淺談絮凝劑在污水處理中的應用及展望
隨著我國城鎮化進程的大規模推進，水資源短缺問題越發嚴重，能否有效的改善水環境質量，提高水資源利用率已經成為制約城鎮發展的重要因素之一。城鎮生活污水的資源化處理及再生利用一直以來都是人們為緩解水資源短缺問題而努力的方向之一，這其中水處理化學品起著至關重要的作用。水處理劑主要包括大類藥劑產品即各類型絮凝劑、蝕阻垢劑與消毒殺生劑。目前，處理的方法有很多，如化學氧化法、絮凝沉淀法、生化法、吸附法、離子交換法、電滲析法等等，其中，絮凝沉淀法因其工藝簡單、效率高、費用較低等優點而得到廣泛應用。絮凝沉淀法的核心和關鍵是絮凝劑的選擇，絮凝劑性質直接影響絮凝效果的好壞。按照藥劑的化合物類型，絮凝劑可分為無機絮凝劑、有機高分子絮凝劑(OPF)、微生物絮凝劑和礦物類助凝劑四大類。
1．無機絮凝劑的研究和應用
無機絮凝劑根據相對分子質量的高低，可分為無機低分子絮凝劑和無機高分子絮凝劑。無機低分子絮凝劑主要包括硫酸鋁、氯化鋁、硫酸鐵、氯化鐵等。無機絮凝劑的優點是比較經濟、用法簡單；但用量大、絮凝效果低，而且存在成本高、腐蝕性強的缺點。和無機低分子絮凝劑相比，無機高分子絮凝劑(IPF)因具有沉降速度快、用量少、效果好、使用范圍廣等優點，成為一類新型的水處理藥劑， 它的生產和應用正在全世界迅速發展。由于這類化合物與歷來的水處理藥劑相比在很多方面都具有特色，因而被稱為第二代無機絮凝劑。它比傳統的絮凝劑效能優異，而比有機高分子絮凝劑價格低廉，現在已成功地應用在給水、以及城市污水的各種流程，逐漸成為主流絮凝劑。根據所帶電荷的性質，無機高分子絮凝劑可分為陽離子型和陰離子型兩大類，其中陽離子型主要包括聚合氯化鋁(PAC)，聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚合硅酸鋁(PAsiFC)、聚合硅酸鐵(PSiFC)、聚磷氯化鋁(PPAC)以及聚磷硫酸鐵 (PPFS)等；陰離子型主要有聚合硅酸(PSi)等。但在形態、聚合度及相應的凝聚絮凝效果方面，無機高分子絮凝劑仍不如有機高分子。它的分子量和粒度大小以及絮凝架橋能力仍比有機絮凝劑差很多，而且還存在對水解反應的不穩定性問題。這些主要弱點使得它的研究和開發正在向各種復合型無機高分子絮凝劑發展 。
2．有機高分子絮凝劑的研究和應用
有機高分子絮凝劑，也稱有機聚合物或聚電解質，相對分子質量由數千至上千萬不等。它含有帶電的官能團或中性的官能團，溶于水中而具有電解質的行為。因此，按照它們的來源，有機高分子絮凝劑可分為合成有機高分子絮凝劑和天然有機高分子絮凝劑兩類。
2．1 合成有機高分子絮凝劑
我國的主要品種是聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物(占整個合成高分子絮凝劑總量的80％)，但品種單一，只生產少量的聚丙烯酸鈉，而且聚丙烯酰胺的系列化水平低，優質PAM 的相對分子質量僅大干10×106，而國外同類產品的相對分子質量大于15×106，差距很大。
我國科研工作者開發研制了很多新型的合成有機高分子絮凝劑，例如以聚丙烯腈(PAN)和雙氰胺(DCD)為原料，合成了有機絮凝劑PANDCD，并確認它對染料的絮凝脫色效果在酸性時最好；以兩步法制備出二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC) 。此外還有，王雅瓊等以丙烯酰胺(AM)與甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(DM)合成了一種陽離子型高分子絮凝劑，并研究了其絮凝效果；李萬捷等還合成了具有羧基和氨甲基的兩性聚丙烯酰胺絮凝劑，適于處理pH值很低，離子含量很高的固體離子懸浮液；天津化工研究設計院合成的高效脫色絮凝劑，處理高濃度、高色度染料有脫色和降低COD作用，他們還研究合成了一種相對分子質量超過15×106萬的高分子陰離子絮凝劑 TX209，用于處理煉鋼廠轉爐除塵水，使運行成本降低了30％。
2．2天然有機高分子改性絮凝劑
天然有機高分子改性絮凝劑包括： 淀粉、纖維素、含膠植物、多糖類和蛋白質等類的衍生物。目前世界產量約占高分子絮凝劑總量的20％。天然有機高分子絮凝劑由于原料來源廣泛、價格低廉、無毒、易于生物降解等特點， 顯示了良好的應用前景。主要可分為兩大類： 碳水化合物類(多聚糖類)、甲殼素類。
a)碳水化合物類
這類物質廣泛存在于植物中，包括淀粉、纖維素、木素、單寧等。由于這類物質含有活性集團，如羥基、酚羥基等，表現出較活潑的化學性質，通過羥基的酯化、醚化、氧化、交聯、接枝、共聚等化學改性，其活性基團大大增加，對懸浮體系的懸浮物有更強的捕捉與促沉作用，提高絮凝效果。巫拱生等以硫脲雙氧水為催化劑，制得玉米淀粉與丙烯酰胺接枝共聚物，可用于含Hg 的造紙處理。
b)甲殼素類。
甲殼素是自然界中含量僅次于纖維素的天然有機高分子化合物，它是許多甲殼類動物外殼的主要成分，也存在于某些植物，如菌、藻類的細胞壁中，質量含量為 30％～60％，是一種十分豐富的自然資源。殼聚糖是甲殼素脫乙酰化的產物， 甲殼素可分為三類(A、B、C)，以A 型最為穩定，也是自然界中較普遍的存在方式。由于這類物質分子中含有酰胺基及氨基、羥基，因此具有絮凝吸附等功能。作為高分子絮凝劑，它的最大優勢是對食品加工的處理，殼聚糖可使各種食品加工中的固形物減少70％～ 80％。近年的研究又發現，它對金屬離子如 Mn2+ Cu2+ 、Pb2+ 、Cr3+、 Zn抖2+ 、Ag+ 等有很強的去除能力。但由于殼聚糖中游離的氨基可接受質子和鹽，故在酸性水溶液中可溶解而流失，使其應用受到限制，因此人們對其進行改性。例如通過甲殼素和氯乙酸反應引入羧甲基，同時進行水解脫乙酰基，或利用殼聚糖中的氨基與醛基反應生成Schif堿，并選擇分子結構中含有羧基的醛，制成的兩性殼聚糖可顯著提高脫色及COD去除效果。近年來甲殼素及殼聚糖的應用研究已有相當部分進入了實用階段和實現商品化。
3．微生物絮凝劑
微生物絮凝劑是指利用生物技術， 通過微生物的發酵、抽提、精制而得到的一類絮凝劑。微生物絮凝劑是一種無毒的生物高分子化合物，包括機能性蛋白質和機能性多糖類物質，其絮凝性主要由位于染色體上和染色體外的絮凝遺傳基因決定。絮凝基因是由多個基因控制的，絮凝基因經過修飾和校正基因的修正后，絮凝基因方可有效表達絮凝素。微生物絮凝劑可廣泛應用于畜產、糞尿、膨脹污泥的處理、磚廠和染料紙漿等。目前研究得比較透徹的有醬油曲霉、擬青霉屬微生物、紅平紅球菌(原稱紅平諾卡氏菌)等，也在開發混合菌株產生的絮凝劑。生物絮凝劑易被微生物降解，克服了常規的無機絮凝劑和有機絮凝劑對人體有害和易產生二次污染等缺點，且具有高效、無毒、絮凝對象廣泛，脫色效果獨特等優點，因而具有廣泛的應用前景。針對目前水處理劑技術市場的現狀，許保玖指出，微生物水處理劑的創制有三個層次： 一是利用現有的EM (effective microorganisms)技術； 二是按原水水質和處理要求，用天然微生物種專門配制能進行優化生物處理的微生物制劑；三是利用生物技術，為疑難的水處理問題生產特效的人工細菌物種或物種群體。
4．助凝劑
在絮凝處理中，有時使用單一的絮凝劑不能取得良好的效果，往往需要投加輔助藥劑以提高絮凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。助凝劑本身不起凝聚作用，因為它不能降低膠粒的電位或起吸附架橋作用。助凝劑的作用只是提高絮凝體的強度，增加其重量，促進沉降，且使產生的污泥有較好的脫水性能；或者用于調整pH，破壞對絮凝作用有干擾的物質。常用的助凝劑有兩類：一類是用來調節或改善絮凝劑條件的助凝劑，~nCaO、Ca(OH)2、 NaCO 、NailCO 等堿性物質，用來調整pH； 另一類則是提高凝聚性、加強絮凝和沉降效果的助凝劑，如、膨潤土、活化硅藻土、粉煤灰及各種黏土等 。
5．結論
近年來，隨著水處理工藝的日益復雜和更新，對絮凝劑的要求也逐步提高。與之相適應的絮凝劑的發展也逐步由無機向有機化、低分子化向高分子化、單一型向復合型、合成型向天然微生物型轉化，終端產品也逐漸多樣化、專門化和環保化。在這其中，新型可生物降解的微生物絮凝劑和天然改型高分子絮凝劑，由于其優良的絮凝沉降性能和綠色環保特點，已逐步成為水處理劑研究的主要方向，并有望在不久的將來取代現有廣泛使用的絮凝劑，從而根本上解決絮凝劑對環境的二次污染 。
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