水处理混凝剂的发展和展望
【摘要】混凝是对不溶态污染物的分离技术，指在混凝剂的作用下，使废水中的胶体和细微悬浮物凝聚成絮凝体，然后予以分离除去的水处理法。混凝在给水和废水处理中的应用是非常广泛的，它既可以降低原水的浊度、色度等水质的感观指标，又可以去除多种有毒有害污染物。混凝处理效果往往决定着后续流程的运行工况、处理费用及最终出水水质。本文主要对混凝剂的研究进展进行了评述，并对其今后的发展提出了展望。
【关键词】水处理；无机混凝剂；有机混凝剂
混凝过程是给水和废水处理众多工艺流程中不可缺少的前置单元操作技术,混凝处理效果往往决定着后续流程的运行工况、处理费用及最终出水水质。随着近年来水资源短缺及水体污染的日益严重, 如何进一步强化混凝过程、扩展处理范围、提高效能、降低药耗、缩短反应时间、降低投资及运行成本,从整体上改善现有传统混凝工艺技术的质量和效果,一直是水处理领域中研究的热点,尤其是新型、高效、安全、无毒混凝剂的研制[1]。
1．无机混凝剂
1.1铝系混凝剂
铝盐是最传统、应用最广泛的混凝剂。简单的铝盐,如硫酸铝、氧化铝和明矾等,其主要作用机理是通过对水中胶体颗粒的压缩双电层作用、吸附电中和作用、吸附架桥作用及沉淀物卷扫作用,从而使胶体颗粒脱稳凝聚。尽管铝盐被广泛使用,但铝是低毒物质,经各种渠道进入人体后,会在一些机体组织中积蓄,并参与许多生物化学反应,能将体内必需的营养元素和微量元素置换流失或沉积,从而破坏各部位的生理功能,导致人体出现诸如铝性脑病、铝性贫血等中毒病症。为解决铝带来的负面效应,传统的铝盐有被其它无机盐或铝系高分子混凝剂取代的趋势。聚合氯化铝(PAC)是常用的铝系高分子混凝剂,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颗粒大而重,易沉淀,反应沉淀时间短,对原水水温及pH值的适用范围广(5～9)。除PAC外,还有聚合硫酸铝(PAS)、聚合磷酸铝(PAP)等高分子铝盐,以及含铝复合型混凝剂,如聚硫酸氯化铝、聚磷酸氯化铝等[2]。
1.2铁系混凝剂
盐是铝盐的主要替代品,采用铁盐作为混凝剂,不仅安全无毒, 避免二次污染,而且具有混凝能力强、矾花大、沉降快、水温和pH值适用范围广、价格便宜等优点。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,且铁盐混凝剂中的Fe3+与水中腐殖质等有机物可形成水溶性污染物,使自来水带色,故需慎重选取。简单的铁盐主要是氯化铁、硫酸亚铁等。与铝盐类似,铁盐也从简单的低分子混凝剂向高分子混凝剂方向发展。除PFS以外,还有聚磷酸铁(PFP)、聚磷氯化铁(PPFC)、聚硫酸氯化铁(PASC)等复合型混凝剂[3]。
1.3聚硅酸类混凝剂
聚硅酸在20世纪30年代后期作为混凝剂在水处理中得到应用。此类混凝剂在通常条件下组分带负电荷,属阴离子型高分子混凝剂,主要依靠表面羟基的氢键作用可以吸附许多其它分子,并且硅酸在聚合过程中,随着分子量的不断增大而交联成网状,吸附架桥能力增强,从而聚合度增大,处理效果加强,形成的絮粒大而易于沉降。聚硅酸在储存时易发生自聚反应,析出硅胶而失去混凝功能,故只能现场制备,这也就限制了聚硅酸的应用和推广。聚硅酸可以作为助凝剂,与铝盐、铁盐或无机高分子混凝剂聚铝、聚铁等配合使用,或用聚硅酸和铝盐或铁盐制成含金属离子的聚硅酸混凝剂应用到水处理中,其中含金属离子的聚硅酸混凝剂应用较广。在聚硅酸中加入少量金属离子(Al3+,Fe3+ 等),可抑制硅酸聚合,延缓其凝胶,并能使絮凝体体积明显增大,从而改善低温混凝效果[4]。
2．有机混凝剂
有机高分子混凝剂与无机混凝剂相比,具有用量少、混凝速度快、受共存盐类、pH值及温度影响小、生成的污泥量少、处理效果好等优点。目前使用的有机高分子混凝剂主要有人工合成有机高分子混凝剂和天然高分子混凝剂两种。此外,近几年微生物高分子絮凝剂的研究也越来越受到关注[5]。
2.1人工合成有机高分子混凝剂
人工合成有机高分子混凝剂多为聚丙烯、聚乙烯物质,如聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺等。由于分子量大、分子官能团多、用量小、品种多等特点,在市场上占绝对优势,尤以聚丙烯酰胺系列最为广泛。人工合成有机高分子混凝剂的最大特点是可根据需要采用合成方法对碳链长度进行调节,同时在碳链上引人不同性质的官能团。有机高分子混凝剂根据官能团的性质,可分为阳离子型(如季铵盐、阳离子型聚内烯酰胺等)、阴离子型(如部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠及丙烯酰胺与丙烯酸等单体的共聚物)、非离子型(如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚氧乙烯等)和两性型(如两性聚丙烯酰胺等)等类型。合成有机高分子混凝剂分子链上所带的官能团如-COOH、-CONH2、-OH、-NH2等,可以强烈吸附细微颗粒,在微粒与微粒之间形成架桥作用,这种结构上的变化可构成能满足各种不同需要的产品,而且还可以针对不同处理对象合成单体含量不同和分子量不同的有机高分子混凝剂。但是目前,由于人工合成有机高分子混凝剂的价格不断上涨,以及高分子混凝剂残留单体毒性等问题,限制了它在食品加工、给水处理及发酵工业等方面的发展。而最令人担心的是合成有机高分子混凝剂是否会对人体健康产生长期的影响,包括毒性、致癌性、致突变性等,至今尚未有定论。
2.2天然高分子混凝剂
天然高分子混凝剂在水处理中的应用历史可追溯到2000年前的古代中国和古埃及。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混凝剂,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”。但此类混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混凝剂。
2.3微生物高分子絮凝剂
大量研究发现,许多微生物能产生絮凝物质,主要包括:革兰氏阳性菌,如红平红球菌、棒状杆菌等;革兰氏阴性菌,如协腹产碱杆菌等;其它微生物,如假单胞菌属、土壤杆菌属、拟青霉属等。其中具有最强絮凝作用的是红平红球菌,在日本的旱田土壤中最常见,在沉降性能良好的活性污泥微生物中约占2%,用它开发的微生物絮凝剂被命名为 NOC-1。微生物絮凝剂可用于废水悬浮颗粒的去除,废水脱色,乳化液油水分离,污泥沉降性能的改善,畜牧场废水的处理,污泥脱水等。
3．结语
纵观混凝剂的发展历史可以看出,水处理混凝剂经历了从最初的传统混凝剂,到无机高分子混凝剂,再到有机高分子混凝剂;从简单的天然有机高分子混凝剂,到合成的有机高分子混凝剂,再到天然改性有机高分子混凝剂;从化学混凝剂,到具有生态安全性能的微生物混凝剂,即当前混凝剂的发展趋势是高分子化、复合化和多功能化。为了进一步提高混凝剂使用的经济效益、社会效益和环境效益,今后研究的重点应放在复合型高分子混凝剂的研制、天然高分子物质及其改性产品的应用、微生物混凝剂的开发及新产品和传统混凝剂的结合应用上。
【参考文献】
［1］何慧琴,童仕唐.水处理中絮凝剂的研究进展[J].应用化工,2001,30(6):14-16.
［2］王敏,童芳华.铝盐混凝剂的研究进展[J].江西化工,2005,(2):9-11.
［3］肖筱瑜,张静.水处理絮凝剂研究进展[J].矿产与地质,2003,17(1):90-95.
［4］崔子文,郝红英.水处理中絮凝剂的研究应用现状[J].山西化工,1999,19(1):58- 61.
［5］张莉,李本高.水处理絮凝剂的研究进展[J].工业用水与废水,2001,32(3):5-7.
［6］康建雄,白云山.水处理絮凝剂的开发与应用[J].华中科技大学学报,2004,(2): 23-26.
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