CN110357393B - 一种针对污泥沉降的纳米絮凝剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对污泥沉降的纳米絮凝剂及制备方法，属于环境与化学技术领域。首先，包括纳米絮凝剂及制备方法，其组成成分为：固含量为20％聚二甲基二烯丙基氯化铵的质量分数为9.88％，固含量为60％的二甲基二烯丙基氯化铵质量分数为0.82％、Fe的质量分数为0.85％，余量为水。20℃时密度为1.1‑1.2，pH为1.80‑1.90，粒径分布在60‑100nm之间。其次，将该纳米絮凝剂稀释300倍，制备当天及放置45天后用于市政、工业污水厂活性污泥沉降实验。结果均表明：在曝气结束前2min投药，药剂浓度为20μL/L，好氧池活性污泥沉降效果显著加快。因此，本发明的纳米絮凝剂具有投料量少、性能稳定、污泥沉降快、应用范围广等优势，有助于市政、工业等污水处理厂提高处理水量并减少二沉池占地面积。

Description

一种针对污泥沉降的纳米絮凝剂及制备方法

技术领域

本发明属于环境与化学技术领域，具体涉及一种能够显著提高活性污泥沉降性能的絮凝剂，即聚合氯化铁-聚二甲基二烯丙基氯化铵-二甲基二烯丙基氯化铵纳米絮凝剂的制备方法。

背景技术

污泥膨胀是活性污泥法污水处理技术中较为普遍存在的问题，污泥膨胀会导致活性污泥质量变轻、沉降性能恶化，难以在二沉池内进行正常的泥水分离，从而导致出水水质变差，直接影响污水处理效果。目前好氧颗粒污泥技术的开发，为解决污泥膨胀问题提供了新思路，但于水质的复杂性及颗粒稳定性等问题的存在，使该技术在工程化应用中仍然面临诸多挑战。无机铁盐及铝盐絮凝剂的投加，能有效控制污泥膨胀，改善污泥沉降性能，但存在药剂投加量大、对投加位置及混合方式要求精确等问题，导致污泥沉降效果不显著，并且会产生大量剩余污泥，不利于污泥减量化目标的实现。而单独投加有机高分子絮凝剂，虽然能有效提高污泥沉降速率，但是处理成本过高。

此外，相比于能耗高、投资高的膜技术、滤布滤池技术、超高速沉淀池等泥水分离技术，如何提高污泥自身重力作用，强化泥水分离过程，是活性污泥处理***中的重要环节，对处理工艺整体效率的提高具有重要作用。

因此，针对目前存在的无机铁盐、铝盐絮凝剂以及无机有机复合絮凝剂用量大、污泥沉降效果不显著等缺陷，本发明的针对污泥快速沉降的纳米絮凝剂的创新之处在于，采用纳米级聚合氯化铁(粒径分布在30-60nm之间)与二甲基二烯丙基氯化铵及其均聚物进行复合，得到粒径分布在60-100nm之间的纳米絮凝剂。该纳米絮凝剂既保留了铁盐絮凝剂使用范围广、价格低的优势，同时由于纳米粒子尺寸小、比表面积大，因而具有更高的反应活性。将纳米聚合氯化铁与具有高分子量和高密度正电荷的二甲基二烯丙基氯化铵及其均聚物进行复合，有效提高了表面正电荷及表面能，使吸附电中和及吸附架桥能力显著增强。同时，聚二甲基二烯丙基氯化铵的加入能够显著提高聚合氯化铁中的有效成分Fe_b(Fe³⁺羟基聚合物，包括初聚物、低聚物及中聚物)含量的增加，从而进一步提高絮凝效率。本发明的纳米絮凝剂通过中和污泥表面电荷，以及利用无机及有机高分子自身的吸附架桥作用，能够解除悬浮物的静止状态，促进污泥快速聚集，形成大团污泥絮体，并在自身重力作用下加速沉降。因此，本发明的纳米絮凝剂具有投加量小、絮凝效果显著、处理成本低等优势，从而为解决污泥膨胀及泥水高效分离开辟了新的途径。

发明内容

针对目前存在的污泥沉降时间长、絮凝剂耗量大及经济成本高等问题，本发明的目的是研发一种针对污泥沉降的纳米絮凝剂及制备方法，旨在提高污泥沉降速率，实现泥水高效快速分离，提高出水水质。

为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：

一种针对污泥沉降的纳米絮凝剂及制备方法，由固含量为20％、质量分数为9.88％的聚二甲基二烯丙基氯化铵、固含量为60％、质量分数为0.82％的二甲基二烯丙基氯化铵和质量分数为0.85％的Fe组成，该絮凝剂20℃时密度为1.1-1.2，pH为1.80-1.90，纳米粒子粒径分布在60-100nm之间；

所述纳米絮凝剂的制备方法包括以下步骤：

步骤一，纳米聚合氯化铁的制备：将FeCl₃·6H₂O与蒸馏水按质量比为1:10-14充分混合溶解，然后在搅拌过程中缓慢加入Na₂CO₃固体粉末，使碱化度为0.5-1.5，再加入一定质量的Na₂HPO₄作为稳定剂，在转速为900rpm条件下，磁力搅拌12-16h后，置于4℃冷藏陈化1-6天，确保得到的聚合氯化铁溶液中，聚合氯化铁粒径分布在30-60nm之间，其中Fe的质量分数为1.4-1.8％；

步骤二，纳米絮凝剂的制备：在反应温度为25-30℃条件下，将步骤一中得到的含Fe量为1.4-1.8％的纳米聚合氯化铁与固含量为20％的聚二甲基二烯丙基氯化铵、固含量为60％的二甲基二烯丙基氯化铵按照质量比为32-38∶32-38∶1混合，在转速为900rpm条件下，磁力搅拌4-8h，得到粒径为60-100nm纳米絮凝剂。

所得的纳米絮凝剂稀释300倍，制备当天及放置45天后用于活性污泥沉降实验，在曝气结束前30s-5min加入药剂，药剂投加量为5-50μL/L。

所述Fe的质量分数为1.46-1.72％。

所述的碱化度为1。

所述的磁力搅拌器转速为900rpm，磁力搅拌时间为15h。

所述的陈化温度为4℃，陈化时间为1-6天。

所述的聚合氯化铁与聚二甲基二烯丙基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵的质量比为35.87∶35.99∶1，反应温度为25-30℃。

所述曝气时间为2min。

所述絮凝剂投加量为20μL/L。

所述絮凝剂作为水处理药剂在市政、纺织印染、化工等工业污水处理厂污泥沉降过程中有良好的应用。

本发明的纳米絮凝剂用于污泥沉降实验，与现有污泥沉降及分离技术相比，具有如下优良效果：

一是通过引入纳米级聚合氯化铁，使其在保留铁盐絮凝剂投药范围宽及处理成本低优势的基础上，通过提高其比表面积及比表面能，增强其吸附性能，从而有效减少药剂投加量、降低经济成本、减少剩余污泥量；二是在聚合氯化铁本身具有的吸附电中和及桥联性能基础上，通过引入适量具有高密度正电荷的二甲基二烯丙基氯化铵及其均聚物，在提高聚合氯化铁有效成分的同时，进一步提高该复合絮凝剂的吸附电中和及架桥性能，促使污泥快速团聚形成较大絮体。这些扩大的絮体通过吸附、架桥、卷扫等作用促进污泥絮体凝聚，同时使得细小的颗粒、胶体等随之在重力作用下快速沉降，实现泥水快速分离而无需其他分离工艺。本发明的聚合氯化铁-聚二甲基二烯丙基氯化铵-二甲基二烯丙基氯化铵纳米絮凝剂，具有纳米粒子、无机及有机高分子絮凝剂的协同优势，具有制备过程简单、投加量少、高效、经济、应用范围广、稳定性好等特点。该絮凝剂能够用于处理污泥膨胀引起的突发事件以及活性污泥污水处理厂的提标改造。

具体实施方式

下面对本发明实施例之一进行详细描述。

一种针对污泥沉降的纳米絮凝剂及制备方法，其中，包括以下步骤：

步骤一：纳米聚合氯化铁的制备：

将5.53g FeCl₃·6H₂O充分溶解在61.13g蒸馏水中，在搅拌过程中缓慢加入2.173gNa₂CO₃粉末至碱化度为1，总共需要用时2h，然后再加入0.1164g Na₂HPO₄作为稳定剂，在转速为900rpm下，磁力搅拌15h后，置于4℃冷藏陈化1-6天，得到棕褐色纳米聚合氯化铁溶液，其中Fe的质量分数为1.72％；

步骤二，纳米絮凝剂的制备：准确称取步骤一中得到的聚合氯化铁5.6g，在常温条件下，磁力搅拌过程中缓慢加入含固量为20％的聚二甲基二烯丙基氯化铵5.6180g，含固量60％的二甲基二烯丙基氯化0.1561g，使三者的质量比为35.87∶35.99∶1。在转速为900rpm下，磁力搅拌5h后得到纳米絮凝剂。

将上述所得的纳米絮凝剂用于污泥沉降实验，具体实施过程是：

将纳米絮凝剂稀释300倍，稀释当天及放置45天后，稀释当天的所述絮凝剂记作药剂a，放置45天后的所述絮凝剂记作药剂b，在曝气结束前2min加入1L好氧池活性污泥中，控制药剂投加量为20μL/L，以不加药剂的空白污泥作对比，通过测定SVI值，衡量所得纳米絮凝剂对污泥的沉降性能及稳定性。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明纳米絮凝剂，作为水处理药剂在污泥沉降中应用，下面以应用实施例来阐述具体的应用效果。

应用实施举例：

1)将本发明的纳米絮凝剂，用于北京市某市政污水处理厂A好氧池污泥沉降处理，同时与不加药剂的污泥空白作对比。在曝气结束前30s-5min加入药剂，所述曝气时间可以为2min，所述药剂投加量为5-50μL/L，计算5min内污泥体积指数SVI(mL/g)，结果列于表1。

表1纳米絮凝剂处理北京市某市政污水厂A好氧池污泥沉降效果(投药量为20μL/L)

从以上处理结果可见，与空白对比，将本发明的纳米絮凝剂稀释300倍，在制备当天及放置45天后，均能够快速提高市政污水厂活性污泥的沉降速率，5min时污泥的SVI值小于90mL/g。且制备的絮凝剂可长久常规保存，对保存条件无要求，可见其具有很强的稳定性。

2)将本发明的纳米絮凝剂，用于北京市某市政污水处理厂B好氧池污泥沉降处理，同时与不加药剂的污泥空白作对比。在曝气结束前30s-5min加入药剂，所述曝气时间可以为2min，所述药剂投加量为5-50μL/L，计算5min内污泥体积指数SVI(mL/g)，结果列于表2。

表2纳米絮凝剂处理北京市某市政污水厂B好氧池污泥沉降效果(投药量为20μL/L)

从以上处理结果可见，与空白对比，将本发明的纳米絮凝剂稀释300倍，在制备当天及放置45天后，均能够快速提高市政污水厂活性污泥的沉降速率，5min时污泥的SVI值小于90mL/g。且制备的絮凝剂可长久常规保存，对保存条件无要求，可见其具有很强的稳定性。

3)将本发明的纳米絮凝剂，用于江苏省某工业污水处理厂C好氧池污泥沉降处理，同时与不加药剂的污泥空白作对比。在曝气结束前30s-5min加入药剂，所述曝气时间可以为2min，所述药剂投加量为5-50μL/L，计算5min内污泥体积指数SVI(mL/g)，结果列于表3。

表3纳米絮凝剂处理江苏省宜兴某工业污水处理厂好氧池污泥沉降效果(投药量为20μL/L)

以上处理结果可见，与空白对比，将本发明的纳米絮凝剂稀释300倍，在制备当天及放置45天后，均能够快速提高印染等工业污水处理厂活性污泥的沉降速率，5min时污泥的SVI值为101.87mL/g。且制备的絮凝剂可长久常规保存，对保存条件无要求，可见其具有很强的稳定性。

由所述污泥沉降实验结果可知，5min时污泥的SVI值小于90-102mL/g。由此可见，本发明所述的絮凝剂用量极少、污泥沉降时间短、具有很强的经济实用性；可长久常规保存，对保存条件无要求，具有很强的稳定性；能够快速提高市政、纺织印染、造纸、化工、石油等工业污水处理厂污泥的沉降速率，应用范围广。能够达到泥水高效快速分离，提高出水水质的目的。

Claims (2)

1.一种针对污泥沉降的纳米絮凝剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：纳米聚合氯化铁的制备：

将5.53 g FeCl₃·6H₂O充分溶解在61.13 g蒸馏水中，在搅拌过程中缓慢加入2.173 gNa₂CO₃粉末至碱化度为1，总共需要用时2 h，然后再加入0.1164 g Na₂HPO₄作为稳定剂，在转速为900 rpm下，磁力搅拌15 h后，置于4℃冷藏陈化1-6天，得到棕褐色纳米聚合氯化铁溶液，其中Fe的质量分数为1.72%；

步骤二，纳米絮凝剂的制备：准确称取步骤一中得到的聚合氯化铁5.6 g，在常温条件下，磁力搅拌过程中缓慢加入含固量为20%的聚二甲基二烯丙基氯化铵5.6180 g，含固量60%的二甲基二烯丙基氯化0.1561 g，使三者的质量比为35.87∶35.99∶1。在转速为900 rpm下，磁力搅拌5 h后得到纳米絮凝剂。

2.根据权利要求1所述的针对污泥沉降的纳米絮凝剂的制备方法，其特征在于：所述絮凝剂作为水处理药剂在市政、纺织印染、化工污水处理厂污泥沉降过程中有良好的应用。