楊成梅

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊830002）

伴隨現(xiàn)代水資源的緊缺，人們開(kāi)始意識(shí)到加強(qiáng)對(duì)水資源的循環(huán)利用迫在眉睫。絮凝劑憑借高性?xún)r(jià)比和使用方便的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水污染處理。目前，市場(chǎng)上主流的絮凝劑有微生物絮凝劑、無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑。在3種不同類(lèi)型絮凝劑中，無(wú)機(jī)絮凝劑價(jià)格低廉，且工藝簡(jiǎn)單，因此，在目前的絮凝劑市場(chǎng)中占有很大的比重。而其中的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑與其他絮凝劑在水處理方面更具有優(yōu)勢(shì)，因此，被業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)作“第二代無(wú)機(jī)絮凝劑”[1]。在學(xué)術(shù)研究方面，學(xué)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(nèi)的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑，并在除氟、凈水、除濁等方面都表現(xiàn)出良好的性能，但實(shí)踐表明，不同無(wú)機(jī)高分子絮凝劑的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)不同。而伴隨著絮凝劑制備的完善和應(yīng)用，目前的主流絮凝劑正朝著“專(zhuān)業(yè)化、多功能化、復(fù)合化”的方向發(fā)展。與此同時(shí)，以往制備的無(wú)機(jī)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(tǒng)絮凝劑的Al3+，成為當(dāng)前無(wú)機(jī)高分子研究的重點(diǎn)。但實(shí)踐表明，用鐵鹽取代鋁鹽，通常會(huì)造成水處理后的殘余色度很大，由此親生物金屬鈦正在進(jìn)入研究者的視野[6]。對(duì)此，本研究結(jié)合鈦的優(yōu)點(diǎn)，嘗試制備一種無(wú)機(jī)高分子復(fù)合絮凝劑，并對(duì)該絮凝劑的性能及在水處理方面的效果進(jìn)行探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

本試驗(yàn)廢水采自某建筑工地，經(jīng)測(cè)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(chēng)重設(shè)備系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有限公司）；ZNCL-BS型磁力攪拌器（上海越眾儀器設(shè)備有限公司）；JJ-4AL型六聯(lián)同步升降自動(dòng)攪拌機(jī)（常州市金壇友聯(lián)儀器研究所）；722可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海佑科儀器儀表有限公司）；PHS-3C型pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑的制備

（1）稱(chēng)取236.50g Na2SiO3·9H2O（內(nèi)含SiO250g），放入去離子水中；然后用磁力攪拌器進(jìn)行混合，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% SiO2的Na2SiO3溶液。

（2）用稀H2SO4調(diào)節(jié)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(huán)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(jiàn)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(kāi)放以來(lái)，特別是近10多年由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，秦淮河逐漸失去了原有的風(fēng)貌。據(jù)環(huán)保部門(mén)的監(jiān)測(cè)資料，10年前外秦淮河水系污水總排放量約為3 440萬(wàn)t/a，其中生活污水排放量與工業(yè)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(yè)廢水以有機(jī)污染為主。據(jù)南京水利部門(mén)2000年7月水環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)報(bào)告，秦淮河水質(zhì)句容河水系為Ⅳ類(lèi)水，溧水河水系除氨氮超標(biāo)達(dá)Ⅴ類(lèi)外,其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)為Ⅰ～Ⅲ類(lèi)。汛期水質(zhì)優(yōu)于枯水期水質(zhì)。

（1）取400mL廢水置于500mL燒杯中，調(diào)節(jié)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(dòng)攪拌機(jī)快速攪拌，攪拌速率和時(shí)間固定在180r·min-1和4min。

（3）快速攪拌一段時(shí)間后，降低攪拌速率，繼續(xù)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(shí)間。待上下分層，取液面下2.5cm處的上清液測(cè)試其濁度、磷含量、pH值等。

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

表2 除濁正交試驗(yàn)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(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究以除濁和除磷作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(guò)分光光度法和鉬酸銨分光光度法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)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(duì)除濁效果的影響 不同絮凝劑配比下廢水的除濁效果見(jiàn)圖1。

圖1 聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑配比對(duì)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(shí)，絮凝劑的除濁效果最為穩(wěn)定且去除率最高。

2.1.2 聚硅硫酸鈦鐵絮凝劑配比對(duì)除磷效果的影響 不同絮凝劑原料配比除磷效果見(jiàn)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(shí)，PTFS絮凝劑的除磷效果最為穩(wěn)定，且除磷率最高。結(jié)合除濁試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果

除濁正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 除濁正交試驗(yàn)結(jié)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(gè)因素中，對(duì)濁度影響排序靜置時(shí)間最大，其次是快攪時(shí)間，然后是慢攪時(shí)間，最后是pH值環(huán)境和絮凝劑的投加量。除濁的最佳工藝為：A3B4C2D2E4，即當(dāng)絮凝劑濃度為0.60mmol·L-1，pH值為10，慢攪時(shí)間和速度為30min和30r·min-1，靜置120min時(shí)，除濁效果最佳,證實(shí)以此條件制備的絮凝劑可達(dá)到高效除濁目的。

2.2.2 除磷正交試驗(yàn)結(jié)果

除磷正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見(jiàn)表5。

表5 除磷正交試驗(yàn)結(jié)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(dāng)絮凝劑投加量為0.20mmol·L-1，pH值為10.5，快攪時(shí)間和慢攪時(shí)間分別為2min和20min，靜置90min時(shí)，除磷效果最佳。

3 結(jié)論

本研究選用的鐵鹽、鈦鹽和聚硅酸合成的無(wú)機(jī)高分子復(fù)合絮凝劑，無(wú)論是在除濁，還是在除磷方面，都表現(xiàn)出良好的去除效果。而通過(guò)以上研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)改變鐵鹽、鈦鹽和聚硅酸的比例，結(jié)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(guò)除濁正交試驗(yàn)表明，慢攪時(shí)間對(duì)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(yàn)表明，靜置時(shí)間對(duì)除磷影響最大，快攪時(shí)間影響最小，除磷最佳絮凝條件為：復(fù)合絮凝劑投加濃度為0.2mmol·L-1、pH值為10.5、快攪速率和時(shí)間分別為180r·min-1和2min、慢攪速率和時(shí)間分別為30r·min-1和20min，靜置時(shí)間90min。