架桥助剂(什么是絮凝剂、助凝剂、调理剂？三者有什么关系？)

Posted 2023-05-29

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架桥助剂(什么是絮凝剂、助凝剂、调理剂？三者有什么关系？)

一、什么是絮凝剂、助凝剂、调理剂？

污泥压滤处理中根据用途的不同，可以将这些药剂分为以下几种：

1、絮凝剂：有时又称为混凝剂，可作为强化固液分离的手段，用于初沉池、二沉池、浮选池及三级处理或深度处理工艺环节。

2、助凝剂：辅助絮凝剂发挥作用，加强混凝效果。

3、调理剂：又称为脱水剂，用于对脱水前剩余污泥的调理，其品种包括上述的部分絮凝剂和助凝剂。

二、絮凝剂

絮凝剂是能够降低或消除水中分散微粒的沉淀稳定性和聚合稳定性，使分散微粒凝聚、絮凝成聚集体而除去的一类物质。

按照化学成分，絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂。

1、无机絮凝剂

传统应用的无机絮凝剂为低分子的铝盐和铁盐，铝盐主要有硫酸铝(AL2(SO4)3∙18H2O)、明矾(AL2(SO4)3∙K2SO4∙24H2O)、铝酸钠(NaALO3)，铁盐主要有三氯化铁(FeCL3∙6H20)、硫酸亚铁(FeSO4∙6H20)和硫酸铁(Fe2(SO4)3∙2H20)。

一般来讲，无机絮凝剂具有原料易得，制备简便、价格便宜、处理效果适中等特点，因而在水处理中应用较多。

1）硫酸铝

市售硫酸铝有固、液两种形态，固态的又按其中不溶物的含量分为精制和粗制两种，我国民间常用于饮用水净化的固态产品明矾，就是硫酸铝与硫酸钾的复盐，但在工业水及废水处理中应用不多。

硫酸铝适用的pH值范围与原水的硬度有关，处理软水时，适宜pH值为5～6.6，处理中硬水时，适宜pH值为6.6～7.2，处理高硬水，适宜pH值为7.2～7.8。硫酸铝适用的水温范围是20oC～40oC，低于10oC时混凝效果很差。硫酸铝的腐蚀性较小、使用方便，但水解反应慢，需要消耗一定的碱量。

2）三氯化铁

三氯化铁是另一种常用的无机低分子凝聚剂，产品有固体的黑褐色结晶体，也有较高浓度的液体。其具有易溶于水，矾花大而重，沉淀性能好，对温度、水质及pH的适应范围宽等优点。

三氯化铁的适用pH值范围是9～11，形成的絮体密度大，容易沉淀，低温或高浊度时效果仍很好。固体三氯化铁具有强烈的吸水性，腐蚀性较强，易腐蚀设备，对溶解和投加设备的防腐要求较高，具有刺激性气味，操作条件较差。

三氯化铁的作用机理是利用三价铁离子逐级水解生成的各种羟基铁离子来实现对水中杂质颗粒的絮凝，而羟基铁离子的形成需要利用水中大量的羟基，因此使用过程中会消耗大量的碱，当原水碱度不够时，需要补充石灰等碱源。

硫酸亚铁俗称绿矾，形成絮凝体快而稳定，沉淀时间短，适用于碱度高、浊度大的情况，但色度不易除净，腐蚀性也较强。

2、无机高分子絮凝剂

1）无机高分子絮凝剂的特点

Al(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)的羟基和氧基聚合物都会进一步结合为聚集体，在一定条件下保持在水溶液中，其粒度大致在纳米级范围，以此发挥凝聚—絮凝作用会得到低投加量高效果的结果。

若比较它们的反应聚合速度，铝聚合物的反应较缓和，形态较稳定，铁的水解聚合物则反应迅速，容易失去稳定而发生沉淀。

无机高分子絮凝剂的优点反映在它比传统絮凝剂如硫酸铝、氯化铁的效能更优异，而比有机高分子絮凝剂价格低廉。现在PAC成功地应用在给水、工业废水以及城市污水的各种处理流程，包括预处理、中间处理和深度处理中，逐渐成为主流絮凝剂。但是，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处于传统金属盐絮凝剂与有机高分子絮凝剂之间的位置。

2）聚合氯化铝PAC

聚合氯化铝，简称PAC，化学式为ALn(OH)mCL3n-m。PAC是一种多价电解质，能显著地降低水中粘土类杂质(多带负电荷)的胶体电荷。由于相对分子质量大，吸附能力强，形成的絮凝体较大，絮凝沉淀性能优于其他絮凝剂。

PAC聚合度较高，投加后快速搅拌，可以大大缩短絮凝体形成时间。PAC受水温影响较小，低水温时使用效果也很好。它对水的pH值降低较少，适用的pH范围宽(可在pH=5～9范围内使用)，故可不投加碱剂。PAC的投加量少，产泥量也少，且使用、管理、操作都较方便，对设备、管道等腐蚀性也小。因此，PAC在水处理领域有逐步替代硫酸铝的趋势，其缺点是价格较传统絮凝剂高。

另外，从溶液化学的角度看，PAC是铝盐水解—聚合—沉淀反应过程的动力学中间产物，热力学上是不稳定的，一般液体PAC产品均应较短时间内使用，（固体产品性能稳定，则可较长期保存）。添加某些无机盐(如CaCl2、MnCl2等)或高分子(如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等)可提高PAC的稳定性，同时可增加凝聚能力。

从生产工艺讲，在PAC的制造过程中引入一种或几种不同的阴离子(如SO42-、PO43-等)，利用增聚作用可以在一定程度上改变聚合物的结构和形态分布，进而提高PAC的稳定性和功效;如果在PAC的制造过程中引入其它阳离子组分，如Fe3+，使Al3+和Fe3+交错水解聚合，可制得复合絮凝剂聚合铝铁。

3、有机高分子絮凝剂

1）有机高分子絮凝剂的特点

人工合成有机高分子絮凝剂多为聚丙烯、聚乙烯物质，如聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺等。这些絮凝剂都是水溶性的线型高分子物质，每个大分子由许多包含带电基团的重复单元组成，因而也称为聚电解质。包含带正电基团的为阳离子型聚电解质，包含带负电基团的为阴离子型聚电解质，既不含带正电基团又不含带负电基团，称之为非离子型聚电解质。

目前使用较多的高分子絮凝剂是阴离子型，它们对水中负电胶体杂质只能发挥助凝作用。往往不能单独使用，而是配合铝盐、铁盐使用。阳离子型絮凝剂能同时发挥凝聚和絮凝作用而单独使用，故得到较快发展。

我国当前使用较多的是聚丙烯酰胺类非离子型高聚物，常与铁、铝盐合用。利用铁、铝盐对胶体微粒的电性中和作用和高分子絮凝剂优异的絮凝功能，从而得到满意的处理效果。聚丙烯酰胺在使用中具有投量少，凝聚速度快，絮凝体粒大强韧的特点。我国目前生产的人工合成有机高分子絮凝剂中80%是这种产品。

2）聚丙烯酰胺类絮凝剂

聚丙烯酰胺PAM是一种目前应用最广泛的人工合成有机高分子絮凝剂，有时也被用作助凝剂。聚丙烯酰胺的生产原料是聚丙烯腈CH2=CHCN，在一定条件下，丙烯腈水解生成丙烯酰胺，丙烯酰胺再通过悬浮聚合得到聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺属于水溶性树脂，产品有粒状固体和一定浓度的粘稠水溶液两种。

聚丙烯酰胺在水的实际存在形态是无规线团，由于无规线团具有一定的粒径尺寸，其表面又有一些酰胺基团，因此能够起到相应的架桥和吸附能力，即具有一定的絮凝能力。

但由于聚丙烯酰胺长链卷曲成线团，使其架桥范围较小，两个酰胺基缔结后，相当于作用相互抵消而丧失两个吸附位，再加上部分酰胺基卷藏在线团结构的内部，不能与水中的杂质颗粒相接触和吸附，所以其拥有的吸附能力不能充分发挥。

为了使缔结在一起的酰胺基再次分开、内藏的酰胺基也能暴露在外表，人们设法将无规线团适当延伸展开，甚至设法在长分子链上增加一些带有阳离子或阴离子的基团，同时提高吸附架桥能力和电中和压缩双电层的作用。这样一来，在PAM的基础上又衍生出一系列性质各异的聚丙烯酰胺类絮凝剂或助凝剂。

三、助凝剂

在废水的混凝处理中，有时使用单一的絮凝剂不能取得良好的混凝效果，往往需要投加某些辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。常用助凝剂有氯、石灰、活化硅酸、骨胶和海藻酸钠、活性炭和各种粘土等。

有的助凝剂本身不起混凝作用，而是通过调节和改善混凝条件、起到辅助絮凝剂产生混凝效果的作用。有的助凝剂则参与絮体的生成，改善絮凝体的结构，可以使无机絮凝剂产生的细小松散的絮凝体变成粗大而紧密的矾花。

1、常用助凝剂的种类

助凝剂种类较多，但按它们在混凝过程中所起作用来说大致可分为如下两类：

1）调节或改善混凝条件的药剂

混凝过程应该在一定的pH值范围内进行，如果原水pH值不能满足此要求，则应调整原水的pH值，这类助凝剂包括酸和碱。原水pH值较低、碱度不足而使絮凝剂水解困难时，可以投加CaO、Ca(OH)2、Na2CO3、NaHCO3等碱性物质(常用的为石灰)；而PH值较高时，则常用硫酸或CO2来降低原水的pH值。

对溶解性有机物含量较大的废水，可用Cl2等氧化剂来破坏有机物，提高对溶解性有机物的去除效果。另外亚铁盐作絮凝剂时，可用氯气将亚铁(Fe2+)氧化成高价铁(Fe3+)，以提高混凝效果。

以上碱剂、硫酸和CO2、氯气等本身并不起凝聚作用，只起辅助混凝的作用。

2）加大矾花粒度、密度和结实性的助凝剂

混凝的结果要求生成粒度大、密度大和结实的矾花，既有利于沉淀，又不易破碎。为获得此种结果，结合水质的特点，有时必须在水中加入某种物质或药剂。如含有不宜沉降的质地较轻杂质的低浊废水中，加入二氧化硅、活性炭、粘土一类较粗颗粒或回流部分沉淀污泥可起到加重、加大矾花的作用；当采用铝盐、铁盐作絮凝剂只能产生细小而松散的絮凝体时，可投加聚丙烯酰胺、活化硅酸及骨胶等高分子助凝剂，利用它们的强烈吸附架桥作用，使细小而松散的絮凝体变得粗大而密实。

四、调理剂

调理剂又称脱水剂，可分为无机调理剂和有机调理剂两大类。无机调理剂一般适用于污泥的真空过滤和板框过滤，而有机调理剂则适用于污泥的离心脱水和带式压滤脱水。

1、常用污泥调理剂的种类

1）无机调理剂

最有效、最便宜也是最常用的无机调理剂主要有铁盐和铝盐两大类。铁盐调理剂主要包括氯化铁（FeCl3∙6H2O）、硫酸铁（Fe2(SO4)3∙4H2O）、硫酸亚铁（FeSO4∙7H2O）以及聚合硫酸铁（PFS）（[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m）等，铝盐调理剂主要有硫酸铝（Al2(SO4)3∙18H2O）、三氯化铝（AlCl3）、碱式氯化铝（Al(OH)2Cl）、聚合氯化铝（PAC）（[Al2(OH)n∙Cl6-n]m）等。

投加无机调理剂后，可以大大加速污泥的浓缩过程，改善过滤脱水效果。而且铁盐和石灰联用可以进一步提高调理效果。投加无机调理剂的缺点一是用量较大，一般来说，投加量要达到污泥干固体重量的5%～20%，从而导致滤饼体积增大；二是无机调理剂本身具有腐蚀性（尤其是铁盐），投加系统要具有防腐性能。应当注意的是，采用氯化铁作为调理剂时，会增加对脱水污泥处理设备金属构件的腐蚀性，因此所配备的脱水污泥处理设备的防腐等级应适当提高。

2）有机调理剂

有机合成高分子调理剂种类很多，按聚合度可分为低聚合度（分子量约为1千～几万）和高聚合度（分子量约为几十万～几百万）两种；按离子型分为阳离子型、阴离子型、非离子型、阴阳离子型等。与无机调理剂相比，有机调理剂投加量较少，一般为污泥干固体重量的0.1%～0.5%，而且没有腐蚀性。

用于污泥调理的有机调理剂主要是高聚合度的聚丙烯酰胺系列的絮凝剂产品，主要有阳离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺和非离子型聚丙烯酰胺三类。其中阳离子型聚丙烯酰胺能中和污泥颗粒表面的负电荷并在颗粒间产生架桥作用而显示出较强的凝聚力，调理效果显著，但费用较高。为降低成本，可以使用较便宜的阴离子型聚丙烯酰胺-石灰联用法，利用带有正电荷的Ca(OH)2絮体物将带负电的絮凝剂和污泥颗粒吸附在一起，形成一种复合的凝聚体系。

2、污泥调理剂的选择

1）调理剂的品种特点

就常用的铝盐和铁盐无机调理剂而言，使用铝盐时的药剂投加量较大，所形成的絮体密度较小，调理效果较差，在脱水过程中会堵塞滤布。因此，在选用无机调理剂时，尽可能采用铁盐；当使用铁盐会带来许多问题时，再考虑采用铝盐。无机调理剂与有机调理剂相比，药剂投加量较大，形成的絮体颗粒细小，但絮体强度较高。因此在利用真空过滤机和板框压滤机使污泥脱水时，可以考虑采用无机调理剂。与无机调理剂相比，有机调理剂药剂投加量较小，形成的絮体粗大，但絮体强度较低，比无机调理剂形成的絮体更容易破碎。而且一旦絮体被破坏，不论采用无机调理剂还是有机调理剂，都不易恢复到原来的状态。因此在利用离心脱水机和带式压滤机使污泥脱水时，可以考虑采用有机调理剂。在采用无机调理剂或有机调理剂中的一种难以达到理想的调理效果时，可以考虑将无机和有机调理剂复配使用，有时能取得更好的调理效果。比如石灰和三氯化铁联合使用，不但能起到调节pH值的作用，而且石灰和污水中的重碳酸钙生成的碳酸钙颗粒结构还能增加污泥的孔隙率，促进泥水分离。

2）污泥性质

不同性质的污泥，选用调理剂的种类和投加量也有很大差异。对有机物含量高的污泥，较为有效的调理剂是阳离子型有机高分子调理剂，而且有机物含量越高，越适宜选用聚合度越高的阳离子型有机高分子调理剂。而对以无机物为主的污泥，则可以考虑采用阴离子型有机高分子调理剂。污泥性质的不同直接影响调理效果：初沉池污泥较易脱水，而浮渣和剩余活性污泥则较难脱水，混合污泥的脱水性能则介于两者之间。为达到一定的调理效果，所需调理剂的数量存在显著差异。一般来说，越难脱水的污泥其调理用药剂量越大，污泥颗粒细小，会导致调理剂消耗量的增加，污泥中的有机物含量和碱度高，也会导致调理剂用量的加大。另外，污泥含固率也影响调理剂的投加量，一般污泥含固率越高，调理剂的投加量越大。

五、絮凝剂、助凝剂、调理剂的关系

脱水剂是对污泥进行脱水之前投加的药剂，也就是污泥的调理剂，因此脱水剂和调理剂的意义是一样的。脱水剂或调理剂的投加量一般都以污泥干固体重量的百分比计。

絮凝剂应用于去除污水中悬浮物，是水处理领域的重要药剂。絮凝剂的投加量一般以待处理水的单位体积内投加的数量来表示。

脱水剂（调理剂）与絮凝剂、助凝剂的投加量都可以称为加药量。同一种药剂既可以在处理污水时应用为絮凝剂，又可以在剩余污泥处理过程中应用为调理剂或脱水剂。

助凝剂用在水处理领域作为絮凝剂的助剂时被称为助凝剂，同一种助凝剂在剩余污泥处理时一般不称助凝剂，而是统称为调理剂或脱水剂。

使用絮凝剂时，由于水中的悬浮物数量毕竟有限，为了实现絮凝剂与悬浮颗粒的充分接触，需要配备混合、反应设施，并且都要具有足够的时间，比如混合需要几十秒到数分钟、反应则需要15～30min。而污泥脱水时从投加调理剂到污泥进入脱水机往往只有几十秒的时间，即只有相当于絮凝剂的混合过程、没有反应的时间，而且经验也表明，调理效果会随着逗留时间的延长而降低。