絮凝劑在水處理中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

文_王瑞 許婷婷 張逸飛 南京科技職業(yè)學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院

絮凝法具有投資成本低、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于污水預(yù)處理、深度處理和微污染水源處理等方面。在絮凝處理過(guò)程中，是通過(guò)添加一定量的絮凝劑，使水中的膠體顆粒物失去穩(wěn)定狀態(tài)，在吸附、粘結(jié)、架橋等作用下，聚集形成較大的絮體，再利用沉淀或氣浮等方法去除絮體。絮凝劑按照其性質(zhì)和成分不同，通常分為無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑、微生物絮凝劑和復(fù)合類絮凝劑四種類型。其中，無(wú)機(jī)絮凝劑又分為無(wú)機(jī)低分子絮凝劑和無(wú)機(jī)高分子絮凝劑兩種類型，有機(jī)絮凝劑分為天然有機(jī)高分子絮凝劑和合成有高分子機(jī)絮凝劑兩種類型。

1 無(wú)機(jī)絮凝劑

1.1 無(wú)機(jī)低分子絮凝劑

無(wú)機(jī)低分絮凝劑是一類低分子無(wú)機(jī)鹽，主要有鋁鹽類、鐵鹽類無(wú)機(jī)低分子絮凝劑兩種類型。其中常用的鋁鹽類無(wú)機(jī)低分子絮凝劑有硫酸鋁、氯化鋁和明礬等，常用的鐵鹽類無(wú)機(jī)低分子絮凝劑有三氯化鐵水合物、硫酸亞鐵水合物和硫酸鐵等。無(wú)機(jī)低分子絮凝劑具有制備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但存在投加量大、聚集速度慢、形成的絮體小、腐蝕性強(qiáng)、處理效果差等缺陷，很難滿足當(dāng)前水處理的要求。

1.2 無(wú)機(jī)高分子絮凝劑

20 世紀(jì)60年代以來(lái)，無(wú)機(jī)高分子絮凝劑在傳統(tǒng)的鋁鹽、鐵鹽絮凝劑基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)，主要有聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁、聚合氯化鐵、聚合硫酸鐵等。與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)低分子絮凝劑相比，此類絮凝劑可提供更多的絡(luò)合離子，在增強(qiáng)網(wǎng)捕作用的同時(shí)，能較好破壞膠體穩(wěn)定性，大幅提升水處理的效果。但隨著科技的發(fā)展，研究表明，鋁鹽類絮凝劑使用后殘留在水中的鋁會(huì)誘發(fā)人體神經(jīng)系統(tǒng)病變、骨骼系統(tǒng)發(fā)育不良、腎臟和心腦血管等疾病。鐵鹽類無(wú)機(jī)絮凝劑雖對(duì)人體相對(duì)安全，但有一定的腐蝕性，易造成設(shè)備腐蝕，且殘留在水中鐵化合物的濃度若達(dá)到0.1～0.3mg/L 時(shí)，會(huì)影響水的色、嗅、味等感官性狀，使其在應(yīng)用中受到了一定的限制。近年來(lái)，對(duì)傳統(tǒng)無(wú)機(jī)高分子絮凝劑進(jìn)行改性或開(kāi)發(fā)環(huán)保型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑成了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，以期在提高絮凝效率的同時(shí)減少鋁鹽和鐵鹽類絮凝劑所帶來(lái)的危害。喻德忠等采用慢速滴堿法制備出一種新型聚合氯化鈦無(wú)機(jī)絮凝劑，研究表明，當(dāng)pH 為3 ～4，堿化度為1.5，投加量（以Ti計(jì)）為1000mg/L 時(shí)，F(xiàn)-去除率可達(dá)95%，且溫度及等共存離子對(duì)絮凝效果影響較小。

2 有機(jī)絮凝劑

2.1 合成有機(jī)高分子絮凝劑

合成有機(jī)高分子絮凝劑具有用量小、產(chǎn)泥少、絮凝能力強(qiáng)、沉淀速度快等優(yōu)點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。合成有機(jī)高分子絮凝劑按官能團(tuán)離解后所帶電性不同，可分為陽(yáng)離子型、陰離子型、非離子型和兩性離子型有機(jī)高分子絮凝劑四種類型。其中，陽(yáng)離子型合成有機(jī)高分子絮凝劑主要有聚丙烯酰胺及其衍生物、二甲基二烯丙基氯化銨的均聚物等，是目前有機(jī)高分子絮凝劑品種發(fā)展的主要方向，主要適應(yīng)于處理廢水中表面帶負(fù)電的膠體顆粒物。

陽(yáng)離子型合成有機(jī)高分子絮凝劑中使用最多的是陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，但其聚合單體丙烯酰胺卻有較強(qiáng)的神經(jīng)毒性，因此，在聚合過(guò)程如何降低單體的殘留是今后急需解決的問(wèn)題。陰離子型合成有機(jī)高分子絮凝劑主要用于加快無(wú)機(jī)質(zhì)懸浮液，特別是重金屬氫氧化物等陽(yáng)離子帶電粒子的沉降、懸浮分離。非離子型有機(jī)高分子絮凝劑主要通過(guò)借質(zhì)子化作用在水溶液中而產(chǎn)生短暫性電荷，形成的絮體小且不穩(wěn)定，主要用于加快無(wú)機(jī)懸浮液沉降，其絮凝效果較差；兩性離子型合成有機(jī)高分子絮凝劑同時(shí)具有帶陰、陽(yáng)電荷的官能團(tuán)，兼具陽(yáng)離子型和陰離子型合成有機(jī)高分子絮凝劑的綜合性能，可用于處理正負(fù)電荷顆粒共存的廢水體系，這類絮凝劑在目前在水處理領(lǐng)域應(yīng)用較少。

2.2 天然有機(jī)高分子絮凝劑

目前，常用的天然有機(jī)高分子絮凝劑主要有淀粉基絮凝劑、殼聚糖基絮凝劑、纖維素基絮凝劑絮凝等。天然有機(jī)絮凝劑具有綠色環(huán)保、無(wú)毒、價(jià)格低廉、易于生物降解等優(yōu)點(diǎn)，也存在電荷密度小、相對(duì)分子量較低、易發(fā)生生物降解而失去活性等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，可采用醚化法、脂化法、氧化法等化學(xué)方法對(duì)天然有機(jī)高分子絮凝劑進(jìn)行改性。但改性的實(shí)驗(yàn)步驟比較繁瑣，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。隨著天然有機(jī)改性絮凝劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，天然高分子改性絮凝劑以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將有著更加廣闊的發(fā)展前景。高樹生等合成了一種新型改性殼聚糖類絮凝劑（M-CTS），對(duì)比評(píng)價(jià)了M-CTS、聚鋁及陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺（CPAM）對(duì)某氣田含醇廢水的除油、除懸浮物效果，研究表明，M-CTS 的處理效果明顯優(yōu)于PAC 和CPAM。有研究人員接枝聚二烯丙基二甲基氯化銨對(duì)木薯淀粉進(jìn)行改性，在接枝率分別為1.76%、14.84%和21.98%時(shí)，對(duì)模擬高嶺土懸浮液的絮凝性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，與糊化淀粉相比，改性后的絮凝劑提高了濁度和TSS 的去除率，且濁度和TSS 的去除率均隨接枝率和用量的增加而增加。

3 微生物絮凝劑

微生物絮凝劑是一類由微生物發(fā)酵、培養(yǎng)產(chǎn)生的具有一定絮凝活性的代謝產(chǎn)物，其主要成為糖蛋白、粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和脫氧核糖核酸等高分子化合物。微生物絮凝劑具有易生物降解、絮凝效率高、安全無(wú)毒、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的絮凝劑，可廣泛應(yīng)用于給水及污、廢水的處理。盡管在水處理領(lǐng)域微生物絮凝劑有諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊，但在實(shí)際的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，微生物絮凝劑存在菌種對(duì)環(huán)境要求較高、穩(wěn)定性差、防腐保質(zhì)期短、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，一定程度上制約了其規(guī)?；瘧?yīng)用。當(dāng)前，如何開(kāi)發(fā)多種菌群協(xié)作的復(fù)合型微生物絮凝劑、降低微生物絮凝劑制備成本、絮凝機(jī)理等方面是研究的重點(diǎn)。司曉光等以產(chǎn)微生物絮凝劑的芽孢桿菌DHS-63 為出發(fā)菌株，采用常壓室溫等離子體誘變系統(tǒng)進(jìn)行誘變得到一株遺傳穩(wěn)定的突變株A265,其絮凝活性提高了12.9%，且遺傳性狀穩(wěn)定，適合放大生產(chǎn)。

4 復(fù)合絮凝劑

復(fù)合絮凝劑是指由兩種或多種絮凝劑復(fù)配所形成的高分子絮凝劑，復(fù)合絮凝劑可克服單一絮凝劑的不足，充分發(fā)揮多種絮凝劑的協(xié)同作用，產(chǎn)生顯著的增效互補(bǔ)作用，是環(huán)境友好的新一代絮凝劑。復(fù)合絮凝劑按各組分化合物類型不同，可分為無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合絮凝劑、無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑、無(wú)機(jī)/有機(jī)-微生物復(fù)合絮凝劑等類型。在多種類型的復(fù)合型絮凝劑的綜合比較中發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑可充分發(fā)揮高效的電中和作用和吸附架橋作用，能達(dá)到更好的絮凝效果，并可節(jié)約成本，是近年來(lái)高效和經(jīng)濟(jì)型絮凝劑研究的主流方向。

李敏采用聚合硫酸鐵和聚二甲基二烯丙基氯化銨合成一種復(fù)合絮凝劑，該復(fù)合絮凝劑對(duì)總磷的去除率可達(dá)98%以上，在弱酸性到中性的pH 值范圍內(nèi)有較好的除磷效果，且受不同初始總磷濃度影響較小。仝海娟等采用聚硅酸鋁鐵/羧基殼聚糖復(fù)合絮凝劑對(duì)硫化黑染料廢水進(jìn)行處理，研究表明，在轉(zhuǎn)速為50r/min，聚硅酸鋁鐵和羧基殼聚糖的質(zhì)量配比為3，廢水pH值為9.0，絮凝劑用量為60mg/L 條件下，復(fù)合絮凝劑對(duì)硫化黑染料廢水有較好的處理效果，廢水的COD、色度、濁度去除率分別為92.1%、88.6%、96.3%。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展和工業(yè)產(chǎn)品的多樣化，廢水的種類和數(shù)量日趨增多，且廢水中的污染物成分愈加復(fù)雜，采用絮凝法處理時(shí)，單一絮凝劑往往很難達(dá)到理想的處理效果。應(yīng)根據(jù)不同的廢水水質(zhì)特征，開(kāi)發(fā)針對(duì)性強(qiáng)、絮凝效果好、處理成本低、環(huán)境友好的綠色復(fù)合絮凝劑。此外，還應(yīng)進(jìn)一步深化絮凝劑的絮凝機(jī)理和使用過(guò)程智能化管理等方面研究，以提高絮凝劑的使用效率。