常用水处理絮凝剂应用综述

对常用絮凝剂在水处理领域中的研究及应用情况进行了综述，介绍了几种主要类型的水处理絮凝剂的发展和应用过程，并针对今后絮凝剂研发工作提出了发展方向。
众所周知，我国是水资源短缺和污染比较严重的国家之一。尤其是西北地区，目前城市缺水严重，已造成严重的经济损失和社会环境问题。絮凝剂的使用，既可在很大程度上解决水污染的问题，还能使处理过的水进行二次利用，提高水的利用率，缓解由于水资源不足给社会发展带来的困难。因此，在水处理中絮凝剂的应用较为广泛，且占有非常重要的地位。
1.无机絮凝剂
1.1 铝系絮凝剂
明矾、硫酸铝和铝酸钠等铝盐都属于铝系低分子絮凝剂，它自古就被使用，也是应用最为广泛的一类絮凝剂。这类絮凝剂的主要作用机理是通过对水中胶体颗粒的压缩双电层作用、吸附架桥作用及沉淀物卷扫作用，使胶体颗粒脱稳，从而聚集、沉降。19世纪末美国最先将铝系絮凝剂用于水处理，之后因其卓越的混凝沉降性能而被广泛采用，现在，世界上大多数废水处理仍使用铝系絮凝剂。尽管铝盐被广泛使用，但铝是一种对人体有害的物质，它进人体后，会在一些机体组织中积蓄，将体内必需的营养元素和微量元素沉积，无法吸收，影响生理功能，导致人体出现诸如铝性脑病、铝性贫血等中毒病症。此外，铝盐的pH 值范围窄，因而影响了城市供水管网电化学腐蚀问题的解决。为解决这一问题，铝系高分子絮凝剂应运而生。铝系絮凝剂有很多，例如聚合硫酸铝(PAS)、聚合磷酸铝(PAP)等高分子铝盐，以及含铝复合型絮凝剂，如聚硫酸氯化铝、聚磷酸氯化铝等。而聚合氯化铝(PAC)是最常用的铝系高分子絮凝剂，20 世纪60年代，日本首先研制并投入实用。70 年代中期以后，日本给水处理中PAC 的使用超过了明矾。聚合氯化铝对高浊度、低浊度、高色度及低温水都有较好的混凝效果，PAC 的效能在许多方面优于明矾等传统铝盐，其投加量小，絮凝体形成速度快且易沉淀，反应沉淀时间短，水温及pH 的适应范围广，它的加入量不宜过多，否则也会使水发浑。PAC 的生产方法较多，有中和法、凝胶法和热分解法等。
1.2 铁系絮凝剂
考虑到铝盐对身体的危害性，人们开始寻找一种一类可以替代铝盐的絮凝剂，20 世纪30 年代，人们发现了铁系絮凝剂，这种不仅安全无毒，可避免二次污染，而且还有混凝能力强、沉降快、水温和pH 适应范围广、价格便宜等特点。尤其是在低温条件下，铁盐的混凝效果明显优于铝盐。但其腐蚀性强，对设备要求高，且铁盐絮凝剂中的Fe3 + 与水中腐植质等有机物可形成水溶性污染物，使自来水带色，所以要慎重选取。简单的铁盐絮凝剂主要是三氯化铁、硫酸亚铁等。与铝盐类似，铁盐也从简单的低分子絮凝剂向高分子絮凝剂方向发展。聚合硫酸铁(PFS)由日本首先研制成功并投放市场，我国1983 年以来也开展了PFS 的研究。目前我国PFS 的生产技术已达到了国外水平，广泛用于净水处理和污水处理。PFS 与聚胺、二烯丙基二甲基氯化铵均聚物等阳离子聚合物、强无机氧化剂等，具有非常好的复合性能，复合后絮凝剂对于低温低浊度水、高浊度水、市政污水、印染废水等均具有良好的处理性能。除PFS 以外，还有聚磷酸铁(PFP)、聚氯化铝铁(PAFC)、聚硫酸铝铁(PAFS)、聚硅酸铝铁(PSFA)、聚磷氯化铁(PPFC)、聚硫酸氯化铁(PASC)等复合型絮凝剂。它们比PAC 和PAF 分子量大，混凝效果好，广泛用于石化厂、钢铁厂、煤矿和印染废水的处理。
1.3 聚硅酸类絮凝剂
聚硅酸絮凝剂是在20 世纪30 年代才开始应用的一种新型絮凝剂，此类絮凝剂在通常条件下组分带负电荷，属阴离子高分子絮凝剂，其吸附架桥能力增强，聚合度增大，处理效果强，形成的矾花大而易于沉降。但这种絮凝剂在储存时易发生自聚反应，析出硅胶而失去混凝功能，只能现场制备，从而限制了聚硅酸的应用和推广。高宝玉等用共聚和复合两种方法研制了商用聚硅氯化铝(PASiC)。相同条件下与PAC 相比，PASiC 具有更大的颗粒粒径，但不同电荷的相互作用，电中和能力有所下降，研究表明，铝硅复合絮凝剂具有优良的净水效果和较低的残留铝含量。
2.有机絮凝剂
2.1 合成高分子有机絮凝剂
自1960 年以来，人工合成的有机高分子絮凝剂，已在水处理及污泥处置中得以广泛应用。根据所带电荷性质的不同，可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性型，水处理中使用较多的是前三类絮凝剂。阴离子型聚电解质主要是分子重复单元中包含-COOM(其中M 为氢离子或金属离子)基团或-SO3 H基团的水溶性聚合物，主要品种有部分水解的聚丙烯酰胺(包括聚丙烯酸钠)和聚磺基苯乙烯。其中以聚丙烯酰胺用得最多，其产量约占合成高分子絮凝剂生产总量的80%，它是一种线型高分子化合物，分子量在150～2 000 万之间。非离子型聚电解质的主要品种是未水解的高分子聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯。“未水解"是指在聚丙烯酰胺分子重复单元中已水解的酰胺基占全部酰胺基的比例低于3%，而不是完全没有水解。阳离子型聚电解质主要是分子重复单元中含有正电荷的氨基(-NH3+ )、亚氨基(-CH2 -NH2+ -CH2 -)或季氨基(N+ R4)的水溶性聚合物，主要品种有二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺的共聚物或均聚物和聚已烯基咪唑啉等。由于阳离子型有机高分子絮凝剂兼具强电中和与吸附架桥作用，目前对此类絮凝剂的研究开发力度不断加强。人工合成有机高分子絮凝剂已广泛用于造纸、土建、化工、钢铁、机械等各种废水处理中。但由于聚电解质的毒性，其应用受到一定的限制。与无机絮凝剂相比，有机高分子絮凝剂具有用量少，絮凝速度快，生成污泥量少等优点。
2.2 天然高分子有机絮凝剂
在近代水处理中，通过化学改性的天然高分子化合物仍是一类重要的絮凝剂，其特点是分子量分布广，活性基团点多，结构多样化等，尤为突出的是它安全无毒，具有良好的“环境可接受性"，因此在有机絮凝剂众多研究方向中，此方向的研究开发逐渐引人注目。但此类絮凝剂由于电荷密度较小，分子量较低，且易发生生物降解而失去絮凝活性等缺点，其使用少于合成高分子絮凝剂。目前，天然高分子絮凝剂的主要品种有淀粉类、半乳甘露聚糖类、纤维素衍生物类、微生物多糖类及动物骨胶类等5 大类。
3 .微生物絮凝剂
微生物絮凝剂(MBF)是20 世纪80 年代后期开发出来的第三代絮凝剂。该絮凝剂利用生物技术，通过微生物发酵抽提而得到一种新型、高效、价廉的水处理药剂。早在20 世纪70 年代末，日本学者就在研究钛酸酯的生物降解过程中，发现了具有絮凝作用的微生物培养液，并于80 年代后期制成了一种微生物絮凝剂。我国与90 年代开始涉足这一领域的研究，并取得了相当的成就。微生物絮凝剂絮凝机理有3 种：侨联作用、电中和作用和卷扫作用。由于絮凝剂的分子量较大，一个絮凝剂分子可以同时和几个悬浮颗粒结合，因此在适宜的条件下迅速形成网状结构而沉积，表现出很强的絮凝能力。与无机或有机絮凝剂相比，具有高效、无毒、可消除二次污染、絮凝广泛、脱色效果独特的特点。
微生物絮凝剂虽然有诸多优点，但其产量小，成本高。因此如何降低微生物絮凝剂的生产成本、提高生产效率，是扩大其应用的关键所在。
4.复合型絮凝剂
4.1 无机- 无机复合型
无机- 无机复合型絮凝剂大致可归纳为金属离子复合型、酸根复合型以及多种离子复合型。多种金属离子(铝、铁离子等)的参与聚合，可使多元聚合物除具有单元无机高分子絮凝剂的共同优点外，因异核金属离子的交错排列，能形成更长、更稳定的分子链，包裹吸附更多的溶胶粒子，即桥长、单元多、絮体大而稳定，同时兼具卷扫混凝作用。金属离子复合型主要包括聚氯化铝铁(PAFC)、聚合硫酸铝铁(PAFS)、聚合硅酸氯化铝铁(PSAF)等。
4.2 无机- 有机复合型
无机高分子絮凝剂对各种复杂成分的水处理适用性强，但生成絮体小，且投药量大，生成污泥量大；相比之下，有机高分子絮凝剂用量少，絮凝速度快，生成污泥量少；有机高分子絮凝剂可带-COO -、-NH -、-OH 等亲水基团，可具链状、环状等多种结构，利于污染物进入絮体，脱色性好。两者的结合使用效果优于单用，是絮凝剂的一个发展方向。以聚合氯化铝(PAC)中加入聚丙烯酰胺(PAM)为代表，这类絮凝剂既有电荷中和能力，又有吸附架桥性能，因而使得混凝效果大大提高，吸附活性增强。张依华等将聚铝和阴离子改性淀粉在一定条件下直接复配制成了新型絮凝剂SLB。通过对炼油厂污水的混凝处理实验，表明SLB 的去浊、除油效果明显优于单剂，且具有投加量少，絮团较大，沉淀量少，澄清情况好及除臭等优点。此外，SLB 的原料来源广、成本低、操作安全、有广阔的应用前景。
4.3 微生物- 无机、有机复合絮凝剂
用量大、成本高等问题严重的制约着微生物絮凝剂的大规模生产，使其在工业上的应用受到很大的限制。因此，研究微生物絮凝剂与传统的无机或有机絮凝剂进行复合使用，就具有很现实的意义。但目前在实际废水处理中，把微生物絮凝剂与传统的无机或有机絮凝剂进行复合使用的实例还不是很广泛。
5.结论 根据目前国内絮凝剂的使用现状，我们可以看出，絮凝剂是从低分子到高分子，由无机到有机，由单一型到复合型的发展。絮凝剂在随着时间的推移而不断推新和发展，为不断弥补先有的絮凝剂所存在的缺陷而不断研制出新型的絮凝剂。随着人们对水质的要求不断提高，絮凝剂还有着广大的开发前景，追求高效、廉价、环保是絮凝剂研制的目标。当前的水处理絮凝剂应向着高分子化、复合化、多功能化的方向发展，不断通过不同性质种类的材料复合开发出新的更高效，适应性强，多功能化的水处理絮凝剂。