全 文 ：新合成复合絮凝剂 HECES 絮凝性能研究 3
张凯松 3 3 　周启星　魏树和　任丽萍
(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室 ,沈阳 110016)
【摘要】　以无机铝盐和天然高分子玉米淀粉为原料 ,合成一种生态安全型复合高效絮凝剂 HECES. 结果
表明 ,在一定范围里适当提高淀粉/ 铝盐比例 ,有利于 HECES絮凝性能的提高 ; 处理模拟废水时 , 3. 0mg·
L - 1的 HECES相当于 4. 5 mg·L - 1 PAC 和 1. 0 mg·L - 1 PAM 复合投加效果 ; 对生活污水、市政污水的最佳
投加量分别为 8. 0 mg·L - 1和 4. 0 mg·L - 1 , 相当于 PAC 用量的 50 %和 40 % ,浊度去除率高达 95 %和
99 %. 研究还证实絮凝效果与模拟浊度废水的浓度、供试污水的组成成分有关 , HECES 对高浓度废水处
理效果更佳. HECES在 p H = 4. 0～9. 5 范围内絮凝效果最佳. 其生态安全特点体现在投加量少 ,具有较
大生态毒性的游离态铝离子残留量低.
关键词 　复合絮凝剂 　絮凝性能 　浊度 　污水处理 　生态安全
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 05 - 0789 - 05 　中图分类号 　X703. 5 　文献标识码 　A
Performance of a novel combined flocculant HECES. ZHAN G Kaisong , ZHOU Qixing , WEI Shuhe , REN
Liping ( Key L aboratory of Terrest rial Ecological Process , Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of
Sciences , S henyang 110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (5) :789～793.
Combined flocculants with higher environmental safty and lower ecological risk are urgently required in the pro2
cess of water and wastewater treatment . HECES , a kind of flocculants with high effect and high ecological safe2
ty was synthesized by natural and biodegradable polysaccharide starch of corn and inorganic aluminium salt . Floc2
culent performance includes sediment character and turbidity removal rate. The jar test results showed that the
flocculent performance of HECES with the dose of 3. 0mg·L - 1 was prior to the combined adding 4. 5 mg·L - 1
PAC and 1. 0 mg·L - 1 PAM in treating kaolin suspensions. The optimal concentration of HECES was 8. 0 mg·
L - 1 and 4. 0 mg·L - 1 in treating domestic wastewater and municipal effluent respectively , with the comparison
to 50 % an 40 % of PAC , the removal rate of turbidity reached 95 % and 99 % , respectively. It was also identi2
fied that the optimal concentration required to effect flocculation depended on kaolin concentration ,and on the
character of the wastewater within the range examined. It could be more effective to treat wastewater with high2
er concentration of HECES. The flocculating performance would be better at p H 4. 0～9. 5. The superior ecolog2
ical safety of HECES was due to its lower dosage and its lower concentration of residual activated aluminium.
Key words 　Combined flocculants , Flocculent performance , Turbidity , Sewage treatment , Ecological safety.3 国家杰出青年科学基金 (20225722) 、中国科学院知识创新重要方
向项目 ( G1999011808) 和沈阳市科技发展项目 (2001221203207) .3 3 通讯联系人.
2002 - 11 - 05 收稿 ,2003 - 04 - 01 接受.
1 　引 　　言
在世界范围内 , 由于工农业生产的污染和由人
口骤增带来的人类活动强度不断增加 , 水资源在时
间和空间上分布的不均匀性导致了水危机. 随着我
国工农业生产的迅速发展和城镇化进程的加快 ,大
量生产性和生活性污水排放量剧增. 由于经济条件
和技术条件的限制 , 其中许多污水未经处理就直接
排入环境中 , 导致越来越多的水体受到污染 , 引发
一系列的社会、经济和环境问题[9 ,13 ,14 ] . 絮凝剂是
当前水工业、污水治理与节水、污水无害化资源化处
理技术领域中应用最广泛、用量最大的产品. 随着
絮凝剂在水处理领域中大量使用 , 关于絮凝剂的生
态安全和二次污染问题已经引起越来越广泛关注.
无机铝盐絮凝剂处理后的水体中残留的铝毒不仅直
接对动植物、水生生物、微生物产生影响 , 而且可以
通过食物链进一步影响人类健康[2 ,5 ,7 ,12 ] . 聚丙烯
酰胺有机高分子絮凝剂在生产、使用和污泥后续处
理过程中表现出的生态安全性越来越引起重
视[3 ,11 ] . 现有市场上的大多数传统絮凝剂产品在水
处理中的生态安全性问题以及由此引发的二次污染
制约着絮凝剂向水质净化、污水资源化等水处理领
域的深层次发展. 随着人民生活水平提高 , 对环境
用水和饮用水质量有更高要求. 因此 , 以高效率、
低价位、高生态安全、低健康风险为特点的新型絮凝
剂正成为水处理领域研究和开发的热点[4 ,6 ,8 ,10 ] . 本
文以无机铝盐和天然高分子玉米淀粉为原料 , 通过
复合反应制备了一种生态安全型复合絮凝剂 , 定名
应 用 生 态 学 报 　2003 年 5 月 　第 14 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,May 2003 ,14 (5)∶789～793
为 HECES. 本文就其絮凝性能进行初步研究.
2 　材料与方法
211 　试剂及原料
玉米淀粉 , 市售 ; 铝粉 , 化学纯 ; NaOH , 化学纯 ; HCl ,
化学纯 ; 无水乙醇 , 化学纯 ; 高岭土 , 化学纯 ; 聚合氯化铝
( PAC) , 沈阳某厂出品 , 其中 Al2O3 含量为 30 % ; 聚丙烯酰
胺 ( PAM) , 分子量 8 ×106 ; 三氯化铝 , 市售 ; 絮凝剂
HECES ,本实验室合成.
212 　试验水样
21211 市政污水 　取自沈阳市市南污水排放口 (浊度为
160N TU) .
21212 生活污水 　取自沈阳某生活小区化粪池出水 (浊度为
100N TU) .
21213 模拟水样 　取 1∶1 蒸馏水和自来水 , 高岭土经 105 ℃
干燥后 ,过 200 目筛 ,配成 100 和 400mg·L - 1高岭土悬浊液.
213 　实验仪器
　　DZKW24 型电子恒温水浴锅 ,p HS23B 型 p H 计 ,8421A
型六联磁力搅拌器 ,WFZ8002D3B 紫外可见分光光度计.
214 　研究方法
21411 烧杯絮凝试验 　将絮凝剂配制成溶液 , 在高速搅动
下 (200rpm)投加到水样中 , 随后调节搅拌强度至 140 rpm ,
搅拌 2 min ,使絮凝剂完全混合 , 中速 (40 rpm) 搅拌 5 min ,
低速 (25 rpm)搅拌 10 min. 静止 5、10、20、30、60、120 min 后
于液面 3 cm 处取上清液 , 测定浊度.
21412 p H 影响试验 　取受试水样 , 用 0. 1mol·L - 1 NaOH 和
0. 1 mol·L - 1 HCl 调节 p H , p H S225 型 p H 计使用前用邻苯
二甲酸氢钾、混合磷酸盐、硼砂矫正 , p H 梯度设定为 2. 00、
3. 00、4. 00、5. 00、6. 00、7. 00、8. 00、9. 00、10. 00、11. 00. 进行
上述烧杯絮凝试验 , 取上清液测定其浊度.
3 　结果与讨论
311 　组成成分对 HECES 絮凝性能的影响
　　取实验室合成的两种不同组分絮凝剂 (其它合
成条件相同) , 标记为 HECES(a) 、HECES(b) . 烧杯
絮凝试验结果显示 , 两者对生活污水浊度的去除效
果非常明显 (图 1) . 供试水样的剩余浊度随投加量
的增加而减小. 当投加量大于 10 mg·L - 1时 , 浊度
变化不大 , 维持在 1. 0 N TU 左右 ,去除率为 99 %.
相比较而言 , HECES ( b) 略优于 HECES (a) , 相同
投加量时 HECES(b)浊度去除率更高. 特别是在低
剂量 (4mg·L - 1) 时 , HECES (b) 处理水的剩余浊度
为 7. 5N TU , 而 HECES (a) 为 20N TU. HECES (b)
絮凝性能优势更明显 , 其原因在于 HECES(b) 合成
过程中所加原料以淀粉所占比例更高 , 合成反应形
成的复合絮凝剂分子量更大. 在电荷数量和分子结
构相似情况下 ,分子量大小将对絮凝性能起决定性
作用 , 分子量大将意味着形成的分子链更长 , 絮状
体体积更大 , 与水体中的悬浮颗粒接触碰撞的机会
更多 , 所吸附的污染物也更多 ,絮状体沉降速度也
更快.
图 1 　HECES( HECES(a)和 HECES(b) )对生活污水的絮凝效果
Fig. 1 Flocculating efficiency of HECES ( including HECES ( a) and
HECES (b) ) to domestic sewage.
312 　絮凝性能比较
31211 对模拟浊度废水的处理效果 　在相同剂量
时 ,经 HECES 处理的 100mg ·L - 1 模拟废水的
30min 剩余浊度不仅低于 AlCl3 、PAC、PAM 单独投
加效果 ,而且低于 PAC 与 PAM (剂量为 1. 0mg·
L - 1)复合投加效果 (图 2) ,HECES 对模拟废水最佳
投 加量为3 . 0 mg·L - 1 ,而 PAC和 PAM复合投加
图 2 　HECES 和商用絮凝剂对高岭土模拟水样絮凝效果比较
Fig. 2 Comparison of flocculating efficiencies of HECES , PAC , PAM
and AlCl3 to kaolin suspensions sewage.
a)絮凝效果 Flocculating efficiency , b) 沉降效果 Sediment efficiency
(the dose of HECES was 3. 0 mg·L - 1 and others was 4. 5 mg·L - 1) .
097 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
时在 4. 5 mg·L - 1时效果最好 ; HECES 处理后的剩
余浊度低于 2. 0N TU , 其他絮凝剂处理后最低剩余
浊度都大于 2. 0N TU. 从絮凝沉降效果来看 , 3. 0
mg·L - 1的 HECES 在相同时间内的剩余浊度也低
于 4. 5 mg·L - 1的其他絮凝剂处理后的剩余浊度.
31212 对城市居民小区生活污水的絮凝效果 　在
低投加量 (4. 5 mg·L - 1以下) 时 , HECES 对生活污
水絮凝效果不及 PAC. 在剂量为 4. 5 mg·L - 1时
HECES 和 PAC 的处理效果相当 , 但在该剂量时 ,0
～30 min 内絮凝沉降性能明显好于 PAC. 当投加量
大于 4. 5mg·L - 1后 , HECES 的处理效果明显强于
PAC. 当剩余浊度 < 10N TU 时 ,浊度去除率达到
90 % , HECES 所需投加剂量仅为 8mg·L - 1 , 而经
PAC 处理后生活污水的最低剩余浊度一直高于
10N TU. 当投加量为 15 mg·L - 1时 , PAC 的浊度去
除率也达不到 90 % , 而此时 HECES 浊度去除率高
达 95 %(图 3) .
图 3 　HECES 与 PAC 对生活污水絮凝效果比较
Fig. 3 Comparison of flocculating efficiencies of HECES and PAC to do2
mestic sewage.
31213 对市政污水的处理效果 　经 HECES 处理后
污水剩余浊度低于相同剂量的 PAC. 当投加剂量为
4 mg·L - 1时 , HECES 处理水的剩余浊度为 7. 79
N TU , 而 PAC 为 35. 67 N TU ,浊度去除率分别为
95 %和 78 %。当投加量大于 12 mg·L - 1 ,PAC 的剩
余浊度基本不变 ,保持在 5 N TU 左右 ,浊度去除率
为 96. 8 % ;当 HECES 投加量大于 8 mg·L - 1 ,剩余
浊度保持在 2. 0 N TU 以下 ,浊度去除率为 99 %. 当
浊度处理效率达到 95 %(即浊度 < 8 N TU)时 , PAC
应用剂量需要 10mg·L - 1 , HECES 需要投加 4 mg·
L - 1 , 仅为 PAC 地 40 %(图 4) .
图 4 　HECES 与 PAC 对市政污水的絮凝效果
Fig. 4 Comparison of flocculating efficiencies of HECES and PAC to mu2
nicipal wastewater.
313 　污水性质对絮凝效果的影响
　　污水性质的差异性可能导致絮凝剂絮凝效果的
差异. 生活污水为生活小区化粪池出水 ,浊度为
100N TU ; 市政污水是生活污水、商业废水、工业废
水等混合污水 ,水中污染物浓度相对较高 ,浊度为
160N TU. 试验结果表明 , HECES 对悬浮颗粒浓度
较高的市政污水的处理效果更好 (图 5) . 对模拟水
样处理结果显示 , HECES 对高浓度 (400mg·L - 1 )
高岭土悬浊液的絮凝效果好于低浓度 ( 100 mg·
L - 1) (图 6) . 其原因可能在于高浓度水有利于
HECES 在絮凝过程中发挥网捕、桥联能力.
314 　污水 p H 对 HECES 絮凝效果的影响
　　向市政污水中加入适量的盐酸或氢氧化钠溶
液 , 调节污水至不同的 p H 值. 将 HECES 依次加
入 , 投加量为 10. 0 mg·L - 1 , 进行烧杯絮凝试验. 结
果表明 , HECES 对污水 p H 的适应范围较宽 ,最佳
p H 范围为 4. 0～9. 5 (图 7) . 当 HECES 在 p H < 4. 0
图 5 　HECES 对生活污水 ( Ⅰ)和市政污水处理效果差异 ( Ⅱ)
Fig. 5 Difference of flocculating efficiencies of HECES to domestic
wastewater ( Ⅰ) and municipal effluent ( Ⅱ) .
1975 期 　　　　　　　　　　　　　张凯松等 :新合成复合絮凝剂 HECES絮凝性能研究 　　　　　　
图 6 　HECES 对不同浓度模拟废水的处理效果差异
Fig. 6 Difference of flocculating efficiencies of HECES to different kaolin
suspensions.
Ⅰ. 400 mg·L - 1 , Ⅱ. 100 mg·L - 1.
和 p H > 9. 5 时絮凝效果下降 , 主要原因是由
HECES复合物的水解特性决定的. 在强酸性条件
下 ,复合物中的铝可能离解成游离态的 Al3 + ;在强
碱性条件下 , 由于过多的 OH2的存在 , 改性淀粉分
子链上的阳离子与 OH —的结合使复合物的絮凝活
性减弱甚至丧失.
图 7 　污水 p H 对 HECES 絮凝性能的影响
Fig. 7 Effect of p H value on flocculating efficiency of HECES.
4 　讨 　　论
　　HECES 高分子复合物的主要骨架是富含多羟
基的玉米淀粉 , 改性后的淀粉通过与无机铝盐各种
离子键和共价键形式结合 , 延长了分子链 , 提高了
复合物的分子量. 由于玉米淀粉中富含分子量大小
不等的直链淀粉和支链淀粉 , 铝盐与这些淀粉的结
合点位的多样性 , 使复合物絮凝适应性多样化. 由
多羟基淀粉为骨架的复合物高分子大多数是半刚性
分子 , 在水溶性条件下很容易吸水膨胀 , HECES 上
的铝盐所带的电荷在絮凝的初期发挥了重要作用 ,
而分子链长的淀粉高分子骨架在絮凝的后期使网捕
和桥联特性增强 , 网捕和桥联是天然高分子絮凝剂
发挥絮凝作用的主要机制. 高分子的网捕、桥联能
力取决于分子量的大小和分子的空间结构. 通过无
机铝盐与天然高分子淀粉的复合 ,其目的是延长分
子链 , 丰富分子的空间结构 , 正是因为 HECESE 的
分子量较 PAC 高 , 分子的空间结构更有利于絮凝
作用 , 其处理市政污水、生活污水和模拟高浊度水
的能力明显优于后者. 复合絮凝剂在增强絮凝效果、
提高稳定性、延长胶凝期等方面有优势 ,但复合反应
导致正电荷均明显降低. HECES 在低剂量 (低于
4. 5 mg·L - 1)时对生活污水处理效果低于 PAC ,其
原因可能在于复合作用使正电荷降低.
　　在处理生活污水、市政废水和模拟浊度废水中 ,
在达到相同的处理效果情况下 , HECES 的投加量
只相当于 PAC 所用剂量的 35 %～50 % , 铝盐的用
量大大减少 ; 铝盐的毒性大小与铝盐化合物的化学
结合形式、浓度、p H 等因素有关[1 ] . 铝盐中活性铝
(Al3 + )的浓度对铝毒的影响最大 , 有学者对其致毒
机理进行研究后指出 : 可能是因为在絮凝和沉淀过
程中 Al3 + 等离子催化水体中微量有机污染物产生
自由基 , 这些自由基的氧化作用将导致 DNA 损伤 ,
导致突变或癌变[12 ] . HECES 絮凝剂通过特定的复
合反应 , 使铝盐与改性淀粉形成络合物 , 最大限度
地降低了活性铝 (Al3 + ) 的浓度. 通过絮凝沉淀 , 出
水水质中铝盐的数量和活性铝的浓度大大降低. 另
一方面 , 淀粉具有良好的生物可降解性 , 使絮凝剂
很容易被环境微生物降解. 可以推断 , HECES 在生
产、使用和污泥后续处理中 , 将最大限度地降低对
环境的破坏和对人类健康的威胁 , 体现其良好的生
态安全性. 有关 HECES 的生态安全性能还有待进
一步研究证实.
5 　结 　　论
　　以廉价的无机铝盐和天然高分子玉米淀粉为原
料通过复合反应制备而成的生态安全型复合高效絮
凝剂 HECES 具有良好的絮凝效果和沉降性能. 在
一定范围里适当提高淀粉/ 铝盐比例 , 有利于
HECES 絮凝性能的提高. 与供试絮凝剂相比 ,处理
污水时投加量少 ,沉降时间短. 处理模拟废水时 ,
3. 0mg·L - 1的 HECES 相当于 4. 5 mg·L - 1 PAC 和
1. 0 mg·L - 1 PAM 复合投加效果 ; 对生活污水、市政
污水的最佳投加量分别为 8. 0 mg·L - 1和 4. 0 mg·
L - 1 , 相当于 PAC 用量的 50 %和 40 % ,浊度去除率
高达 95 %和 99 %. HECES 絮凝效果与模拟浊度废
水的浓度、供试污水的组成成分有关 ,对污染物浓度
较高的市政污水的处理效果明显好于单一的城市生
297 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
活污水. 对高浓度高岭土模拟废水的处理效果更佳.
具有较广泛的 p H 范围 , 在 p H4. 0～9. 5 范围内絮
凝效果最佳. 其生态安全特点体现在投加量少 ,具
有较大生态毒性的游离态铝离子残留量低. 能有效
地降低活性铝所带来的生态安全风险. 可以预见这
将在城市给水和小城镇污水无害化资源化利用等方
面有着重要意义.
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Chinese )
作者简介 　张凯松 , 男 , 1979 年生 ,博士生 ,主要从事污染
生态学和污染控制化学的研究. 发表论文 4 篇. E2mail :
zhangkaisa @hotmail. com
3975 期 　　　　　　　　　　　　　张凯松等 :新合成复合絮凝剂 HECES絮凝性能研究