聚合氯化鋁鐵（PAFC）絮凝劑的性能研究
摘要：通過對比實驗 研究 PAFC配置濃度、投加方式、攪拌條件、PH值、溫度對污泥脫水效果的 影響 ;研究結果表明: PAFC既具有鋁鹽絮凝劑礬花大、水處理面寬、除濁效果好、對設備管路腐蝕性小等優(yōu)點;還具有鐵鹽絮凝劑絮題沉降快、易于分離、低溫水處理性能好、水處理PH值范圍大。
關鍵詞：PAFC 污水處理 PAFC最佳配置狀況
2005年城市生活污水處理率已達到38.5%,但這還不能滿足控制生活污水中污染物質排放總量的要求,因此,還須加快城市污水處理廠的建設。選取常用的鋁鹽、鐵鹽系列混凝劑,以pH、濁度、堿度、COD、總氮、總磷等為檢測指標,試驗不同混凝劑投加量、原水不同pH值等變化對處理效率的影響，進行研究具有迫切性。
在水處理中,絮凝是一種重要而被廣泛采用的工藝 方法 。它是通過化學機理把膠體物質和小的懸浮粒聚集成大的集合體,以提高這些集合體對溶解的各種雜質的吸收,從而有利于在隨后的沉積/浮選過濾過程中排除這些物質。Kuo和Wamser首先合成了復合型混凝劑——聚堿式氯化鋁鐵(簡寫PAFC),發(fā)現(xiàn)該聚合物具有較好的混凝效果。聚合氯化鋁鐵(PAFC)是一種新型，高效無機陽離子復合絮凝劑，PAFC既具有鋁鹽絮凝劑礬花大、水處理面寬、除濁效果好、對設備管路腐蝕性小等優(yōu)點;還具有鐵鹽絮凝劑絮題沉降快、易于分離、低溫水處理性能好、水處理PH值范圍大等特點。 目前 ，PAFC已成功用于飲用水、 工業(yè) 用水及多種工業(yè)廢水的處理。
1. 絮凝劑的作用機理
1.1膠體顆粒失去穩(wěn)定性的過程稱為脫穩(wěn)過程。脫穩(wěn)即意味著液體中原來均勻分散的固體微粒結合成了較大的顆粒，從液體中沉淀下來。這種現(xiàn)象即稱為凝聚。在凝聚的程度上可分為凝結和絮凝;聚集程度不大，甚至通過簡單的攪拌可以使固體微粒重新分散的這種可逆性聚集被稱為絮凝，而凝結則是在固體微粒間距離相對較小時發(fā)生的聚集，這種聚集是不可逆的，僅用簡單的攪拌是不可能使固體微粒重新分散的。投加絮凝劑可以加速水中膠體顆粒凝聚成大顆粒，其作用機理的解釋有以下幾種：
a. 壓縮雙電層與電荷中和作用
b. 高分子絮凝劑的吸附架橋作用
c. 絮體的卷掃沉淀作用
1.2 PAFC的作用機理
聚合氯化鋁鐵由廉價的氯化鋁的和氯化鐵共聚合而成。因此它兼具鋁鹽和鐵鹽的絮凝特性。鋁鹽和鐵鹽在水處理過程中發(fā)生水解和聚合反應過程，水中的膠體顆粒能強烈吸附水解和聚合反應過程中出現(xiàn)的各種產物：各種Al3+ 和Fe3+的化合物和多種多核羥基絡離子。被吸附的帶正電的多核羥基絡離子能夠壓縮雙電層，降低動電位(ζ電位)，同時進行著架橋作用。多核聚合物為兩個以上的膠體顆粒所共同吸附，將兩個或多個膠體顆粒架橋連接等。這些屬于膠體顆粒的聚集作用，從而逐步形成絮凝體，絮凝劑最終形成的聚合度很大的Al(OH)3或Fe(OH)3將使絮凝過程加速，絮凝體由小變大。
1.3 影響絮凝劑作用效果的工藝條件
無論是天然的絮凝劑,還是人工合成的絮凝劑，除了非離子型的絮凝劑以外，都是電解質。所有的電解質都具有絮凝作用，只是絮凝作用的大小各有不同而已。絮凝作用是復雜的物理和化學過程。因此，影響絮凝劑作用的因素也是復雜的和多方面的。例如，溶液的pH值、溫度、攪拌速度、攪拌時間以及絮凝劑本身的性質、結構特點、分子量大小和用量多少，所采用的分離方法、工藝設計條件等，另外被絮凝的固體粒子的性質和直徑大小及ζ電位大小等等，這些因素都會對絮凝效果產生直接的影響，有時甚至是決定性的影響。
1.4 復合無機高分子絮凝劑
無機高分子絮凝劑(Inorganic Polymer Flocculent)作為第二代無機絮凝劑，比傳統(tǒng)凝聚劑(如硫酸鋁、氯化鐵等)效能更優(yōu)異，比有機高分子絮凝劑(OPF)(PAM)價格低廉等優(yōu)點，成功地 應用 在給水、工業(yè)廢水以及城市污水的各種流程(包括前處理、中間處理和深度處理)中，現(xiàn)已成為主流絮凝劑。
復合型無機高分子絮凝劑(見表1)是指含有鋁鹽、鐵鹽和硅酸鹽等多種具有絮凝或助凝作用的物質，它們預先分別經羥基化聚合后再加以混合，或先混合再加以羥基化聚合，形成羥基化的更高聚合度的無機高分子形態(tài)，具有較單一無機高分子絮凝劑更為優(yōu)異的絮凝性能和對膠體顆粒的混凝沉降效果的產品。目前國內主要有以下品種，見表1
表1各種復合型絮凝劑
|
類型
|
名稱
|
簡稱
|
程序
|
配比
|
|
Al+Fe+Cl
|
聚合氯化鋁鐵
|
PAFC
|
Al+Fe+OH
|
|
|
Si+Al+SO42-
|
聚合硅酸硫酸鋁
|
PASS
|
Al2(SO4)3+PSi
|
|
|
Al+Si+Cl
|
聚合硅酸鋁
|
PASC
|
PAC+PSi;Al+Si+OH
|
[Al]/[Si]≥5
|
|
Fe+Si+Cl
|
聚合鐵硅酸
|
PFSiC
|
PFC+PSi;Fe+PSi+OH
|
[Fe]/[Si]>1.0
|
|
Si+Fe+Cl
|
聚合硅酸鐵
|
PSiFC
|
Fe+PSi+OH
|
[Fe]/[Si]<1.0
|
|
Al+Fe+Si+Cl
|
聚合硅酸鐵鋁
|
PAFSi
|
Al+Fe+PSi+OH
|
|
|
Al+PAM
|
聚合鋁-聚丙烯酰胺
|
PACM
|
PAC+PAM
|
|
|
Fe+PAM
|
聚合鐵-聚丙烯酰胺
|
PFCM
|
PFC+PAM
|
|
|
Al+PCh
|
聚合鋁-甲殼素
|
PAPCH
|
PAC+PCh
|
|
|
Al+PCat
|
聚合鋁-有機陽離子
|
PCAT
|
PAC+PCat
|
|
2 實驗部分
2.1 主要儀器與試劑
實驗藥品:三氯化鐵、三氯化鋁、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、試亞鐵靈指示液、聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵等;
實驗儀器:722型分光光度計、PHS—3C精密pH、500毫升全玻璃回流裝置等、恒溫培養(yǎng)箱及玻璃儀器(滴定管、燒杯等);
2.2 COD的測定方法(重鉻酸鉀法)
2.2.1 原理：
在強酸的溶液中，準確加入過量的重鉻酸鉀標準溶液，加熱冷凝回流，將水樣中的還原性物質氧化，過量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑，用硫酸亞鐵銨回滴，根據(jù)所消耗的重鉻酸鉀 計算 水樣的化學需氧量。
2.2.2 標定方法：
準確吸取10.00ml的重鉻酸鉀溶液于500ml的錐形瓶中，加水稀釋至110ml左右，緩慢加入30ml濃硫酸，冷卻后，加入3滴試亞鐵靈指示劑。用硫酸亞鐵銨滴定。溶液的顏色由黃色經藍綠色至紅褐色即為終點。
C=0.2500×10.00/V試中的：C代表硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度
V代表硫酸亞鐵銨標準溶液的用量
滴定測得C=0.098mol/l
2.2.3 測定步驟：
取20ml的混合水樣(或適量水樣稀釋至20ml)置于250ml的磨口回流錐形瓶中，準確加入10.00ml重鉻酸鉀標準溶液及沸石數(shù)粒，連接磨口錐形瓶，從冷凝管的上口慢慢加入30ml硫酸-硫酸銀溶液，輕輕搖動錐形瓶使溶液混合均勻，冷凝回流2小時。
冷卻后，用90ml的水沖洗冷凝管壁，取下錐形瓶，溶液的總體積不得少于140ml，否則因酸度太大，滴定終點不明顯。
溶液再冷卻后，加3滴試亞鐵靈指示劑，用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定，溶液的顏色由黃色經藍綠色至紅褐色即為終點，記錄硫酸亞鐵銨標準溶液的用量。
測定水樣的同時，取20.00ml蒸餾水，按同樣的操作步驟作空白實驗，記錄空白時硫酸亞鐵銨的用量。
COD=(V-V0)×C×8×1000/V
C :硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度(mol/l)
V0:滴定空白時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量(ml)
V1:滴定水樣時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量(ml)
V:水樣的體積(ml)
8:氧的摩爾質量(g/ml)
2.3 濁度標準曲線的繪制：
2.3.1 硅藻土的濁度標準液的配制：
稱取10g的硅藻土，于研體中加入少許蒸餾水調成糊狀并研細，移至1 000 ml量筒中，加水至刻度。充分攪拌，靜置24 h，用虹吸法仔細將上層800 ml懸浮液移至第二個1 000 ml量筒中。向第二個量筒內加水至1 000 ml，充分攪拌后再靜置24 h。虹吸出上層含較細顆粒的800 ml懸浮液，棄去。下部沉積物加水稀釋至1 000 ml。充分攪拌后貯于具塞玻璃瓶中，作為渾濁度原液。取上述懸濁液50 ml置于已恒重的蒸發(fā)皿中，在水浴上蒸干。于105 ℃烘箱內烘2 h，至干燥器中冷卻30 min，稱重。重復以上操作，即，烘1 h，冷卻，稱重，直至恒重。求出每毫升懸濁液中含硅藻土的重量(mg)。吸取含250 mg硅藻土的懸濁液，置于1 000mL容量瓶中，加水至刻度，搖勻。此溶液濁度為250度。吸取濁度為250度的標準液100 ml，置于250 ml容量瓶中，用水稀釋至標線，此溶液濁度為100度的標準液。
2.3.2 濁度標準曲線的制作：
取7個250 ml容量瓶，分別加入0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120mL 250 NTU的濁度標準儲備液，用去離子水定容后搖勻。以去離子水作參比，用722型分光光度計在340 nm波長處測定吸光度A，所得結果見表2。
表2 濁度標準曲線值
|
標準儲備液加入量/ml
|
濁度/NTU
|
吸光度
|
|
0
|
0
|
0
|
|
10
|
10
|
0.075
|
|
20
|
20
|
0.103
|
|
30
|
30
|
0.121
|
|
40
|
40
|
0.132
|
|
50
|
50
|
0.176
|
|
60
|
60
|
0.191
|
|
70
|
70
|
0.212
|
|
80
|
80
|
0.241
|
|
90
|
90
|
0.272
|
|
100
|
100
|
0.295
|
|
110
|
110
|
0.349
|
|
120
|
120
|
0.408
|
根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制標準曲線(見圖1)，求得標準曲線回歸方程如下：
濁度=吸光度(A) ×384.3941 - 13.0627 γ=0.993007(相關系數(shù))
3. PAFC的絮凝實驗：
實驗所用的生活污水來源于上海瑞威機電設備有限公司旁邊的河內，原水樣水質 分析 ：取200ml生活污水水樣，用UV755B型分光光度計分別于330nm和340nm處測其吸光度值，根據(jù)吸光度值 計算 出原水相應的指標值如表3：
表3 原水水質情況
|
COD （mg/l）
|
濁度 NUL
|
pH
|
顏色
|
|
224.0
|
546.6
|
7.4
|
黑褐色
|
3.1 攪拌速度和攪拌時間對絮凝效果的 影響
攪拌速度和時間選擇的恰當，可以加速絮凝作用，從而有利于絮凝劑發(fā)揮作用，提高絮凝效果。
取4份200ml的廢水樣于燒杯中，先用pHS—3C精密pH計調節(jié)PH值到8.0，再加入0.15g/200ml PAFC絮凝劑，用78-1型磁力加熱攪拌器攪拌。第一個燒杯以50r/min轉速攪拌2min，第二個燒杯以100r/min轉速攪拌2min，第三個燒杯以150r/min轉速攪拌2min，第四個燒杯以200r/min轉速攪拌2min,均靜置沉降20min后取其上清液，測其濁度、pH值、COD值。結果如表4所示
表4 攪拌時間為2min時相應的指標值
|
攪拌強度（r/min）
|
濁度 |
濁度去除率（%） |
COD |
COD去除率（%） |
|
50 |
73.4 |
86.56 |
42.0 |
81.25 |
|
100 |
45.7 |
91.65 |
48.0 |
78.57 |
|
150 |
26.8 |
95.10 |
36.0 |
89.93 |
|
200 |
87.5 |
84.00 |
64.0 |
71.43 |
表5 攪拌時間對PAFC絮凝效果的影響
|
攪拌時間（min） |
濁度
|
濁度去除率（%） |
COD |
COD去除率（%） |
|
1 |
72.3 |
86.77 |
42.0 |
81.25 |
|
2 |
26.8 |
95.10 |
38.0 |
89.04 |
|
3 |
44.9 |
91.79 |
44.0 |
80.36 |
|
4 |
85.5 |
84.37 |
62.0 |
72.32 |
圖3 攪拌時間——濁度、COD去除率曲線圖
實驗結果表明最佳攪拌時間和最佳攪拌強度分別為2min，轉速為150r/min，此時PAFC絮凝劑的絮凝效果的各項指標值：濁度去除率達95.10%，COD去除率達89.93%。如果攪拌時間過長，攪拌速度過快，則會將能夠沉降的顆粒被攪碎后變成不沉降顆粒，從而降低絮凝效果;如果時間過短，速度過慢，則會使絮凝劑和固體顆粒不能充分的接觸，從而不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，而且絮凝劑的濃度也分布不均勻，不利于發(fā)揮絮凝作用。
3.2 PAFC投加量對絮凝效果的影響
實驗所用的水樣為生活污水，取五份200ml水樣分別放置在500ml燒杯中加入一定量的聚合氯化鋁鐵，氯化鋁鐵的投加量分別為0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.25g、0.30g，后先用攪拌機快攪2min(攪拌速度為 150r/min),再慢攪5min(攪拌速度為 75r/min)，靜置沉降20min后取上清液用UV755B型分光光度計分別在330nm和340nm波長處測定吸光度值，由公式計算出相應的濁度和色度以及COD值和它門對應的去除率，由此確定最佳投加量。
表6 PAFC投加量對絮凝效果的影響
|
PAFC投加量(mg/l)
|
投藥后的水質
|
濁度去除率(%)
|
COD去除率(%)
|
|
|
CODcr
|
濁度
|
|||
|
250
|
40.0
|
72.7
|
86.71
|
82.14
|
|
500
|
64.0
|
163.4
|
70.11
|
71.42
|
|
750
|
36.0
|
24.6
|
95.50
|
87.93
|
|
1000
|
48.0
|
85.3
|
84.39
|
78.57
|
|
1250
|
100.0
|
43.8
|
92.00
|
55.36
|
|
1500
|
44.0
|
169.9
|
68.92
|
80.36
|
圖4 投藥量—濁度去除率曲線圖
圖5 投藥量—COD去除率曲線圖
試驗結果表明，當PAFC投加量小時，COD去除率隨PAFC的投加量變化沒有顯著的變化，而當PAFC投加量增加到0.75g/L時，再增加PAFC的量，COD去除率開始下降，且隨著PAFC的量的增加，形成礬花越來越小，下沉越來越慢;當PAFC量為1.25g/L時，礬花非常細小，甚至出現(xiàn)上浮，無法分層等現(xiàn)象。綜合COD、濁度去除率、礬花沉降速度、處理后效果及 經濟 等方面的因素，確定PAFC的最佳投藥量為0.75g/L,此時的絮凝效果最好;如果在最佳投藥量時再繼續(xù)投加絮凝劑，則COD增加，COD去除率反而有所波動，濁度有所增加，絮凝效果越來越差。這主要是因為分散在水中的膠體顆粒帶有一定的電荷，它們之間的電斥是膠體穩(wěn)定的主要因素。膠粒表面的電荷值常用電動電位ξ來表示，又稱為Zeta電位。Zeta電位的高低決定了膠體顆粒之間的斥力的大小和影響范圍。一般在天然水中膠體顆粒的Zeta電位在-30mv以上，投加絮凝劑后，只要電位降到-15mv左右即可得到較好的絮凝結果。相反，當Zeta電位降到零時，反而不是最佳絮凝狀態(tài)。
3.3 PH值對PAFC絮凝效果的影響
分別取8份200ml的生活污水水樣放置于500ml的玻璃燒杯中，用橡膠滴管滴加NaOH或 HCL，運用PHS—3C精密PH計調節(jié)水樣的PH值，測定相應的值如下表所示：
表7 PH值對絮凝效果的影響
|
PH值
|
調節(jié)投藥后的水質
|
濁度去除率(%)
|
COD去除率(%)
|
|
|
CODcr(mg/l)
|
濁度
|
|||
|
5
|
116.0
|
131.1
|
76.02
|
48.21
|
|
6
|
76.0
|
38.5
|
92.97
|
66.07
|
|
7
|
68.0
|
41.1
|
92.47
|
69.64
|
|
8
|
36.0
|
38.1
|
93.04
|
87.90
|
|
9
|
84.0
|
56.9
|
85.59
|
62.50
|
|
10
|
48.0
|
43.4
|
92.05
|
78.57
|
|
11
|
56.0
|
42.3
|
92.26
|
75.00
|
|
12
|
92.0
|
44.6
|
91.84
|
58.93
|
圖6 pH—濁度、濁度去除率曲線圖
圖7 pH值—CODcr、CODcr去除率曲線圖
從試驗結果得知，水體的pH值對絮凝效果影響非常顯著，在pH=5和pH=6時，處理效果極差，其去濁、去色效果極不明顯，其上層清顏色和原水樣差不多，且難以分層;在pH=6—8范圍內，處理效果較好，絮體生成快，礬花大，濁度、色度、COD去除率也較高;且當pH=8時去除效果最好，上清液最清澈，此時達到最佳狀態(tài);而pH=9時，其去除效果不是很好，其上清液還有原水樣的顏色;故確定最佳pH值為8左右。因此，在實際 應用 當中，可以通過調節(jié)水樣的PH值來提高處理效果，可以投加堿或酸將水體PH值調到適宜范圍，以增強絮凝效果。
3.4 PAFC與PAC、PFS絮凝效果的對比
選擇聚合氯化鋁PAC、聚合氯化鋁鐵PAFC、聚合硫酸鐵PFS在相同實驗條件下分別處理生活污水，比較其絮凝效果。實驗結果見表8：
表8 不同絮凝劑最佳投藥量條件下的絮凝效果比較
|
絮凝劑 |
最佳投藥量 |
最佳去除率(%)
率（%）
|
|
|
CODcr |
濁 度 |
||
|
PAC |
750mg/l |
82.60 |
94.60 |
|
PFS |
1000mg/l |
82.48 |
93.56 |
|
PAFC |
750mg/l |
87.90 |
95.50 |
由表8可知， PAFC的COD、濁度去除率都要略高于PAC、PFS，但是PAC和PFS的COD去除率沒有PAFC的大，且PFS的濁度去除率也差些，生產成本也高于PAFC，PAFC的性能明顯要優(yōu)于其它兩種絮凝劑，因此PAFC是處理生活污水較好的一種絮凝劑。
3.5 PAFC在不同廢水中的絮凝效果的 研究 與探討：
用PAFC分別處理不同的廢水，得出PAFC處理廢水的應用范圍。實驗數(shù)據(jù)如表9：
表9 PAFC處理不同廢水的絮凝比較
|
廢水類別 |
最佳投加量g/L |
最佳PH值 |
最佳去除率% |
|
|
COD |
濁度 |
|||
|
生活污水 |
0.75 |
8.0 |
87.90 |
95.50 |
|
印染廢水 |
2.4 |
9.0 |
89.70 |
92.30 |
|
造紙廢水 |
0.5 |
7.0 |
95.80 |
84.60 |
從表9可知：用PAFC處理生活污水、印染廢水和造紙廢水的效果都很好，這就說明PAFC處理廢水的范圍很廣。
4 結論 ：
在相同的實驗條件下，分別用PAFC、PAC、PFS處理同種生活污水。通過以上實驗可知，PAFC具有絮凝速度快，結實粗大，沉降性能好等絮凝特性，并且具有優(yōu)越的除濁、脫色和去除COD的良好性能 ; PAFC可以用多種 工業(yè) 廢渣來制備，原料來源廣泛、成本低廉、且可達到以廢治廢的目的，因而非常適合我國的國情,因此研究聚合鋁鐵復合絮凝劑有很好的 科學 價值和重大的實踐生產意義。
參考 文獻 ：
[1] 胡勇有 新型混凝劑聚合氯化鋁鐵的混凝特性[J] 水處理技術,1993,19(5):281～285.
[2]KuoUHS,WamserCA.Al(1-x)Fe3+xFe2+y(OH)3+2y-zHal(z)(HalisclBr,I,ormixts)[P].USAppl:55416,1979-07-06
[3] 田寶珍,張云.鋁鐵共聚復合絮凝劑的研制及應用[J].工業(yè)水處理,1998.
[4] 席美云 無機高分子絮凝的開發(fā)與研究進展[J].環(huán)境科學技術,1999,4:4～7.
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
