水處理絮凝劑研究現(xiàn)狀與前景

張進武

（蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070）

引言

水處理絮凝劑常用于給水和污水處理領域，通過絮凝沉淀的方法有效去除水體中部分溶質和懸浮顆粒，是一種在全世界范圍內廣泛應用的水處理藥劑。我國對絮凝劑的研發(fā)始于上世紀60 年代，進入21 世紀以后，相關領域（環(huán)境科學與資源利用、有機化工、輕工業(yè)手工業(yè)、礦業(yè)工程和石油天然氣工業(yè)等，如圖1所示。）研發(fā)數(shù)量逐年快速攀升，技術研究與開發(fā)、工程研究、應用研究和基礎研究等成果豐碩，1980 年以來該領域在CNKI 數(shù)據(jù)庫中學術論文數(shù)量統(tǒng)計結果，如圖2 所示。同時，產生了一批優(yōu)秀的學術團隊和群體，在CNKI 數(shù)據(jù)庫中學術論文發(fā)表數(shù)量超過80 篇以上的團隊有3 個，分別是蘭州交通大學常青團隊、山東大學高寶玉團隊和重慶大學鄭懷禮團隊，如圖3所示。

圖1 絮凝劑相關領域研發(fā)成果所在主要專業(yè)學科及其占比

圖2 1980 年以來CNKI 數(shù)據(jù)庫中有關絮凝劑研究的論文發(fā)表情況

圖3 CNKI 數(shù)據(jù)庫中絮凝劑研發(fā)領域國內頂尖的研究團隊

水處理絮凝劑按其化學構成，可分為無機絮凝劑和有機絮凝劑兩大類，無機絮凝劑常見的主要有低分子類和高分子類的鐵鹽、鋁鹽絮凝劑，硅酸鹽絮凝劑和復合絮凝劑等；有機絮凝劑包括天然有機高分子絮凝劑及其改性，合成有機高分子絮凝劑和微生物絮凝劑[1-5]。目前，水處理藥劑研發(fā)傾向于復合、高效、多功能和低毒無公害的綠色產業(yè)方向發(fā)展，國內外學者主要集中于微生物絮凝劑，改性天然有機高分子絮凝劑，合成高分子絮凝劑和復合絮凝劑（無機-無機、無機-有機、有機-有機）的研發(fā)[6-9]，本文基于大量相關研究內容[10-16]，歸納總結了水處理絮凝劑的研究現(xiàn)狀，并初步分析了絮凝劑研發(fā)與應用的前景。

1 無機絮凝劑

無機絮凝劑由無機組分構成，應用范圍廣泛，能夠在較大的pH 值范圍內使用，對膠體、微粒、溶解有機物等有很好的絮凝作用，其工作原理主要是通過增加絮凝顆粒間的碰撞，使其水解聚集、電性中和及架橋，絮凝后沉淀去除。無機絮凝劑按金屬鹽可分為鋁鹽系和鐵鹽系，按陰離子成分可分為鹽酸鹽系和硫酸鹽系，按分子量的大小可分為低分子系和高分子系。

傳統(tǒng)無機絮凝劑包括兩大類，分別為鋁鹽（硫酸鋁、氯化鋁等）和鐵鹽（硫酸鐵、氯化鐵等），同時傳統(tǒng)無機絮凝劑是最早使用的第一代絮凝劑。無機高分子絮凝劑，如聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁、活性硅土等。改性無機絮凝劑包括改性的單陽離子無機絮凝劑和改性的多陽離子無機絮凝劑[10]，各舉一例說明，相比較聚合氯化鋁，磷酸根離子合成的聚合磷硫酸鐵（改性單陽離子）絮凝劑，其P043-影響Fe3+的水解和聚合反應，形成多核絡合物及網絡結構，提高聚合硫酸鐵的絮凝效果[11]。張穎[12]研究了酸改性火山巖無機礦物材料（改性多陽離子）絮凝劑，與PAC 對比發(fā)現(xiàn)，二者對模擬牛奶廢水濁度的最佳去除率分別為97.57%和98.7%，但在絮凝沉降速率和分離沉降性方面，新開發(fā)材料具有明顯優(yōu)勢。

2 有機絮凝劑

相較于無機絮凝劑，其絮凝速率快，受酸堿度和溫度影響小，污泥量少，用量少等優(yōu)點。目前使用較多的主要是合成有機高分子絮凝劑，但是該類絮凝劑也存在一些缺點：溶解費時費力，設備龐大等。

2.1 天然有機高分子絮凝劑及其改性

天然有機高分子絮凝劑，按照其主要天然成分，可以分為：殼聚糖類、木質素類、樹膠類、褐藻膠類、動物膠類、明膠類、改性淀粉類和改性纖維素類等。由于天然有機高分子易于生物降解、分子量低和電荷密度小的特質，近年來，天然有機高分子的改性研究相對較多，且新開發(fā)材料具有良好的效果，鄭潔[13]研發(fā)了兩種改性天然高分子材料，殼聚糖基絮凝劑和阿拉伯樹膠絮凝劑在模擬營養(yǎng)廢水去除四環(huán)素實驗中，效果良好。

2.2 合成有機高分子絮凝劑

分為非離子型、陽離子型、陰離子型和兩性，其中聚丙烯酰胺是使用最多的類型，近年來，研究熱點主要有陽離子有機高聚物和兩性高分子絮凝劑等，包括聚丙烯酰胺的改性、聚亞胺、環(huán)氧氯丙烷與胺類的產物、聚季胺等。

2.3 微生物絮凝劑

微生物絮凝劑的研發(fā)是全世界共同關注的熱點，其利用微生物技術，通過細菌、真菌等或其分泌物產生的代謝產物，發(fā)酵、提取、最終制得。微生物絮凝劑具有無毒、無二次污染、具有生物分解性和安全性等特點。但缺點也很突出，對污水水質具有一定的要求。韓明眸等[14]指出微生物絮凝劑在印染廢水、含油廢水、污泥脫水和重金屬廢水等領域廣泛應用并取得了成功，目前該領域的研究主要集中于絮凝劑產生菌、絮凝特性、培養(yǎng)條件和條件優(yōu)化等方面。Huang 等[15]研究證明在重金屬廢水的去除研究中，生物吸收和絮凝之間存在協(xié)同效果，可見微生物絮凝劑在適應水質方面的可能性。

3 復合絮凝劑

通過多物質的復合，形成具有大分子量的共聚物，大量實驗證明[12，13，16]，復合優(yōu)于單一絮凝劑。孫浩等[16]研究了無機高分子絮凝劑（聚合氯化鋁和聚合硫酸鐵）、合成有機高分子絮凝劑（陽離子聚丙烯酰胺和陰離子聚丙烯酰胺）單獨使用和復配后的絮凝沉降效果發(fā)現(xiàn)聚合硫酸鐵-陽離子聚丙烯酰胺復合聯(lián)用具有最好的絮凝沉淀效果?？梢娫诖蠖鄶?shù)復合的情況下，絮凝劑既克服了單一的不足，也充分發(fā)揮了多種絮凝劑的協(xié)同增效的作用。

4 結語

目前絮凝劑種類繁多，因水質差異，所以在實際生產、生活當中，所選用絮凝劑種類也因時而異、因地制宜?？偟亩?，面對處理水質日益復雜和人民群眾對水安全、用水健康的要求不斷提高的需求下，復合絮凝劑基于其特性對于應對突發(fā)和復雜水質具有重要的研發(fā)意義，微生物絮凝劑由于其無二次污染，環(huán)保友好等特點，隨著技術革新，其可能在未來替代傳統(tǒng)絮凝劑，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應用。