CN114835231A - 一种实现原位扩能的纳米絮凝剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种实现原位扩能的纳米絮凝剂及其制备方法。纳米絮凝剂包括以下重量份组分：聚二甲基二烯丙基氯化铵5~10份；亚铁离子5~10份；和纳米级铁单质0.5~3份。制备方法为将纳米铁溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵按照重量比1~3:1混合，以制得纳米絮凝剂；所述纳米铁溶液中，亚铁离子的质量分数为12.5~25%；铁单质的质量分数为1.25~7.5%。本发明的纳米絮凝剂投加量小、絮凝沉降速度快，而且絮凝效果好，可同步去除磷和COD，能够广泛应用于工业污水或者生活污水等不同污水水质的处理中，能够实现污泥的快速沉降，达到提高污水处理厂原位处理规模的能力。

Description

一种实现原位扩能的纳米絮凝剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种实现原位扩能的纳米絮凝剂及其制备方法。
背景技术
污泥膨胀现象是指活性污泥沉降性能变差，所造成的后果是二次沉淀池的出水悬浮物浓度升高，使出水水质变差。当污泥处于膨胀状态时，污泥沉降比SV可达90%以上，污泥絮体不再紧密或不能良好地进行沉降，絮体颗粒随沉淀池出水排出。在极端的污泥膨胀状况下，曝气池中污泥不能得到保持，大量的污泥流出系统，导致不能满足排放要求和消毒要求，造成污水厂无法实现满负荷运行。此外，污水处理厂进水水量增大时，若二沉池污泥沉淀不及时，也会出现污泥随出水排出的问题，需要解决水量增大时污泥的快速沉降。
目前，针对上述现象的解决方式主要有两种。一种是采用无机铁盐或铝盐作为絮凝剂，改善污泥沉降性能，但是其用量较大，效果欠佳；另外一种是采用有机高分子絮凝剂进行处理，其能够有效提高污泥沉降速率，然而处理成本较高，而且由于水质存在差异，有机高分子絮凝剂对不同水质的处理效果也有待进一步提升。
近年来，研发人员也有尝试将无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂相结合，以互相弥补不足。现有技术CN110357393A公开了一种针对污泥沉降的纳米絮凝剂及制备方法，其纳米絮凝剂是由固含量为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，纳米絮凝剂的粒径为60-100nm。该纳米絮凝剂确实具有提高污泥絮凝效果，加速污泥沉降的作用，但该纳米絮凝剂的作用单一，只是加速污泥絮凝沉淀，去除SS和胶体，对污水中的可溶性污染物没有去除效果。
如何提供一种投加量小、絮凝沉降速度快，絮凝效果好、并且可进一步去除污染物提高出水水质的絮凝剂，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
首先，本发明提供了一种实现原位扩能的纳米絮凝剂，包括以下重量份组分：
聚二甲基二烯丙基氯化铵5~10份；亚铁离子5~10份；和纳米级铁单质0.5~3份。
本发明的纳米絮凝剂投加量小、絮凝沉降速度快，而且絮凝效果好，且能进一步去除污染物提高出水水质。其中，上述方式复配下的亚铁离子和纳米铁单质在聚二甲基二烯丙基氯化铵的存在下能够充分发挥无机絮凝剂的絮凝效果，聚二甲基二烯丙基氯化铵能够较好地发挥自身吸附架桥作用，在上述比例关系下，无机和有机高分子絮凝剂能够协同发挥絮凝效果，实现污泥快速沉降。
作为本发明的一种优选的实施方案，还包括铝离子 0.5~3份。
纳米絮凝剂中加入铝离子，能够进一步促进无机絮凝剂的絮凝效果，以提升纳米絮凝剂的整体絮凝效果，进一步提高污泥沉降速率。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述纳米絮凝剂的pH为0.9~1.2，密度为1.05~1.1，纳米絮凝剂粒径为10~60nm。
本发明的纳米絮凝剂粒径尺寸小，比表面积大，絮凝反应活性较高，在投加量较少的情况下能够实现较好的絮凝效果。
进一步地，本发明还提供了上述任一实施方案的纳米絮凝剂的制备方法，将纳米铁溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵按照重量比1~3:1混合，以制得纳米絮凝剂；
所述纳米铁溶液中，亚铁离子的质量分数为12.5~25%；铁单质的质量分数为1.25~7.5%。
通过上述制备方法，能够快速高效地制备获得本发明的纳米絮凝剂。
作为本发明的一种优选的实施方案，将纳米铁溶液、纳米聚合氯化铝溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵按照重量比1~3：1~3:1混合，以制得纳米絮凝剂；
所述纳米铁溶液中，亚铁离子的质量分数为12.5~25%；铁单质的质量分数为1.25~7.5%。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述纳米铁溶液中，纳米铁颗粒粒径为10~50nm。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述纳米聚合氯化铝溶液中，铝离子的质量分数为1.25~7.5%。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述纳米聚合氯化铝溶液中，聚合氯化铝颗粒粒径为10~50nm。
作为本发明的一种较优选的实施方案，包括如下步骤：
（1）在无氧条件下，将FeCl2·4H2O和质量分数为0.5%~1.5%的可溶性淀粉水溶液按照重量比1:0.5~1.0混合，制得混合溶液；调节所述混合溶液pH值为0.5~1.0后混入NaBH4，NaBH4的质量与混合溶液的重量比为0.43~2.5：100，以制得纳米铁溶液；
（2）在无氧条件下，将AlCl3与去离子水按照重量比1:7~15混合，混入NaOH溶液至沉淀溶解后混入ZnCl2溶液，调节pH值为1-2后继续搅拌30-60min，以制得纳米聚合氯化铝溶液；
（3）将步骤（1）制得的纳米铁溶液、步骤（2）制得的纳米聚合氯化铝溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵按照重量比1~3：1~3:1混合，以制得纳米絮凝剂。
在具体实施过程中，在步骤（1）中混入NaBH4时，在连续搅拌过程中缓慢加入NaBH4。
作为本发明的一种优选的实施方案，步骤（1）中在混入NaBH4后，在150~300rpm条件下缓慢搅拌5~10min，制得纳米铁溶液。
作为本发明的一种优选的实施方案，步骤（2）中将AlCl3与去离子水混合后，在300-350rpm磁力搅拌条件下缓慢加入NaOH溶液至沉淀溶解；优选NaOH溶液中NaOH的质量分数为5~20%。
作为本发明的一种优选的实施方案，步骤（2）中沉淀溶解后，反应20-30min而后混入ZnCl2溶液作物改性剂，然后调节溶液的pH值为1-2，继续磁力搅拌30-60min后，制得纳米聚合氯化铝溶液；优选ZnCl2溶液中ZnCl2的质量分数为5~20%。
作为本发明的一种优选的实施方案，步骤（3）中将所有溶液混合后，在600-700rpm磁力搅拌1~3h后，制得纳米絮凝剂。
作为本发明的一种优选的实施方案，步骤（1）制得的纳米铁溶液中，亚铁离子的质量分数为12.5~25%，铁单质的质量分数为1.25~7.5%，纳米铁颗粒粒径为10~50nm。
作为本发明的一种优选的实施方案，步骤（2）制得的纳米聚合氯化铝溶液中，铝离子的质量分数为1.25~7.5%，聚合氯化铝颗粒粒径为10~50nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的纳米絮凝剂投加量小、絮凝沉降速度快，絮凝效果好，且能进一步去除污染物提高出水水质，能够广泛应用于工业污水或者生活污水等不同污水水质的处理中，能有效改善污泥沉降性能，实现污水厂的原位扩能，易于在实际生产或生活过程中推广应用。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中未注明具体技术或条件者，均为常规方法或者按照本领域的文献所描述的技术或条件进行，或者按照产品说明书进行。所用试剂和仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
实施例1
本实施例提供了一种纳米絮凝剂，其制备方法为：
（1）纳米铁溶液的制备：在无氧条件下进行，将FeCl2·4H2O与0.5%无氧可溶性淀粉水溶液按质量比为1:1充分混合溶解，加入一定量的盐酸，调节pH值为0.5；然后在连续搅拌过程中缓慢加入NaBH4固体粉末，质量投加比例为0.43%，在150rpm条件下缓慢搅拌5min，制得纳米铁溶液，其中纳米铁粒径分布在10-50nm之间，亚铁离子质量分数为12.5%，铁单质质量分数为1.25%。
（2）纳米聚合氯化铝的制备：将AlCl3与无氧去离子水按质量比为1:15充分混合溶解，然后300rpm条件下磁力搅拌过程中缓慢加入10%的NaOH溶液至沉淀完全溶解为止，反应20min后，然后再加入逐滴加入25ml含量10%的ZnCl2溶液作为改性剂，最后加入盐酸调pH值为2，继续磁力搅拌30min后，制得纳米聚合氯化铝溶液，聚合氯化铝粒径分布在10-50nm，其中Al的质量分数为1.25%。
（3）纳米絮凝剂的制备：在室温条件下，将上述步骤（1）中得到的纳米铁溶液与步骤（2）中的纳米聚合氯化铝溶液和质量分数40%的聚二烯丙基二甲基氯化铵按照质量比为2:2:1混合，在转速600rpm磁力搅拌2h，得到粒径10-60nm的纳米絮凝剂。
实施例2
本实施例提供了一种纳米絮凝剂，其制备方法为：
（1）纳米铁溶液的制备：在无氧条件下进行，将FeCl2·4H2O与1.0%无氧可溶性淀粉水溶液按质量比为1:0.8充分混合溶解，加入一定量的盐酸，调节pH值为0.8；然后在连续搅拌过程中缓慢加入NaBH4固体粉末，质量投加比例为1.0%，在200rpm条件下缓慢搅拌8min，制得纳米铁溶液，其中纳米铁粒径分布在10-50nm之间，亚铁离子质量分数为20.55%，铁单质质量分数为4.0%。
（2）纳米聚合氯化铝的制备：将AlCl3与无氧去离子水按质量比为1:10充分混合溶解，然后350rpm条件下磁力搅拌过程中缓慢加入10%的NaOH溶液至沉淀完全溶解为止，反应20min后，然后再加入逐滴加入25ml含量10%的ZnCl2溶液作为改性剂，最后加入盐酸调pH值为1，继续磁力搅拌30min后，制得纳米聚合氯化铝溶液，聚合氯化铝粒径分布在10-50nm，其中Al的质量分数为4.0%。
（3）纳米絮凝剂的制备：在室温条件下，将上述步骤（1）中得到的纳米铁溶液与步骤（2）中的纳米聚合氯化铝溶液和质量分数40%的聚二烯丙基二甲基氯化铵按照质量比为2:2:1混合，在转速650rpm磁力搅拌2h，得到粒径10-60nm的纳米絮凝剂。
实施例3
本实施例提供了一种纳米絮凝剂，其制备方法为：
（1）纳米铁溶液的制备：在无氧条件下进行，将FeCl2·4H2O与1.5%无氧可溶性淀粉水溶液按质量比为1:0.5充分混合溶解，加入一定量的盐酸，调节pH值为1.0；然后在连续搅拌过程中缓慢加入NaBH4固体粉末，质量投加比例为2.5%，在300rpm条件下缓慢搅拌10min，制得纳米铁溶液，其中纳米铁粒径分布在10-50nm之间，亚铁离子质量分数为25%，铁单质质量分数为7.5%。
（2）纳米聚合氯化铝的制备：将AlCl3与无氧去离子水按质量比为1:7充分混合溶解，然后350rpm条件下磁力搅拌过程中缓慢加入10%的NaOH溶液至沉淀完全溶解为止，反应20min后，然后再加入逐滴加入25ml含量10%的ZnCl2溶液作为改性剂，最后加入盐酸调pH值为2，继续磁力搅拌45min后，制得纳米聚合氯化铝溶液，聚合氯化铝粒径分布在10-50nm，其中Al的质量分数为7.5%。
（3）纳米絮凝剂的制备：在室温条件下，将上述步骤（1）中得到的纳米铁溶液与步骤（2）中的纳米聚合氯化铝溶液和质量分数40%的聚二烯丙基二甲基氯化铵按照质量比为2:2:1混合，在转速700rpm磁力搅拌2h，得到粒径10-60nm的纳米絮凝剂。
试验例
本发明纳米絮凝剂用于污水处理厂以提高二沉池污泥沉降进而原位提高处理规模的应用，具体应用效果如下。
具体测试方法为：将本发明实施例制备的纳米絮凝剂，用于污水处理厂二沉池进水口加速污泥沉降，纳米絮凝剂投加量为10-30mg/L，加药30min后开始原位提高进水量，检测二沉池泥位高度，与不加药剂提高进水量时二沉池泥位高度进行对比。
表1为纳米絮凝剂投加至泸州市某污水处理厂二沉池进水口后二沉池泥位高度及原位提高处理规模的效果（投加量为20mg/L）。
表1 泸州市纳米絮凝剂提高沉降效果及原位扩能能力
Figure 635418DEST_PATH_IMAGE001
由以上处理结果可见，与空白对比，投加本发明的纳米絮凝剂，能够快速提高二沉池的污泥沉降，将泥位控制在较低水平，在原位提高处理规模达到1.4-1.5倍时，二沉池泥位仍低于警戒线，不会产生跑泥问题，确保了原位提高处理规模时的出水水质，而对比空白组，水量提高至1.3倍以上时，二沉池出现跑泥，出水无法满足处理要求。
表2为纳米絮凝剂投加至北京市某污水处理厂二沉池进水口后二沉池泥位高度及原位提高处理规模的效果（投加量为30mg/L）。
表2 北京市纳米絮凝剂提高沉降效果及原位扩能能力
Figure 325157DEST_PATH_IMAGE002
由以上处理结果可见，与空白对比，投加本发明的纳米絮凝剂，能够快速提高二沉池的污泥沉降，将泥位控制在较低水平，在原位提高处理规模达到1.1-1.13倍时，二沉池泥位仍低于警戒线，不会产生跑泥问题，确保了原位提高处理规模时的出水水质，而对比空白组，水量提高至1.07倍以上时，二沉池出现跑泥，出水无法满足处理要求。
表3为纳米絮凝剂投加至甘肃省某污水处理厂CASS工艺的沉淀阶段，其沉淀后的泥位高度及原位提高处理规模的效果（投加量为20mg/L）。
表3 甘肃省纳米絮凝剂提高沉降效果及原位扩能能力
Figure 491827DEST_PATH_IMAGE003
由以上处理结果可见，与空白对比，投加本发明的纳米絮凝剂，能够快速提高二沉池的污泥沉降，将泥位控制在较低水平，在原位提高处理规模达到1.5-1.8倍时，二沉池泥位仍低于警戒线，不会产生跑泥问题，确保了原位提高处理规模时的出水水质，而对比空白组，水量提高至1.36倍以上时，二沉池出现跑泥，出水无法满足处理要求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种实现原位扩能的纳米絮凝剂，其特征在于，包括以下重量份组分：
聚二甲基二烯丙基氯化铵5~10份；亚铁离子5~10份；和纳米级铁单质0.5~3份。
2.根据权利要求1所述的纳米絮凝剂，其特征在于，还包括铝离子 0.5~3份。
3.根据权利要求1或2所述的纳米絮凝剂，其特征在于，所述纳米絮凝剂的pH为0.9~1.2，密度为1.05~1.1，纳米絮凝剂粒径为10~60nm。
4.权利要求1~3中任一项所述纳米絮凝剂的制备方法，其特征在于，将纳米铁溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵按照重量比1~3:1混合，以制得纳米絮凝剂；
所述纳米铁溶液中，亚铁离子的质量分数为12.5~25%；铁单质的质量分数为1.25~7.5%。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将纳米铁溶液、纳米聚合氯化铝溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵按照重量比1~3：1~3:1混合，以制得纳米絮凝剂；
所述纳米铁溶液中，亚铁离子的质量分数为12.5~25%；铁单质的质量分数为1.25~7.5%。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述纳米铁溶液中，纳米铁颗粒粒径为10~50nm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纳米聚合氯化铝溶液中，铝离子的质量分数为1.25~7.5%。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纳米聚合氯化铝溶液中，聚合氯化铝颗粒粒径为10~50nm。
9.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在无氧条件下，将FeCl2·4H2O和质量分数为0.5%~1.5%的可溶性淀粉水溶液按照重量比1:0.5~1.0混合，制得混合溶液；调节所述混合溶液pH值为0.5~1.0后混入NaBH4，NaBH4的质量与混合溶液的重量比为0.43~2.5：100，以制得纳米铁溶液；
（2）在无氧条件下，将AlCl3与去离子水按照重量比1:7~15混合，混入NaOH溶液至沉淀溶解后混入ZnCl2溶液，调节pH值为1-2后继续搅拌30-60min，以制得纳米聚合氯化铝溶液；
（3）将步骤（1）制得的纳米铁溶液、步骤（2）制得的纳米聚合氯化铝溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵按照重量比1~3：1~3:1混合，以制得纳米絮凝剂。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）制得的纳米铁溶液中，亚铁离子的质量分数为12.5~25%，铁单质的质量分数为1.25~7.5%，纳米铁颗粒粒径为10~50nm；
和/或，步骤（2）制得的纳米聚合氯化铝溶液中，铝离子的质量分数为1.25~7.5%，聚合氯化铝颗粒粒径为10~50nm。
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