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          水處理絮凝劑的種類及發展前景

          作者: 長沙固特瑞  瀏覽量:2226  發布時間:2017-11-13

          隨著經濟的發展,工業生產和居民生活用水量的增加,工業廢水和生活污水量也隨之增長。在工業廢水和生活污水的處理中,絮凝劑具有很重要的作用。它可以用來降低原水的濁度、色度等感官指標,去除多種高分子有機物、某些重金屬和放射性物質。同時,絮凝劑還經常用于污泥脫水前的濃縮過程,以改善污泥的脫水性能。經過絮凝劑無害處理后的水可以回用[1]。

          1 絮凝劑的種類

          絮凝劑的主要作用機理是通過壓縮雙電層作用、吸附架橋作用及卷掃作用,使水中的膠體顆粒脫穩,從而聚集、沉降[2],達到絮凝的效果。絮凝劑按化學成分可以分為3類:無機絮凝劑、有機高分子絮凝劑和復合型絮凝劑。

          1.1 無機絮凝劑

          無機絮凝劑主要經歷了簡單絮凝劑到無機高分子絮凝劑的發展過程。無機絮凝劑主要有鋁鹽系和鐵鹽系兩大類,現以鋁鹽系為例介紹無機絮凝劑的研究進展。

          1.1.1 傳統鋁鹽系絮凝劑。簡單的鋁鹽系絮凝劑主要有氯化鋁和硫酸鋁。19世紀末,美國最先將簡單鋁鹽應用于水處理,之后世界上很多國家都開始研究鋁鹽系絮凝劑的應用。雖然鋁鹽應用廣泛,但是鋁元素對人體具有一定的危害。當鋁進入人體后,會在機體中積蓄,并且參加生物化學反應,將人體內必需的營養元素和微量元素置換流失,導致人體出現鋁性腦病、鋁性貧血等中毒病癥[2]。因此,人們開始研究其他的絮凝劑來取代簡單鋁鹽。由此,無機高分子絮凝劑應運而生。

          1.1.2 無機高分子絮凝劑。常用鋁鹽系高分子絮凝劑是聚合氯化鋁(PAC),自20世紀60年代日本最先制備和應用聚合氯化鋁以來,中國、俄國、西歐等世界各國也紛紛起步開始研制無機高分子絮凝劑[3]。

          無機高分子絮凝劑比傳統的無機絮凝劑含有一種特殊的物質多羥基絡離子,該離子具有吸附膠體微粒的效果,能夠起到聚集、沉淀水中膠體的作用。同時還發生物理化學作用,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,破壞了膠團的穩定性,促使膠體微粒相互碰撞,從而形成絮狀沉淀[4]。

          無論是傳統的無機絮凝劑還是無機高分子絮凝劑,由于研究起步早,價格便宜,應用也比較廣泛。但是,在無機絮凝劑中,鋁鹽系的鋁對人體有一定的危害[2]。采用鐵鹽系絮凝劑,與鋁鹽相比雖然對人體無害,但它的腐蝕能力強,對設備的要求高。而且,鐵鹽絮凝劑的Fe3+與水中腐殖質等有機物可以形成水溶性的污染物,使自來水帶色[5]。因此,在選擇上具有局限性。

          1.2 有機高分子絮凝劑

          有機高分子絮凝劑主要有三大類,分別為人工合成高分子絮凝劑、天然改性高分子絮凝劑和微生物絮凝劑。

          人工合成高分子絮凝劑主要有四大類,其中具有代表性的一種是聚丙烯酰胺(PAM)。人工合成高分子絮凝劑具有產品性能穩定, 容易根據需要控制合成分子量等特點。而且其分子量大,分子鏈官能團多,絮凝效果好,在市場上占絕對優勢。

          天然改性高分子絮凝劑主要包括淀粉類、殼聚糖類、木質素類、植物膠類、蛋白質類和藻類等[6]。淀粉的化學性質活潑,是含有多羥基類的天然高分子化合物。通過對羥基的化學改性,其活性基團大大的增加,有利于絮凝作用。而且自然界中淀粉的資源十分豐富,含量遠超過其他的有機物。邱琳[7]以天然木薯為原料,用三乙胺與環氧氯丙烷共聚產物為陽離子單體進行改性,制得一種新型天然有機高分子改性絮凝劑。將制得的絮凝劑應用于生活廢水、糖蜜酒精廢液等進行處理效果研究。結果表明:該絮凝劑具有pH值適用范圍寬、絮凝效果好等特點;對糖蜜酒精廢液進行脫色處理,當絮凝劑投加量達600 mg/L時,脫色率達到最大值,為49.1%。羅 根等[8]利用殼聚糖與香草醛之間的希夫堿反應,對殼聚糖的分子進行修飾,增加其支鏈數目與長度,制備出更為高效的天然高分子絮凝劑,并初步確定了反應條件。比較試驗表明:VCG比未改性的殼聚糖的絮凝效果更好,COD去除率更高,且投加量更低。王姣[9]利用仙人掌制備凝膠并設計了一系列絮凝性能試驗方案。絮凝試驗表明,仙人掌凝膠對高嶺土懸濁液體系有很好的絮凝性能,較佳投放量為1~6 mg/L,濁度去除率高達99.3%,與其他絮凝劑相比,用量較少,且其受無機鹽、溫度、pH值的影響小。綜合分析可以發現,天然改性高分子絮凝劑具有絮凝速度快、安全、無毒無害、不造成二次污染的特點。而且由于分子結構多樣,分子內的活性基團多,可選擇性大,易于根據需要采用不同的制備方法進行改性[7-8]。但是,由于其分子量較低、易生物降解從而失去絮凝活性等缺點,不宜在生產中大面積推廣[6]。

          微生物絮凝劑(Microbial Flocculants,簡稱MBF)是某些種類的微生物在特定培養條件下,其生長代謝至一定階段產生的具有絮凝活性的代謝產物和菌體。微生物絮凝劑一般由多糖、蛋白質、DNA纖維素、糖蛋白、聚氨基酸等生物高分子物質構成,分子中含有多種官能團,能使水中膠體懸浮物凝聚、沉淀,且其自身具有可生化性,即能夠自行降解[10]。微生物絮凝劑具有絮凝效果好且不存在二次污染的特點。因為其無毒無害,因此使用安全、方便、應用條件粗放。同時,微生物絮凝劑的來源廣,能產生絮凝劑的微生物種類多,生長快,易于通過生物工程手段實現產業化,價格低廉[11]。但由于我國在微生物絮凝劑的研究方面起步晚,研究水平較低,現階段國內大多數研究都是對微生物絮凝劑進行篩選,對于絮凝菌基因的研究還比較薄弱[12]。因此離工業化生產和使用還有很大的距離,需要進一步的研究。

          1.3 復合型絮凝劑

          復合型絮凝劑[2]是指由2種以上成分組成的絮凝劑,通常是由一種無機鹽類和另一種成分組成。第2種化學成分可以是無機鹽類,也可以是酸和有機聚合物,比例一般在20%以下。根據第2種化學成分的不同,可以將復合型絮凝劑分為無機—無機復合型絮凝劑和無機—有機復合型絮凝劑兩大類:①無機—無機復合型絮凝劑主要有金屬離子復合型、酸根復合型以及多種離子復合型。金屬離子復合型即加入鋁離子和鐵離子等,其主要產品有聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚合硫酸鋁鐵(PAFS)、聚合硅酸鋁鐵(PSAF);酸根復合型的主要產品有聚合硅酸硫酸鋁(PASS)、聚硫氯化鋁(PACS)、聚磷酸氯化鋁(PPAC)、聚硅氯化鋁(PASC)等;還有一類多種離子復合型,其主要產品有聚合硫酸氯化鋁鐵(PAFCS)、聚合硫基硅酸鋁鐵(PAFSSC)等。②無機—有機復合型絮凝劑的代表產品是在聚合氯化鋁(PAC)中加入聚丙烯酰胺(PAM),這類混凝劑既有電荷中和能力,又有吸附架橋性能,因而使得混凝效果大大提高,吸附活性增強。

          曾德芳等[13]用聚合氯化鋁(PAC)、多糖(PS)和改性淀粉(MS)為主要組分制備出自來水復合絮凝劑,與傳統自來水絮凝劑聚合氯化鋁鐵(PAFC)相比,該復合絮凝劑處理原水后的出水濁度下降3.35%,鋁離子含量下降56.17%,藥劑成本下降5.42%,性價比優勢明顯。特別是在降低鋁離子濃度方面效果顯著。出水鋁離子濃度僅為0.071 mg/L,遠低于我國自來水鋁離子濃度0.2 mg/L的出水標準,使自來水更加安全,在我國自來水處理領域具有重要的推廣應用價值。

          復合型絮凝劑在傳統絮凝劑的基礎上做了改進,因而在處理效果上有一定的提高。同時,使用復合型絮凝劑可以減少混凝產生的固體物質,避免二次投加,操作上方便許多。因此,復合型絮凝劑的開發應用也成為今后絮凝劑的研究熱點[2]。

          2 絮凝劑的發展方向

          綜合對3類絮凝劑進行比較,可以得出以下結論:無機絮凝劑雖然價格便宜,但是投放量大,效率低,生成污泥量大,而且對生態環境和人類健康產生不好的影響。與無機絮凝劑相比,有機高分子絮凝劑用量少,絮凝速度快,受共存鹽類、介質、pH值及環境溫度的影響小,生成污泥量也少。而且有機高分子絮凝劑分子可帶—COO、—NH—、—SO3、—OH等親電基團,可具有鏈狀、環狀等多種結構,利于污染物進入絮體,脫色性好。一般有機絮凝劑的色度去除較無機絮凝劑高20%左右[1]。由于有些有機高分子絮凝劑有致癌、致崎、致突變的危害[4],因而在使用范圍上受到限制。微生物絮凝劑無毒無害,易生物降解,不存在二次污染,有很廣闊的使用前景。但是,我國微生物絮凝劑研究起步較晚,層次比較低,亟待廣大環境工作者和生物工作者加大投入力度進行研究,為微生物絮凝劑的發展奠定理論和物質基礎[14]。復合型絮凝劑在傳統絮凝劑的基礎上做了改進,在水處理的處理效果上有所提高,由于使用復合型絮凝劑能夠減少絮凝劑產生的固體物質,而且避免了二次投加,方便操作,因此也成為研究的熱點[15]。因此,絮凝劑從無機到有機,從低分子到高分子,從單一型到復合型,開發研制出無毒無害、高效、易降解無二次污染的絮凝劑始終是環保工作者努力的方向。

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