復合絮凝劑的制備及廢水處理工藝優化研究*

楊成梅

（烏魯木齊職業大學，新疆 烏魯木齊830002）

伴隨現代水資源的緊缺，人們開始意識到加強對水資源的循環利用迫在眉睫。絮凝劑憑借高性價比和使用方便的特點，被廣泛應用于水污染處理。目前，市場上主流的絮凝劑有微生物絮凝劑、無機絮凝劑和有機絮凝劑。在3種不同類型絮凝劑中，無機絮凝劑價格低廉，且工藝簡單，因此，在目前的絮凝劑市場中占有很大的比重。而其中的無機高分子絮凝劑與其他絮凝劑在水處理方面更具有優勢，因此，被業內人士稱作“第二代無機絮凝劑”[1]。在學術研究方面，學者制備出如聚合氯化鋁（PAC）[2]、聚合硫酸鋁（PAS）[3]、聚硅酸（PSI）[4]等在內的無機高分子絮凝劑，并在除氟、凈水、除濁等方面都表現出良好的性能，但實踐表明，不同無機高分子絮凝劑的應用側重點不同。而伴隨著絮凝劑制備的完善和應用，目前的主流絮凝劑正朝著“專業化、多功能化、復合化”的方向發展。與此同時，以往制備的無機高分子絮凝劑大部分是以AlCl3等作為原材料，其中重金屬Al3+存在很大的生物毒性[5]。因此，嘗試取代傳統絮凝劑的Al3+，成為當前無機高分子研究的重點。但實踐表明，用鐵鹽取代鋁鹽，通常會造成水處理后的殘余色度很大，由此親生物金屬鈦正在進入研究者的視野[6]。對此，本研究結合鈦的優點，嘗試制備一種無機高分子復合絮凝劑，并對該絮凝劑的性能及在水處理方面的效果進行探討。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

本試驗廢水采自某建筑工地，經測定，該建筑廢水濁度為40NTU，磷含量25mg·mL-1。

JJ124BC型電子天平（蘇州金鉆稱重設備系統開發有限公司）；ZNCL-BS型磁力攪拌器（上海越眾儀器設備有限公司）；JJ-4AL型六聯同步升降自動攪拌機（常州市金壇友聯儀器研究所）；722可見分光光度計（上海佑科儀器儀表有限公司）；PHS-3C型pH計（上海儀電科學儀器股份有限公司）。

1.2 試驗過程

1.2.1 聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑的制備

（1）稱取236.50g Na2SiO3·9H2O（內含SiO250g），放入去離子水中；然后用磁力攪拌器進行混合，得到質量分數為5% SiO2的Na2SiO3溶液。

（2）用稀H2SO4調節Na2SiO3溶液pH值恒定至2；在室溫下攪拌聚合3h。聚合完成后，停止攪拌；放置于常溫環境陳化，即得5%的聚硅酸。

（3）分別制備鈦離子濃度為0.4mol·L-1的Ti（SO4）2溶液和Fe3+濃度為0.5mol·L-1的Fe2（SO4）3溶液備用。

（4）將以上制備的聚硅酸、Fe2（SO4）3、Ti（SO4）2和去離子水按一定比例聚合，從而得到聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑。具體配比方案見表1。

表1 具體配比方案Tab.1 Specific proportioning scheme

1.2.2 基于制備絮凝劑的廢水處理工藝步驟

自改革開放以來，特別是近10多年由于經濟社會不斷發展，環境污染日趨嚴重，秦淮河逐漸失去了原有的風貌。據環保部門的監測資料，10年前外秦淮河水系污水總排放量約為3 440萬t/a，其中生活污水排放量與工業廢水排放量之比約為2.3∶1，生活污水是其主要污染源。工業廢水以有機污染為主。據南京水利部門2000年7月水環境現狀評價報告，秦淮河水質句容河水系為Ⅳ類水，溧水河水系除氨氮超標達Ⅴ類外,其他監測指標為Ⅰ～Ⅲ類。汛期水質優于枯水期水質。

（1）取400mL廢水置于500mL燒杯中，調節pH值，加入聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑。

（2）將燒杯放置于JJ-4AL型自動攪拌機快速攪拌，攪拌速率和時間固定在180r·min-1和4min。

（3）快速攪拌一段時間后，降低攪拌速率，繼續攪拌，并把攪拌速率控制在30r·min-1。

（4）將步驟（3）攪拌的樣品取出，靜置一段時間。待上下分層，取液面下2.5cm處的上清液測試其濁度、磷含量、pH值等。

而為了驗證不同外界因素對絮凝劑處理廢水的影響，在參考桑杰（2020）等的研究成果基礎上[7-10]，選擇絮凝劑投加量濃度、pH值、慢攪時間、慢攪速度及靜置時間作為影響因素，分別構建表2、3的除濁和除磷正交試驗表。

表2 除濁正交試驗表Tab.2 Orthogonal test for turbidity removal

表3 除磷影響因素正交方案Tab.3 Orthogonal scheme of influencing factors of phosphorus removal

1.3 評價指標

本研究以除濁和除磷作為評價指標，分析不同配比下的絮凝劑性能和不同外界影響因素的廢水處理效果。具體則是通過分光光度法和鉬酸銨分光光度法進行測定。

2 結果與討論

2.1 不同配比下的絮凝劑除濁除磷效果

2.1.1 聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑不同配比對除濁效果的影響 不同絮凝劑配比下廢水的除濁效果見圖1。

圖1 聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑配比對除濁效果的影響Fig.1 Effect of ratio of polysilicate titanium ferric sulfate flocculant on turbidity removal

由圖1可以看出，在nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi∶nFe=5∶1；nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi+Fe∶nSi=1∶5；nTi+Fe∶nSi=1∶3、nTi∶nFe=5∶1時，絮凝劑的除濁效果最為穩定且去除率最高。

2.1.2 聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑配比對除磷效果的影響 不同絮凝劑原料配比除磷效果見圖2。

圖2 不同絮凝劑原料配比除磷效果Fig.2 phosphorus removal effect of different flocculant raw material ratio

由圖2可知，在nTi∶nFe=1∶5時，PTFS絮凝劑的除磷效果最為穩定，且除磷率最高。結合除濁試驗結果，故PTFS的最佳配比為nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi∶nFe=1∶5。

2.2 不同廢水處理工藝下的絮凝劑除濁除磷效果

2.2.1 除濁正交試驗結果

除濁正交試驗結果見表4。

表4 除濁正交試驗結果和極差分析Tab.4 Orthogonal test results and range analysis of turbidity removal

由表4可知，在5個因素中，對濁度影響排序靜置時間最大，其次是快攪時間，然后是慢攪時間，最后是pH值環境和絮凝劑的投加量。除濁的最佳工藝為：A3B4C2D2E4，即當絮凝劑濃度為0.60mmol·L-1，pH值為10，慢攪時間和速度為30min和30r·min-1，靜置120min時，除濁效果最佳,證實以此條件制備的絮凝劑可達到高效除濁目的。

2.2.2 除磷正交試驗結果

除磷正交試驗結果與極差分析見表5。

表5 除磷正交試驗結果Tab.5 Orthogonal test results of phosphorus removal

由表5可知，除磷的最佳工藝為A4B3C2D4E3，即當絮凝劑投加量為0.20mmol·L-1，pH值為10.5，快攪時間和慢攪時間分別為2min和20min，靜置90min時，除磷效果最佳。

3 結論

本研究選用的鐵鹽、鈦鹽和聚硅酸合成的無機高分子復合絮凝劑，無論是在除濁，還是在除磷方面，都表現出良好的去除效果。而通過以上研究，得出以下結論：

（1）通過改變鐵鹽、鈦鹽和聚硅酸的比例，結合除濁和除磷效果，得到聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑的最佳配比為nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi∶nFe=1∶5。

（2）通過除濁正交試驗表明，慢攪時間對絮凝劑去除濁度影響最大，絮凝劑投加濃度影響最小，廢水除濁度的最佳絮凝工藝為A4B1C1D4E4；

（3）除磷正交試驗表明，靜置時間對除磷影響最大，快攪時間影響最小，除磷最佳絮凝條件為：復合絮凝劑投加濃度為0.2mmol·L-1、pH值為10.5、快攪速率和時間分別為180r·min-1和2min、慢攪速率和時間分別為30r·min-1和20min，靜置時間90min。