治理城市黑臭水体新材料——复合絮凝剂的探讨4

牛丽霞，薛菲，刘建伟

（黄河河口管理局乾元公司，山东东营　257091）

摘　要：城市水体作为生态城市建设的一个重要环节，对于改善城市面貌，提升城市形象起到了重要作用。近年来，由于经济高速增长，城镇化步伐增快，人类生产生活活动日愈频繁，若无科学有效的环保措施，城市水体极易受到污染，进而导致黑臭水体形成。传统治污手段不便于在城市内开展，传统絮凝剂存在二次污染及成本过高问题，且效果不明显。为积极应对城市水体黑臭问题及突发污染问题，本文通过试验制备复合絮凝剂，能够高效改善城市黑臭水体及突发污染问题。

关键词：城市黑臭水体；治理；复合絮凝剂

第一作者简介：牛丽霞（1968—），女，高级工程师，从事水利工程施工管理、水保环保等工作。E-mail：292248515@qq.com4

絮凝法是水处理技术中较为常见的工艺方法，絮凝剂分子或分子团簇通过电中和、吸附桥架、沉淀网捕和卷扫等作用，破坏胶体稳定性，使微粒聚结沉淀，可以去除水中的重金属、盐、乳化油和其他细微颗粒物等，达到净水的目的。

1　现有絮凝剂基本情况

当下，用于水处理行业的絮凝剂主要有无机絮凝剂、有机絮凝剂、复合絮凝剂。

1.1　无机絮凝剂

常用的无机低分子絮凝剂主要包括铝盐和铁盐絮凝剂，典型代表是硫酸铝和三氯化铁等。20世纪60年代产生第二代絮凝剂，即无机高分子絮凝剂，它是无机絮凝剂的主流产品和重点研究方向，主要包括聚合铝类和聚合铁类等。与传统药剂相比，絮凝效果更好而价格较低，已有相当规模的生产和应用［1］。

1.2　有机絮凝剂

天然有机高分子絮凝剂的主要特点是无毒、来源广、价格低、可生物降解、吸附性能良好、对环境友好，但它的缺陷在于电荷密度小、易失活，因而使用不太普遍。不过排放废水的复杂、多样性促使研究人员不断开发多品种、多特性、高效能的絮凝剂，主要探索方向是将淀粉、纤维素、蛋白质、植物胺等天然产物经过醚化、酉旨化、磺化、交联接枝等反应制得人工改性高分子絮凝剂衍生物类产品。

1.3　复合絮凝剂

废水处理中使用最多的无机高分子絮凝剂为铝盐和铁盐，它们价格便宜，电中和能力强，但形成的絮体体积较小，最终处理效果不理想。而有机高分子絮凝剂的吸附架桥作用很强大，通过复合或改性制得的无机-有机复合絮凝剂，有无机基团，又有有机基团，综合了二者的优势，又避免了各自的不足，还具有某些独特的特点，从而增大了絮体体积和吸附强度，促进了凝聚速度，使絮凝效果大大提高，同时也扩大了其使用范围［2］。

2　城市黑臭水体治理用复合絮凝剂的制备

2.1　聚丙烯酰胺基淀粉黄原酸钠（CSAX）的制备

以水热法制备了阴离子型改性淀粉接枝丙烯酰胺聚合物，考察了单体配比、聚合反应温度、引发剂浓度对接枝反应的影响。确定出在絮凝剂合成过程中的最优工艺条件。并对合成出的絮凝剂进行了红外、SEM、TGA等表征，证明了聚合物成功合成。将实验中合成的絮凝剂应用于含有重金属离子的模拟废水中，进行絮凝吸附实验，通过考察絮凝剂用量、金属离子浓度、pH值、温度、搅拌时间等因素，确定出絮凝剂去除金属离子的最佳条件。经过吸附选择性实验，证明该絮凝剂对Cd2+具有良好的选择性。在絮凝剂对金属离子等温吸附实验中观察到，在达到吸附平衡时，金属离子吸附量与吸附平衡浓度之间的相关性能很准确地由Langmuir等温吸附模型来表达。

2.2　聚合硅酸铝铁（PSAF）-纳米二氧化硅的制备

采用水热聚合法制备聚合硅酸铝铁，并在制备过程中对反应条件进行了优化。聚合反应时Fe/Al摩尔配比设为2∶1，同时体系温度设定为60℃、OH-/Fe摩尔配比设为2∶5，此条件下合成的聚合物的性能最佳。通过FT-IR，SEM及XRD表征，确定成功地合成出了聚合硫酸铁铝。通过絮凝剂对金属离子的吸附选择性实验，结果表明聚合硅酸铝铁对Cd2+的吸附具有良好的选择性［1］。

2.3　CSAX-PSAF-纳米二氧化硅复合絮凝剂的合成

化学（接枝）共聚法或缩聚法制备的无机-有机杂化复合絮凝剂主要包括二元及以上单体共聚物及其有无使其多功能化；对天然高分子絮凝剂，分子量低，絮凝性能难以达到用户要求，而合成高分子虽然分子量高，絮凝性能好，用量少，但难降解，对天然高分子接枝聚合改性，能提高其分子量，进而提高其絮凝性能或综合性能。制备多元共聚物及天然高分子接枝共聚物工艺主要有溶液聚合、乳液聚合、反向悬浮聚合、绝热带式聚合，最常用的引发体系是氧化-还原剂引发体系［1-2］。

本研究在前期制备高分子絮凝剂聚丙烯酰胺基淀粉黄原酸钠（CSAX）及聚合硅酸铝铁（PSAF）-纳米二氧化硅的基础之上，通过自由基共聚制得了一种具有良好的去除重金属和石油类、COD性能的CSAX-PSAF-纳米二氧化硅复合絮凝剂。

3　复合絮凝剂去除污染物室内实验

根据单因素实验和正交实验结果，在实验所确定的最佳制备条件下制备CSAX-纳米SiO2-PSAF复合絮凝剂。制备的一定浓度的污水为试样，分别以Cr、Cd、石油类、COD等的去除率为指标，检验CSAX-纳米SiO2-PSAF复合絮凝剂的絮凝性能。

3.1　污水试样的制备

针对城市黑臭水体及突发水污染事件后，各污染物可能的含量，确定污水各个指标的含量，Cr、Cd取标准限值的10倍，石油类取标准限值的20倍，COD取标准限值的30倍，详见表1。废水试样每份为500mL。

3.2　絮凝剂对比

为了对比复合絮凝剂与常用絮凝剂去除污染物的效果，选择聚合硅酸氯化铝 （PASiC）进行对比实验。

3.3　絮凝剂浓度加量梯度

CSAX-纳米SiO2-PSAF复合絮凝剂和PASiC絮凝剂浓度的加量梯度设置为：0mg/L、5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L、80mg/L、90mg/L。

3.4　絮凝处理方法

实验中的絮凝处理方法为：投加适量絮凝剂于500mL废水中，在磁力搅拌机上先快速（300r/min）搅拌0.5min，再中速（150r/min）搅拌5min，最后慢速（70r/min）搅拌10min。静置15min后，取上清液测定其各项指标。

3.5　实验效果

考察复合絮凝剂和PASiC絮凝剂的不同加量对污水中铬的去除效果的影响，其去除效果见图1。复合絮凝剂对铬的去除效果明显优于PASiC絮凝剂。复合絮凝剂对铬的最大去除率为92.7％，最佳浓度为10mg/L。去除后污水中铬含量为7.28μg/L，低于标准限值。

考察复合絮凝剂和PASiC絮凝剂的不同加量对污水中镉的去除效果的影响，其去除效果见图2。复合絮凝剂对镉的去除效果明显优于PASiC絮凝剂。复合絮凝剂对镉的最大去除率为93.7％，最佳浓度为15mg/L。去除后污水中镉含量为0.63μg/L，低于标准限值［2］。

考察复合絮凝剂和PASiC絮凝剂的不同加量对污水中石油类的去除效果的影响，其去除效果见图3。复合絮凝剂对石油类的去除效果明显优于PASiC絮凝剂。复合絮凝剂对石油类的最大去除率为95.59％，最佳浓度为30mg/L。去除后污水中石油类含量为44.1μg/L，低于标准限值。

考察复合絮凝剂和PASiC絮凝剂的不同加量对污水中COD的去除效果的影响，其去除效果见图4。复合絮凝剂对COD的去除效果明显优于PASiC絮凝剂。复合絮凝剂对COD的最大去除率为98.5％，最佳浓度为40mg/L。去除后污水中COD含量为6.61mg/L，低于标准限值。

从以上分析可以看出，复合絮凝剂对污染物的去除效果十分显著，且明显优于常用絮凝剂，证明复合絮凝剂的研制取得了成功。

4　结语

城市水体黑臭及水体突发污染问题，严重危害城市生态环境。传统治理手段往往投入大型机械、诸多人力物力进行水体治理，投入成本高，治理效果不理想。本成果可针对污染源的不同及时调整絮凝剂成分，有选择性地去除水体靶向指标，成本低廉、效果理想，经跟踪监测，未造成水体二次污染，适合作为应对城市黑臭水体治理及应对突发水污染事件的储备物资进行推广应用。

参考文献

［1］王萌萌，高宝玉，曹百川，等.无机-有机复合絮凝剂处理夏季引黄水库水的对比研究［J］.中国环境科学，2012，32（2）：242-248.

［2］孔爱平，王九思，武鹏华，等.无机与有机复合絮凝剂PAFC-CTS的制备及其在废水处理中的应用［J］.水处理技术，2009，35（4）：86-88.