煤泥水生物絮凝中助凝劑的研究現狀及展望

董敬申，張東晨

(安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

近年來助凝劑已在很多領域得到應用，主要用在廢水、污水處理等方面。在水處理工藝中，若僅僅使用絮凝劑達不到理想沉降效果或絮凝劑用量過大的情況下，就需要通過添加適當助凝劑來提高絮凝效果。有關研究表明，向濁度為55NTU的高嶺土懸濁液中加入定量聚丙烯酰胺和用有機溶劑法制備出的羧甲基淀粉助凝劑，其濁度去除率可達98%[2]。楊紅梅[3]在泡菜廢水處理研究中，當采用陰離子聚丙烯酰胺作助凝劑后，相比僅用聚合氯化鋁，化學需氧量COD和濁度去除率分別從33.4%、57.1%提高至37.7%、96.7%。仲米貴[4]以聚合氯化鋁(PAC)為凝聚劑，殼聚糖(CTS)為助凝劑，對混凝水體進行試驗,得出最佳助凝條件為：pH 值為中性及弱堿性,PAC 濃度為 30 mg/ L,CTS 投加量為 0. 2 mg/ L。毛玉紅等[5]在以聚合氯化鋁(PAC)為凝聚劑、CTS為助凝劑的條件下，在Taylor-Couette反應器中進行混凝試驗得出，添加助凝劑后不僅有助于降低混凝劑的用量，還可以有效提高混凝物的穩定性。WU Chunde等[6]以硅藻土作為助凝劑與 PAC 聯用除藻。羅岳平等[7]也用粉末活性炭作前助凝劑對PAC 除藻效果做了研究，得出聯合使用粉末活性炭、高嶺土和 FeCl3是非常有效的助凝除藻新技術。黃正杰等[8]用活化硅酸為助凝劑與PAM聯合對江蘇某湖水進行了研究，得出活化硅酸作為助凝劑在增大礬花,提高沉降性能,降低出水濁度等方面具有良好的輔助作用，可節省混凝劑的用量。

1 助凝劑的作用及類型

從廣義上來講，但凡不能夠在水處理工藝中單獨用作混凝劑，卻可以配合凝聚劑或絮凝劑的使用，提高或改善凝聚和絮凝效果的輔助藥劑均可稱為助凝劑。助凝劑的類型眾多、作用廣泛，主要是用于調節或改善絮粒結構，增大絮粒粒度和密度，促進絮體的沉降，還能有效減少絮凝劑的投加量，降低水中有機物的含量，去除重金屬離子及其他放射性物質等。表1列舉了助凝劑的常見分類、使用條件和典型的助凝劑。除表1所列之外，作為鏈狀高分子有機物的纖維素因其來源廣泛、價格低廉，同時具有較好的吸附性和疏水性等特點，同樣有著作為助凝劑的潛力[1]。

表1 助凝劑的類型及使用條件

2 煤泥水生物絮凝的特點

煤炭中的原生煤泥、次生煤泥與選煤用水相混合，形成的便是煤泥水[9]。煤炭經過濕法分選作業后產生的煤泥水中不僅含有大量的懸浮顆粒，還會有部分殘留藥劑，煤泥水若不加處理直接外排會對自然環境造成嚴重污染，所以構建更加成熟完善的煤泥水處理系統對提高選煤廠的經濟效益、節約水資源和環境保護等方面都有著重要的意義。由于煤泥水中部分煤泥顆粒具有粒度細、灰分高和易泥化等特點，必須采取有效手段來強化沉淀效果。絮凝沉降是煤泥水處理過程中有效且成本較低的方法，現已為選煤廠廣泛采用，而選擇性能優良的絮凝劑是煤泥水處理的關鍵所在[10]。選煤廠常用的的絮凝劑是聚丙烯酰胺及其衍生物，雖然聚丙烯酰胺這類高分子絮凝劑有著絮凝效率高、生產成本低等優點[11]，但在絮凝劑用量過大時，絮凝劑在煤泥水中的不斷積聚會顯著增加煤泥水的黏度，使得其可處理性能變差。此外，聚丙烯酰胺會在熱降解、機械剪切、氧化、水解等作用下，生成具有強烈致癌作用和神經毒性的單體丙烯酰胺[12]。歐洲為了保持土壤環境的潔凈，采取了從源頭治理的措施，于2003年制定了對聚丙烯酰胺及其衍生物在工業方面使用的限制[13]。而微生物絮凝劑是一種比較新型的絮凝劑，主要是從細菌、真菌等微生物或其分泌物中提煉得到，由于微生物絮凝劑在使用過程中不會產生污染可最終實現無污染排放[14]，因此越來越受到研究者的關注。

微生物絮凝劑的研究與應用在很多領域中都取得了重要進展。在煤泥水絮凝沉降研究中，劉志勇[15]利用球紅假單胞菌(Rhodopseudomonas Spheroides)和黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)進行微生物絮凝試驗研究，發現球紅假單胞菌和黃孢原毛平革菌絮凝率最高可達93.4%和93.5%。侯志翔等[16]通過研究得出：枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)產絮凝劑在最佳絮凝工藝參數條件下絮凝率可達83.1%；煙曲霉(Aspergillus fumigatus)產絮凝劑在最佳絮凝工藝參數條件下可達81.6%的絮凝率；上述兩種絮凝劑協同作用，絮凝率可達92.3%。王濤等[17]研究發現誘變馴化作用，可以有效地提高酵母菌RY-46和HY-62、多粘類芽孢桿菌和黑曲霉產生的絮凝劑的絮凝活性。冀敏敏等[18]利用球紅假單胞菌、枯草芽孢桿菌、黃孢原毛平革菌對煤泥水分別進行多級絮凝研究，均得到了較好的絮凝結果。

3 煤炭生物絮凝中助凝劑的研究

目前微生物絮凝煤泥水方面常用的助凝劑為CaCl2。在絮凝過程中由于有Ca2+的存在，能有效的降低煤泥水中膠粒的表面電荷，同時還能增強微生物絮凝劑與膠粒之間的吸附架橋等作用，從而增強絮凝效果。此外，鈣、鎂、鐵等離子也是微生物重要的營養成分，CaCl2要比MgCl2更利于生物吸收。而CaCl2比FeCl3的成本要低。

吳學鳳[19]利用白腐真菌(White rot fungi)和醬油曲霉(Apsegrillus sojae)作絮凝劑產生菌，由白腐真菌振蕩培養36 h后制成的微生物絮凝劑在加藥量為0.5%，助凝劑CaCl2用量為 0.2 g/L的條件下，絮凝率可達94%；由醬油曲霉培養72 h后制成的微生物絮凝劑在加藥量為1.5%、助凝劑CaCl2用量為0.2 g/L的條件下，絮凝率達到90.76%。梁峙[20]用白腐真菌作生物絮凝劑處理細粒煤泥水的研究得出：在煤泥水質量濃度為27.42 g/L，絮凝劑體積分數為15 mL/L，助凝劑CaCl2質量濃度為5.0 g/L，pH值為11的條件下，絮凝活性最佳，絮凝率可達98.71%；并做了金屬離子對絮凝活性的影響試驗，研究發現多種金屬陽離子對該生物絮凝劑有助凝作用，得出各離子對絮凝活性影響的排序，為Ca2+>K+>Mg2+>Na+，其中以Ca2+對白腐真菌產生的生物絮凝劑的助凝效果尤為顯著。冀敏敏[18]在對低階煤生物多級絮凝研究中使用CaCl2作為助凝劑，也取得了較好的絮凝效果。

4 煤炭生物絮凝中助凝劑的研究前景展望

在煤炭洗選加工領域，具有優良絮凝效果的生物絮凝技術的研究取得了較大進展。研究表明，煤泥水生物絮凝中添加一定類型適量的助凝劑，不僅可減少絮凝劑的添加量，增強了絮凝效果，而且可以大大減少對環境和人體有負面影響的有毒有害物質的用量。

近年來助凝劑的研究有了很大的發展，在很多領域特別是在水處理方面已得到廣泛應用，但由于很多菌類在不適宜的環境中容易失活，加之研究手段與條件的限制，目前煤泥水微生物絮凝研究中的助凝劑種類仍然不多，對微生物絮凝的助凝機理研究也不夠深入。因此，今后可以在以下幾個方面開展研究：

(1)通過選育絮凝活性高、環境適應能力更強的絮凝菌種，降低絮凝微生物菌種的培養成本，使煤炭微生物絮凝技術更加實用。

(2)深入研究已在水處理行業應用的助凝劑，如活化硅酸、殼聚糖、硅藻土、海藻酸鈉、纖維素等，將之應用到微生物絮凝煤泥水的工藝中。

(3)探索不同助凝劑在煤泥水處理中的最佳條件，如溫度、pH值、投加量等。

(4)結合煤顆粒表面結構特征等因素對生物絮凝、助凝劑的作用機理開展深入研究。

(5)嘗試對助凝劑進行改性，使其在微生物絮凝劑中達到最佳的助凝效果，綜合考慮處理性能以及經濟性，在保證絮凝效果的前提下減少對環境的污染。

(6)根據不同煤種性質上存在的差異，有針對性地選擇不同菌種和助凝劑，以達到該煤種的最佳絮凝效果。