摘要：水源危机日趋严重，供水紧张污水净化已然成为我国面临的主要难题之一。随着人们环保意识的增强和我国可持续发展战略的实施，防止污染和保护环境的工作也已引起各级政府的高度重视。在污水处理中能起到关键作用的絮凝剂的发展因为是飞快的。工业水处理和环境保护要求不断提高，水处理剂品种不断丰富，性能不断提高。废水处理的方法很多，有生化法、吸附法、化学氧化法、离子交换法、电渗析法、絮凝沈淀法等等。其中絮凝沉淀法作为物理、化学处理法，因工艺简单、效率高、费用较低等优点而应用广泛。
关键词：有机絮凝剂 ; 无极絮凝剂
一、水处理现状简述
水是生命之源是人们生活和生产活动中不可缺少的物质资源。我们生存的地球上有70％是被水 所覆盖的，然而为我们所利用的淡水资源却不多。近年来随着社会经济的飞速发展，水体污染日益严重，不仅工、农、渔、畜牧业等生产受到影响，人们日常生活饮用水的水源也受到了威胁，对人体健康造成了损害。随着工业生产的发展，工业用水量急剧增加，导致产生的工业废水量与日俱增。据统计我国废水排放总量约为400亿吨/年 ，这将严重破坏生态环境和人们的生存环境。目前对各种废水的处理及如何更好的节约用水已引起世界各国的广泛重视。为了严格控制工业生产中排放废水对水体环境的污染，提高水的利用率，保护珍贵的淡水资源，解决或缓解水资源危机，工业废水都需要经过处理达到排放标准后方可排放。工业废水处理方法有：生化法、离子交换法、吸附法、化学氧化法、电渗析法和混凝沉降法等众多方法，而其中应用最多、成本最低的方法是通过投加水处理剂的方法来解决。絮凝沉降法是目前国内外普遍采用的一种既经济又简便的水处理方法，而加入絮凝剂的类别及其性能将强烈的影响水处理效果。絮凝剂在生活污水与工业废水处理过程的固液分离中占有重要的地位，有了性能优越的絮凝剂，通过控制合适的剂量和混合方法，加上后续合理的沉淀过滤工艺，就能获得较理想的处理效果。因此，开发新型、高效的絮凝剂是国内外广大水处理工作者关注的目标。近几十年来，无论是无机絮凝剂还是有机絮凝剂都有了很大的发展。
目前国内对水处理剂市场，大多数改性有机絮凝剂都是单一的非离子，阳离子，阴离子型。由于许多污水中含有负电荷的微细颗粒与胶体，需要阳性絮凝剂处理，此种絮凝剂在污泥脱水、煤矿洗煤等方面具有阳离子絮凝剂无法比拟的优越性能。
二、 絮凝剂的分类
根据絮凝剂在污水处理中的主要作用机理，国内外开发了种类繁多的絮凝剂。该絮凝剂从其组成上来说可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂、复合絮凝剂以及生物絮凝剂等四类。絮凝剂的作用原理混凝沉降净化法是水处理应用最广，处理成本最低的有效方法之一 。絮凝剂是在废水中预先投加化学药剂来破坏胶体的稳定性，加以分离除去的过程。使废水中的胶体和细小颗粒悬浮物聚集成具有可分离性的絮体，再混凝过程包括凝聚和絮凝两个过程。混凝过程是复杂的物理化学过程，人们在这方面进行了很多研究。混凝过程提出了各种机理模型，用得较多的有DLVO理论与吸附架桥理论。DLVO理论是用胶体颗粒之间吸引和排斥相互作用所产生的作用位能，来解释胶体的稳定与脱稳。在絮凝过程中通过胶体颗粒的电荷中和及压缩胶体的双电层而产生絮凝沉淀。吸附架桥理论的要点是指链状聚合物在静电引力、范德华力和氢键力作用下，通过活性部位与胶体和细微悬浮物等发生吸附作用，然后通过它们的架桥连接形成大絮体而沉淀下来。
2.1 无机絮凝剂
无机盐类絮凝剂主要分为铝盐和铁盐，它们存在很大的缺点：残留在水中的铝离子会导致二次污染；铁离子本身有颜色，并对设备有腐蚀作用，提高成本；投加量大，产泥量高，运行费用高．为克服二次污染及腐蚀设备问题，从20世纪60年代开始无机盐聚合物的研究。使用无机盐聚合物类絮凝剂效果好，残留在水中的铝、铁离子少，而且易生产、价廉、使用范围广，在我国实际用量占絮凝剂总量的80％以上。
2.2 有机合成高分子絮凝剂
合成高分子絮凝剂投加量少，一般在2％以下，效果好，形成的絮体大，而且强度大，不易破碎，不增加泥量，降低热值，无腐蚀性.它分非离子型、阳离子型、阴离子型和两性四种。常用有机絮凝剂有：聚丙烯酰胺（PAM）、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸盐等，其中聚丙烯酰胺的应用最多，占合成高分子絮凝剂的80％左右。然而这一类絮凝剂由于存在着一定量的残余单体丙烯酰胺，不可避免的带来毒性，所以限制了它的应用。高分子量（106以上）聚丙烯酸钠属阴离子型絮凝剂，有强烈的絮凝作用而且无毒；对悬浮于水中的细微粒产生非离子性吸附，使粒子之间产生交联；对具有金属氢氧化物这类正电荷的胶体粒子更显示出其优良性能。
2.3 天然高分子絮凝剂
天然高分子絮凝剂易生物降解，本身或中间降解产物对人体无毒，具有选择性大、价廉、产泥量少等优点。淀粉衍生物作为工业絮凝剂的研究始于60年代。乙烯基单体与淀粉的接枝共聚反应是淀粉改性制备可生物降解的高分子材料的重要途径之一，其关键问题在于引发剂的筛选。曹炳明将木薯粉、催化剂、烯类单体反应，再加醛类和醇类反应制得一种网状的高分子物质，其分子链中所带的官能团多，吸附活性点多，可用于污水处理厂二级污水处理；若在生化系统中投加该类絮凝剂，可为城市污水处理后的回用提供符合要求的水质。另外淀粉磷酸酯和淀粉黄原酸脂也是良好的絮凝剂。壳聚糖、甲壳素类絮凝剂作为水处理剂在工业上已大量应用，美国主要用于给水及饮用水处理；日本主要用于水处理及污水处理，其中用于水处理的壳聚糖每年达500吨之多；目前清华大学着手壳聚糖作絮凝剂的中试生产研究，获得了一套适合我国国情的工业化生产的最佳工艺路线，其主要性能指标均达到了或超过国内外同类产品的水平。壳聚糖除了对水中的固体悬浮物(ss)有较好的絮凝作用外，还对水中的COD、色度和重金属离子等有较好的去除效果。由于该类聚合物具有无毒无味、抗菌、可生物降解等优点使其被大量应用于食品工业废水处理中，壳聚糖可使各种食品加工废水的固形物减少70％～98％。杜予民总结了壳聚糖及其衍生物作为吸附剂、絮凝剂在印染废水中的应用，阐明小粒径、高脱乙酰度及珠状壳聚糖及其衍生物在低温、低pH值下对染料的吸附效果较好；脱乙酰度大的水溶性壳聚糖及其衍生物对染料的絮凝效果较好，其絮凝机理主要是电荷中和以及分子架桥作用。
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2.4 微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂。它主要由微生物代谢产生的各种多聚糖类、蛋白质，或是蛋白质和糖类参与形成的高分子化合物，能产生微生物絮凝剂的微生物种类很多，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中．我国也已涉及这方面的研究，但起步较晚．南开大学庄源益筛选出6株对水中染料有较好的絮凝作用的菌株(NAT-1至NAT-6)，用NAT型生物絮凝剂处理直接黑染料生产废水，其脱色率可达60％。从微生物组织中提取的7一谷氨酸聚合物具有一定的絮凝作用，如从bacillussp．PY-90中提取的聚7一谷氨酸，在浓度为20mol·L-1时，对高岭土悬浊液絮凝效果最好，当加入C、M、Fd时，可提高其絮凝效果；从B．subtillisIFO3335和B．1icheniformisCCRC1282中提取的聚7-谷氨酸，对不同的无机和有机悬浊液均具有较好的絮凝作用。絮凝剂通过离子键、氢键的作用与悬浮颗粒结合，由于絮凝剂的分子量很大，一个絮凝剂分子可同时与几个悬浮颗粒结合，在适宜条件下迅速形成网状结构而沉积，从而表现出很强的絮凝能力。微生物絮凝性与分子结构、分子量、活性基团等多种内部环境因素有关，另外，外界环境因素如pH值、温度、离子种类、离子强度等对微生物絮凝剂的活性也有影响。微生物絮凝剂广泛应用于畜产废水处理、染料废水的脱色、高浓度无机物悬浮液废水的处理、活性污泥的沉降性能的改善、污泥脱水、浮化液的油水分离等方面。然而目前微生物絮凝剂的研究还处于菌种筛选的实验室研究阶段，所用成本较高，一些工艺条件不太成熟，离工业化生产还有一定的距离。
2.5 复合絮凝剂
复合型絮凝剂是近年才开始研制的新型絮凝剂，能克服使用单一絮凝剂的许多不足，适应范围广，对低浓度或高浓度水质、有色废水、多种工业废水都有良好的净水效果，脱污泥性好，pH使用范围大。然而复合在有机合成制备上手续复杂，成本较高，并有可能存在二次污染。目前还未见复合絮凝剂有工业化生产和使用的报道。污水或活性污泥中，有机固体颗粒带负电荷，无机固体颗粒带正电荷，混合固体颗粒呈电中性。所以有机污水或污泥加阳离子型絮凝剂，对无机污水或污泥加阴离子型絮凝剂，对混合污水或污泥加非离子型絮凝剂。赵立志等用含单宁45％的落叶松胶与甲醛、二甲胺在弱酸性条件下进行曼尼希反应，使单宁胺甲基化，制成的絮凝剂与无机、聚丙烯酰胺联用，可提高絮凝效果。带有PAM的聚合氯化铝、聚合氯化铁，为无机有机高分子聚合物，它们具有无机、有机的双重优点，又避免了两者的不足，还具有某些独特的优点，使净水效果得到高度发挥。无机离子使悬浮颗粒发生絮凝并沉淀，高分子有机阳离子的高度架桥又促进了絮凝吸附速度，故能达到快速净水的目的。江霜英等以天然高分子物质甲壳素制备壳聚糖，并用壳聚糖、聚合铝和三氯化铁制成了高效复合型絮凝剂CAF，其净水效果优于无机絮凝剂聚合铝和三氯化铁，成本更低。
2.6 两性高分子絮凝剂
水溶性两性高分子是指在高分子链节上同时含有正，负两种电荷基团的水溶性高分子，与仅含有一种电荷的水溶性阴离子或阳离子聚合物相比，性能较为独特，可用作絮凝剂，污泥脱水混凝剂和金属离子吸附剂等。例如，用作絮凝剂的两性高分子因具有适用于阴，阳离子共存的污染体系，适用的pH值范围宽及抗盐性好等特点成为国内外的研究热点，两性絮凝剂兼有阴，阳离子性基团的特点，适用于各种不同性质的废水处理，特别对污泥脱水，不仅有电性中和，吸附桥联作用而且有分子间的“缠绕”包裹作用，使处理的污泥颗粒粗大，脱水性好，即使是对不同性质的不同腐败程度的污泥，也能发挥较好的脱水助滤作用。进入20世纪90年代以来，国外对两性聚丙烯酰胺(PAM)的研究和开发趋于活跃，日本最近开发的两性离子型PAM在技术和经济上已具有工业化应用价值，特别是近几年，水溶性两性高分子在水处理行业的应用得到了较大的发展，主要用作絮凝剂，污泥脱水剂及金属螯合剂等。
三、絮凝剂影响因素及它的发展趋势
絮凝是一种物理化学过程，其影响因素除胶体粒子的种类、粒子大小、表面特征、胶体粒子的浓度和絮凝剂的种类及特性等因素外，还包括溶液的pH值、共存物质(特别是盐类)的种类和浓度、反应温度和浓度变化、搅拌的方法和絮凝剂用量等 。
胶体粒子的絮凝是非常复杂的过程，由于影响因素很多，很难预先根据水质和需要选择絮凝剂的种类和用量。一种凝聚剂可能对某些体系有效，而对另外一些体系无效，所以实际应用时，要进行筛选试验，通常是对实际水样进行絮凝试验。具体方法是:将一定量的水样放入烧杯中，在定时变速搅拌仪搅拌下，加入不同种类和不同用量的絮凝剂，找出絮凝状态最好、沉淀速度最快、澄清水质最好的条件。搅拌条件为：加药后进行3-5min的快速搅拌，搅拌速度为100-150r·pm-1，然后再进行10min的慢搅拌，搅拌速度为40-50 r·pm-1。搅拌停止后，测定颗粒沉降速度、污泥量和上面清液的水质等，以评价结果。影响絮凝的诸多因素中，最为重要的是胶体粒子的浓度和搅拌条件。颗粒大小越不均匀，粒子间接触的几率越大，凝聚效果越好。为使胶体粒子与絮凝剂有良好的接触，搅拌越剧烈效果越好;但是在絮凝颗粒生长过程中，搅拌太剧烈会使颗粒被破坏或长不大，此时则应缓慢搅拌。所以絮凝过程中，加入絮凝剂后，搅拌应先快后慢。
絮凝剂在废水处理中具有举足轻重的地位，它正向着高效、无毒、价廉、复合、多功能、适合工业化生产的方向发展。大力发展无机盐聚合物絮凝剂以替代无机盐絮凝剂，可以降低二次污染，同时也可以减少对设备的腐蚀程度。目前我国有机高分子絮凝剂已商品化的仅有PAM、聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素等几个品种，研究高效无毒的有机合成高分子絮凝剂（如烷基烯丙基卤化铵的均聚和共聚物类等），优化其合成工艺，降低成本。利用天然高分子化合物无毒、无污染、价廉、选择性大等优点，解决其电荷密度小、分子量低、不稳定、溶解性不好等问题，发展性能更优的絮凝剂。对微生物絮凝剂，目前的任务是：寻找价廉的培养基和控制絮凝剂发挥作用的最佳条件，对絮凝剂合成的条件及影响起絮凝活性的因素进行深入研究，以符合工业化生产要求．复合型絮凝剂以其高效价廉的优势必将迅速发展，简化有机合成制备过程，降低生产成本，尽可能减少可能存在的二次污染问题。
参考文献：
顾学芳,张跃军,陈伟忠等.阳离子絮凝剂PDA的合成与应用研究-对废纸再生造纸废水的处理研究[J].工业水处理,2001,21(1):22-25.
曹炳明.阳离子型改性高分子絮凝剂对轻工废水的处理[J].工业水处理.1998,18(3):45-48.
论文作者:贺鹏飞
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/22
标签：絮凝剂论文; 絮凝论文; 高分子论文; 污泥论文; 胶体论文; 微生物论文; 颗粒论文; 《当代电力文化》2019年第5期论文;