除率均呈下降趨勢。這也是因為pH值較低時，大量的H+可以壓縮雙電層的方式降低ξ電位，使原本帶負(fù)電荷的有機質(zhì)微粒成為中性分子，因而不易被絮凝劑所吸附；當(dāng)pH值較高時，一方面大量的OH一增大了ξ電位，使膠體出現(xiàn)再穩(wěn)現(xiàn)象，另一方面，大量的OH- 吸附在絮凝劑表面，使其對有機微粒的吸附作用減小，所以pH值過低或過高均導(dǎo)致處理效果變差。因出水水質(zhì)控制指標(biāo)對pH值的要求為6～9，故在實際處理時，無須調(diào)節(jié)pH值便可使用。

4 絮體回用效果實驗

根據(jù)絮體產(chǎn)生機理，將絮凝過程中產(chǎn)生的絮體返回使用，絮體在溶液中分散后可增加溶液中的晶核，也就是說此時的絮體也具有一定的絮凝作用。將絮體回用處理廢水，可減少絮凝劑的用量，節(jié)約處理成本。將CPF+AICI3復(fù)配絮凝劑處理生活污水產(chǎn)生的絮體回用，考察絮凝劑用量的減少量和處理效果。

4．1 試劑與儀器  同1．1。

4．2 實驗方法

取1000 mL污水樣于1000 mL燒杯中，在高轉(zhuǎn)速(100～120 r／rain)下加入20 mg／L的A1C1，，攪拌1．5 min后，加入1．7 mg／L的CPF絮凝劑繼續(xù)攪拌

1．5 min后靜置20 rain。另取1000 mL污水樣于另一只1000 mL燒杯中，在中轉(zhuǎn)速(80 r／min)攪拌下，將上次絮凝產(chǎn)生的絮體量的一半投入污水中，攪拌0．5 min后，提高轉(zhuǎn)速，再先后分別加入一定量的A1C13和CPF絮凝劑。如此重復(fù)實驗若干次(每次回用的絮體量均為上次實驗產(chǎn)生絮體量的一半)。最后取各燒杯中的上層清液分別進(jìn)行水質(zhì)分析。

4．3 實驗結(jié)果與討論

絮體回用實驗中每次投加的絮凝劑量和處理效果如表5所示。

由表5可知，隨著絮體回用量的增多，絮凝劑的用量逐漸減少，且處理效果仍然很好。當(dāng)絮凝劑用量減至一定值(CPF+A1C13=1．0+11．4 mg／L)后，再繼續(xù)減少用量，處理效果明顯下降。這是因為絮體的回用，一方面可以增加晶核，減少絮凝劑的用量，另一方面破碎的絮體要再次沉降也需消耗絮凝劑，因此絮凝劑用量的減少也是有一定限度的。所以，采用絮體回用的方法，CPF+AIC13復(fù)配絮凝劑的用量最多可減至1．0+11．4 mg／L，且處理效果仍然很理想，處理結(jié)果大大優(yōu)于出水水質(zhì)控制指標(biāo)。

5 CPF絮凝劑用于生活污水處理成本

CPF單獨使用或與無機絮凝劑復(fù)配使用，其效果均明顯優(yōu)于FeC13、FeSO4、Fe2(SO4)3、A1C13和Al2(SO4)3等無機絮凝劑。目前生活污水處理常采用的是生化法 ，生化法中生化處理部分(主要是耗氧曝氣部分)每立方水電耗為0．3 kWh，按0．45元／度計。CPF絮凝劑(干基)的單價為55元／kg，A1C13的單價為2元／kg。其他工序費用2種工藝大致相同。采用CPF+A1C13復(fù)配絮凝劑進(jìn)行絮凝處

理的效果及成本與生化法的比較：采用絮凝法成本為0．078元／立方(出水COD<20 rag／L)，采用生化法成本為0．135元／立方(出水COD<60 ms／L)。通過比較不難看出，采用CPF+A1C1 復(fù)配絮凝劑進(jìn)行處理，無論處理成本還是出水水質(zhì)均明顯優(yōu)于生化法，加之生化法占地面積大、機械設(shè)備多、投資大、運行費用高，而絮凝法設(shè)備簡單、操作簡易、運行費用低，基于以上比較，可在污水處理廠中推廣運用此法。

6 小 結(jié)

實驗證明，CPF絮凝劑與A1C13復(fù)配處理生活污水有很好的處理效果，COD和ss’的去除率分別為96．3% 和98．0% ，將絮體回用，CPF絮凝劑與A1C13的用量可分別降低至1．0+11．4 ms／L，COD和ss的去除率分別為95．4% 和97．4% 。在保證良好處理效果的同時，CPF絮凝劑在城市污水處理中的應(yīng)用還能有效降低處理成本，值得推廣使用。特別是經(jīng)CPF+A1C13復(fù)配絮凝劑處理后的城市生活污水，COD值可降至20以下，ss可降至5．0以下，已優(yōu)于國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中三類水域標(biāo)準(zhǔn)。由此可進(jìn)一步拓寬CPF+A1C13復(fù)配絮凝劑的應(yīng)用范圍，可將其用于嚴(yán)重污染河流治理，以解決目前全國普遍存在的河流污染嚴(yán)重，治理難的緊迫問題。

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