水处理絮凝剂的应用研究进展

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：书籍是人类进步的阶梯。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水处理絮凝剂的应用研究进展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

絮凝沉降法是一种很有效的净化污染水体的方法，作者对无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂在废水处理等领域中的应用情况进行了综述。概略评述了各类絮凝剂国内外的研究现状及其进展，分析了各类絮凝剂的优缺点。通过比较几种絮凝剂的特点，对其存在问题和发展趋势进行了展望。
近年来，随着人们对水处理认识的不断提高，如何减少二次污染的问题已经引起越来越高的重视。水处理的方法有多种，如吸附、化学氧化、电渗析、生化和离子交换等，而其中絮凝沉淀法是一种较为有效且成本较低的预处理方法。絮凝沉淀法就是向水中投加絮凝剂，使水中的悬浮颗粒和胶体絮凝成较大的悬浮颗粒，以便从水中分离出来达到净化水质的目的。絮凝法作为一种简便、高效、投资省的水处理方法，日益显示出其无与伦比的魅力，得到越来越多的重视。絮凝剂的种类繁多，按化学成分不同可以分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂。
1 无机絮凝剂
无机絮凝剂主要包括金属盐类絮凝剂、单一型无机絮凝剂和复合型无机絮凝剂。目前应用和研究较多的是无机高分子絮凝剂。
1.1 金属盐类絮凝剂
金属盐类絮凝剂即无机低分子絮凝剂，也称凝聚剂，广泛应用于饮用水、工业水的净化处理及地下水、废水淤泥的脱水处理等，对水中的悬浮颗粒和溶解性有机物质都体现出了很好的去除效果。它的优点是较经济、用法简单，但用量大，絮凝效果比高分子絮凝剂的絮凝效果低。金属盐类絮凝剂的作用机理主要是双电层吸附机理，主要有两类：
(1)铝盐：常用的铝盐有硫酸铝Al2(SO4)3.18H2O、明矾Al2(SO4)3.K2SO4.24H2O等；
(2)铁盐：常用的铁盐有三氯化铁水合物FeCl3.6H2O、硫酸亚铁水合物FeSO4.7H2O和硫酸铁Fe2(SO4)3等。
1.2 单一型无机絮凝剂
1.2.1 聚合铝盐和聚合铁盐
聚合铝盐和聚合铁盐是普遍使用的无机高分子絮凝剂，主要有聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合氯化铁(PFC)和聚合硫酸铁(PFS)等。PAC是一种优良的无机高分子絮凝剂，我国于20世纪70年代初开始研究，PAC较之传统絮凝剂硫酸铝、三氯化铁等具有用量少、沉淀快和净水性能好等优点，比传统低分子絮凝剂用量少1/3～1/2，成本低40%以上，且处理前后水的pH值变化小，对水处理设备腐蚀小，因而适用范围广。它用于低温低浊度水、高浊度水、有色水和工业污水，均能得到良好的絮凝效果。但它的缺点是生产受原料限制、条件难以控制、生产过程长和很难得到聚集能力(聚合度)相同的产品。聚合硫酸铁具有絮凝体形成速度快、絮团密实、沉降速度快和适用水体的pH范围广等特性，处理工业废水和生活污水时，对COD、色度和硫化物的去除率高，但它的缺点是对设备腐蚀性大，投资多，处理后水质不稳定。
1.2.2 聚硅酸絮凝剂
聚硅酸是从20世纪30年代后期开始作为助凝剂在水处理技术中得到应用的。根据电子显微镜观察，聚硅酸是四面体状的高分子聚合物，可以发展成为带支链、环状或网状的三维立体结构聚合物，最终形成硅酸凝胶。聚硅酸的絮凝效果是依靠表面羟基的氢键作用吸附许多其它分子，并且硅酸在聚合过程中，随着分子量的不断增加并联成网状，吸附架桥能力增强，聚合度增大，混凝处理效果也加强，最终形成的矾花大而易于沉降[9-10]。高宝玉等通过微电泳技术研究聚硅酸胶粒表面的电荷情况，表明聚硅酸胶粒表面带负电荷，属阴离子型，对水溶液中的阳离子有较好的混凝作用，然而水中的胶体表面一般是带负电荷，所以胶体的电中和作用较弱，因此对胶粒作用是通过吸附架桥来完成的。聚硅酸最大的缺点是具有强烈的缩聚作用，在储存时易析出硅胶而失去絮凝性能，只能现用现配，应用和推广受到了限制。
1.3 复合型无机絮凝剂
复合型无机絮凝剂是在普通无机高分子絮凝剂中引入其它活性离子，以提高药剂的电中和能力，诸如聚铝、聚铁、聚活性硅胶及其改性产品。近年来，研制和应用聚合铝、铁、硅及各种复合型絮凝剂成为热点，无机高分子絮凝剂的品种已逐步形成系列，见表1。

1.3.1 单一型无机高分子絮凝剂的改性产品
为了达到更好的絮凝效果，科研人员对聚合氯化铝和聚合硫酸铁这种单一型无机高分子絮凝剂进行改性。吴早春等利用磷酸根对聚合铝的增聚作用，制成聚磷氯化铝(PPAC)，处理含油废水、有机废水时，Cr3+去除率>90%，COD去除率>80%，与PAC相比，投药量少、沉淀快、矾花大。
1.3.2 聚硅酸金属盐类絮凝剂
聚硅酸金属盐类絮凝剂是一种新型复合无机高分子絮凝剂，是在聚硅酸(即活化硅酸)及传统的铝盐、铁盐等絮凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与金属盐的复合产物，代表了无机高分子絮凝剂的发展趋势。根据其所加金属离子的主要成分不同可分为聚硅酸铝盐、聚硅酸铁盐和含多种金属的聚硅酸盐。
1.3.2.1 聚硅酸铝盐
聚硅酸铝盐絮凝剂是发展较早的一种聚硅酸盐类絮凝剂，具有吸附架桥和电中和作用。20世纪80年代，加拿大汉迪化学公司首先成功研制出聚硅酸硫酸铝。
1.3.2.2 聚硅酸铁盐
聚硅酸铁盐的研制国外开始于20世纪90年代，日本研究较多，且均以专利的形式报道。同聚硅酸铝盐相比，具有沉渣量少，凝聚沉降速度快，pH使用范围广，安全无毒等优点。
1.3.2.3 聚硅酸铝铁盐
铝盐絮凝剂的特点是形成的絮体大、有较好的脱色作用，但絮体松散易碎、沉降速度慢；铁盐絮凝剂的特点是形成的絮体密实、沉降速度快，但絮体较小、卷扫作用差，处理后水的色度较深。在聚硅酸中同时引入Al 3+、Fe3+2种金属离子，制成的聚硅酸铝铁絮凝剂，不仅具有吸附架桥和电中和作用，而且兼具铝、铁絮凝剂各自的优点，减弱彼此的弱点。裘兆蓉等研制的聚硅酸铝铁Q6a和Q6b对染整工业排放的靛蓝废水的絮凝性能优于聚合氯化铝，更优于聚硅酸铁，废水经絮凝处理后透光率达到99%。
2.有机絮凝剂
有机絮凝剂用于污水处理始于20世纪50年代末，由于分子上的链节与水中胶体微粒有极强的吸附作用，絮凝架桥能力较强，因此絮凝性能优异。有机高分子絮凝剂大致分为天然高分子絮凝剂和合成高分子絮凝剂，合成有机高分子絮凝剂根据分子结构中亲水基团、吸附基团、带点基团的种类不同可分为非离子型、阴离子型、阳离子型和两性型。阴离子型聚合物可带—COO—、—NH—、—OH、—SO3—等亲水基团，并具有链状、环状等多种结构，对负电胶体有较强的吸附作用，有利于污染物进入絮体[15-16]。在实际应用中，由于胶体和悬浮颗粒多带负电荷，常使用阳离子中和颗粒所带电荷，所以，国内外对合成有机高分子絮凝剂逐步向阳离子型高分子絮凝剂转化，主要是季胺盐类、聚胺盐类和聚丙烯酰胺[17-19]。曹建苹等合成的阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂在处理污泥脱水时具有良好的絮凝效果。我国研究和应用最多的是季铵盐类。
3.微生物絮凝剂
微生物絮凝剂(MBF)是利用生物技术，通过生物发酵、抽提、精制而得到的一种具有生物分解性和安全性的新型、无毒、高效、廉价的水处理剂。其主要活性成分是具有两性的聚电解质蛋白质、纤维素和DNA等。微生物絮凝剂主要包括利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂、利用微生物细胞壁代谢产物的絮凝剂、直接利用微生物细胞的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂[22-23]。目前研究得比较彻底的有酱油曲霉、红平红球菌(原称红平诺卡式菌)、拟青霉素微生物等。1986年，Ryuichiro Kurane等利用红平红球菌(Rhodococcuserythropolis)成功研制出息生物絮凝剂NOC-1，对大肠杆菌、酵母、粉煤灰水、纸浆废水、膨胀污泥等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的最好的微生物絮凝剂。微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，且具有无毒、高效、絮凝对象广泛和脱色效果独特等优点，因而具有广泛的应用前景。
4.几种絮凝剂分析比较
无机絮凝剂价格便宜，主要有铝盐和铁盐两大体系，铝盐絮凝剂处理污水所产生的污泥作为肥料应用于农业时，使土壤中铝含量升高从而出现铝害，另外也不利于人的健康，由于Al 3+的摄入，引起铝性贫血、铝性胃病和铝性脑病，目前日益增多的老年痴呆症即是铝性脑病的一种。铁盐絮凝剂不仅有很强的腐蚀性，限制了所用设备，而且容易残留铁离子，被处理后的水带有颜色，影响水质。有机高分子絮凝剂絮凝速度快、用量少、浮渣产量少，但残留物不易被生物降解，大多数有机高分子絮凝剂本身或其水解、降解有毒，且合成用的丙烯酰胺单体具有“三致"效应(致崎、致癌、致突变)，很多国家都限制其使用量。微生物絮凝剂因其具有无毒、高效、用途广泛等特点而备受人们关注，被称为第3代絮凝剂，然而，微生物絮凝剂产生菌的培养通常以淀粉、葡萄糖、半乳糖等作为有机碳源，以酵母浸出汁、蛋白胨、牛肉膏等作为有机氮源，导致微生物絮凝剂高昂的生产成本[25-26]，大大限制了其推广和应用，目前，微生物絮凝剂绝大多数处于实验室研究阶段。
5.结束语
纵观絮凝剂的现状可以看出，絮凝剂品种繁多，从低分子到高分子，从单一型到复合型，从无机到有机及微生物，总的趋势是向廉价实用、无毒高效的方向发展。在理论和实践的双重驱动下，无毒、安全、高效的微生物絮凝剂大有取代传统絮凝剂的趋势，此外，无机和有机高分子复合絮凝剂也因综合了无机和有机的优点在国内外广泛开展研究，已经成为目前絮凝剂研究的热点。