水處理混凝劑的發(fā)展和展望
【摘要】混凝是對(duì)不溶態(tài)污染物的分離技術(shù)，指在混凝劑的作用下，使廢水中的膠體和細(xì)微懸浮物凝聚成絮凝體，然后予以分離除去的水處理法。混凝在給水和廢水處理中的應(yīng)用是非常廣泛的，它既可以降低原水的濁度、色度等水質(zhì)的感觀指標(biāo)，又可以去除多種有毒有害污染物。混凝處理效果往往決定著后續(xù)流程的運(yùn)行工況、處理費(fèi)用及最終出水水質(zhì)。本文主要對(duì)混凝劑的研究進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述，并對(duì)其今后的發(fā)展提出了展望。
【關(guān)鍵詞】水處理；無(wú)機(jī)混凝劑；有機(jī)混凝劑
混凝過(guò)程是給水和廢水處理眾多工藝流程中不可缺少的前置單元操作技術(shù),混凝處理效果往往決定著后續(xù)流程的運(yùn)行工況、處理費(fèi)用及最終出水水質(zhì)。隨著近年來(lái)水資源短缺及水體污染的日益嚴(yán)重, 如何進(jìn)一步強(qiáng)化混凝過(guò)程、擴(kuò)展處理范圍、提高效能、降低藥耗、縮短反應(yīng)時(shí)間、降低投資及運(yùn)行成本,從整體上改善現(xiàn)有傳統(tǒng)混凝工藝技術(shù)的質(zhì)量和效果,一直是水處理領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn),尤其是新型、高效、安全、無(wú)毒混凝劑的研制[1]。
1．無(wú)機(jī)混凝劑
1.1鋁系混凝劑
鋁鹽是最傳統(tǒng)、應(yīng)用最廣泛的混凝劑。簡(jiǎn)單的鋁鹽,如硫酸鋁、氧化鋁和明礬等,其主要作用機(jī)理是通過(guò)對(duì)水中膠體顆粒的壓縮雙電層作用、吸附電中和作用、吸附架橋作用及沉淀物卷掃作用,從而使膠體顆粒脫穩(wěn)凝聚。盡管鋁鹽被廣泛使用,但鋁是低毒物質(zhì),經(jīng)各種渠道進(jìn)入人體后,會(huì)在一些機(jī)體組織中積蓄,并參與許多生物化學(xué)反應(yīng),能將體內(nèi)必需的營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素置換流失或沉積,從而破壞各部位的生理功能,導(dǎo)致人體出現(xiàn)諸如鋁性腦病、鋁性貧血等中毒病癥。為解決鋁帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng),傳統(tǒng)的鋁鹽有被其它無(wú)機(jī)鹽或鋁系高分子混凝劑取代的趨勢(shì)。聚合氯化鋁(PAC)是常用的鋁系高分子混凝劑,對(duì)高濁度、低濁度、高色度及低溫水都有較好的混凝效果,PAC的效能在許多方面優(yōu)于明礬等傳統(tǒng)鋁鹽,其投加量小,絮凝體形成速度快且顆粒大而重,易沉淀,反應(yīng)沉淀時(shí)間短,對(duì)原水水溫及pH值的適用范圍廣(5～9)。除PAC外,還有聚合硫酸鋁(PAS)、聚合磷酸鋁(PAP)等高分子鋁鹽,以及含鋁復(fù)合型混凝劑,如聚硫酸氯化鋁、聚磷酸氯化鋁等[2]。
1.2鐵系混凝劑
鹽是鋁鹽的主要替代品,采用鐵鹽作為混凝劑,不僅安全無(wú)毒, 避免二次污染,而且具有混凝能力強(qiáng)、礬花大、沉降快、水溫和pH值適用范圍廣、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。尤其是在低溫條件下,鐵鹽的混凝效果明顯優(yōu)于鋁鹽。但其腐蝕性強(qiáng),對(duì)設(shè)備要求高,且鐵鹽混凝劑中的Fe3+與水中腐殖質(zhì)等有機(jī)物可形成水溶性污染物,使自來(lái)水帶色,故需慎重選取。簡(jiǎn)單的鐵鹽主要是氯化鐵、硫酸亞鐵等。與鋁鹽類(lèi)似,鐵鹽也從簡(jiǎn)單的低分子混凝劑向高分子混凝劑方向發(fā)展。除PFS以外,還有聚磷酸鐵(PFP)、聚磷氯化鐵(PPFC)、聚硫酸氯化鐵(PASC)等復(fù)合型混凝劑[3]。
1.3聚硅酸類(lèi)混凝劑
聚硅酸在20世紀(jì)30年代后期作為混凝劑在水處理中得到應(yīng)用。此類(lèi)混凝劑在通常條件下組分帶負(fù)電荷,屬陰離子型高分子混凝劑,主要依靠表面羥基的氫鍵作用可以吸附許多其它分子,并且硅酸在聚合過(guò)程中,隨著分子量的不斷增大而交聯(lián)成網(wǎng)狀,吸附架橋能力增強(qiáng),從而聚合度增大,處理效果加強(qiáng),形成的絮粒大而易于沉降。聚硅酸在儲(chǔ)存時(shí)易發(fā)生自聚反應(yīng),析出硅膠而失去混凝功能,故只能現(xiàn)場(chǎng)制備,這也就限制了聚硅酸的應(yīng)用和推廣。聚硅酸可以作為助凝劑,與鋁鹽、鐵鹽或無(wú)機(jī)高分子混凝劑聚鋁、聚鐵等配合使用,或用聚硅酸和鋁鹽或鐵鹽制成含金屬離子的聚硅酸混凝劑應(yīng)用到水處理中,其中含金屬離子的聚硅酸混凝劑應(yīng)用較廣。在聚硅酸中加入少量金屬離子(Al3+,Fe3+ 等),可抑制硅酸聚合,延緩其凝膠,并能使絮凝體體積明顯增大,從而改善低溫混凝效果[4]。
2．有機(jī)混凝劑
有機(jī)高分子混凝劑與無(wú)機(jī)混凝劑相比,具有用量少、混凝速度快、受共存鹽類(lèi)、pH值及溫度影響小、生成的污泥量少、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)。目前使用的有機(jī)高分子混凝劑主要有人工合成有機(jī)高分子混凝劑和天然高分子混凝劑兩種。此外,近幾年微生物高分子絮凝劑的研究也越來(lái)越受到關(guān)注[5]。
2.1人工合成有機(jī)高分子混凝劑
人工合成有機(jī)高分子混凝劑多為聚丙烯、聚乙烯物質(zhì),如聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺等。由于分子量大、分子官能團(tuán)多、用量小、品種多等特點(diǎn),在市場(chǎng)上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),尤以聚丙烯酰胺系列最為廣泛。人工合成有機(jī)高分子混凝劑的最大特點(diǎn)是可根據(jù)需要采用合成方法對(duì)碳鏈長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)在碳鏈上引人不同性質(zhì)的官能團(tuán)。有機(jī)高分子混凝劑根據(jù)官能團(tuán)的性質(zhì),可分為陽(yáng)離子型(如季銨鹽、陽(yáng)離子型聚內(nèi)烯酰胺等)、陰離子型(如部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉及丙烯酰胺與丙烯酸等單體的共聚物)、非離子型(如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚氧乙烯等)和兩性型(如兩性聚丙烯酰胺等)等類(lèi)型。合成有機(jī)高分子混凝劑分子鏈上所帶的官能團(tuán)如-COOH、-CONH2、-OH、-NH2等,可以強(qiáng)烈吸附細(xì)微顆粒,在微粒與微粒之間形成架橋作用,這種結(jié)構(gòu)上的變化可構(gòu)成能滿(mǎn)足各種不同需要的產(chǎn)品,而且還可以針對(duì)不同處理對(duì)象合成單體含量不同和分子量不同的有機(jī)高分子混凝劑。但是目前,由于人工合成有機(jī)高分子混凝劑的價(jià)格不斷上漲,以及高分子混凝劑殘留單體毒性等問(wèn)題,限制了它在食品加工、給水處理及發(fā)酵工業(yè)等方面的發(fā)展。而最令人擔(dān)心的是合成有機(jī)高分子混凝劑是否會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生長(zhǎng)期的影響,包括毒性、致癌性、致突變性等,至今尚未有定論。
2.2天然高分子混凝劑
天然高分子混凝劑在水處理中的應(yīng)用歷史可追溯到2000年前的古代中國(guó)和古埃及。在近代水處理中,通過(guò)化學(xué)改性的天然高分子化合物仍是一類(lèi)重要的混凝劑,其特點(diǎn)是分子量分布廣,活性基團(tuán)點(diǎn)多, 結(jié)構(gòu)多樣化等,尤為突出的是它安全無(wú)毒,具有良好的“環(huán)境可接受性”。但此類(lèi)混凝劑由于電荷密度較小,分子量較低,且易發(fā)生生物降解而失去絮凝活性等缺點(diǎn),其使用少于合成高分子混凝劑。
2.3微生物高分子絮凝劑
大量研究發(fā)現(xiàn),許多微生物能產(chǎn)生絮凝物質(zhì),主要包括:革蘭氏陽(yáng)性菌,如紅平紅球菌、棒狀桿菌等;革蘭氏陰性菌,如協(xié)腹產(chǎn)堿桿菌等;其它微生物,如假單胞菌屬、土壤桿菌屬、擬青霉屬等。其中具有最強(qiáng)絮凝作用的是紅平紅球菌,在日本的旱田土壤中最常見(jiàn),在沉降性能良好的活性污泥微生物中約占2%,用它開(kāi)發(fā)的微生物絮凝劑被命名為 NOC-1。微生物絮凝劑可用于廢水懸浮顆粒的去除,廢水脫色,乳化液油水分離,污泥沉降性能的改善,畜牧場(chǎng)廢水的處理,污泥脫水等。
3．結(jié)語(yǔ)
縱觀混凝劑的發(fā)展歷史可以看出,水處理混凝劑經(jīng)歷了從最初的傳統(tǒng)混凝劑,到無(wú)機(jī)高分子混凝劑,再到有機(jī)高分子混凝劑;從簡(jiǎn)單的天然有機(jī)高分子混凝劑,到合成的有機(jī)高分子混凝劑,再到天然改性有機(jī)高分子混凝劑;從化學(xué)混凝劑,到具有生態(tài)安全性能的微生物混凝劑,即當(dāng)前混凝劑的發(fā)展趨勢(shì)是高分子化、復(fù)合化和多功能化。為了進(jìn)一步提高混凝劑使用的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益,今后研究的重點(diǎn)應(yīng)放在復(fù)合型高分子混凝劑的研制、天然高分子物質(zhì)及其改性產(chǎn)品的應(yīng)用、微生物混凝劑的開(kāi)發(fā)及新產(chǎn)品和傳統(tǒng)混凝劑的結(jié)合應(yīng)用上。
【參考文獻(xiàn)】
［1］何慧琴,童仕唐.水處理中絮凝劑的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工,2001,30(6):14-16.
［2］王敏,童芳華.鋁鹽混凝劑的研究進(jìn)展[J].江西化工,2005,(2):9-11.
［3］肖筱瑜,張靜.水處理絮凝劑研究進(jìn)展[J].礦產(chǎn)與地質(zhì),2003,17(1):90-95.
［4］崔子文,郝紅英.水處理中絮凝劑的研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].山西化工,1999,19(1):58- 61.
［5］張莉,李本高.水處理絮凝劑的研究進(jìn)展[J].工業(yè)用水與廢水,2001,32(3):5-7.
［6］康建雄,白云山.水處理絮凝劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004,(2): 23-26.
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