高分子絮凝劑在廢水處理的應(yīng)用

摘要:高分子絮凝劑在水處理技術(shù)中占有十分重要的地位，而且已成為目前廢水處理中的一類不可缺少的重要試劑。本文介紹了高分子絮凝劑的絮凝機(jī)理、種類、性質(zhì)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:絮凝劑 廢水處理 應(yīng)用

凡具有吸附架橋或表面吸附而導(dǎo)致分散相成絮團(tuán)沉降的過程叫作絮凝作用，起絮凝作用的物質(zhì)就是絮凝劑。

根據(jù)斯托克司(G．G．Stokes)的工作，我們知道一個(gè)球形粒子受重力的作用，在靜止的液體中進(jìn)行自然沉降時(shí)，其沉降速度與粒子直徑的平方成正比。一般直徑小于100 fm的細(xì)小粒子，其自然沉降速度極其緩慢。實(shí)際上完全靠重力作用，這些微粒不能沉降。然而，工業(yè)廢水、生活污水及其他水懸浮體中所含固體懸浮物都屬于難以自然沉降的膠體分散相或粗分散相類物質(zhì)。盡管目前國內(nèi)外報(bào)道的水處理方法很多，但應(yīng)用最廣泛、成本最低的處理方法還是絮凝沉淀法。而水質(zhì)處理技術(shù)和效率的關(guān)鍵在于絮凝劑的選擇。此方法是指在廢水中，加人一定量的絮凝劑，使其進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到水體凈化的目的。

l 絮凝機(jī)理

為了加速懸浮粒子的沉降，必須設(shè)法破壞粒子在體系中的穩(wěn)定性，促使其碰撞以達(dá)到增大粒子尺寸的目的，這就是絮凝作用的基本原理。

一般認(rèn)為高分子絮凝劑的絮凝作用機(jī)理是：在穩(wěn)定的膠體分散體系中，1個(gè)長(zhǎng)鏈大分子可同時(shí)吸附2個(gè)或幾個(gè)膠粒，或是1個(gè)膠�？赏瑫r(shí)吸附2個(gè)高分子鏈，因而形成“架橋”的形式把膠粒裹集起來而聚沉(如圖1(a))；也可能是大分子鏈中的極性基團(tuán)在膠粒表面上進(jìn)行無規(guī)則吸附而使膠粒聚沉(如圖1(b))。此外，有的絮凝劑也有中和懸浮物質(zhì)電荷的作用。

2 無機(jī)絮凝劑

2．1 無機(jī)絮凝劑的分類和性質(zhì)

無機(jī)絮凝劑按金屬鹽可分為鋁鹽系及鐵鹽系2大類；鋁鹽以硫酸鋁、氯化鋁為主，鐵鹽以硫酸鐵、氯化鐵為主。后來在傳統(tǒng)的鋁鹽和鐵鹽的基礎(chǔ)上發(fā)展合成出聚合硫酸鋁、聚合硫酸鐵等新型的水處理劑，它的出現(xiàn)不僅降低了處理成本，而且提高了功效。

這類絮凝劑中存在多羥基絡(luò)離子，以O(shè)H 為架橋形成多核絡(luò)離子，從而變成了巨大的無機(jī)高分子化合物，相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)1．0×10 。無機(jī)聚合物絮凝劑之所以比其他無機(jī)絮凝劑能力高、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絡(luò)合離子，能夠強(qiáng)烈吸附膠體微粒，通過粘附、架橋和交聯(lián)作用，從而促使膠體凝聚。同時(shí)還發(fā)生物理化學(xué)變化，中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷，降低了Zeta電位，使膠體粒子由原來的相斥變成相吸，破壞了膠團(tuán)的穩(wěn)定性，促使膠體微粒相互碰撞，從而形成絮狀混凝沉淀，而且沉淀的表面積可達(dá)(200～1 000)m ／g，極具吸附能力。即聚合物既有吸附脫穩(wěn)作用，又可發(fā)揮粘附、橋聯(lián)以及卷掃絮凝作用。

2．2 改性的單陽離子無機(jī)絮凝劑

除常用的聚鋁、聚鐵外，還有聚活性硅膠及其改性品，如聚硅鋁(鐵)、聚磷鋁(鐵)。改性的目的是引人某些高電荷離子以提高電荷的中和能力，引人羥基、磷酸根等以增加配位絡(luò)合能力，從而改變絮凝效果，其可能的原因是：某些陰離子或陽離子可以改變聚合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)及分布，或者是2種以上聚合物之間具有協(xié)同增效作用。

近年來國內(nèi)相繼研制出復(fù)合型無機(jī)絮凝劑和復(fù)合型無機(jī)高分子絮凝劑。聚硅酸絮凝劑(PSAA)，其制備方法簡(jiǎn)便，原料來源廣泛，成本低，對(duì)油田稠油采出水的處理具有更強(qiáng)的除油能力，故具有極大的開發(fā)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。聚硅酸硫酸鐵(PFSS)絮凝劑，研究發(fā)現(xiàn)高度聚合的硅酸與金屬離子一起可產(chǎn)生良好的混凝效果。聚磷氯化鐵(PPFC)中P 高價(jià)陰離子與Fe3+有較強(qiáng)的親和力，對(duì)Fe3+ 的水解溶液有較大的影響，能夠參與Fe3+ 的絡(luò)合反應(yīng)并能在鐵原子之間架橋，形成多核絡(luò)合物；對(duì)水中帶負(fù)電的硅藻土膠體的電中和吸附架橋作用增強(qiáng)，同時(shí)由于P03- 4 的參與使絮凝物的體積、密度增加，絮凝效果提高。聚磷氯化鋁(PPAC)也是基于磷酸根對(duì)聚合鋁(PAC)的強(qiáng)增聚作用，在聚合鋁中引入適量的磷酸鹽，通過磷酸根的增聚作用，使得PPAC產(chǎn)生了新一類高電荷的帶磷酸根的多核中間絡(luò)合物。聚硅酸鐵(PSF)它不僅能很好地處理低溫低濁水，而且與硫酸鐵相比具有用量少、投料范圍寬、絮凝物形成時(shí)間短且形態(tài)粗大易于沉降、可縮短水樣在處理系統(tǒng)中的停留時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，因而提高了系統(tǒng)的處理能力，對(duì)處理水的pH基本無影響。

2．3 改性的多陽離子無機(jī)絮凝劑

聚合硫酸氯化鐵鋁(PAFCS)在飲用水及污水處理中，效果比明礬更好；在含油廢水及印染廢水中PAFCS比PAC的效果均優(yōu)，且脫色能力強(qiáng)；絮凝物密度大，絮凝速度快，易過濾，出水率高；其原料均來源于工業(yè)廢渣，成本較低，適合工業(yè)水處理。鋁鐵共聚復(fù)合絮凝劑也屬這類產(chǎn)品，它的生產(chǎn)原料氯化鋁和氯化鐵均是廉價(jià)的傳統(tǒng)無機(jī)絮凝劑，來源廣，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，有利于開發(fā)應(yīng)用。鋁鹽和鐵鹽的共聚物不同于2種鹽的混合物，它更有效地綜合了PAC和FeC13的優(yōu)點(diǎn)增強(qiáng)了去濁效果。

隨著人們對(duì)水處理認(rèn)識(shí)的不斷提高，殘留鋁對(duì)生物體產(chǎn)生的毒害作用倍受人們的關(guān)注，如何減少二次污染的問題已經(jīng)越來越引起人們的重視。國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)方法制得的飲用水中鋁含量比原水一般高142倍。原因可能是絮凝過程不完善，導(dǎo)致部分鋁以氫氧化鋁的微細(xì)顆粒存在于水中。采用強(qiáng)化絮凝凈化法，改善絮凝反應(yīng)條件，延長(zhǎng)慢速絮凝時(shí)間等可有效地降低鋁等含量。考慮到無機(jī)絮凝劑具有一定的腐蝕性和毒性對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不利影響，人們研制開發(fā)出了有機(jī)高分子絮凝劑。

3 有機(jī)高分子絮凝劑

有機(jī)高分子絮凝劑是以淀粉、明膠等天然高分子為開端的。合成高分子絮凝劑則在1950年美國氰胺公司的聚丙烯酰胺工業(yè)化之后開始研究。1960年以后，隨著高分子合成工業(yè)的發(fā)展，同時(shí)環(huán)境污染問題日趨突出，大量復(fù)雜的各種工業(yè)廢水和城市污水等日益嚴(yán)格的凈化處理要求更促進(jìn)了合成高分子絮凝劑及其絮凝技術(shù)的發(fā)展。

3．1 有機(jī)高分子絮凝劑種類和性質(zhì)

有機(jī)高分子絮凝劑有天然高分子和合成高分子2大類。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上可以分為以下3種類型：(1)聚胺型一低分子量陽離子型電解質(zhì)；(2)季銨型，其分子量變化范圍大，并具有較高的陽離子性；(3)丙烯酰胺的共聚物，使用上較不方便，但絮凝性能好有機(jī)高分子絮凝劑大分子中可帶-C00-、-NH-、-0H等親水基團(tuán)，具有鏈狀、環(huán)狀等多種結(jié)構(gòu)。因其活性基團(tuán)多，分子量高，具有用量少、浮

渣產(chǎn)量少、絮凝能力強(qiáng)、絮體容易分離、除油及除懸浮物效果好等特點(diǎn)，在處理煉油廢水、高懸浮物廢水及其他工業(yè)廢水中有著廣泛的用途。特別是丙烯酰胺系列有機(jī)高分子絮凝劑以其分子量高，絮凝架橋能力強(qiáng)而顯示出在水處理中的優(yōu)越性。根據(jù)含有不同的官能團(tuán)離解后粒子的帶電情況又可以分為陽離子型、陰離子型、非離子型3大類。

3．2 離子型有機(jī)高分子絮凝劑

3．2．1 陰離子型有機(jī)高分子絮凝劑

陰離子型有機(jī)高分子絮凝劑主要有聚丙烯酸、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸鈣以及聚丙烯酰胺的加堿水解物等聚合物；丙烯酰胺和苯乙烯磺酸鹽、木質(zhì)磺酸鹽、丙烯酸、甲基丙烯酸等共聚物。

3．2．2 陽離子型有機(jī)高分子絮凝劑

陽離子型有機(jī)高分子絮凝劑一般是在側(cè)鏈或支鏈上帶有正電荷的陽離子聚電解質(zhì)，如高分子聚丙烯酰胺改性產(chǎn)物(季銨化的聚丙烯酰胺、丙烯酰胺與陽離子單體共聚物等)。此外，吡啶衍生物也可同過聚合或與其他單體共聚獲得性能良好的陽離子絮凝劑。

3．3 非離子型有機(jī)高分子絮凝劑

這類絮凝劑主要有聚丙烯酰胺絮凝劑、聚氧化乙烯絮凝劑以及由部分水解聚丙烯酰胺加入適量甲醛和二甲胺，通過曼尼茲反應(yīng)合成具有羥基和胺基的兩性聚丙烯酰胺絮凝劑。

3．4 丙烯酰胺接枝共聚物

因?yàn)榈矸蹆r(jià)廉來源豐富，其本身也是高分子化合物，具有親水的剛性鏈，以這種剛性鏈為骨架，接上柔性的聚丙烯酰胺支鏈，這種剛?cè)嵯酀?jì)的網(wǎng)狀大分子除了保持原聚丙烯酰胺的功能之外，還具有某些更為優(yōu)異的性能。

4 微生物絮凝劑

4．1 微生物絮凝劑概述

國外微生物絮凝劑的商業(yè)化生產(chǎn)始于2O世紀(jì)9O年代，因不存在二次污染，使用方便，應(yīng)用前景誘人。

微生物絮凝劑是利用生物技術(shù)，從微生物體或其分泌物提取、純化而獲得的一種安全、高效，且能自然降解的新型水處理劑。主要包括利用微生物細(xì)胞壁提取物的絮凝劑，利用微生物細(xì)胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑、直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑和克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑。由于微生物絮凝劑可以克服無機(jī)高分子和合成有機(jī)高分子絮凝劑本身固有的缺陷，最終實(shí)現(xiàn)無污染排放，因此微生物絮凝劑的研究正成為當(dāng)今世界絮凝劑方面研究的重要課題。

4．2 微生物絮凝劑的種類和性質(zhì)

微生物絮凝劑的研究者早就發(fā)現(xiàn)，一些微生物如酵母、細(xì)菌等有細(xì)胞絮凝現(xiàn)象，但一直未對(duì)其重視，僅是作為細(xì)胞富集的一種方法。近十幾年來，細(xì)胞絮凝作為一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的生物產(chǎn)品分離技術(shù)才在連續(xù)發(fā)酵及產(chǎn)品分離中得到廣泛的應(yīng)用。從其來源看，也屬于天然有機(jī)高分子絮凝劑，因此它具有天然有機(jī)高分子絮凝劑的一切優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，微生物絮凝劑的研究工作已由提純、改性進(jìn)入到利用生物技術(shù)培育、篩選優(yōu)良的菌種，以較低的成本獲得高效的絮凝劑的研究，已超越了傳統(tǒng)的天然有機(jī)高分子絮凝劑的研究范疇。具有分泌絮凝劑能力的微生物稱

為絮凝劑產(chǎn)生菌。最早的絮凝劑產(chǎn)生菌由Butter—field從活性污泥中篩選得到。1976年，Nakamura．J等人從霉菌、細(xì)菌、放線菌、酵母菌等菌種中，篩選出l9種具有絮凝能力的微生物，其中以醬油曲霉(As—pergillus souae)AJ7002產(chǎn)生的絮凝劑效果最好。1985年，Takagi．H等人研究了擬青霉素(Paecilo—

myces sp．1一1)微生物產(chǎn)生的絮凝劑PF101。PF101對(duì)枯草桿菌、大腸桿菌、啤灑酵母、血紅細(xì)胞、活性污泥、纖維素粉、活性炭、硅藻土、氧化鋁等有良

好的絮凝效果。1986年Kurane等人利用紅平紅球菌(Rhodococcuserythropolis) 研制成功生物絮凝劑NOC一1，對(duì)大腸桿菌、酵母、泥漿水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨脹污泥、紙漿廢水等均有極好的絮凝和脫色效果，是目前發(fā)現(xiàn)的最好的微生物絮凝劑。

5 結(jié)語

綜上所述，高分子絮凝劑在處理廢水過程中，起著不可替代的作用。無機(jī)高分子絮凝劑可以較好地除去廢水中大部分懸浮態(tài)染料、分散染料、氧化后的還原染料、硫化染料、偶合后的冰染料。有機(jī)高分子絮凝劑與無機(jī)高分子絮凝劑相比，具有用量少、聚合度高、絮凝速度快、受pH及溫度影響小、污泥量少且易處理等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)節(jié)約用水、強(qiáng)化水質(zhì)處理和提高水的回用率起到很大的作用，特別是對(duì)于水溶性染料等廢水具有很好的脫色性能，但是，有機(jī)合成高分子絮凝劑單獨(dú)使用處理印染廢水，不僅效果差，而且易產(chǎn)生有毒物質(zhì)，對(duì)進(jìn)一步生化處理印染廢水造成困難。因此，開發(fā)高效、新型高分子絮凝劑是絮凝法處理廢水的關(guān)鍵。近年來，由于天然高分子具有無毒、原料廣、價(jià)廉和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)外科研工作者廣泛用來研制絮凝劑，這類絮凝劑包括微生物絮凝劑在內(nèi)適合處理水質(zhì)復(fù)雜的廢水，尤其是復(fù)雜、多變的印染廢水，既可單獨(dú)處理，也可與其他處理方法聯(lián)合使用，減少廢水對(duì)環(huán)境的污染。總之，隨著絮凝技術(shù)的不斷完善，高分子絮凝劑在廢水處理中將發(fā)揮更大的作用。

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