絮凝劑在污水處理中的應(yīng)用

李挺

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的大規(guī)模推進(jìn)，水資源短缺問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，能否有效的改善水環(huán)境質(zhì)量，提高水資源利用率已經(jīng)成為制約城鎮(zhèn)發(fā)展的重要因素之一。城鎮(zhèn)生活污水的資源化處理及再生利用一直以來(lái)都是人們?yōu)榫徑馑Y源短缺問(wèn)題而努力的方向之一，這其中水處理化學(xué)品起著至關(guān)重要的作用。水處理劑主要包括大類(lèi)藥劑產(chǎn)品即各類(lèi)型絮凝劑、蝕阻垢劑與消毒殺生劑。目前， 廢水處理的方法有很多，如化學(xué)氧化法、絮凝沉淀法、生化法、吸附法、離子交換法、電滲析法等等，其中，絮凝沉淀法因其工藝簡(jiǎn)單、效率高、費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。絮凝沉淀法的核心和關(guān)鍵是絮凝劑的選擇，絮凝劑性質(zhì)直接影響絮凝效果的好壞。 按照藥劑的化合物類(lèi)型，絮凝劑可分為無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)高分子絮凝劑(OPF)、微生物絮凝劑和礦物類(lèi)助凝劑四大類(lèi)。

1. 無(wú)機(jī)絮凝劑的研究和應(yīng)用

無(wú)機(jī)絮凝劑根據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量的高低，可分為無(wú)機(jī)低分子絮凝劑和無(wú)機(jī)高分子絮凝劑。無(wú)機(jī)低分子絮凝劑主要包括硫酸鋁、氯化鋁、硫酸鐵、氯化鐵等。無(wú)機(jī)絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)、用法簡(jiǎn)單；但用量大、絮凝效果低，而且存在成本高、腐蝕性強(qiáng)的缺點(diǎn)。和無(wú)機(jī)低分子絮凝劑相比，無(wú)機(jī)高分子絮凝劑（IPF）因具有沉降速度快、用量少、效果好、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為一類(lèi)新型的水處理藥劑， 它的生產(chǎn)和應(yīng)用正在全世界迅速發(fā)展。由于這類(lèi)化合物與歷來(lái)的水處理藥劑相比在很多方面都具有特色，因而被稱(chēng)為第二代無(wú)機(jī)絮凝劑。它比傳統(tǒng)的絮凝劑效能優(yōu)異，而比有機(jī)高分子絮凝劑價(jià)格低廉，現(xiàn)在已成功地應(yīng)用在給水、工業(yè)廢水以及城市污水的各種流程，逐漸成為主流絮凝劑。根據(jù)所帶電荷的性質(zhì)，無(wú)機(jī)高分子絮凝劑可分為陽(yáng)離子型和陰離子型兩大類(lèi)，其中陽(yáng)離子型主要包括聚合氯化鋁（PAC），聚合硫酸鐵（PFS）、聚合氯化鋁鐵（PAFC）、聚合硅酸鋁（PASiFC）、聚合硅酸鐵（PSiFC）、聚磷氯化鋁（PPAC）以及聚磷硫酸鐵（PPFS）等；陰離子型主要有聚合硅酸（PSi）等。但在形態(tài)、聚合度及相應(yīng)的凝聚絮凝效果方面，無(wú)機(jī)高分子絮凝劑仍不如有機(jī)高分子。它的分子量和粒度大小以及絮凝架橋能力仍比有機(jī)絮凝劑差很多，而且還存在對(duì)水解反應(yīng)的不穩(wěn)定性問(wèn)題。這些主要弱點(diǎn)使得它的研究和開(kāi)發(fā)正在向各種復(fù)合型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑發(fā)展。

2. 有機(jī)高分子絮凝劑的研究和應(yīng)用

有機(jī)高分子絮凝劑，也稱(chēng)有機(jī)聚合物或聚電解質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量由數(shù)千至上千萬(wàn)不等。它含有帶電的官能團(tuán)或中性的官能團(tuán)，溶于水中而具有電解質(zhì)的行為。因此，按照它們的來(lái)源，有機(jī)高分子絮凝劑可分為合成有機(jī)高分子絮凝劑和天然有機(jī)高分子絮凝劑兩類(lèi)。

2.1合成有機(jī)高分子絮凝劑

我國(guó)的主要品種是聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物(占整個(gè)合成高分子絮凝劑總量的80%)，但品種單一，只生產(chǎn)少量的聚丙烯酸鈉，而且聚丙烯酰胺的系列化水平低，優(yōu)質(zhì)PAM 的相對(duì)分子質(zhì)量?jī)H大于10×106，而國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的相對(duì)分子質(zhì)量大于15×106，差距很大。

我國(guó)科研工作者開(kāi)發(fā)研制了很多新型的合成有機(jī)高分子絮凝劑，例如以聚丙烯腈(PAN)和雙氰胺(DCD)為原料，合成了有機(jī)絮凝劑PANDCD，并確認(rèn)它對(duì)染料的絮凝脫色效果在酸性時(shí)最好;以?xún)刹椒ㄖ苽涑龆谆┍然@(PDMDAAC) [5]。此外還有，王雅瓊等以丙烯酰胺(AM)與甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(DM ) 合成了一種陽(yáng)離子型高分子絮凝劑，并研究了其絮凝效果;李萬(wàn)捷等還合成了具有羧基和氨甲基的兩性聚丙烯酰胺絮凝劑，適于處理pH值很低，離子含量很高的固體離子懸浮液;天津化工研究設(shè)計(jì)院合成的高效脫色絮凝劑，處理高濃度、高色度染料廢水有脫色和降低COD作用，他們還研究合成了一種相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò)15×106 萬(wàn)的高分子陰離子絮凝劑TX 209， 用于處理煉鋼廠轉(zhuǎn)爐除塵水， 使運(yùn)行成本降低了30%。

2.2 天然有機(jī)高分子改性絮凝劑

天然有機(jī)高分子改性絮凝劑包括: 淀粉、纖維素、含膠植物、多糖類(lèi)和蛋白質(zhì)等類(lèi)的衍生物。目前世界產(chǎn)量約占高分子絮凝劑總量的20%。天然有機(jī)高分子絮凝劑由于原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、無(wú)毒、易于生物降解等特點(diǎn)， 顯示了良好的應(yīng)用前景。主要可分為兩大類(lèi): 碳水化合物類(lèi)(多聚糖類(lèi))、甲殼素類(lèi)。

a) 碳水化合物類(lèi)

這類(lèi)物質(zhì)廣泛存在于植物中，包括淀粉、纖維素、木素、單寧等。由于這類(lèi)物質(zhì)含有活性集團(tuán)，如羥基、酚羥基等，表現(xiàn)出較活潑的化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)羥基的酯化、醚化、氧化、交聯(lián)、接枝、共聚等化學(xué)改性，其活性基團(tuán)大大增加，對(duì)懸浮體系的懸浮物有更強(qiáng)的捕捉與促沉作用，提高絮凝效果。巫拱生等以硫脲雙氧水為催化劑，制得玉米淀粉與丙烯酰胺接枝共聚物，可用于含Hg2+ 的造紙廢水處理。

b) 甲殼素類(lèi)。

甲殼素是自然界中含量?jī)H次于纖維素的天然有機(jī)高分子化合物，它是許多甲殼類(lèi)動(dòng)物外殼的主要成分，也存在于某些植物，如菌、藻類(lèi)的細(xì)胞壁中，質(zhì)量含量為30%～ 60%，是一種十分豐富的自然資源。殼聚糖是甲殼素脫乙酰化的產(chǎn)物，甲殼素可分為三類(lèi)(A、B、C)，以A型最為穩(wěn)定，也是自然界中較普遍的存在方式。由于這類(lèi)物質(zhì)分子中含有酰胺基及氨基、羥基，因此具有絮凝吸附等功能。作為高分子絮凝劑，它的最大優(yōu)勢(shì)是對(duì)食品加工廢水的處理，殼聚糖可使各種食品加工廢水中的固形物減少70%～ 80%。近年的研究又發(fā)現(xiàn)，它對(duì)金屬離子如Mn2+ 、Cu2+ 、Pb2+ 、Cr3+ 、Zn2+ 、Ag+ 等有很強(qiáng)的去除能力。但由于殼聚糖中游離的氨基可接受質(zhì)子和鹽，故在酸性水溶液中可溶解而流失，使其應(yīng)用受到限制，因此人們對(duì)其進(jìn)行改性。例如通過(guò)甲殼素和氯乙酸反應(yīng)引入羧甲基，同時(shí)進(jìn)行水解脫乙?；?，或利用殼聚糖中的氨基與醛基反應(yīng)生成Schiff堿，并選擇分子結(jié)構(gòu)中含有羧基的醛，制成的兩性殼聚糖可顯著提高脫色及COD去除效果。近年來(lái)甲殼素及殼聚糖的應(yīng)用研究已有相當(dāng)部分進(jìn)入了實(shí)用階段和實(shí)現(xiàn)商品化。

3.微生物絮凝劑

微生物絮凝劑是指利用生物技術(shù)， 通過(guò)微生物的發(fā)酵、抽提、精制而得到的一類(lèi)絮凝劑。微生物絮凝劑是一種無(wú)毒的生物高分子化合物，包括機(jī)能性蛋白質(zhì)和機(jī)能性多糖類(lèi)物質(zhì)，其絮凝性主要由位于染色體上和染色體外的絮凝遺傳基因決定。絮凝基因是由多個(gè)基因控制的，絮凝基因經(jīng)過(guò)修飾和校正基因的修正后，絮凝基因方可有效表達(dá)絮凝素。微生物絮凝劑可廣泛應(yīng)用于畜產(chǎn)廢水、糞尿廢水、膨脹污泥的處理、磚廠廢水和染料紙漿廢水等。目前研究得比較透徹的有醬油曲霉、擬青霉屬微生物、紅平紅球菌(原稱(chēng)紅平諾卡氏菌)等，也在開(kāi)發(fā)混合菌株產(chǎn)生的絮凝劑。生物絮凝劑易被微生物降解，克服了常規(guī)的無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑對(duì)人體有害和易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)，且具有高效、無(wú)毒、絮凝對(duì)象廣泛，脫色效果獨(dú)特等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。針對(duì)目前水處理劑技術(shù)市場(chǎng)的現(xiàn)狀，許保玖指出，微生物水處理劑的創(chuàng)制有三個(gè)層次: 一是利用現(xiàn)有的EM (effective microorganisms) 技術(shù); 二是按原水水質(zhì)和處理要求，用天然微生物種專(zhuān)門(mén)配制能進(jìn)行優(yōu)化生物處理的微生物制劑; 三是利用生物技術(shù)，為疑難的水處理問(wèn)題生產(chǎn)特效的人工細(xì)菌物種或物種群體。

4．助凝劑

在絮凝處理中，有時(shí)使用單一的絮凝劑不能取得良好的效果，往往需要投加輔助藥劑以提高絮凝效果,這種輔助藥劑稱(chēng)為助凝劑。助凝劑本身不起凝聚作用,因?yàn)樗荒芙档湍z粒的電位或起吸附架橋作用。助凝劑的作用只是提高絮凝體的強(qiáng)度,增加其重量,促進(jìn)沉降,且使產(chǎn)生的污泥有較好的脫水性能；或者用于調(diào)整pH,破壞對(duì)絮凝作用有干擾的物質(zhì)。常用的助凝劑有兩類(lèi)：一類(lèi)是用來(lái)調(diào)節(jié)或改善絮凝劑條件的助凝劑，如CaO、Ca(OH)2、NaCO3、NaHCO3等堿性物質(zhì)，用來(lái)調(diào)整pH；另一類(lèi)則是提高凝聚性、加強(qiáng)絮凝和沉降效果的助凝劑，如活性炭、膨潤(rùn)土、活化硅藻土、粉煤灰及各種黏土等。

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