浅谈絮凝剂在污水处理中的应用及展望
随着我国城镇化进程的大规模推进，水资源短缺问题越发严重，能否有效的改善水环境质量，提高水资源利用率已经成为制约城镇发展的重要因素之一。城镇生活污水的资源化处理及再生利用一直以来都是人们为缓解水资源短缺问题而努力的方向之一，这其中水处理化学品起着至关重要的作用。水处理剂主要包括大类药剂产品即各类型絮凝剂、蚀阻垢剂与消毒杀生剂。目前，废水处理的方法有很多，如化学氧化法、絮凝沉淀法、生化法、吸附法、离子交换法、电渗析法等等，其中，絮凝沉淀法因其工艺简单、效率高、费用较低等优点而得到广泛应用。絮凝沉淀法的核心和关键是絮凝剂的选择，絮凝剂性质直接影响絮凝效果的好坏。按照药剂的化合物类型，絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂(OPF)、微生物絮凝剂和矿物类助凝剂四大类。
1．无机絮凝剂的研究和应用
无机絮凝剂根据相对分子质量的高低，可分为无机低分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂。无机低分子絮凝剂主要包括硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁等。无机絮凝剂的优点是比较经济、用法简单；但用量大、絮凝效果低，而且存在成本高、腐蚀性强的缺点。和无机低分子絮凝剂相比，无机高分子絮凝剂(IPF)因具有沉降速度快、用量少、效果好、使用范围广等优点，成为一类新型的水处理药剂， 它的生产和应用正在全世界迅速发展。由于这类化合物与历来的水处理药剂相比在很多方面都具有特色，因而被称为第二代无机絮凝剂。它比传统的絮凝剂效能优异，而比有机高分子絮凝剂价格低廉，现在已成功地应用在给水、工业废水以及城市污水的各种流程，逐渐成为主流絮凝剂。根据所带电荷的性质，无机高分子絮凝剂可分为阳离子型和阴离子型两大类，其中阳离子型主要包括聚合氯化铝(PAC)，聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝铁(PAFC)、聚合硅酸铝(PAsiFC)、聚合硅酸铁(PSiFC)、聚磷氯化铝(PPAC)以及聚磷硫酸铁 (PPFS)等；阴离子型主要有聚合硅酸(PSi)等。但在形态、聚合度及相应的凝聚絮凝效果方面，无机高分子絮凝剂仍不如有机高分子。它的分子量和粒度大小以及絮凝架桥能力仍比有机絮凝剂差很多，而且还存在对水解反应的不稳定性问题。这些主要弱点使得它的研究和开发正在向各种复合型无机高分子絮凝剂发展 。
2．有机高分子絮凝剂的研究和应用
有机高分子絮凝剂，也称有机聚合物或聚电解质，相对分子质量由数千至上千万不等。它含有带电的官能团或中性的官能团，溶于水中而具有电解质的行为。因此，按照它们的来源，有机高分子絮凝剂可分为合成有机高分子絮凝剂和天然有机高分子絮凝剂两类。
2．1 合成有机高分子絮凝剂
我国的主要品种是聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物(占整个合成高分子絮凝剂总量的80％)，但品种单一，只生产少量的聚丙烯酸钠，而且聚丙烯酰胺的系列化水平低，优质PAM 的相对分子质量仅大干10×106，而国外同类产品的相对分子质量大于15×106，差距很大。
我国科研工作者开发研制了很多新型的合成有机高分子絮凝剂，例如以聚丙烯腈(PAN)和双氰胺(DCD)为原料，合成了有机絮凝剂PANDCD，并确认它对染料的絮凝脱色效果在酸性时最好；以两步法制备出二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC) 。此外还有，王雅琼等以丙烯酰胺(AM)与甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(DM)合成了一种阳离子型高分子絮凝剂，并研究了其絮凝效果；李万捷等还合成了具有羧基和氨甲基的两性聚丙烯酰胺絮凝剂，适于处理pH值很低，离子含量很高的固体离子悬浮液；天津化工研究设计院合成的高效脱色絮凝剂，处理高浓度、高色度染料废水有脱色和降低COD作用，他们还研究合成了一种相对分子质量超过15×106万的高分子阴离子絮凝剂 TX209，用于处理炼钢厂转炉除尘水，使运行成本降低了30％。
2．2天然有机高分子改性絮凝剂
天然有机高分子改性絮凝剂包括： 淀粉、纤维素、含胶植物、多糖类和蛋白质等类的衍生物。目前世界产量约占高分子絮凝剂总量的20％。天然有机高分子絮凝剂由于原料来源广泛、价格低廉、无毒、易于生物降解等特点， 显示了良好的应用前景。主要可分为两大类： 碳水化合物类(多聚糖类)、甲壳素类。
a)碳水化合物类
这类物质广泛存在于植物中，包括淀粉、纤维素、木素、单宁等。由于这类物质含有活性集团，如羟基、酚羟基等，表现出较活泼的化学性质，通过羟基的酯化、醚化、氧化、交联、接枝、共聚等化学改性，其活性基团大大增加，对悬浮体系的悬浮物有更强的捕捉与促沉作用，提高絮凝效果。巫拱生等以硫脲双氧水为催化剂，制得玉米淀粉与丙烯酰胺接枝共聚物，可用于含Hg 的造纸废水处理。
b)甲壳素类。
甲壳素是自然界中含量仅次于纤维素的天然有机高分子化合物，它是许多甲壳类动物外壳的主要成分，也存在于某些植物，如菌、藻类的细胞壁中，质量含量为 30％～60％，是一种十分丰富的自然资源。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化的产物， 甲壳素可分为三类(A、B、C)，以A 型最为稳定，也是自然界中较普遍的存在方式。由于这类物质分子中含有酰胺基及氨基、羟基，因此具有絮凝吸附等功能。作为高分子絮凝剂，它的最大优势是对食品加工废水的处理，壳聚糖可使各种食品加工废水中的固形物减少70％～ 80％。近年的研究又发现，它对金属离子如 Mn2+ Cu2+ 、Pb2+ 、Cr3+、 Zn抖2+ 、Ag+ 等有很强的去除能力。但由于壳聚糖中游离的氨基可接受质子和盐，故在酸性水溶液中可溶解而流失，使其应用受到限制，因此人们对其进行改性。例如通过甲壳素和氯乙酸反应引入羧甲基，同时进行水解脱乙酰基，或利用壳聚糖中的氨基与醛基反应生成Schif碱，并选择分子结构中含有羧基的醛，制成的两性壳聚糖可显著提高脱色及COD去除效果。近年来甲壳素及壳聚糖的应用研究已有相当部分进入了实用阶段和实现商品化。
3．微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是指利用生物技术， 通过微生物的发酵、抽提、精制而得到的一类絮凝剂。微生物絮凝剂是一种无毒的生物高分子化合物，包括机能性蛋白质和机能性多糖类物质，其絮凝性主要由位于染色体上和染色体外的絮凝遗传基因决定。絮凝基因是由多个基因控制的，絮凝基因经过修饰和校正基因的修正后，絮凝基因方可有效表达絮凝素。微生物絮凝剂可广泛应用于畜产废水、粪尿废水、膨胀污泥的处理、砖厂废水和染料纸浆废水等。目前研究得比较透彻的有酱油曲霉、拟青霉属微生物、红平红球菌(原称红平诺卡氏菌)等，也在开发混合菌株产生的絮凝剂。生物絮凝剂易被微生物降解，克服了常规的无机絮凝剂和有机絮凝剂对人体有害和易产生二次污染等缺点，且具有高效、无毒、絮凝对象广泛，脱色效果独特等优点，因而具有广泛的应用前景。针对目前水处理剂技术市场的现状，许保玖指出，微生物水处理剂的创制有三个层次： 一是利用现有的EM (effective microorganisms)技术； 二是按原水水质和处理要求，用天然微生物种专门配制能进行优化生物处理的微生物制剂；三是利用生物技术，为疑难的水处理问题生产特效的人工细菌物种或物种群体。
4．助凝剂
在絮凝处理中，有时使用单一的絮凝剂不能取得良好的效果，往往需要投加辅助药剂以提高絮凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。助凝剂本身不起凝聚作用，因为它不能降低胶粒的电位或起吸附架桥作用。助凝剂的作用只是提高絮凝体的强度，增加其重量，促进沉降，且使产生的污泥有较好的脱水性能；或者用于调整pH，破坏对絮凝作用有干扰的物质。常用的助凝剂有两类：一类是用来调节或改善絮凝剂条件的助凝剂，~nCaO、Ca(OH)2、 NaCO 、NailCO 等碱性物质，用来调整pH； 另一类则是提高凝聚性、加强絮凝和沉降效果的助凝剂，如活性炭、膨润土、活化硅藻土、粉煤灰及各种黏土等 。
5．结论
近年来，随着水处理工艺的日益复杂和更新，对絮凝剂的要求也逐步提高。与之相适应的絮凝剂的发展也逐步由无机向有机化、低分子化向高分子化、单一型向复合型、合成型向天然微生物型转化，终端产品也逐渐多样化、专门化和环保化。在这其中，新型可生物降解的微生物絮凝剂和天然改型高分子絮凝剂，由于其优良的絮凝沉降性能和绿色环保特点，已逐步成为水处理剂研究的主要方向，并有望在不久的将来取代现有广泛使用的絮凝剂，从而根本上解决絮凝剂对环境的二次污染 。
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