絮凝剂在污水处理和污泥脱水中的应用

第２３卷第４期２００６年１２月吉林建筑工程学院学报ＪｏｕｍａｌｏｆＪｉｌｉｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｆａｌａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅＶ０１．２３Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２００６新型絮凝剂在污水处理和污泥脱水中的应用尹军１焦畅１霍玉丰１（１：吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春１３００２１；王雪峰１李林１赵可２２：哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨１５００９０）摘要：根据污水和污泥处理中絮凝沉淀的作用机理与特点，针对实际工程应用中存在的问题，阐述了近年来新型絮凝剂在污水处理和污泥脱水中的应用状况，并与传统絮凝剂进行了比较；说明采用天然高分子物质（如淀粉、甲壳素、纤维素）通过改性，可制成高效、无毒、可生物降解、廉价的天然高分子絮凝剂，并与微生物絮凝剂共同逐步取代传统的无机和有机絮凝剂．关键词：新型絮凝剂；污水处理；污泥脱水；展望中圈分类号：Ｘ７０３文献标识码：Ａ文章编号：１００９—１２８８（２００６）０４—００１３．０４Ｏ前言絮凝沉淀能有效去除水中的重金属离子、悬浮物、有机物和氨氮等，使水质得到进一步净化，已广泛应用于水处理工艺流程中．目前，城市污水和废水的排放规模不断加大，种类不断增加，水中污染物的成分日趋复杂，对环境的危害日益加重．因此，水处理的难度进一步加大，特别是传统的絮凝剂已不能满足现有絮凝技术的需要．另外。

城市污水生物处理过程中将产生大量的剩余污泥，剩余污泥经浓缩后，含水率为９５％～９７％左右．为了经济有效地进行生物污泥的干燥、焚烧、堆肥、填埋等进一步处置，必须充分的脱水而减量化．污泥是难脱水物质，需要通过投加絮凝剂来改善污泥的脱水性．无机絮凝剂投加量大，效果不佳，还会把金属带入污泥的最终产物之中，对环境造成危害；有机合成高分子絮凝剂生物难降解，残留单体有毒，会对环境造成二次污染．因此，新型絮凝剂的研究和开发已成为当今世界各国的重要研究课题之一．１天然高分子絮凝剂天然高分子絮凝剂及其改性制品种类很多，应用于污泥脱水的主要有改性淀粉类、甲壳素／壳聚糖类、纤维素类、木质素类等．天然高分子絮凝剂与无机絮凝剂相比，用量少、絮凝速度快、产生的污泥易处理、受ｐＨ值等外界条件影响小…．与有机合成高分子絮凝剂相比，其优点有口】：原料来源广且可再生；制备成本低、价格便宜，易于生物降解，不会造成二次污染；天然高分子种类多，可选择性大，易根据需要采用不同的制备方法进行改性．因此，天然高分子絮凝剂的应用前景广阔，受到国内外众多学者的重视和关注．１．１淀粉及其衍生物淀粉存在于许多植物中，是一种六元环状的天然高分子．淀粉及其衍生物都具有无毒、可生物降解、价廉等优点．淀粉中含有许多羟基，表现出较活泼的化学性质，通过羟基的酯化、醚化、氧化、交联、接枝共聚等化学改性，其活性基团大大增加，聚合物呈枝化结构，分散了絮凝基团，对悬浮体系中颗粒物有更强的捕捉与促沉作用［３１．淀粉接枝共聚物是由于在淀粉上接枝了具有絮凝功能的聚合物侧链，侧链基团与许多物质亲和、吸附，形成氢键或这种侧链与被絮凝物质形成物理交联状态，使被絮凝物质沉淀．聚合物应用的关键在于其分子形态、相对分子质量、离子度．当使用小分子絮凝剂时，絮凝物质被吸附在其周围，因絮凝物颗粒之间产生斥力收稿日期：２００６—０６—２３．作者简介：尹军（１９５４～），男，吉林省吉林市人，教授，博士生导师１４吉林建筑工程学院学报第２３卷会影响絮凝效果，而接枝型淀粉是高分子絮凝剂，则克服了这一缺点［４］．例如，淀粉与丙烯酰胺接枝共聚物是以淀粉亲水的刚性链为骨架，配以柔性的聚丙烯酰胺支链，构成刚柔相济的网状结构，其分子中的羟基和酰胺基团对废水具有絮凝效应．近来，马希晨等【５Ｊ又以淀粉一丙烯酰胺接枝共聚物为原料，通过Ｍａｎｎｉｃｈ反应和水解反应，合成了同时具有阴、阳离子基团的两性高分子絮凝剂，该絮凝剂具有稳定性好、耗药量低、可降解无二次污染等特点．以玉米淀粉为骨架，用环氧氯丙烷与之反应制成高交联淀粉（ＣＣＭＳ），将ＣＣＭＳ应用于含重金属离子的废水处理，取得了较好的效果Ｌ６Ｊ．玉琛等一Ｊ以３一氯一２一羟丙基三甲基氯化铵为阳离子醚化剂，天然高分子淀粉为原料，干法制得季铵型阳离子淀粉，不仅具有优异的絮凝效果，而且具有杀菌功能．杨波［８］利用辐照方法合成了淀粉一聚丙烯酰胺接枝共聚物，再加醛类和胺类反应，制得了ｙｂ一１型阳离子絮凝剂，用它对城市污水产生的活性污泥进行了脱水处理试验，试验表明效果良好．１．２甲壳素和壳聚糖甲壳素是由Ｎ一乙酰氨基葡萄糖通过Ｂ一（１，４）糖苷键缩合而成的直链多糖，大量存在于甲壳动物、昆虫和细菌中，是自然界含量仅次于纤维素的第二大天然有机高分子化合物；壳聚糖是甲壳素脱去Ｎ一乙酰基的产物．甲壳素（壳聚糖）分子中含有羟基、氨基基团，这些基团可以有效地捕集或吸附溶液中的重金属离子，也可以凝聚溶液中带负电荷的悬浊液、有机物等，因此，它们是良好的阳离子絮凝剂，羧基及氨基基团是亲水基团，具有较强的吸湿性，同时，还可以用做污泥脱水剂旧Ｊ．利用壳聚糖混凝剂来处理活性污泥，加入量的干重比约为０．８％～２．２％，然后与离心分离技术相结合，悬浮固体的分离量可达到９６％以上；利用壳聚糖为助剂处理啤酒厂的活性污泥，可使悬浮固体较好地分离，从１２０００ｍｇ／Ｌ降至６００ｍｇ／Ｌ，去除率为９０％，所回收的活性污泥可用作动物饲料［１０］．张印堂等［１１］自制的壳聚糖絮凝剂用于调理活性污泥，其效果接近阳离子聚丙烯酰胺，远远好于ＰＡＣ．曾德芳等［１２］通过试验成功地探索出了一套制壳聚糖的改进生产工艺，使壳聚糖的制备成本较传统工艺下降了４９％，制备时间缩短了一半，而且，产品的主要性能指标均达到或超过美国Ｓｉ鲫ａ公司的同类产品（Ｃｈｉｔｏｓａｎ，Ｃ一３６４６）的指标．ＪｉｌｌＲｕｈｓｉｎｇＰａｎ等［１３］在研究壳聚糖与聚合氯化铝（ＰＡＣ）的复配中发现，壳聚糖单独使用的絮凝性能比ＰＡＣ单独使用或二者复配使用要好；壳聚糖与ＰＡＣ量比为１：１时，其最佳用量远小于ＰＡＣ单独使用时的．对壳聚糖进行的改性实验结果表明，当采用羧甲基壳聚糖作为絮凝剂对污泥进行脱水时，其形成的絮体强度大，不易破碎，对污泥脱水的效果明显好于普通絮凝剂．１．３纤维素类纤维素类物质中的羟基与胺类化合物发生醚化反应，由此可制得高分子絮凝剂．以羧甲基纤维为原料，在碱性条件下与３一氯一２一羟丙基三甲基氯化铵反应，可得到含有季铵盐基团的两性纤维素［１４］．纤维素与丙烯酰胺接枝共聚是研究较多、性能优良的一种絮凝剂．改性纤维素在除污水中重金属方面也有一定的应用．１．４木质素及其衍生物木质素是天然的芳香族化合物，是制浆造纸用植物原料的主要成分之一，目前，造纸黑液中的木质素尚未合理利用，因此，木质素的开发利用，不仅可以减少黑液排放，保护环境，而且，还可带来经济效益．潘碌亭等从草浆黑液中提取木质素，将木质素絮凝剂与聚合氯化铝、聚丙烯酰胺絮凝剂的处理效果进行了比较，证实了木质素絮凝剂在处理味精废液和印染废水中的优越性［６】．据报道，木质紊接枝共聚物絮凝剂不论在最小投量、残留浊度和絮体平均粒径变化方面，还是对ｐＨ值波动的适应能力等方面均优于其它改性木质素．例如，从造纸黑液中提取木质素为原料，使用强碱催化体系，与季胺盐单体进行接枝共聚反应，合成木素季胺盐絮凝剂，对丁酸染料废水色度去除率达９０％［１５１．刘千钧等［１６】人用造纸副产物一木质素磺酸钙，通过接枝共聚和曼尼希反应合成了两性木素絮凝剂Ｌｓ—ＤＣ，将该絮凝剂应用于生物活性污泥的脱水处理研究发现，ＬＳ—ＤＣ可使污泥的平均沉降速度提高到原污泥沉降速度的１．２５倍，过滤比阻降低至原泥的４０％左右．２生物絮凝剂微生物絮凝剂实际上也是天然高分子絮凝剂的一种，它是一类由微生物产生并分泌到细胞外具有絮凝第４期尹军，焦畅，霍玉丰，王雪峰，李林，赵可：新型絮凝荆在污水处理和污泥脱水中的应用１５活性的代谢产物，一般由多糖、蛋白质、ＤＮＡ、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物质构成；分子中含有多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚、沉淀．微生物絮凝的机理，目前最为普遍接受的是“吸附桥联”学说，它可解释大多数微生物絮凝剂引起的絮凝现象．该学说认为，微生物絮凝剂是链状高分子聚合物，具有能与胶粒和细微悬浮物发生吸附的活性部位，并能通过静电吸引力、范德华力和氢键等将微粒搭桥连接为一个网状三维结构的絮凝体而沉淀下来¨７Ｊ．彭晓文等［１８］从活性污泥中筛选到１８株絮凝剂产生菌，经复筛得到一株高效絮凝剂产生菌Ｌ一３．该茵在适宜条件下培养７２ｈ，絮凝率可达到９６．８％．１９８６年，Ｋｕｒａｎｅ等人［１９］利用红平红球菌研制成功息生物絮凝剂ＮＯＣ一１，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的最好的微生物絮凝剂．甘草制药废水生化处理过程中形成的膨胀活性污泥，当在其中添加ＮｏＣ一１微生物絮凝剂后，污泥的ｓＶＩ会很快从２９０ｍＬ／ｇ下降到５０ｍＬ／ｇ，消除了污泥的膨胀，恢复了活性污泥的沉降能力［２ｏ｜．林俊岳等［２１］从洗毛废水中选育得到微生物絮凝菌，小试结果表明，微生物絮凝剂的絮凝效果优于化学絮凝剂，可以使洗毛废水的ＣｏＤ的去除率达到８５％，ｓｓ去除率达到８８％，水的颜色由灰黑色变成红褐色液体，更为重要的是微生物絮凝剂无二次污染，且使吨水处理的成本大大降低．畜牧场废水中含有较高浓度的总有机碳（ＴＯＣ）和总氮（ＴＮ），试验表明，微生物絮凝剂可以有效地去除畜牧废水中的ＴＯＣ和ＴＮＬｌ９｜．在８０ｍＬ畜牧废水中加入１０ｍＬ的Ｃａ２＋溶液（１％的浓度）和５ｍＬ的Ｒ．ｅｒｙｔｈｒｏｐＯｌｉｓ的培养物，可以使ＴＯＣ从原来的１４２０ｍｇ／Ｌ下降到４２５ｍｇ／Ｌ，使ＴＮ从４２０ｍｇ／Ｌ降为２１５ｍｇ几，去除率分别为７０％和４０％［２２｜．３小结传统絮凝剂虽然在相当一段时间内起主导作用，但其存在处理效果不佳、耗费大、有一定的危害，且在消除一种污染物的同时又带来另一种污染物等问题，因此，新型絮凝剂的研究与应用显得十分重要．天然高分子絮凝剂和微生物絮凝剂等新型絮凝剂具有高效、无毒、无二次污染、易生物降解等优点，它们将逐步取代无机和有机絮凝剂的使用，是今后发展的趋势．但是，就目前的研究状况而言，还不能广泛应用．我国在此方面的研究虽然取得了一定的进展，但是距离实际的需要还差得很远，有很大差距，主要问题是专用品种少、质量不稳定、生产工艺落后、成本高等．因此，应从我国的国情出发，就地取材，充分利用我国丰富的天然资源，不断研究和开发出高效、价廉、元污染的絮凝剂．参考文献张立峰．天然有机高分子及其改性制品在污水处理中的应用［Ｊ］．化工新型材料，２００２，３０（９）：３５～３８．姜涛，严莲荷，王瑛．国内两性及天然高分子絮凝剂的研究进展［Ｊ］．江苏化工，２００３，３１（３）：２ｎ一２３．马希晨，曹亚峰，邰玉蕾．以淀粉为基材的两性天然高分子絮凝剂的合成（Ｊ］．大连轻工业学院学报，２００２，２１（３）：１５７—１６０．相波，李义久，倪亚明．改性淀粉絮凝剂的开发与应用（Ｊ］．工业水处理，２００３，２３（５）：１２—１５．马希晨，吴星娥，曹亚峰．淀粉基两性天然高分子改性絮凝剂的合成［Ｊ］．吉林大学学报（理学版），２００４，４２（２）：２７３—２７７．潘碌亭，肖锦．废水处理中改性天然高分子絮凝剂的研究和应用［Ｊ］．安徽师范大学学报（自然科学版），２００１，２４（１）：７３７５．王琛，李硕文，壬惠丰，张亮．阳离子淀粉絮凝剂的合成及应用［Ｊ】．精细石油化工进展，２００１，２（８）：１３一１６．杨波．淀粉一丙烯酰胺的辐照接枝共聚及对活性污泥絮凝脱水的研究［Ｄ］．四川大学，２０００．林静雯，高丹，王小军．壳聚糖及其衍生物在废水处理中的研究进展［Ｊ）．环境保护科学，２００４，３０（１２３）：１７—１９．邢估勇，张爱丽，周集体，祝群力．壳聚糖作为絮凝剂的研究进展［Ｊ）．环境科学与技术，２００４，２７（增刊）：１５３—１５５．张印堂，陈东辉，陈亮．壳聚糖絮凝剂在活性污泥调理中的应用［Ｊ］．上海环境科学，２００２，２１（１）：４９—５２．曾德芳，余刚，张彭义，冯志伟．天然有机高分子絮凝剂壳聚糖制备工艺的改进［Ｊ】．环境科学，２００１，２２（３）：１２３—１２５．圳ＲｕｈｓｉｎｇＰａｎ，ＣｈｉｈｐｉｎＨ．Ｃ０１ｌｏ．ｄｓａｎｄｓｕｒｆａｃ鹤．１９９９，１４７：３５９—３６４．姜涛，严莲荷，王瑛．国内两性及天然高分子絮凝剂的研究进展（Ｊ］．江苏化工，２００３，３１（３）：２０—２３．陈元彩，肖锦．天然有机高分子絮凝剂研究与应用［Ｊ］．环境科学进展，１９９９，７（３）：８４—８９．刘千钧，詹怀宇，刘明华，刘梦茹．两性木索絮凝剂对生物活性污泥的絮凝脱水性能［Ｊ）．造纸科学与技术，２００４，２４（３）：”一２９．ｐｎｎ．．．１６吉林建筑工程学院学报第２３卷［１７］张志强，余莹，林波．微生物絮凝剂的研究概况与发展趋势［Ｊ）．江西科学．２００３，２ｌ（２）：１３６—１４０．［１８】彭晓文，邱廷省，陈明．微生物絮凝剂产生菌的初步筛选及条件试验［Ｊ】．安全与环境学报，２００４，４（３）：６２—６４．［１９】Ｋｍ耻Ｒ，ＴａｋｅｄａＫ，Ｓ咖ｋＴ．Ｓｃｒｅ甑ｉｎｇｆｏｒ舡ＩｄＣｈｒａｃｔ盯ｉｓｔｂｏｆＭｉｃｒｏｂｉａｌＦｌｏｃｃｔｌｌ抓ｓ［Ｊ】．ＡｇｒｉｃＢｉｏｌｃｈ锄。