高分子絮凝劑CPF的合成和用于生活污水處理研究
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種無機絮凝劑進行復配，對生活污水進行絮凝處理，優化出CPF與無機絮凝劑的最佳復配方案。采用最佳復配方案，進行了絮體回用效果實驗，為CPF絮凝劑在水處理中的應用提供了重要的科學依據。
關鍵詞: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、產生污泥量少、處理效率高等諸多優點，而且使用后易為環境中微生物所分解[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品，而國內的CPF的生產能力低，在水處理中的應用也不廣泛[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，并繼續通N2 10 min。將反應容器口密封后置于50cI=恒溫水浴中反應數小時后停止，即得CPF，經烏氏粘度計測定后，用其特性粘度表征其相對分子質量的大小。
通過改變陽離子單體用量、反應時間和反應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%(質量)為40%-60% ，DMC水溶液的濃度為14% ～18% ，反應時間為4～5 h，反應溫度為45～55℃ 。在此反應條件獲得的CPF產品的特性粘度為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種無機絮凝劑復配，考察復配使用的效果。
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型節能COD恒溫加熱器。
2．2 生活污水水質
水樣為西南科技大學生活污水，其主要水質指標為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 出水水質控制指標
出水水質控制指標執行國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級標準，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，降低轉速至40 r／min，攪拌5 min。靜置20 min后，取上層清液進行水質分析。
復配處理：取1000 mL污水樣于1000 mL燒杯中，在高轉速(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，降低轉速至40 r／min，攪拌5 rain后靜置20 min，取上層清液進行水質分析。
2．5 水質分析
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 實驗結果
5種無機絮凝劑與CPF絮凝劑單獨處理和復配處理效果比較如表1和表2所示。
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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，FeSO4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，其化學結構為：
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膠體表面一般帶負電荷，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，使膠體的脫穩和凝聚易于發生。溶液膠粒對高分子有強烈吸附作用，CPF絮凝劑具有線性結構，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絮凝劑復配后的處理效果均有很大提高。其中，AICI3與CPF絮凝劑復配使用的處理效果最好，FeSO4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在壓縮雙電層機理和沉淀網捕機理上，當CPF絮凝機與無機絮凝劑復配使用時，上述機理產生協同作用，使絮凝效果大大增強。在復配過程中，先加入無機絮凝劑再加入有機絮凝劑，可認為先起絮凝作用的是壓縮雙電層機理和沉淀網捕機理，吸附電中和機理及吸附架橋機理起協同作用，并對前述機理加以強化。
3 CPF絮凝劑與AICI3復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絮凝劑的復配效果最好，通過正交實驗優化確定CPF+AICI3復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)。結果如表3和表4所示。
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由表3可知，1．7 mg／L CPF絮凝劑與20 mg／LAICI3復配使用效果最好，COD、SS的去除率分別為：96．3% 和98．0% ，完全能夠達到出水水質控制指標。
由表3還可看出，當CPF+AICI 用量為0．5+7～ 1．1+13 mg／L時，絮凝效果不太理想，當用量增至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，膠粒間會出現斥力和毫電位增加，使已形成的絮體重新分散為穩定的膠體，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，導致絮凝效果變差。因此，其最佳用量應為1．4 +17 mg／L。
由表4可知，當pH值在6—9范圍內，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，使原本帶負電荷的有機質微粒成為中性分子，因而不易被絮凝劑所吸附；當pH值較高時，一方面大量的OH一增大了ξ電位，使膠體出現再穩現象，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值過低或過高均導致處理效果變差。因出水水質控制指標對pH值的要求為6～9，故在實際處理時，無須調節pH值便可使用。
4 絮體回用效果實驗
根據絮體產生機理，將絮凝過程中產生的絮體返回使用，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，節約處理成本。將CPF+AICI3復配絮凝劑處理生活污水產生的絮體回用，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，在中轉速(80 r／min)攪拌下，將上次絮凝產生的絮體量的一半投入污水中，攪拌0．5 min后，提高轉速，再先后分別加入一定量的A1C13和CPF絮凝劑。如此重復實驗若干次(每次回用的絮體量均為上次實驗產生絮體量的一半)。最后取各燒杯中的上層清液分別進行水質分析。
4．3 實驗結果與討論
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。
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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。當絮凝劑用量減至一定值(CPF+A1C13=1．0+11．4 mg／L)后，再繼續減少用量，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，處理結果大大優于出水水質控制指標。
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配使用，其效果均明顯優于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復配絮凝劑進行絮凝處
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 復配絮凝劑進行處理，無論處理成本還是出水水質均明顯優于生化法，加之生化法占地面積大、機械設備多、投資大、運行費用高，而絮凝法設備簡單、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
實驗證明，CPF絮凝劑與A1C13復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用還能有效降低處理成本，值得推廣使用。特別是經CPF+A1C13復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，已優于國家地表水環境質量標準(GB3838-2002)中三類水域標準。由此可進一步拓寬CPF+A1C13復配絮凝劑的應用范圍，可將其用于嚴重污染河流治理，以解決目前全國普遍存在的河流污染嚴重，治理難的緊迫問題。
參考文獻
[1]肖筱瑜．水處理絮凝劑研究進展．礦產與地質，2003，17(2)：23—24
[2]錢錦棠．有關陽離子高分子絮凝劑的有關問題．精細與專用化學品，2002，21(18)：45
[3]史昕龍，陳偉．城市污水的處理方法與技術，環境保護，2002，15(3)：45-46
[4]陳復．水處理技術及藥劑大全．北京：中國石化出版社，2OOO
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