复合絮凝剂PAFSC-PAM对化工制药废水的絮凝效果

李 波，施 武，陈芝海

(1.杭州达康环境工程有限公司，浙江 杭州 310052；2.浙江伟明环保股份有限公司，浙江 温州 325000)

随着我国经济的高速发展，医药行业的发展蒸蒸日上，化工制药废水的排放量也大幅增加[1]。与其它行业相比，化工制药行业具有原料成分复杂、生产工艺多样、产品种类繁多等特点[2-3]，导致化工制药废水具有成分复杂、色度高、毒性大及含难生化降解有机化合物等特征[4-5]。化工制药废水若不经处理直接排放会对生态环境造成不可逆的危害[6]。由于化工制药废水可生化性极差，传统的生物法难以有效地处理化工制药废水，甚至会抑制生物法中菌种的生长，因此，现阶段我国常用絮凝法作为预处理方法处理化工制药废水。

絮凝法是水处理中常用的预处理方法，该方法主要是利用絮凝剂将化工制药废水中的胶体颗粒及悬浮物聚集成絮团，然后通过重力作用脱除，以去除CODCr、浊度及色度等[7]。絮凝剂根据其化学特性和分子量大小一般可分为5大类，即无机絮凝剂、无机高分子絮凝剂、合成有机高分子絮凝剂、天然有机高分子絮凝剂和生物絮凝剂[8-10]。聚硅酸铝铁(PAFSC)是一种新型无机高分子絮凝剂，是硅、铝、铁三者的聚合物，由于制备过程中加入了碱化剂，使得其中Al3+和Fe3+的离子活性更高，更容易生成Al13结构的胶体[11]，并且PAFSC复合了聚硅酸，增大了絮凝剂的分子量，提高了网捕及吸附架桥的能力。因此，PAFSC具有良好的絮凝性能，但在实际应用中也存在投加量大、污泥产量大等缺点[12]。聚丙烯酰胺(PAM)是一种使用广泛的水处理剂，与一般的无机絮凝剂相比，PAM具有较大的分子量，能够通过网捕和吸附架桥作用聚合废水中的胶体颗粒及悬浮物，并且所生成的絮团沉降性能优异，但也存在投加成本高、药剂溶解性差等缺点。近年来，复合型絮凝剂由于同时兼具合成有机高分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂的优点，克服了单一絮凝剂的缺点[13]，受到研究者的广泛关注。从絮凝机理分析，无机高分子絮凝剂分子链较短，难以产生卷扫作用，若其与有机高分子絮凝剂复配，可以有效形成大而密实的絮体，达到协同增效的效果[14]。鉴于此，作者采用复合絮凝剂PAFSC-PAM对化工制药废水进行絮凝处理，并对絮凝条件进行优化，以期为复合絮凝剂PAFSC-PAM的实际应用提供依据。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

化工制药废水，取自浙江某制药厂调节池出水，为土黄色悬浮浑浊液，味道刺激，水中主要污染物为抗生素残留物、抗生素生产中间体、未反应原料，还有少量合成过程中使用的有机溶剂。水质情况为：pH值5.48、电导率27.7 mS·cm-1、浊度4 327 NTU、悬浮物15 467 mg·L-1、CODCr6 744 mg·L-1。

聚硅酸铝铁(有效成分含量>46%)，汇源环保有限公司；非离子型聚丙烯酰胺(分子量200万～1 400万)，阿拉丁试剂有限公司。

ZR4-6型六联混凝试验搅拌器；5B-3B型多参数水质分析仪；JB-10型电磁搅拌器；PHS-2型酸度计；CP512型电子分析天平；WGZ-200型浊度仪(测试范围0～200 NTU)；202-O型电热恒温鼓风小烘箱；DDSJ-319L型电导率仪。

1.2 复合絮凝剂的制备

称取适量PAFSC、PAM溶于水中，分别配制成0.5%的PAFSC溶液、5%的PAM溶液。将PAFSC溶液与PAM溶液按一定质量比进行复配，得到复合絮凝剂PAFSC-PAM。

1.3 絮凝实验

采用传统搅拌法，在六联混凝试验搅拌器的搅拌杯中分别加入1 L化工制药废水，先用0.3 mol·L-1的NaOH或20% H2SO4调节溶液的pH值；然后加入一定量PAFSC或PAFSC-PAM，先快速(250 r·min-1)搅拌3 min，再慢速(60 r·min-1)搅拌10 min；静置至沉淀完全，取液面下2 cm处上清液测定浊度及CODCr，计算去除率。

1.4 分析方法

参照GB 6920-86《水质 pH值的测定 玻璃电极法》测定pH值；参照HJ 828-2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》测定CODCr值；参照HJ 1075-2019《水质 浊度的测定 浊度计法》测定浊度。

2 结果与讨论

2.1 絮凝剂投加量对絮凝效果的影响

在pH值为7、反应温度为30 ℃的条件下，考察分别投加PAFSC、PAFSC-PAM(质量比为10∶1)时絮凝剂投加量对化工制药废水絮凝出水浊度及CODCr的影响，结果如图1所示。

图1 絮凝剂投加量对浊度及CODCr去除率的影响Fig.1 Effect of flocculant dosage on removal rates of turbidity and CODCr

由图1可知，浊度与CODCr去除率均随絮凝剂投加量的增加不断升高，当投加量达到一定值时，浊度去除率有所下降。这是由于，在絮凝过程中，絮凝剂通过电中和、架桥、网捕等作用与微粒吸附在一起，若絮凝剂投加量过少，胶体离子表面没有足够的絮凝分子，不能形成絮体；随着絮凝剂投加量的增加，胶体离子形成絮体而沉降；若絮凝剂投加量过多，粒子表面活性降低，可能会发生再稳现象，导致絮凝效果明显变差。当单独投加160 mg·L-1的PAFSC时，浊度及CODCr去除率分别为54.3%和72.4%；当投加160 mg·L-1PAFSC-PAM(质量比为10∶1)时，浊度及CODCr去除率分别为95.4%和80.9%。表明，投加复合絮凝剂PAFSC-PAM的絮凝效果明显优于单独投加PAFSC。

2.2 反应温度对絮凝效果的影响

在pH值为7、投加160 mg·L-1PAFSC-PAM的条件下，考察反应温度对化工制药废水絮凝出水浊度及CODCr的影响，结果如图2所示。

图2 反应温度对浊度及CODCr去除率的影响Fig.2 Effect of reaction temperature on removal rates of turbidity and CODCr

由图2可知，浊度及CODCr去除率均随反应温度的升高呈先升高后降低的趋势。这可能是由于，低温下，胶体颗粒的布朗运动受到抑制，胶体无法充分地互相发生碰撞形成絮体，导致絮凝效果较差；高温下，絮凝剂溶于水中形成的胶体受到破坏，无法发挥网捕和吸附架桥作用，导致絮凝效果较差。当反应温度为40 ℃时，浊度及CODCr去除率分别为96.1%和85.4%。虽然在50 ℃时，CODCr去除率较40 ℃时高，但40 ℃时出水水质已达到国家标准。因此，综合考虑能耗与浊度的影响，选择反应温度为40 ℃。

2.3 pH值对絮凝效果的影响

在反应温度为40 ℃、投加160 mg·L-1PAFSC-PAM(质量比为10∶1)的条件下，考察pH值对化工制药废水絮凝出水浊度及CODCr的影响，结果如图3所示。

图3 pH值对浊度及CODCr去除率的影响Fig.3 Effect of pH value on removal rates of turbidity and CODCr

由图3可知，浊度及CODCr去除率均随pH值的增大呈先升高后降低的趋势。这是由于，当pH值较小时，废水中的H+会抑制絮凝剂的水解，使得絮凝剂在水中难以形成胶体，此时絮凝体系中的电中和及双电层吸附作用较弱，悬浊液颗粒难以脱稳絮凝，絮凝效果不佳；随着pH值的增大，溶液中OH-增多，絮凝剂更易发生水解，金属离子的水解产物单核及多核羟基络合物增加，使得絮凝作用增强[15]；当pH值过大时，溶液中的OH-会与悬浊液颗粒发生竞争性吸附，高分子链上的吸附电位会被更多的OH-取代并生成沉淀，使得絮凝效果变差。在pH值为9时，浊度及CODCr去除率最高，分别为97.9%和87.1%。因此，选择pH值为9[16]。

2.4 快速搅拌转速对絮凝效果的影响

在pH值为9、反应温度为40 ℃、投加160 mg·L-1PAFSC-PAM(质量比为10∶1)的条件下，考察快速搅拌转速对化工制药废水絮凝出水浊度及CODCr的影响，结果如图4所示。

图4 快速搅拌转速对浊度及CODCr去除率的影响Fig.4 Effect of rapid stirring speed on removal rates of turbidity and CODCr

由图4可知，浊度及CODCr去除率均随快速搅拌转速的加快呈先升高后降低的趋势。这是由于，絮凝剂金属阳离子水解形成的羟基络合物及大分子链产物在一段时间内较稳定，能够较好地与胶体颗粒产生吸附电中和及絮凝架桥作用，当搅拌转速过慢时，絮凝剂与化工制药废水混合不够充分，絮凝效果较差；加快搅拌转速，絮凝剂能与化工制药废水充分混合并使产生的絮状物保持稳定状态，此时絮凝剂才能充分发挥双电层压缩、吸附电中和、架桥及网捕作用，改善絮凝效果；而搅拌转速过快时，絮凝形成的小絮体会在搅拌产生的剪切力作用下被破坏，使得生成的絮体小而散，沉降速度慢，絮凝效果变差。在快速搅拌转速为250 r·min-1时，浊度及CODCr去除率最高，分别为97.9%和87.1%。因此，选择快速搅拌转速为250 r·min-1。

3 结论

采用絮凝剂PAFSC和复合絮凝剂PAFSC-PAM对化工制药废水进行絮凝处理，发现PAFSC-PAM(质量比为10∶1)的絮凝效果优于PAFSC，在PAFSC-PAM(质量比为10∶1)投加量为160 mg·L-1、反应温度为40 ℃、pH值为9、快速搅拌转速为250 r·min-1的最佳絮凝条件下，浊度及CODCr去除率分别可达97.9%和87.1%。