水處理絮凝劑的開發(fā)與應用
【摘要】本文從絮凝劑的原理、特點及應用現(xiàn)狀對常用水處理絮凝劑進行了對比分析，并對今后水處理絮凝劑的研究方向和應用前景進行了展望。
【關鍵詞】絮凝劑；水處理；絮凝機理
0.引言
絮凝沉降法依靠絮凝劑使溶液中的溶質(zhì)、膠體或懸浮物顆粒凝聚為大的絮凝體，從而實現(xiàn)固液分離，由于其經(jīng)濟高效的特點，目前已廣泛用于飲用水處理、廢水處理、食品、化工、環(huán)保、發(fā)酵工業(yè)等諸多領域。圍繞絮凝劑的開發(fā)，人們對絮凝機理作了大量深入的研究，先后提出了膠體化學理論，電中和吸附凝聚、吸附架橋理論以及微渦旋混凝動力學理論，高分子絮凝劑及其理論等。隨著界面電位計算體系和表面絡合模式的發(fā)展，人們開始把表面絡合、表面沉淀概念和定量計算方法引入絮凝機理研究之中[1]。本文介紹了目前國內(nèi)外常用的水處理絮凝劑，通過對其各自絮凝機理、特點和應用現(xiàn)狀進行分析，從而得出今后絮凝劑的研究方向和發(fā)展前景。
1.絮凝劑的機理和特點分析
目前普遍應用的絮凝劑包括無機絮凝劑、有機高分子絮凝劑、微生物絮凝劑及復合型絮凝劑等幾大類，由于其特點、造價、絮凝機理等方面均有不同，所以它們具有不同的應用環(huán)境。
1.1無機絮凝劑
無機絮凝劑也稱凝聚劑，由于它不但具有良好的凝聚效果和脫色能力，而且操作簡便，所以它被廣泛應用于飲用水、工業(yè)水的凈化處理、地下水以及廢水淤泥的脫水處理中。無機絮凝劑經(jīng)歷了從單一品種到多品種，從低分子的鋁(鐵)鹽到高分子的聚合鋁(鐵)，從單一的聚合鋁(鐵)向多元的聚合鋁鐵的發(fā)展過程。以相對分子量為劃分依據(jù)，無機絮凝劑又可分為低分子體系和高分子體系兩大類。
1.1.1無機低分子絮凝劑
傳統(tǒng)的無機絮凝劑為低分子的鋁鹽和鐵鹽，其作用機理主要是雙電層吸附。鋁鹽中主要有硫酸鋁、明礬、鋁酸鈉；鐵鹽主要有三氯化鐵、硫酸亞鐵和硫酸鐵等。其中硫酸鋁絮凝效果較好，使用方便，但當水溫低時，硫酸鋁水解困難，形成的絮凝體較松散，效果不及鐵鹽。三氯化鐵是另一種常用的無機低分子絮凝劑，具有易溶于水、形成大而中的絮體、沉降性能好、對溫度、水質(zhì)和pH的適應范圍廣等優(yōu)點，但其腐蝕性較強，且有刺激性氣味，操作條件差。因此，盡管無機低分子絮凝劑經(jīng)濟、用法簡單，但由于其在水處理過程中存在的用量大、殘渣多、有異味等諸多問題，已逐漸被無機高分子絮凝劑所取代。
1.1.2無機高分子絮凝劑
近年來高分子絮凝劑的發(fā)展趨勢主要是向聚合鋁、聚合鐵、聚合硅及各種復合型絮凝劑方向發(fā)展，并已逐步形成系列，其中陽離子型的有聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚合磷酸鋁(PAP)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鐵(PFC)、聚合磷酸鐵(PFP)等；陰離子型的有活化硅酸(AS)、聚合硅酸(PS)；無機復合型的有聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚硅酸硫酸鐵(PFSS)、聚硅酸硫酸鋁(PFSC)、聚合氯硫酸鐵(PFCS)、聚合硅酸鋁(PASI)、聚合硅酸鐵(PFSI)、聚合磷酸鋁鐵(PAFP)、硅鈣復合型聚合氯化鐵(SC-PAFC)等。無機高分子絮凝劑由于絮凝效果好、價格相對較低，現(xiàn)已逐步成為主流絮凝藥劑。目前，日本、俄羅斯、西歐生產(chǎn)已達到工業(yè)化和規(guī)模化，流程控制自動化，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
1.2有機高分子絮凝劑
有機高分子絮凝劑是20世紀60年代開始使用的第二代絮凝劑。與無機高分子絮凝劑相比，有機高分子絮凝劑具有用量少，絮凝速度快，受共存鹽類、污水pH值及溫度影響小，生成污泥量少，節(jié)約用水，并且容易處理等優(yōu)點，因而有著廣闊的應用前景。有機高分子絮凝劑主要是通過吸附作用將水體中的膠粒吸附到絮凝劑分子鏈上，形成絮凝體。它的絮凝效果受其分子量大小、電荷密度、投加量、混合時間和絮凝體穩(wěn)定性等因素的影響。目前有機高分子絮凝劑主要分為合成有機高分子絮凝劑和天然改性高分子絮凝劑兩大類。
1.2.1合成有機高分子絮凝劑
合成有機高分子絮凝劑以聚乙烯、聚丙烯類聚合物及其共聚物為主，尤其聚丙烯酰胺(PAM)的應用最多，占有機高分子絮凝劑的80%左右。聚丙烯酰胺有非離子型、陽離子型和陰離子型三種，它們的分子量均在50～600萬之間，其中最多為季胺鹽類，但這類絮凝劑存在著一定量的殘余單體丙烯酰胺，不可避免地帶來了毒性，因而使其應用受到了限制。
1.2.2天然改性高分子絮凝劑
天然高分子物質(zhì)具有分子量分布廣、活性基團點多、結構多樣化等特點，易于制成性能優(yōu)良的絮凝劑，但由于其電荷量密度較小，分子量較低，且易發(fā)生生物降解而失去其絮凝活性，所以天然高分子絮凝劑的使用遠小于合成的有機高分子絮凝劑。針對天然高分子絮凝劑的不足對其進行經(jīng)改性后，可使它具有選擇性大、無毒、價廉等顯著特點。改性后的天然高分子絮凝劑按原料來源的不同，可分為淀粉衍生物、纖維素衍生物、植物膠改性產(chǎn)物、多糖類及蛋白質(zhì)改性產(chǎn)物等幾大類。在眾多天然改性高分子絮凝劑中，淀粉來源廣，價格低廉，產(chǎn)物完全可被生物降解，可在自然界中形成良性循環(huán)；另外，來源于甲殼類動物、昆蟲的外骨骼的主要成分的天然有機高分子化合物甲殼素也被用于絮凝劑的開發(fā)，對其進行分子改造，脫除其乙；，得到殼聚糖，就形成了一種很好的陽離子絮凝劑。由于這類物質(zhì)分子中均含有酰胺基及氨基、羥基，因此具有絮凝、吸附等功能，不僅對重金屬有鰲合吸附作用[2]，還可有效地吸附水中帶負電荷的微細顆粒。
1.3微生物絮凝劑
微生物絮凝劑是通過發(fā)酵、提取、純化而獲得的一種安全、高效、無毒、無二次污染、能自行降解、使用范圍廣的新一代絮凝劑[3]。微生物絮凝劑主要有微生物細胞和微生物細胞分泌產(chǎn)物兩種。微生物產(chǎn)生的絮凝劑物質(zhì)為多糖蛋白、粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素、DNA等高分子化合物，分子量多在105Da以上。微生物絮凝劑功能的發(fā)揮與其結構密切相關，如線性結構利于吸咐膠體顆粒形成大的絮塊，而交聯(lián)和支鏈結構會因空間位阻使吸咐效率降低。同時，分子量越大則分子鏈就越長，所帶電荷和活性吸附部位就越多，架橋效應、電中和效應和卷掃效應就越顯著，絮凝越徹底；但分子量過大，分子鏈必然會因過長而折疊，反而會影響膠粒的靠近，削弱絮凝效果[4]。影響微生物絮凝劑絮凝能力的因素很多，主要包括溫度、pH值、金屬離子、絮凝劑濃度等。
由于微生物絮凝劑可以克服無機和有機高分子絮凝劑使用成本高，絮凝效果低，存在二次污染且對人體有害等缺陷，因此，作為一種新型水處理劑，微生物絮凝劑的研究正成為當今世界天然可降解生物絮凝制品研究的熱門領域。
1.4復合型絮凝劑
復合型絮凝劑是一種新型高效環(huán)保型復合式水處理劑，它改變了水處理領域傳統(tǒng)的單一處理方式，降低成本和對環(huán)境的影響。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)在處理廢水等復雜、穩(wěn)定的分散體系時，復合絮凝劑表現(xiàn)出優(yōu)于單一絮凝劑的效果。
從化學組成上來看，復合型處理劑可分為無機有機復合絮凝劑和微生物無機復合型絮凝劑兩大類。無機有機復合絮凝劑具有適應范圍廣，pH值適應性大，對低濃度或高濃度水質(zhì)、有色廢水、多種工業(yè)廢水都有良好的凈水效果，而且污泥脫水性好等特點。復合型絮凝劑的復配機理主要與協(xié)同作用有關：一方面污水雜質(zhì)為無機絮凝劑所吸附，發(fā)生電中和作用而凝聚;另一方面又通過有機高分子的橋連作用，吸附在有機高分子的活性基團上，從而網(wǎng)捕其它的雜質(zhì)顆粒一同下沉，起到優(yōu)于單一絮凝劑的絮凝效果。目前國內(nèi)相關的技術有高聚合硅酸鐵處理劑、聚合硫酸鐵硅處理劑以及復合型聚鐵處理劑等[5]。
2．常用絮凝劑的比較
通過上述常用絮凝劑的基本原理和特點進行分析，對比其各自的優(yōu)缺點，可總結得出以下幾點：
2．1無機絮凝劑在使用過程中存在投加量大、產(chǎn)生的污泥量大、絮體較松散、含水率很高、污泥脫水困難、殘留在水中的鋁離子會導致二次污染、鐵離子會對設備有腐蝕作用、運行費用高等諸多缺點，從而制約了其發(fā)展。
2．2無機高分子和合成有機高分子絮凝劑在使用過程中因投加量少，形成的絮體大、強度大、不易破碎、不增加泥量、降低了熱值、無腐蝕性，所以在污水處理中一直發(fā)揮著極其重要的作用。但是由于這種絮凝劑一般均難降解，有些還具有一定的毒副作用，產(chǎn)生的污泥體積龐大且廢渣含水率高，價格也相對較貴，因此目前其研究開發(fā)熱點在于如何優(yōu)化性能，克服缺點。
2．3復合型絮凝劑克服了無機和有機高分子絮凝劑在水處理過程中需要分步加入、工藝繁瑣、設備投資大、成本相應偏高的缺點，而且兼具無機和有機高分子絮凝劑的優(yōu)點，所以它的適用范圍廣泛，尤其對低濃度或高濃度水質(zhì)、有色廢水、多種工業(yè)廢水都有良好的凈水效果。
2．4微生物絮凝劑無二次污染，具有使用安全、方便、絮凝效果良好以及獨特的脫色效果，適用范圍廣、絮凝活性高、易于生物降解等優(yōu)點，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品。但是微生物絮凝劑原材料價格過高，絮凝劑產(chǎn)量低，所以目前還沒有大規(guī)模的實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和應用。
3.展望
絮凝劑的發(fā)展已由無機向有機化、低分子向高分子化、單一向復合型轉化轉變，絮凝劑產(chǎn)品也逐漸多樣化、專門化、環(huán)；，但追求高效、廉價、環(huán)保始終是絮凝劑研制的目標，所以復合絮凝劑和微生物絮凝劑的研制開發(fā)已成為當前絮凝劑的一個重點發(fā)展方向，特別是微生物絮凝劑開發(fā)研究已成為當今絮凝劑研究的熱點，有取代傳統(tǒng)絮凝劑的趨勢。目前國內(nèi)外已經(jīng)選育出不少優(yōu)良菌株，雖然還沒有實際生產(chǎn)中得到推廣應用，但是隨著混合菌培養(yǎng)技術、基因工程技術、生物投菌法、固定化生物強化技術、生物流化床等新技術、新工藝的投入，微生物絮凝劑的發(fā)展將進入一個新的歷史階段。
【參考文獻】
［1］石常省，謝廣元，吳玲.絮凝劑在壓濾脫水中的作用[J].選煤技術，2003，(3):19-21.
［2］MilotGE.Molybdate Sorptionby Cross Linked Chitsanbeadsdynamic studies[J].Wat EnvionRes.1999.71(1):1021-1027.
［3］馬放，楊基先等.環(huán)境生物制劑的開發(fā)與應用[M].北京:化學工業(yè)出版社.2004．
［4］陶濤，盧秀青等.微生物絮凝劑研究與應用進展[J].環(huán)境科學進展，1999，7(6):21-22.
［5］李燦華.用冶金渣制備聚硅硫酸鐵的研究[J].廣化工，2006，24(1):27-29.作者簡介：岳巍，男，給排水專業(yè)，包頭市供水總公司管網(wǎng)修建公司，工程師。
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