高分子絮凝剂在废水处理的应用
摘要:高分子絮凝剂在水处理技术中占有十分重要的地位，而且已成为目前废水处理中的一类不可缺少的重要试剂。本文介绍了高分子絮凝剂的絮凝机理、种类、性质及其应用。
关键词:絮凝剂 废水处理 应用
凡具有吸附架桥或表面吸附而导致分散相成絮团沉降的过程叫作絮凝作用，起絮凝作用的物质就是絮凝剂。
根据斯托克司(G．G．Stokes)的工作，我们知道一个球形粒子受重力的作用，在静止的液体中进行自然沉降时，其沉降速度与粒子直径的平方成正比。一般直径小于100 fm的细小粒子，其自然沉降速度极其缓慢。实际上完全靠重力作用，这些微粒不能沉降。然而，工业废水、生活污水及其他水悬浮体中所含固体悬浮物都属于难以自然沉降的胶体分散相或粗分散相类物质。尽管目前国内外报道的水处理方法很多，但应用最广泛、成本最低的处理方法还是絮凝沉淀法。而水质处理技术和效率的关键在于絮凝剂的选择。此方法是指在废水中，加人一定量的絮凝剂，使其进行物理化学反应，达到水体净化的目的。
l 絮凝机理
为了加速悬浮粒子的沉降，必须设法破坏粒子在体系中的稳定性，促使其碰撞以达到增大粒子尺寸的目的，这就是絮凝作用的基本原理。
一般认为高分子絮凝剂的絮凝作用机理是：在稳定的胶体分散体系中，1个长链大分子可同时吸附2个或几个胶粒，或是1个胶粒可同时吸附2个高分子链，因而形成“架桥”的形式把胶粒裹集起来而聚沉(如图1(a))；也可能是大分子链中的极性基团在胶粒表面上进行无规则吸附而使胶粒聚沉(如图1(b))。此外，有的絮凝剂也有中和悬浮物质电荷的作用。
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2 无机絮凝剂
2．1 无机絮凝剂的分类和性质
无机絮凝剂按金属盐可分为铝盐系及铁盐系2大类；铝盐以硫酸铝、氯化铝为主，铁盐以硫酸铁、氯化铁为主。后来在传统的铝盐和铁盐的基础上发展合成出聚合硫酸铝、聚合硫酸铁等新型的水处理剂，它的出现不仅降低了处理成本，而且提高了功效。
这类絮凝剂中存在多羟基络离子，以OH 为架桥形成多核络离子，从而变成了巨大的无机高分子化合物，相对分子质量高达1．0×10 。无机聚合物絮凝剂之所以比其他无机絮凝剂能力高、絮凝效果好，其根本原因就在于它能提供大量的如上所述的络合离子，能够强烈吸附胶体微粒，通过粘附、架桥和交联作用，从而促使胶体凝聚。同时还发生物理化学变化，中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷，降低了Zeta电位，使胶体粒子由原来的相斥变成相吸，破坏了胶团的稳定性，促使胶体微粒相互碰撞，从而形成絮状混凝沉淀，而且沉淀的表面积可达(200～1 000)m ／g，极具吸附能力。即聚合物既有吸附脱稳作用，又可发挥粘附、桥联以及卷扫絮凝作用。
2．2 改性的单阳离子无机絮凝剂
除常用的聚铝、聚铁外，还有聚活性硅胶及其改性品，如聚硅铝(铁)、聚磷铝(铁)。改性的目的是引人某些高电荷离子以提高电荷的中和能力，引人羟基、磷酸根等以增加配位络合能力，从而改变絮凝效果，其可能的原因是：某些阴离子或阳离子可以改变聚合物的形态结构及分布，或者是2种以上聚合物之间具有协同增效作用。
近年来国内相继研制出复合型无机絮凝剂和复合型无机高分子絮凝剂。聚硅酸絮凝剂(PSAA)，其制备方法简便，原料来源广泛，成本低，对油田稠油采出水的处理具有更强的除油能力，故具有极大的开发价值和广泛的应用前景。聚硅酸硫酸铁(PFSS)絮凝剂，研究发现高度聚合的硅酸与金属离子一起可产生良好的混凝效果。聚磷氯化铁(PPFC)中P 高价阴离子与Fe3+有较强的亲和力，对Fe3+ 的水解溶液有较大的影响，能够参与Fe3+ 的络合反应并能在铁原子之间架桥，形成多核络合物；对水中带负电的硅藻土胶体的电中和吸附架桥作用增强，同时由于P03- 4 的参与使絮凝物的体积、密度增加，絮凝效果提高。聚磷氯化铝(PPAC)也是基于磷酸根对聚合铝(PAC)的强增聚作用，在聚合铝中引入适量的磷酸盐，通过磷酸根的增聚作用，使得PPAC产生了新一类高电荷的带磷酸根的多核中间络合物。聚硅酸铁(PSF)它不仅能很好地处理低温低浊水，而且与硫酸铁相比具有用量少、投料范围宽、絮凝物形成时间短且形态粗大易于沉降、可缩短水样在处理系统中的停留时间等优点，因而提高了系统的处理能力，对处理水的pH基本无影响。
2．3 改性的多阳离子无机絮凝剂
聚合硫酸氯化铁铝(PAFCS)在饮用水及污水处理中，效果比明矾更好；在含油废水及印染废水中PAFCS比PAC的效果均优，且脱色能力强；絮凝物密度大，絮凝速度快，易过滤，出水率高；其原料均来源于工业废渣，成本较低，适合工业水处理。铝铁共聚复合絮凝剂也属这类产品，它的生产原料氯化铝和氯化铁均是廉价的传统无机絮凝剂，来源广，生产工艺简单，有利于开发应用。铝盐和铁盐的共聚物不同于2种盐的混合物，它更有效地综合了PAC和FeC13的优点增强了去浊效果。
随着人们对水处理认识的不断提高，残留铝对生物体产生的毒害作用倍受人们的关注，如何减少二次污染的问题已经越来越引起人们的重视。国内现有生产方法制得的饮用水中铝含量比原水一般高142倍。原因可能是絮凝过程不完善，导致部分铝以氢氧化铝的微细颗粒存在于水中。采用强化絮凝净化法，改善絮凝反应条件，延长慢速絮凝时间等可有效地降低铝等含量。考虑到无机絮凝剂具有一定的腐蚀性和毒性对人类健康和生态环境会产生不利影响，人们研制开发出了有机高分子絮凝剂。
3 有机高分子絮凝剂
有机高分子絮凝剂是以淀粉、明胶等天然高分子为开端的。合成高分子絮凝剂则在1950年美国氰胺公司的聚丙烯酰胺工业化之后开始研究。1960年以后，随着高分子合成工业的发展，同时环境污染问题日趋突出，大量复杂的各种工业废水和城市污水等日益严格的净化处理要求更促进了合成高分子絮凝剂及其絮凝技术的发展。
3．1 有机高分子絮凝剂种类和性质
有机高分子絮凝剂有天然高分子和合成高分子2大类。从化学结构上可以分为以下3种类型：(1)聚胺型一低分子量阳离子型电解质；(2)季铵型，其分子量变化范围大，并具有较高的阳离子性；(3)丙烯酰胺的共聚物，使用上较不方便，但絮凝性能好有机高分子絮凝剂大分子中可带-C00-、-NH-、-0H等亲水基团，具有链状、环状等多种结构。因其活性基团多，分子量高，具有用量少、浮
渣产量少、絮凝能力强、絮体容易分离、除油及除悬浮物效果好等特点，在处理炼油废水、高悬浮物废水及其他工业废水中有着广泛的用途。特别是丙烯酰胺系列有机高分子絮凝剂以其分子量高，絮凝架桥能力强而显示出在水处理中的优越性。根据含有不同的官能团离解后粒子的带电情况又可以分为阳离子型、阴离子型、非离子型3大类。
3．2 离子型有机高分子絮凝剂
3．2．1 阴离子型有机高分子絮凝剂
阴离子型有机高分子絮凝剂主要有聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钙以及聚丙烯酰胺的加碱水解物等聚合物；丙烯酰胺和苯乙烯磺酸盐、木质磺酸盐、丙烯酸、甲基丙烯酸等共聚物。
3．2．2 阳离子型有机高分子絮凝剂
阳离子型有机高分子絮凝剂一般是在侧链或支链上带有正电荷的阳离子聚电解质，如高分子聚丙烯酰胺改性产物(季铵化的聚丙烯酰胺、丙烯酰胺与阳离子单体共聚物等)。此外，吡啶衍生物也可同过聚合或与其他单体共聚获得性能良好的阳离子絮凝剂。
3．3 非离子型有机高分子絮凝剂
这类絮凝剂主要有聚丙烯酰胺絮凝剂、聚氧化乙烯絮凝剂以及由部分水解聚丙烯酰胺加入适量甲醛和二甲胺，通过曼尼兹反应合成具有羟基和胺基的两性聚丙烯酰胺絮凝剂。
3．4 丙烯酰胺接枝共聚物
因为淀粉价廉来源丰富，其本身也是高分子化合物，具有亲水的刚性链，以这种刚性链为骨架，接上柔性的聚丙烯酰胺支链，这种刚柔相济的网状大分子除了保持原聚丙烯酰胺的功能之外，还具有某些更为优异的性能。
4 微生物絮凝剂
4．1 微生物絮凝剂概述
国外微生物絮凝剂的商业化生产始于2O世纪9O年代，因不存在二次污染，使用方便，应用前景诱人。
微生物絮凝剂是利用生物技术，从微生物体或其分泌物提取、纯化而获得的一种安全、高效，且能自然降解的新型水处理剂。主要包括利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂，利用微生物细胞壁代谢产物的絮凝剂、直接利用微生物细胞的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂。由于微生物絮凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，最终实现无污染排放，因此微生物絮凝剂的研究正成为当今世界絮凝剂方面研究的重要课题。
4．2 微生物絮凝剂的种类和性质
微生物絮凝剂的研究者早就发现，一些微生物如酵母、细菌等有细胞絮凝现象，但一直未对其重视，仅是作为细胞富集的一种方法。近十几年来，细胞絮凝作为一种简单、经济的生物产品分离技术才在连续发酵及产品分离中得到广泛的应用。从其来源看，也属于天然有机高分子絮凝剂，因此它具有天然有机高分子絮凝剂的一切优点。同时，微生物絮凝剂的研究工作已由提纯、改性进入到利用生物技术培育、筛选优良的菌种，以较低的成本获得高效的絮凝剂的研究，已超越了传统的天然有机高分子絮凝剂的研究范畴。具有分泌絮凝剂能力的微生物称
为絮凝剂产生菌。最早的絮凝剂产生菌由Butter—field从活性污泥中筛选得到。1976年，Nakamura．J等人从霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等菌种中，筛选出l9种具有絮凝能力的微生物，其中以酱油曲霉(As—pergillus souae)AJ7002产生的絮凝剂效果最好。1985年，Takagi．H等人研究了拟青霉素(Paecilo—
myces sp．1一1)微生物产生的絮凝剂PF101。PF101对枯草杆菌、大肠杆菌、啤洒酵母、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土、氧化铝等有良
好的絮凝效果。1986年Kurane等人利用红平红球菌(Rhodococcuserythropolis) 研制成功生物絮凝剂NOC一1，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的最好的微生物絮凝剂。
5 结语
综上所述，高分子絮凝剂在处理废水过程中，起着不可替代的作用。无机高分子絮凝剂可以较好地除去废水中大部分悬浮态染料、分散染料、氧化后的还原染料、硫化染料、偶合后的冰染料。有机高分子絮凝剂与无机高分子絮凝剂相比，具有用量少、聚合度高、絮凝速度快、受pH及温度影响小、污泥量少且易处理等优点，对节约用水、强化水质处理和提高水的回用率起到很大的作用，特别是对于水溶性染料等废水具有很好的脱色性能，但是，有机合成高分子絮凝剂单独使用处理印染废水，不仅效果差，而且易产生有毒物质，对进一步生化处理印染废水造成困难。因此，开发高效、新型高分子絮凝剂是絮凝法处理废水的关键。近年来，由于天然高分子具有无毒、原料广、价廉和可生物降解等优点，被国内外科研工作者广泛用来研制絮凝剂，这类絮凝剂包括微生物絮凝剂在内适合处理水质复杂的废水，尤其是复杂、多变的印染废水，既可单独处理，也可与其他处理方法联合使用，减少废水对环境的污染。总之，随着絮凝技术的不断完善，高分子絮凝剂在废水处理中将发挥更大的作用。
参考文献
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