絮凝劑的類別及其在水處理中的應(yīng)用

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065)

在水處理過程中，廢水中不但含有泥沙、大分子顆粒等，通常還有粒徑很小的塵土、腐殖質(zhì)、淀粉、纖維素、細(xì)菌等，這些物質(zhì)常與水形成溶膠的狀態(tài)，呈現(xiàn)出沉降以及聚合穩(wěn)定性，不能依靠重力自然沉淀的方法去除，因此必須加入絮凝劑。絮凝劑作為水處理的重要手段，具有應(yīng)用范圍廣、價格低廉、操作簡便等優(yōu)點，因此在許多水污染處理工藝中都會加入絮凝劑以提高污染物的去除效率，從而達(dá)到水體達(dá)標(biāo)的目的。

絮凝劑種類豐富，根據(jù)原料不同可分為無機(jī)鹽類絮凝劑、無機(jī)高分子絮凝劑、有機(jī)高分子絮凝劑和生物絮凝劑。其作用機(jī)理非常復(fù)雜，與水溶膠的組成、藥劑的性能等有關(guān)，基本作用機(jī)理為雙電層壓縮作用、吸附架橋作用和沉淀物卷掃作用[1]。不同的絮凝劑的作用機(jī)理及其在不同的污水中的效果都是不同的，因此在選擇絮凝劑的時候要根據(jù)污水的實際情況選擇最佳的藥劑。本文將根據(jù)上述四種絮凝劑的特點、機(jī)理以及應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對這些絮凝劑進(jìn)行比較。

1 無機(jī)鹽類絮凝劑

無機(jī)鹽類絮凝劑是最早使用的一類絮凝劑，其結(jié)構(gòu)簡單，在水中的反應(yīng)機(jī)理也較為清楚，目前市面上使用較為廣泛的主要有兩類：鋁鹽和鐵鹽，常用的鋁鹽有硫酸鋁和氯化鋁；常用的鐵鹽有硫酸亞鐵和氯化鐵。該類絮凝劑的優(yōu)點是較經(jīng)濟(jì)、用法簡單，但是用量較大，絮凝效果會比其他類別的絮凝劑差。

1.1 鋁鹽絮凝劑

硫酸鋁是最早出現(xiàn)的絮凝劑，其使用也最為廣泛，在飲用水和工業(yè)用水的凈化中具有重要作用。其作用機(jī)理是溶于水后，會發(fā)生水解，從而產(chǎn)生堿式鹽和氫氧化鋁，而氫氧化鋁具有聚合水中溶膠的能力，以達(dá)到凈化污水的目的。在徐勇[2]對硫酸鋁以及聚合硫酸鋁的絮凝過程研究實驗中發(fā)現(xiàn)，硫酸鋁的絮凝能力低于聚合硫酸鋁，且沒有除濁能力。此外硫酸鋁在污泥調(diào)質(zhì)中也有很普遍的應(yīng)用，能夠降低污泥的含水量。

氯化鋁和硫酸鋁都屬于鋁鹽，作用機(jī)理類似，用途也有相似的地方，如飲用水和工業(yè)用水處理，但氯化鋁還可以用于含油、含氟污水的處理。李國文等[3]利用堿式氯化鋁處理紡織印染廢水，并將其運用到實際水處理工程中，發(fā)現(xiàn)絮凝的效果較好。但是氯化鋁在實際應(yīng)用中受pH值的影響很大，在使用時需要先調(diào)制成5%-10%的溶液后投加。此外氯化鋁對高氟水降氟具有特殊的作用，已用于飲用水的降氟處理，且效果都很好[4,5]。

1.2 鐵鹽絮凝劑

硫酸亞鐵[6,7]可以用于渾濁水澄清化，處理含重金屬廢水，此外還可以用于墨水、皮革等工業(yè)廢水的處理。它的作用機(jī)理是在水中分解生成氫氧化亞鐵和硫酸根離子，但是由于二價鐵的凝聚速度很慢，且受到pH值的嚴(yán)格控制，因此實際應(yīng)用中常常需要將其氧化生成氫氧化鐵后才進(jìn)行使用，且效果更佳。鐵鹽絮凝的機(jī)理是氫氧化鐵與水中的溶膠發(fā)生電中和脫穩(wěn)、吸附架橋或黏附網(wǎng)捕卷掃作用，從而使溶膠聚集形成粗大絮體，通過對絮體的去除，凈化水體。許琦[8]等對多種絮凝劑處理印染廢水的實驗中發(fā)現(xiàn)，硫酸亞鐵的最佳操作條件為pH值8-10，投加量為400-500 ppm，但其在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)會因為生成三價鐵而使水變色，因此在使用該絮凝劑時需要考慮色度的影響。

相對于氯化鋁，氯化鐵[6,7]形成的礬花密度和強(qiáng)度大，受水溫影響小，pH值的適用范圍廣、價格低廉，凈水效果更為顯著。但由于其強(qiáng)烈的吸水性，很難將其進(jìn)行大范圍的推廣應(yīng)用。此外氯化鐵在對污泥調(diào)質(zhì)中也有很重要的用途，它能產(chǎn)生大而重的絮體，使之能夠較易脫水[9]。

2 無機(jī)高分子絮凝劑

高分子絮凝劑的絮凝效果比低分子高很多，對設(shè)備的腐蝕性更低，且價格更為便宜，因此已經(jīng)慢慢成為主流絮凝劑。根據(jù)無機(jī)高分子絮凝劑的離子類型，可簡單的將其分為陽離子型、陰離子型和無機(jī)復(fù)合型。

2.1 陽離子型無機(jī)高分子絮凝劑

聚合氯化鋁[10]具有優(yōu)良的架橋吸附性能，吸附性和催化活性均較高，用量少，絮凝速度快，其水解過程較復(fù)雜，常常伴隨著電化學(xué)、凝聚、吸附、沉淀等多種物理化學(xué)過程，因此適用的范圍廣，如制藥廢水、制革廢水、電鍍廢水等，它還能同步去除水中重金屬、氟化物、油等物質(zhì)。此外還能與聚合硫酸鐵組合用于污泥調(diào)質(zhì)，提高污泥的脫水效果。在周珊[11]用聚合氯化鋁對含油廢水的去除實驗中得出，該絮凝劑可有效去除廢水中含油量，對CODcr的去除也有一定效果，此外不需要調(diào)節(jié)廢水的pH值，使用簡便。

聚合硫酸鐵也是一種優(yōu)良的絮凝劑，其水解后可以對懸浮在水中的膠體顆粒進(jìn)行電性中和，促使離子相互凝聚，并發(fā)生吸附、架橋交聯(lián)等作用，最后達(dá)到絮凝的效果。李明玉[12]利用聚合硫酸鐵作為處理造紙中段廢水的混凝劑時，其對pH值的適應(yīng)范圍廣(pH值 6-11)，在適宜的操作條件下，CODcr的去除率達(dá)到近80%。此外聚合硫酸鐵對污泥的脫水性能也有很大改變，但與它們的種類、濃度和投加量等條件相關(guān)。

2.2 陰離子無機(jī)高分子絮凝劑

聚硅酸即活性硅酸，為了減少聚硅酸的用量和提高其凈水效果，常常將金屬離子引入其中制成復(fù)合型絮凝劑，其主要是通過與水中懸浮物發(fā)生吸附架橋作用。李英贊等[13]通過制得的紅棕色液體聚硅酸鐵絮凝劑來處理廢水，結(jié)果表明，最佳條件下COD去除率最大達(dá)到75%，色度去除率達(dá)到80%。在聚硅酸中不但可以引入一個陽離子，甚至可以引入兩個陽離子或者三個陽離子，且都能得到效果很好的絮凝劑。郭明紅[14]等通過制得的聚合硫酸鋁鐵錳絮凝劑，選取油田處理站現(xiàn)場的污水，當(dāng)加藥量為20 mg/L 時，去濁率為75.8%，去油率78.52%。

2.3 無機(jī)復(fù)合型高分子絮凝劑

聚合氯化鋁鐵是將鋁鹽和鐵鹽復(fù)合共聚在一起從而形成新型的無機(jī)復(fù)合型高分子絮凝劑，它的初凝時間、形成礬花的大小以及絮體沉降的速度都比聚合氯化鋁更好，且不會存在由于三價鐵的存在而導(dǎo)致出水的色度很差的問題，在使用的過程中其藥效能夠更好地發(fā)揮作用，且利用率高，使水中的溶膠得到充分的聚集并沉淀。聚合氯化鋁鐵投入水中的反應(yīng)是以鋁鹽的水解為主, 形成高聚體，高聚體表面絡(luò)合鐵離子進(jìn)而使絮凝聚體呈正電性，使污水中懸浮物膠體雜質(zhì)發(fā)生凝聚沉淀。在張占梅[15]的實驗中發(fā)現(xiàn)，聚合氯化鋁鐵的絮凝性能優(yōu)于聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁等物質(zhì)。

3 有機(jī)高分子絮凝劑

按照其原材料的成分，可以將有機(jī)高分子絮凝劑分為天然高分子和合成高分子，但是由于其制造復(fù)雜、成本高，且其毒性未得到有效的保障，特別是合成的絮凝劑，所以目前的應(yīng)用不普遍。在天然的有機(jī)高分子絮凝劑中主要有改性淀粉絮凝劑、改性纖維素絮凝劑、改性木質(zhì)素絮凝劑等；合成的有機(jī)高分子絮凝劑中以聚丙烯酰胺的應(yīng)用最多。

3.1 天然有機(jī)高分子絮凝劑

在自然界中淀粉是普遍存在的，由于其為天然的物質(zhì)，所以是一種綠色試劑原材料，因此改性的淀粉絮凝劑毒性低、易于生物降解、價格也比較低廉。它是利用物理、化學(xué)或酶的方法進(jìn)行處理，改變淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，增強(qiáng)其某些機(jī)能或形成新的特性。其大致可以分為非離子型、陽離子型、陰離子型、兩性改性淀粉絮凝劑，主要以陽離子型為主。不同的改性方法其絮凝效果會有所不同，如非離子型不具有電中和性能，因此效果較差；陰離子型多用于吸附重金屬；兩性改性的成本高，因此需要根據(jù)實際情況選擇最佳的改性方法。劉貴毅[16]用氫氧化鈉、三氯化鋁和無水碳酸鈉改性玉米淀粉，然后用于處理含油廢水，最佳條件下COD去除率達(dá)到77.94%、石油類去除率為61.2%、SS去除率為79.96%。當(dāng)然改性淀粉絮凝劑還可以應(yīng)用于印染廢水、造紙廢水、洗羊毛廢水等，都有良好的效果。同樣，改性纖維素絮凝劑、改性木質(zhì)素絮凝劑等也具有良好的絮凝效果。

3.2 合成有機(jī)高分子絮凝劑

合成的有機(jī)高分子絮凝劑也可以分為非離子型、陽離子型、陰離子型、兩性改性這四類，其中聚丙烯酰胺是一種水溶性的高分子助劑，在選礦、煤炭、及污水處理中廣泛作為絮凝劑使用，且其可以根據(jù)實際需要進(jìn)行改性，使其具有更好的絮凝效果。其作用機(jī)理是因為該物質(zhì)線性長度較大，可以在相距較遠(yuǎn)的兩膠粒間進(jìn)行吸附、架橋，最后各個高分子再互相搭接，形成大的絮凝體而沉降，從而達(dá)到去除污染物的目的。實際應(yīng)用中，在堿性條件(pH值>10)下會進(jìn)行部分水解，形成陰離子型聚合物，可以將其作為鋁鹽或鐵鹽的助凝劑使用，且效果顯著[17]。在張環(huán)[18]制備兩性聚丙烯酰胺來絮凝硅藻土的實驗中發(fā)現(xiàn)，在pH值為3時加入兩性聚丙烯酰胺，加入量為1.8mg /L時，其絮凝率可達(dá)100%。聶榮春[19]等做了不同類型聚丙烯酰胺對煤泥水的絮凝作用的實驗，發(fā)現(xiàn)對粒度大、灰分低的原生煤泥，陰離子型聚丙烯酰胺的絮凝效果最好。由此可見在使用聚丙烯酰胺的時候要充分考慮改性的效果，以適用于處理的廢水。但是由于聚丙烯酰胺中會存在一定量的殘余單體，而其具有很高的毒性，因此在使用中受到了限制，我國規(guī)定飲用水中最高聚丙烯酰胺的容許含量是0.01mg/L。

4 生物絮凝劑

微生物絮凝劑是利用生物技術(shù)，通過微生物發(fā)酵、抽提、精制，得到的一種新型、高效、廉價的水處理劑，是一種無毒的生物高分子化合物。與其他類型的絮凝劑相比，微生物絮凝劑最大的優(yōu)點就是無毒，它能夠用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)酵后處理，且可以消除二次污染，可生化性強(qiáng)。微生物絮凝劑在實際的應(yīng)用中起作用的不是微生物的活性，而是其表面的粘多糖、蛋白質(zhì)、脂類、糖蛋白、纖維素等，許多學(xué)者認(rèn)為這些物質(zhì)可以在顆粒間起架橋作用，使懸浮物凝聚，促使絮凝發(fā)生。

生物絮凝劑由于其獨特的性質(zhì)，效果好，因此有廣泛的適用范圍，如水處理、發(fā)酵工業(yè)、重金屬富集等。在實際的應(yīng)用中，微生物絮凝會和化學(xué)絮凝結(jié)合使用，可以得到加藥量少、污泥產(chǎn)量少、運行成本低、處理效果好等效果，在上海竹園第一污水處理廠的研究中發(fā)現(xiàn)，加入化學(xué)生物絮凝劑后，效果能滿足要求，但冬季的加藥量比夏季高20%[20]。

5 總結(jié)

絮凝劑作為水處理方法中一種簡便高效的處理方式，很容易被人們所忽視，但其重要性可想而知，可以有效地去除水中的污染物甚至使水體達(dá)標(biāo)，還可以減緩下一步水處理的壓力，降低設(shè)備腐蝕效應(yīng)等。無機(jī)絮凝劑雖然價格便宜，但其絮凝效果不佳且會對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害；有機(jī)高分子絮凝劑效果好，但存在“三致效益”；微生物絮凝劑在未來會替代或者部分替代其他類別的絮凝劑，但目前仍然存在較多的問題需要解決。在未來的發(fā)展中，微生物絮凝劑是一個重要的發(fā)展方向，需要提高其絮凝效果、降低藥耗、降低毒性，因此國家要重點扶植，建立質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)，引進(jìn)人才，加強(qiáng)未來對絮凝劑的發(fā)展。