水处理药剂的发展
1、前言
水处理剂是工业用水、生活用水、废水处理过程中必需的化学药剂,通过使用这些化学药剂,可使水达到一定的质量要求。它的主要作用是控制水垢和污泥的形成、减少泡沫、减少与水接触的材料腐蚀、除去水中的悬浮固体和有毒物质、除臭脱色、软化水质等。目前由于世界各国用水量急剧增加，同时各种环保法规（水净化法）相继制定，而且要求日益严格，所以对于各类高效的水处理药剂增长很快。在我国，与日益严峻的水资源危机矛盾的是水处理药剂的生产能力很低，质量也得不到保证，所以加快我国水处理药剂这一环保材料产业的发展迫在眉睫。
水处理药剂包括絮凝剂、缓蚀剂、阻垢剂、杀生剂、分散剂、清洗剂、预膜剂、消泡剂、脱色剂、螯合剂、除氧剂及离子交换树脂等。本文将对絮凝剂和杀生剂作系统地介绍。
2、絮凝剂
絮凝技术的关键是絮凝剂的选择。絮凝剂可分为无机、有机和微生物絮凝剂。
2.1、无机絮凝剂
无机低分子絮凝剂有氯化铝、硫酸铝、硫酸铁、氯化铁等。其聚集速度慢,形成的絮状物小,腐蚀性强,在水处理过程中存在较大的问题,而逐渐被无机高分子絮凝剂所取代。
无机高分子絮凝剂是在传统铝盐、铁盐的基础上发展起来的一种新型的水处理剂,价格较低廉,净水效果好。
聚合氯化铝(PAC)的混凝性能好，生成的矾花大，投药量少，效率高，沉降快，适合水质范围较宽。主要用于饮用水和工业给水的净化。同时还能用于去除水中所含的铁、锰、铬、铅等重金属，以及氟化物和水中含油等，故可用于处理多种工业废水。
聚合氯化铝铁（PAFC）是一种新型的无机高分子净水剂，产品中铝铁二者的配比是可调的，以适应不同水质的需求，已分别在石化、钢铁、煤炭工业等废水的净化处理中得到应用。结果表明，该药剂质优、价廉，是一种新型、高效、稳定的净水剂，具有广泛的应用前景。有人通过实验比较得出PAFC的净水效果稍好于PAC，但PAFC加药成本比PAC少得多。
聚合硫酸铁具有良好的絮凝和吸附作用，广泛应用于原水，饮用水、自来水、工业用水、工业废水及生活污水的处理。聚合硫酸铝(PAS)是一种使用最广的混凝剂，主要用于饮用水和工业用水的净化处理。
聚硅酸盐是在聚硅酸及传统的铝盐、铁盐基础上发展起来的。高度聚合的硅酸与金属离子一起可产生良好的混凝效果。通过把金属离子的电中和能力和聚硅酸的吸附架桥能力结合在一起,使复合产物具有较强的电中和与吸附架桥作用,达到更好的净水效果。它们的絮凝脱稳性能远超过聚硅酸和聚金属离子,同聚硅酸相比,不但提高了稳定性,且增加了电中和能力;同聚金属离子相比,则增强了粘结架桥性能。以聚合硅酸硫酸铝（PASS）、聚硅氯化铝（PASC）和硅铁复合无机高分子絮凝剂为代表的复合无机高分子絮凝剂，成功应用在给水、工业废水以及城市污水的各种流程中，现已成为主流絮凝剂。
但是，无机高分子絮凝剂的相对分子质量和粒度以及絮凝架桥能力仍比有机絮凝剂差很多，且存在对进一步水解反应的不稳定性问题。
2.2有机高分子絮凝剂
与无机絮凝剂相比,合成有机高分子絮凝剂用量少,絮凝速度快,受共存盐类、介质ｐＨ及环境温度影响小,生成污泥量也少;而且有机高分子絮凝剂分子可带—COO-、—NH—、SO3、—OH等亲电基团,可具链状、环状等多种结构,利于污染物进入絮体,脱色性好。一般有机絮凝剂的色度去除较无机絮凝剂高20%左右.目前应用较为广泛的是聚丙烯酰胺类。它能适应多种絮凝对象，用量少，效率高，生成的泥渣少，后处理容易。常与其它无机絮凝剂复配，如与氯化铝的复配使用。
但合成高分子絮凝剂其单体或水解、降解产物常常有毒,如聚丙烯酰胺(PAM)的单体,有神经毒性和致畸、致癌、致突变的“三致”效应。
2.3微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是利用生物技术,从微生物或其分泌物提取、纯化而获得的一种安全、高效、能自然降解的新型水处理剂,至今发现具有絮凝性的微生物已超过17种,包括霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等。它分为：
(1)直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母，他们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中；
(2)利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酰葡萄糖胺等成分；
(3)利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂，微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物是细胞的荚膜和粘液质，除水外，其主要成分为多糖及少量多肽、蛋白质、脂类及其复合物。其中多糖在某种程度上可用做絮凝剂。
迄今为止，发现的絮凝效果最好的微生物絮凝剂是红平诺卡氏菌NOC-1。可用于畜产废水处理,膨胀污泥的沉降及纸浆废水(黑液)颜料废水等有色废水的脱色,效果显著。
虽然，对微生物絮凝剂的研究屡有报道，但大多处于实验室研究阶段，未走向工业应用。我国这方面的起步较晚，目前的研究仅限于菌种筛选。
成都生物研究所分离筛选初步获得6株微生物絮凝剂产生菌,用其发酵离心上清液对造纸黑液,皮革废水,偶氮染料废水,硫化染料废水,电镀废水,彩印制板废水,石油化工废水,造币废水及蓝黑水,碳素墨水等进行的絮凝试验表明,废水固液分离效果良好,COD去除率55%—98%,悬浮物,色度、浊度去除率90%以上。
上海大学环境科学系在污水处理厂的回流污泥及底泥中分离,筛选出3株絮凝剂产生菌.该菌株所产培养液可使土壤悬液浊度去除率达99%以上,使碱性染料废水COD去除率为70%左右,色度去除为92%左右。
目前，絮凝剂正向价廉实用、无毒高效的方向发展。有机高分子絮凝剂将逐渐取代目前被广泛使用的无机絮凝剂，另一方面，微生物絮凝剂具有使用稳定性、安全性、高效性及低耗性。是当今最具发展前途的絮凝之一。所以，未来的发展不仅要开发新型廉价高效的微生物絮凝剂，还要研究微生物絮凝剂与其他絮凝剂的配合使用。已有试验表明，二者配合使用，可以互补， 不仅可以提高絮凝效率，而且还可降低投加量。
3、杀生剂
杀生剂是在循环冷却水系统中，用以杀死微生物（菌藻）以阻止其大量繁殖致使冷却水系统中的金属设备发生腐蚀及事故，影响正常运行的水处理药剂。根据杀生机制分为氧化性杀生剂和非氧化性杀生剂。
3.1氧化性杀生剂
氯气是一种强氧化性杀生剂,其杀菌力强,价格低廉,使用较简单,是当今应用最广泛的杀生剂之一。但不适于碱性水处理。另外,它可能与水中有机物生成致癌物三卤甲烷,因而限制了它的应用。于是溴类、臭氧、二氧化氯相继为人们所重视。
溴类杀生剂主要有溴化钠、溴化海因、活性溴、溴化丙酰胺等。溴化丙酰胺是近年来开发出的一类氧化性杀生剂,其中2,2-二溴-3-氮川丙酰胺是一种非常有效的广谱杀生剂。随着冷却水pH值和温度的升高,它的半衰期迅速变短,对环境污染小。
臭氧具有十分优良的杀菌活性,剥离粘泥作用较强,同时还兼具缓蚀阻垢作用,用它处理循环冷却水,其浓缩倍数可达30～50。但由于成本较高,目前还未被广泛采用。
二氧化氯对细胞壁有较强的吸引和穿透能力,它对冷却水中存在的主要危害菌种如异养菌、铁细菌、硫酸盐还原菌等都有很好的杀灭作用。它的特点是用量少、高效、快速、药效持续时间长。如2mg/L的二氧化氯作用30s后就能杀死近100%的微生物;在pH为8.6,活菌数达71万个/ml的水中投加0.5mg/L的二氧化氯作用12h后,对异养菌的杀菌率保持在99%以上。另外,它能不受pH的影响,不与水中氨、有机胺类及酚类反应；不仅能杀死微生物，而且能分解残留的细胞结构，具有杀孢子和杀病毒的作用；适用于碱性水处理,对环境没有威胁。在我国，以前由于它的不稳定性限制了其推广应用。近年来,一些厂家已先后批量生产稳定性二氧化氯,南京某公司还推出了化学法二氧化氯发生器,其设计独特,操作简便,安全可靠。用二氧化氯取代氯气作为工业循环冷却水的杀生剂具有很多的优越性，特别是对于合成氨厂，化工厂和炼油厂的冷却水系统，由于系统中有机物和氨的含量高，需氯量大，pH值偏碱性，用二氧化氯取代氯气可以取得更好的经济、环境效益。
3.2非氧化性杀生剂
非氧化性杀生剂种类较多,应用较早的氯酚类因毒性大,易污染水体,渐渐被弃之不用。有机胺类使用也极少。
二硫氰基甲烷是使用较早的有机硫化物杀生剂。对于抑制藻类、真菌和细菌,尤其是硫酸盐还原菌十分有效。但不适宜在碱性冷却水系统中使用。
异噻唑啉酮是一类较新的有机硫化物杀生剂。该类杀生剂是通过断开细菌和藻类蛋白质的键而起杀生作用的,浓度为0.5mg/L时,即能有效地抑制冷却水系统中的藻类、真菌和细菌,具有广谱高效、作用时间长(0.5mg/L的加入量,使用5周后仍有效)、低毒、pH使用范围广、配伍性混溶性好、不起泡沫,并能阻止粘泥生成等优点。国外已广泛应用于冷却水处理中。
季铵盐杀生剂因其成本低,毒性小,且兼具缓蚀性。故得到广泛的应用,但使用中还存在易产生抗药性、费用增加，起泡，加重腐蚀等问题。鉴于此,新合成的十六烷基辛基二甲基溴化铵(168)和十六烷基癸基二甲基溴化铵(1610)两种双烷基季铵盐,改变了季铵盐的表面活性和分子稳定性,它产生的泡沫少,杀生活性也得以提高。
戊二醛具有高效广谱的杀菌灭藻作用,对生物粘泥也有一定的剥离作用。美国联合碳化物公司生产了系列戊二醛水处理杀生剂A515、A525、A530等,试验证明,A515对异养菌等具有明显的杀生作用,且药效持续时间长,72h后杀菌率仍有90%以上;它适用于碱性水处理,与磷系药剂具有良好的配伍性。武汉某公司近年推出戊二醛系列用于循环冷却水系统,效果明显。在对冷却水的推荐使用浓度下,戊二醛几乎没有毒性,它的水溶液本身会发生生物降解。随着社会环保意识的加强,戊二醛类杀生剂将大有发展前途。
开发新型杀生剂，要考虑价格、毒性,使用安全性,贮存稳定性、微生物耐药性等因素外，还应考虑杀生剂的复配间的协同效应,复配在一起,既能增强杀生能力,又能降低加药量。
4、水处理药剂的发展方向
4.1专用水处理药剂的开发
为了满足不同废水系统(如造纸废水、印染废水、食品加工废水等)的需要，专用性强，针对某一类化学物质的品种的研制与开发势在必行。
4.2多功能水处理药剂的开发
多功能水处理剂是水处理药剂研究的一个重要方面，这类新型水处理技术的出现，将开拓水处理剂的生产和应用范围，对化学法处理工业水的发展有重大的促进作用。
这方面的研究主要有：缓蚀-阻垢剂、絮凝-缓蚀剂、絮凝-杀菌剂、絮凝-杀菌-缓蚀剂、絮凝-缓蚀-阻垢剂等。
4.3绿色水处理药剂的发展
水处理药剂绿色化发展中，无毒、无害、易生物降解都是方向。最典型的绿色水处理药剂是近年来国内外开发的分散阻垢剂聚天冬氨酸（PASP）。PASP是合成的一种生物高分子。有良好的生物相溶性和可生物降解性。毒理学的研究揭示出聚天冬氨酸（PASP）无毒、无敏感或无突变的效果。
4.4高性价比的水处理药剂的开发
目前高性能的药剂价格普遍偏高,可通过寻找价廉易得的原料研制出高性能产品,也可通过加强对复配技术的研究,即添加廉价辅助剂,减少药剂的实际用量，同时保持净水效能而达降低成本的目的。
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