高分子絮凝剂CPF的合成和用于生活污水处理研究

第一篇：高分子絮凝剂CPF的合成和用于生活污水处理研究

高分子絮凝剂CPF的合成和用于生活污水处理研究

摘要:通过改变水溶液聚合配比、温度和时间等得出合成高分子絮凝剂CPF的最佳工艺条件。并将合成的CPF絮凝剂与5种无机絮凝剂进行复配，对生活污水进行絮凝处理，优化出CPF与无机絮凝剂的最佳复配方案。采用最佳复配方案，进行了絮体回用效果实验，为CPF絮凝剂在水处理中的应用提供了重要的科学依据。关键词:高分子絮凝剂CPF;无机絮凝剂;生活污水

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)是一种重要的阳离子单体，它的均聚物与丙烯酰胺(AM)合成产生的共聚物聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(cationic polymeric flocculant-DMC copolymer，CPF)是一种多功能、高活性的阳离子高分子絮凝剂。在众多高分子絮凝剂中，CPF以电荷度可控、电荷分布均匀、分子量高、适用范围宽、成本低而备受瞩目；除上述特点外，CPF还具有在水处理中用量小、絮凝速度快、产生污泥量少、处理效率高等诸多优点，而且使用后易为环境中微生物所分解[1]。CPF在美国、日本等国广泛用于石油、造纸、食品加工和印染纺织等工业废水和生活污水的净化处理，目前已成为最重要的一类阳离子粉末产品，而国内的CPF的生产能力低，在水处理中的应用也不广泛[2]。l 高分子絮凝剂CPF的合成 1．1 试剂与仪器

DMC，70．28% 的水溶液；AM；K2S208；NaHSO3；通N2装置；恒温装置；乌氏粘度计。1．2 实验方法

将一定量的DMC水溶液与AM水溶液按比例混合，置于反应容器中，加蒸馏水稀释到所需浓度，通N215 min，然后将适量的K2S2O8／NaHSO3溶于水后加人到混合溶液中，并继续通N2 10 min。将反应容器口密封后置于50cI=恒温水浴中反应数小时后停止，即得CPF，经乌氏粘度计测定后，用其特性粘度表征其相对分子质量的大小。

通过改变阳离子单体用量、反应时间和反应温度的多次正交实验，得出CPF的最佳聚合条件：单体配比为DMC%(质量)为40%-60%，DMC水溶液的浓度为14% ～18%，反应时间为4～5 h，反应温度为45～55℃。在此反应条件获得的CPF产品的特性粘度为744．6 mL／g。5种无机絮凝剂与CPF絮凝剂单独、复配处理生活污水的效果对比

目前生活污水处理中常用的无机絮凝剂有：FeCI3、FeSO4、Fe2(SO4)

3、AICI3和AI2(SO4)3等[

3、4]。先将CPF絮凝剂与上述5种无机絮凝剂在各自最佳投加量的条件下进行效果对比实验，再将CPF絮凝剂分别与FeCI3、FeSO4、Fe2(SO4)

3、AICI3和AI2(SO4)3 5种无机絮凝剂复配，考察复配使用的效果。2．1 试剂与仪器

CPF，自制(η=744．6 mL／g)；三氯化铁，分析纯；硫酸亚铁，分析纯；硫酸铁，分析纯；三氯化铝，分析纯；硫酸铝，分析纯；COD测定试剂；DF-101B电动磁力恒温搅拌器；PHS．3B精密pH计；JHR-2型节能COD恒温加热器。2．2 生活污水水质

水样为西南科技大学生活污水，其主要水质指标为COD 360 mg／L；SS 150 mg／L；pH 7．2(本文中，生活污水处理实验均采用此水样)。2．3 出水水质控制指标

出水水质控制指标执行国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级标准，即COD <60 ms／L；SS <20 mg／L；pH 6～9。2．4 实验方法

单独处理：分别取1000 mL污水样于6个1000 mL烧杯中，在高转速(100～120 r／min)搅拌下将一定量的6种絮凝剂分别投入6个烧杯中，搅拌3 min后，降低转速至40 r／min，搅拌5 min。静置20 min后，取上层清液进行水质分析。

复配处理：取1000 mL污水样于1000 mL烧杯中，在高转速(100～120 r／min)搅拌下加入一定量的无机絮凝剂，搅拌1．5 min后加入CPF絮凝剂，再搅拌1．5 min后，降低转速至40 r／min，搅拌5 rain后静置20 min，取上层清液进行水质分析。2．5 水质分析

COD测定采用重铬酸钾法(GB11914)，pH测定采用玻璃电极法(GB6920—1986)，SS测定采用滤纸法。2．6 实验结果

5种无机絮凝剂与CPF絮凝剂单独处理和复配处理效果比较如表1和表2所示。

由表1可知，与FeCI3、FeSO4、Fe2(SO4)

3、AICI3和Al2(SO4)3，5种无机絮凝剂相比，CPF絮凝剂用量最少，且处理效果最好。5种无机絮凝剂中，以AICI，处理效果最好，FeSO4次之，Al2(SO4)3最差。CPF絮凝剂的絮凝机理主要是吸附电中和机理和吸附架桥机理。CPF的高分子链上带有正电荷，其化学结构为：

胶体表面一般带负电荷，加入的CPF絮凝剂被吸附在胶体颗粒上，使胶体颗粒表面电荷中和，降低了ξ电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。溶液胶粒对高分子有强烈吸附作用，CPF絮凝剂具有线性结构，加人溶液后，一端被吸附在一个胶粒表面，未被吸附的一端会被其他胶粒吸附，形成一个高分子链状物，同时吸附在2个以上的溶液胶粒表面。高分子把大量胶粒连接在一起，就形成了肉眼可见的粗大、易沉的絮体。吸附电中和和吸附架桥机理的综合作用，使CPF絮凝剂具有良好的絮凝效果。

由表2可知，上述5种无机絮凝剂与CPF絮凝剂复配后的处理效果均有很大提高。其中，AICI3与CPF絮凝剂复配使用的处理效果最好，FeSO4次之，Al2(SO4)3 最差。因此，在实际处理中，宜采用AICI3与CPF絮凝剂复配。

因CPF絮凝机理主要是吸附电中和机理和吸附架桥机理，无机絮凝的絮凝机理则主要体现在压缩双电层机理和沉淀网捕机理上，当CPF絮凝机与无机絮凝剂复配使用时，上述机理产生协同作用，使絮凝效果大大增强。在复配过程中，先加入无机絮凝剂再加入有机絮凝剂，可认为先起絮凝作用的是压缩双电层机理和沉淀网捕机理，吸附电中和机理及吸附架桥机理起协同作用，并对前述机理加以强化。CPF絮凝剂与AICI3复配处理生活污水的最佳絮凝条件

在上述5种无机絮凝剂中，AICI3与CPF絮凝剂的复配效果最好，通过正交实验优化确定CPF+AICI3复配絮凝剂在生活污水处理中的最佳絮凝条件(最佳用量和最佳pH值)。结果如表3和表4所示。

由表3可知，1．7 mg／L CPF絮凝剂与20 mg／LAICI3复配使用效果最好，COD、SS的去除率分别为：96．3% 和98．0%，完全能够达到出水水质控制指标。

由表3还可看出，当CPF+AICI 用量为0．5+7～ 1．1+13 mg／L时，絮凝效果不太理想，当用量增至1．4+17 mg／L时，通过絮凝剂的电中和和吸附架桥作用，ξ电位逐渐降低，絮凝效果逐渐增强至最佳。此后，再增大其用量，胶粒间会出现斥力和毫电位增加，使已形成的絮体重新分散为稳定的胶体，絮凝效果反而减弱；同时，也由于过量的絮凝剂将废水中的胶体颗粒表面的活性点包裹，使吸附架桥变得困难，导致絮凝效果变差。因此，其最佳用量应为1．4 +17 mg／L。由表4可知，当pH值在6—9范围内，COD及ss的去除率均较高。pH值在6以下或9以上，COD及ss的去除率均呈下降趋势。这也是因为pH值较低时，大量的H+可以压缩双电层的方式降低ξ电位，使原本带负电荷的有机质微粒成为中性分子，因而不易被絮凝剂所吸附；当pH值较高时，一方面大量的OH一增大了ξ电位，使胶体出现再稳现象，另一方面，大量的OH-吸附在絮凝剂表面，使其对有机微粒的吸附作用减小，所以pH值过低或过高均导致处理效果变差。因出水水质控制指标对pH值的要求为6～9，故在实际处理时，无须调节pH值便可使用。4 絮体回用效果实验

根据絮体产生机理，将絮凝过程中产生的絮体返回使用，絮体在溶液中分散后可增加溶液中的晶核，也就是说此时的絮体也具有一定的絮凝作用。将絮体回用处理废水，可减少絮凝剂的用量，节约处理成本。将CPF+AICI3复配絮凝剂处理生活污水产生的絮体回用，考察絮凝剂用量的减少量和处理效果。4．1 试剂与仪器 同1．1。4．2 实验方法

取1000 mL污水样于1000 mL烧杯中，在高转速(100～120 r／rain)下加入20 mg／L的A1C1，搅拌1．5 min后，加入1．7 mg／L的CPF絮凝剂继续搅拌

1．5 min后静置20 rain。另取1000 mL污水样于另一只1000 mL烧杯中，在中转速(80 r／min)搅拌下，将上次絮凝产生的絮体量的一半投入污水中，搅拌0．5 min后，提高转速，再先后分别加入一定量的A1C13和CPF絮凝剂。如此重复实验若干次(每次回用的絮体量均为上次实验产生絮体量的一半)。最后取各烧杯中的上层清液分别进行水质分析。4．3 实验结果与讨论

絮体回用实验中每次投加的絮凝剂量和处理效果如表5所示。

由表5可知，随着絮体回用量的增多，絮凝剂的用量逐渐减少，且处理效果仍然很好。当絮凝剂用量减至一定值(CPF+A1C13=1．0+11．4 mg／L)后，再继续减少用量，处理效果明显下降。这是因为絮体的回用，一方面可以增加晶核，减少絮凝剂的用量，另一方面破碎的絮体要再次沉降也需消耗絮凝剂，因此絮凝剂用量的减少也是有一定限度的。所以，采用絮体回用的方法，CPF+AIC13复配絮凝剂的用量最多可减至1．0+11．4 mg／L，且处理效果仍然很理想，处理结果大大优于出水水质控制指标。5 CPF絮凝剂用于生活污水处理成本

CPF单独使用或与无机絮凝剂复配使用，其效果均明显优于FeC13、FeSO4、Fe2(SO4)

3、A1C13和Al2(SO4)3等无机絮凝剂。目前生活污水处理常采用的是生化法，生化法中生化处理部分(主要是耗氧曝气部分)每立方水电耗为0．3 kWh，按0．45元／度计。CPF絮凝剂(干基)的单价为55元／kg，A1C13的单价为2元／kg。其他工序费用2种工艺大致相同。采用CPF+A1C13复配絮凝剂进行絮凝处

理的效果及成本与生化法的比较：采用絮凝法成本为0．078元／立方(出水COD<20 rag／L)，采用生化法成本为0．135元／立方(出水COD<60 ms／L)。通过比较不难看出，采用CPF+A1C1 复配絮凝剂进行处理，无论处理成本还是出水水质均明显优于生化法，加之生化法占地面积大、机械设备多、投资大、运行费用高，而絮凝法设备简单、操作简易、运行费用低，基于以上比较，可在污水处理厂中推广运用此法。6 小 结

实验证明，CPF絮凝剂与A1C13复配处理生活污水有很好的处理效果，COD和ss’的去除率分别为96．3% 和98．0%，将絮体回用，CPF絮凝剂与A1C13的用量可分别降低至1．0+11．4 ms／L，COD和ss的去除率分别为95．4% 和97．4%。在保证良好处理效果的同时，CPF絮凝剂在城市污水处理中的应用还能有效降低处理成本，值得推广使用。特别是经CPF+A1C13复配絮凝剂处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，已优于国家地表水环境质量标准(GB3838-2002)中三类水域标准。由此可进一步拓宽CPF+A1C13复配絮凝剂的应用范围，可将其用于严重污染河流治理，以解决目前全国普遍存在的河流污染严重，治理难的紧迫问题。参考文献

[1]肖筱瑜．水处理絮凝剂研究进展．矿产与地质，2003，17(2)：23—24 [2]钱锦棠．有关阳离子高分子絮凝剂的有关问题．精细与专用化学品，2002，21(18)：45 [3]史昕龙，陈伟．城市污水的处理方法与技术，环境保护，2002，15(3)：45-46 [4]陈复．水处理技术及药剂大全．北京：中国石化出版社，

第二篇：乡镇村生活污水处理政策及工艺研究论文

摘要：经过多年规划、建设，我国基本上完成了城镇污水处理厂建设，下一步必定会向乡镇、村污水处理进军，制定正确的政策、选择适用的处理工艺是完成乡镇、村污水处理任务的关键。

关键词：乡镇污水工艺；生活污水处理

1乡镇、村水环境现状

我国生活污水处理厂经过多年建设已经从城市、城镇走向了乡镇、村，由于乡镇、村污水具有污水量少（污水量一般为50～3000m3/d）、浓度高等特点，现有政策、处理工艺难以满足乡镇、村污水处理需要，加上乡镇大都数没有卫生下水道，生活污水随意排放，已成为流域水质恶化的主要原因之一，也是造成乡镇、村水环境污染及湖泊富营养化的重要因素。综合分析，乡镇、村污水主要有以下特点。

1.1污水量少、污染物浓度高

除和城镇一样有厨房炊事、洗衣、洗浴和冲厕水等排水，还包括家庭圈养禽畜产生的圈舍粪尿冲洗水，俗称为“黑水”，导致污水量少、污染物浓度高。

1.2缺乏污水收集系统，污水直排现象较为普遍

据不完全统计，在我国农村地区超过95%的村庄缺少完备的生活污水收集系统，日常生活中所产生的各种废水常常未经处理就直接排入到周边的河道、池塘以及地下水体中，给周边区域的水体环境造成较为严重的污染。

1.3水体易受到污染

由于没有对农村生活污水进行处理便直接排放到水体中，会直接加重农村水体的污染程度，此外乡镇、村地表水体通常较小，环境容量十分有限，造成的结果就是不但水体丧失了应有的功能，易形成黑臭河道、池塘和富营养化的湖泊，严重破坏了乡镇、村的整体环境和景观。

1.4水环境污染和破坏还会产生连带污染效应

研究表明，受污染的水体中含有诸多有害物质，直接接触受污染的水体会诱发各种疾病，农药、化肥的过量使用也会加剧水体污染，诱发各种恶性疾病。

1.5缺乏有针对性的政策、先进适用污水处理技术

目前我国污水处理政策是针对城镇生活污水的，由于乡镇、村污水具有排水量小且分散、水质波动比较大等特点，乡镇、村在社会、经济和技术等条件上的差异，照搬城镇污水处理的政策、处理工艺，其投资、运行费用乡镇难以承受。

2国外乡镇污水处理技术

在欧美等发达国家，针对乡镇污水分散处理，现在也很少采用较复杂的二级生物处理技术，而通常采用一些相对简单的生态化污水处理技术，包括人工湿地、氧化塘、土地处理系统等。

2.1德国的污水处理系统

20世纪90年代，德国的农村生活污水仿照工业化的集中处理模式，通过建设专门的排水管道，直接输送到相应的污水处理厂后进行集中的处理，但这种处理成本较高，容易产生大量污染沉淀物，尤其是其中的有害废物给环境造成一定压力，导致周边水域的水体富营养化严重。21世纪后，德国改变了之前的处理模式，选择使用分流式来代表原先的集中处理模式。德国农村生活污水的分流处理模式是一种较为先进的处理理念和处理方法。

2.1.1分散乡镇基础设施系统。德国在农村地区建立较为分散的乡镇污水处理设施系统，针对不同情况选择不同的处理模式。其中，在偏远的农村中没有建立排水管网的区域，选择较为先进的MBR膜生物反应器工艺，通过将雨水与日常的生活污水分开后统一集中收集处理，然后通过MBR净化污水。通过MBR净化后的污水可以作为中水使用，提高利用效率，此外，在净化过程中所获得氮，还可以增加农田的肥力，提高经济效益。

2.1.2PKA湿地污水处理系统。PKA湿地系统是一种综合性的污水生态处理系统，该系统是由介质层和湿地植物组成，PKA湿地污水处理系统能够营造出良好的生态系统，从而达到污水处理功效的最大化，该系统充分利用了物理、化学和生物等处理功效。其运行模式是：先将农村生活污水通过相应的排污管道，汇集流入到专门的收集沉淀池中，经过沉淀池的层层筛选之后，再由PKA湿地进行净化处理，达标后再排放，或者作为农业灌溉用水。PKA湿地系统处理污水不需要添加其他化学试剂，对环境不会产生二次污染，此外，该工艺运行流程简单，后期管理方便，在农村地区拥有较为广阔的发展空间。

2.1.3多样性污水分类处理系统。将污水、雨水进行分类处理，生活污水通过重力管道流入净水设施进行净化处理，居住区屋顶和硬质地面上的雨水被雨水管道收集，并汇入附近的地表水或者导入居住区内设置的渗水池。该渗水池属于小区的绿化设施，经过特殊的造型和环境设计，表面看起来就像景观设计的一部分，池底使用特殊材料如砾石等，使池中的雨水自然下渗并汇入地下水。在暴雨或降水量丰厚的情况下，还可以把多余的雨水导入相连的蓄水池，使雨水自然蒸发或通过沟渠汇入地表水。通过这种处理方式，雨水可下渗或者直接进入自然界水循环。

2.2韩国的湿地污水处理系统

在韩国，最大的用水行业当属农业用水，农业用水占到全国用水总量的53%左右。由于韩国农村居民的居住较为分散，如果兴建集中污水处理系统来处理日常农村的生活污水，会增加污水处理成本，因此，在韩国大多选择造价低、易管理和小型化的污水处理系统。韩国农村污水处理采用的是湿地污水处理系统，这种污水处理系统是先将污水中的污染物经过湿地的现行过滤或土壤吸收之后，以及湿地中的微生物吸附转变为无害物质后再统一处理。湿地工艺处理农村生活污水充分利用了农村的广袤地域的先天优势，占用的其他能源少，后期的日常维护成本低，而且处理过的污水还可以进行灌溉利用，并加施肥料，对农作物的生长和产量无负面影响。

2.3美国的高效藻类塘系统

是对传统稳定塘的改进，其充分利用菌藻共生关系，对污染物进行处理。正因其最大限度地利用了藻类产生的氧气，塘内的一级降解动力学常数值比较大，故称之为高效藻类塘。高效藻类塘较传统的稳定塘停留时间短，占地面积少；建设容易，维护简便，基建投资少，运行费用低；BOD5、NH4+-N、病原体等去除效率高；若高效藻类塘后接的是高等水生生物塘，则其中的水生生物不但可以除藻，降低出水的SS，而且能进一步去除水中的氮磷，同时收割的高等水生植物可以作为优良的饲料和肥料。缺点:它受环境因素影响明显，温度影响生物的组成、营养物的需求、新陈代谢的特点和反应速率。综上所述，各国的乡镇生活污水处理都是采用分类收集、分散处理（甚至到单独一户）、采用一些相对简单的生态化污水处理技术，包括人工湿地、氧化塘、土地处理系统等。

3我国乡镇生活污水处理对策

跨进“十三五”，我国污水处理厂的建设重心逐渐由大城市向中小城市和乡镇、乡村转移，呈现单体小型化、区域分散化的发展趋势。在这种情况下，先前的一些处理技术、政策难以支持乡镇、乡村污水处理厂建设，迫切需要找到了解决对策。

3.1把污水处理纳入乡镇、村建设规划中

出台符合乡镇、村实际的技术规范，将乡镇房屋、雨污管网、污水处理建设统一规划，改变以往随意建设的混乱局面。

3.2尽快制定乡镇、村污水处理技术政策

工艺选择上应采用一些相对简单、投资省、基本无运行费用的生态化污水处理技术，包括人工湿地、氧化塘、土地处理系统等，这类技术的优点是工艺简单、投资小、低能耗、维护简便、环境友好等，好的话可以做到基本无运行费用。

3.3重视厌氧沼气池建设

作为生态农村建设的主要内容，污水厌氧产沼气技术已在我国一些地方得到了有效推广和使用，但是，单独的厌氧污水处理技术还不能使处理出水满足排水的要求，必须在经过必要的后续处理的才能达到排放标准，目前又被冷落下来。为了便于后续处理，必须重视厌氧沼气池建设，既可以利用产生的沼气，又为后续简易生态化处理提供条件。

3.4资金保障

将乡镇、村污水处理建设、运行费用根据各地实际情况分别纳入各级、中央财政预算，即困难的纳入中央财政预算，有条件的纳入各级预算，确保建设及稳定运营。

3.5国家制定政策，购买社会服务

鼓励社会积极参与建设、运营当中，制定合理的吨水建设投资、运行费用政策，改变目前按建设成本、运行费用再购买服务，避免追求高技术、高投资、高运行费用现状。

参考文献

[1]候慧.我国农村生活污水处理现状及建议[J].资源节约与环保,2014（2）：138-139.[2]周盛兵,唐亚梅.关于镇村生活污水处理设施运行管理的思考[J].2014（3）：96-98.