水处理絮凝剂的开发与应用
【摘要】本文从絮凝剂的原理、特点及应用现状对常用水处理絮凝剂进行了对比分析，并对今后水处理絮凝剂的研究方向和应用前景进行了展望。
【关键词】絮凝剂；水处理；絮凝机理
0.引言
絮凝沉降法依靠絮凝剂使溶液中的溶质、胶体或悬浮物颗粒凝聚为大的絮凝体，从而实现固液分离，由于其经济高效的特点，目前已广泛用于饮用水处理、废水处理、食品、化工、环保、发酵工业等诸多领域。围绕絮凝剂的开发，人们对絮凝机理作了大量深入的研究，先后提出了胶体化学理论，电中和吸附凝聚、吸附架桥理论以及微涡旋混凝动力学理论，高分子絮凝剂及其理论等。随着界面电位计算体系和表面络合模式的发展，人们开始把表面络合、表面沉淀概念和定量计算方法引入絮凝机理研究之中[1]。本文介绍了目前国内外常用的水处理絮凝剂，通过对其各自絮凝机理、特点和应用现状进行分析，从而得出今后絮凝剂的研究方向和发展前景。
1.絮凝剂的机理和特点分析
目前普遍应用的絮凝剂包括无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂、微生物絮凝剂及复合型絮凝剂等几大类，由于其特点、造价、絮凝机理等方面均有不同，所以它们具有不同的应用环境。
1.1无机絮凝剂
无机絮凝剂也称凝聚剂，由于它不但具有良好的凝聚效果和脱色能力，而且操作简便，所以它被广泛应用于饮用水、工业水的净化处理、地下水以及废水淤泥的脱水处理中。无机絮凝剂经历了从单一品种到多品种，从低分子的铝(铁)盐到高分子的聚合铝(铁)，从单一的聚合铝(铁)向多元的聚合铝铁的发展过程。以相对分子量为划分依据，无机絮凝剂又可分为低分子体系和高分子体系两大类。
1.1.1无机低分子絮凝剂
传统的无机絮凝剂为低分子的铝盐和铁盐，其作用机理主要是双电层吸附。铝盐中主要有硫酸铝、明矾、铝酸钠；铁盐主要有三氯化铁、硫酸亚铁和硫酸铁等。其中硫酸铝絮凝效果较好，使用方便，但当水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体较松散，效果不及铁盐。三氯化铁是另一种常用的无机低分子絮凝剂，具有易溶于水、形成大而中的絮体、沉降性能好、对温度、水质和pH的适应范围广等优点，但其腐蚀性较强，且有刺激性气味，操作条件差。因此，尽管无机低分子絮凝剂经济、用法简单，但由于其在水处理过程中存在的用量大、残渣多、有异味等诸多问题，已逐渐被无机高分子絮凝剂所取代。
1.1.2无机高分子絮凝剂
近年来高分子絮凝剂的发展趋势主要是向聚合铝、聚合铁、聚合硅及各种复合型絮凝剂方向发展，并已逐步形成系列，其中阳离子型的有聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合磷酸铝(PAP)、聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铁(PFC)、聚合磷酸铁(PFP)等；阴离子型的有活化硅酸(AS)、聚合硅酸(PS)；无机复合型的有聚合氯化铝铁(PAFC)、聚硅酸硫酸铁(PFSS)、聚硅酸硫酸铝(PFSC)、聚合氯硫酸铁(PFCS)、聚合硅酸铝(PASI)、聚合硅酸铁(PFSI)、聚合磷酸铝铁(PAFP)、硅钙复合型聚合氯化铁(SC-PAFC)等。无机高分子絮凝剂由于絮凝效果好、价格相对较低，现已逐步成为主流絮凝药剂。目前，日本、俄罗斯、西欧生产已达到工业化和规模化，流程控制自动化，产品质量稳定。
1.2有机高分子絮凝剂
有机高分子絮凝剂是20世纪60年代开始使用的第二代絮凝剂。与无机高分子絮凝剂相比，有机高分子絮凝剂具有用量少，絮凝速度快，受共存盐类、污水pH值及温度影响小，生成污泥量少，节约用水，并且容易处理等优点，因而有着广阔的应用前景。有机高分子絮凝剂主要是通过吸附作用将水体中的胶粒吸附到絮凝剂分子链上，形成絮凝体。它的絮凝效果受其分子量大小、电荷密度、投加量、混合时间和絮凝体稳定性等因素的影响。目前有机高分子絮凝剂主要分为合成有机高分子絮凝剂和天然改性高分子絮凝剂两大类。
1.2.1合成有机高分子絮凝剂
合成有机高分子絮凝剂以聚乙烯、聚丙烯类聚合物及其共聚物为主，尤其聚丙烯酰胺(PAM)的应用最多，占有机高分子絮凝剂的80%左右。聚丙烯酰胺有非离子型、阳离子型和阴离子型三种，它们的分子量均在50～600万之间，其中最多为季胺盐类，但这类絮凝剂存在着一定量的残余单体丙烯酰胺，不可避免地带来了毒性，因而使其应用受到了限制。
1.2.2天然改性高分子絮凝剂
天然高分子物质具有分子量分布广、活性基团点多、结构多样化等特点，易于制成性能优良的絮凝剂，但由于其电荷量密度较小，分子量较低，且易发生生物降解而失去其絮凝活性，所以天然高分子絮凝剂的使用远小于合成的有机高分子絮凝剂。针对天然高分子絮凝剂的不足对其进行经改性后，可使它具有选择性大、无毒、价廉等显著特点。改性后的天然高分子絮凝剂按原料来源的不同，可分为淀粉衍生物、纤维素衍生物、植物胶改性产物、多糖类及蛋白质改性产物等几大类。在众多天然改性高分子絮凝剂中，淀粉来源广，价格低廉，产物完全可被生物降解，可在自然界中形成良性循环；另外，来源于甲壳类动物、昆虫的外骨骼的主要成分的天然有机高分子化合物甲壳素也被用于絮凝剂的开发，对其进行分子改造，脱除其乙酰基，得到壳聚糖，就形成了一种很好的阳离子絮凝剂。由于这类物质分子中均含有酰胺基及氨基、羟基，因此具有絮凝、吸附等功能，不仅对重金属有鳌合吸附作用[2]，还可有效地吸附水中带负电荷的微细颗粒。
1.3微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是通过发酵、提取、纯化而获得的一种安全、高效、无毒、无二次污染、能自行降解、使用范围广的新一代絮凝剂[3]。微生物絮凝剂主要有微生物细胞和微生物细胞分泌产物两种。微生物产生的絮凝剂物质为多糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素、DNA等高分子化合物，分子量多在105Da以上。微生物絮凝剂功能的发挥与其结构密切相关，如线性结构利于吸咐胶体颗粒形成大的絮块，而交联和支链结构会因空间位阻使吸咐效率降低。同时，分子量越大则分子链就越长，所带电荷和活性吸附部位就越多，架桥效应、电中和效应和卷扫效应就越显著，絮凝越彻底；但分子量过大，分子链必然会因过长而折叠，反而会影响胶粒的靠近，削弱絮凝效果[4]。影响微生物絮凝剂絮凝能力的因素很多，主要包括温度、pH值、金属离子、絮凝剂浓度等。
由于微生物絮凝剂可以克服无机和有机高分子絮凝剂使用成本高，絮凝效果低，存在二次污染且对人体有害等缺陷，因此，作为一种新型水处理剂，微生物絮凝剂的研究正成为当今世界天然可降解生物絮凝制品研究的热门领域。
1.4复合型絮凝剂
复合型絮凝剂是一种新型高效环保型复合式水处理剂，它改变了水处理领域传统的单一处理方式，降低成本和对环境的影响。近年来研究人员发现在处理废水等复杂、稳定的分散体系时，复合絮凝剂表现出优于单一絮凝剂的效果。
从化学组成上来看，复合型处理剂可分为无机有机复合絮凝剂和微生物无机复合型絮凝剂两大类。无机有机复合絮凝剂具有适应范围广，pH值适应性大，对低浓度或高浓度水质、有色废水、多种工业废水都有良好的净水效果，而且污泥脱水性好等特点。复合型絮凝剂的复配机理主要与协同作用有关：一方面污水杂质为无机絮凝剂所吸附，发生电中和作用而凝聚;另一方面又通过有机高分子的桥连作用，吸附在有机高分子的活性基团上，从而网捕其它的杂质颗粒一同下沉，起到优于单一絮凝剂的絮凝效果。目前国内相关的技术有高聚合硅酸铁处理剂、聚合硫酸铁硅处理剂以及复合型聚铁处理剂等[5]。
2．常用絮凝剂的比较
通过上述常用絮凝剂的基本原理和特点进行分析，对比其各自的优缺点，可总结得出以下几点：
2．1无机絮凝剂在使用过程中存在投加量大、产生的污泥量大、絮体较松散、含水率很高、污泥脱水困难、残留在水中的铝离子会导致二次污染、铁离子会对设备有腐蚀作用、运行费用高等诸多缺点，从而制约了其发展。
2．2无机高分子和合成有机高分子絮凝剂在使用过程中因投加量少，形成的絮体大、强度大、不易破碎、不增加泥量、降低了热值、无腐蚀性，所以在污水处理中一直发挥着极其重要的作用。但是由于这种絮凝剂一般均难降解，有些还具有一定的毒副作用，产生的污泥体积庞大且废渣含水率高，价格也相对较贵，因此目前其研究开发热点在于如何优化性能，克服缺点。
2．3复合型絮凝剂克服了无机和有机高分子絮凝剂在水处理过程中需要分步加入、工艺繁琐、设备投资大、成本相应偏高的缺点，而且兼具无机和有机高分子絮凝剂的优点，所以它的适用范围广泛，尤其对低浓度或高浓度水质、有色废水、多种工业废水都有良好的净水效果。
2．4微生物絮凝剂无二次污染，具有使用安全、方便、絮凝效果良好以及独特的脱色效果，适用范围广、絮凝活性高、易于生物降解等优点，属于绿色环保产品。但是微生物絮凝剂原材料价格过高，絮凝剂产量低，所以目前还没有大规模的实现工业生产和应用。
3.展望
絮凝剂的发展已由无机向有机化、低分子向高分子化、单一向复合型转化转变，絮凝剂产品也逐渐多样化、专门化、环保化，但追求高效、廉价、环保始终是絮凝剂研制的目标，所以复合絮凝剂和微生物絮凝剂的研制开发已成为当前絮凝剂的一个重点发展方向，特别是微生物絮凝剂开发研究已成为当今絮凝剂研究的热点，有取代传统絮凝剂的趋势。目前国内外已经选育出不少优良菌株，虽然还没有实际生产中得到推广应用，但是随着混合菌培养技术、基因工程技术、生物投菌法、固定化生物强化技术、生物流化床等新技术、新工艺的投入，微生物絮凝剂的发展将进入一个新的历史阶段。
【参考文献】
［1］石常省，谢广元，吴玲.絮凝剂在压滤脱水中的作用[J].选煤技术，2003，(3):19-21.
［2］MilotGE.Molybdate Sorptionby Cross Linked Chitsanbeadsdynamic studies[J].Wat EnvionRes.1999.71(1):1021-1027.
［3］马放，杨基先等.环境生物制剂的开发与应用[M].北京:化学工业出版社.2004．
［4］陶涛，卢秀青等.微生物絮凝剂研究与应用进展[J].环境科学进展，1999，7(6):21-22.
［5］李灿华.用冶金渣制备聚硅硫酸铁的研究[J].广化工，2006，24(1):27-29.作者简介：岳巍，男，给排水专业，包头市供水总公司管网修建公司，工程师。
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