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水处理絮凝剂的种类及发展前景

作者: 长沙固特瑞  浏览量:2031  发布时间:2017-11-13

随着经济的发展,工业生产和居民生活用水量的增加,工业废水和生活污水量也随之增长。在工业废水和生活污水的处理中,絮凝剂具有很重要的作用。它可以用来降低原水的浊度、色度等感官指标,去除多种高分子有机物、某些重金属和放射性物质。同时,絮凝剂还经常用于污泥脱水前的浓缩过程,以改善污泥的脱水性能。经过絮凝剂无害处理后的水可以回用[1]。

1 絮凝剂的种类

絮凝剂的主要作用机理是通过压缩双电层作用、吸附架桥作用及卷扫作用,使水中的胶体颗粒脱稳,从而聚集、沉降[2],达到絮凝的效果。絮凝剂按化学成分可以分为3类:无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂和复合型絮凝剂。

1.1 无机絮凝剂

无机絮凝剂主要经历了简单絮凝剂到无机高分子絮凝剂的发展过程。无机絮凝剂主要有铝盐系和铁盐系两大类,现以铝盐系为例介绍无机絮凝剂的研究进展。

1.1.1 传统铝盐系絮凝剂。简单的铝盐系絮凝剂主要有氯化铝和硫酸铝。19世纪末,美国最先将简单铝盐应用于水处理,之后世界上很多国家都开始研究铝盐系絮凝剂的应用。虽然铝盐应用广泛,但是铝元素对人体具有一定的危害。当铝进入人体后,会在机体中积蓄,并且参加生物化学反应,将人体内必需的营养元素和微量元素置换流失,导致人体出现铝性脑病、铝性贫血等中毒病症[2]。因此,人们开始研究其他的絮凝剂来取代简单铝盐。由此,无机高分子絮凝剂应运而生。

1.1.2 无机高分子絮凝剂。常用铝盐系高分子絮凝剂是聚合氯化铝(PAC),自20世纪60年代日本最先制备和应用聚合氯化铝以来,中国、俄国、西欧等世界各国也纷纷起步开始研制无机高分子絮凝剂[3]。

无机高分子絮凝剂比传统的无机絮凝剂含有一种特殊的物质多羟基络离子,该离子具有吸附胶体微粒的效果,能够起到聚集、沉淀水中胶体的作用。同时还发生物理化学作用,中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷,降低了Zeta电位,使胶体粒子由原来的相斥变成相吸,破坏了胶团的稳定性,促使胶体微粒相互碰撞,从而形成絮状沉淀[4]。

无论是传统的无机絮凝剂还是无机高分子絮凝剂,由于研究起步早,价格便宜,应用也比较广泛。但是,在无机絮凝剂中,铝盐系的铝对人体有一定的危害[2]。采用铁盐系絮凝剂,与铝盐相比虽然对人体无害,但它的腐蚀能力强,对设备的要求高。而且,铁盐絮凝剂的Fe3+与水中腐殖质等有机物可以形成水溶性的污染物,使自来水带色[5]。因此,在选择上具有局限性。

1.2 有机高分子絮凝剂

有机高分子絮凝剂主要有三大类,分别为人工合成高分子絮凝剂、天然改性高分子絮凝剂和微生物絮凝剂。

人工合成高分子絮凝剂主要有四大类,其中具有代表性的一种是聚丙烯酰胺(PAM)。人工合成高分子絮凝剂具有产品性能稳定, 容易根据需要控制合成分子量等特点。而且其分子量大,分子链官能团多,絮凝效果好,在市场上占绝对优势。

天然改性高分子絮凝剂主要包括淀粉类、壳聚糖类、木质素类、植物胶类、蛋白质类和藻类等[6]。淀粉的化学性质活泼,是含有多羟基类的天然高分子化合物。通过对羟基的化学改性,其活性基团大大的增加,有利于絮凝作用。而且自然界中淀粉的资源十分丰富,含量远超过其他的有机物。邱琳[7]以天然木薯为原料,用三乙胺与环氧氯丙烷共聚产物为阳离子单体进行改性,制得一种新型天然有机高分子改性絮凝剂。将制得的絮凝剂应用于生活废水、糖蜜酒精废液等进行处理效果研究。结果表明:该絮凝剂具有pH值适用范围宽、絮凝效果好等特点;对糖蜜酒精废液进行脱色处理,当絮凝剂投加量达600 mg/L时,脱色率达到最大值,为49.1%。罗 根等[8]利用壳聚糖与香草醛之间的希夫碱反应,对壳聚糖的分子进行修饰,增加其支链数目与长度,制备出更为高效的天然高分子絮凝剂,并初步确定了反应条件。比较试验表明:VCG比未改性的壳聚糖的絮凝效果更好,COD去除率更高,且投加量更低。王姣[9]利用仙人掌制备凝胶并设计了一系列絮凝性能试验方案。絮凝试验表明,仙人掌凝胶对高岭土悬浊液体系有很好的絮凝性能,较佳投放量为1~6 mg/L,浊度去除率高达99.3%,与其他絮凝剂相比,用量较少,且其受无机盐、温度、pH值的影响小。综合分析可以发现,天然改性高分子絮凝剂具有絮凝速度快、安全、无毒无害、不造成二次污染的特点。而且由于分子结构多样,分子内的活性基团多,可选择性大,易于根据需要采用不同的制备方法进行改性[7-8]。但是,由于其分子量较低、易生物降解从而失去絮凝活性等缺点,不宜在生产中大面积推广[6]。

微生物絮凝剂(Microbial Flocculants,简称MBF)是某些种类的微生物在特定培养条件下,其生长代谢至一定阶段产生的具有絮凝活性的代谢产物和菌体。微生物絮凝剂一般由多糖、蛋白质、DNA纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等生物高分子物质构成,分子中含有多种官能团,能使水中胶体悬浮物凝聚、沉淀,且其自身具有可生化性,即能够自行降解[10]。微生物絮凝剂具有絮凝效果好且不存在二次污染的特点。因为其无毒无害,因此使用安全、方便、应用条件粗放。同时,微生物絮凝剂的来源广,能产生絮凝剂的微生物种类多,生长快,易于通过生物工程手段实现产业化,价格低廉[11]。但由于我国在微生物絮凝剂的研究方面起步晚,研究水平较低,现阶段国内大多数研究都是对微生物絮凝剂进行筛选,对于絮凝菌基因的研究还比较薄弱[12]。因此离工业化生产和使用还有很大的距离,需要进一步的研究。

1.3 复合型絮凝剂

复合型絮凝剂[2]是指由2种以上成分组成的絮凝剂,通常是由一种无机盐类和另一种成分组成。第2种化学成分可以是无机盐类,也可以是酸和有机聚合物,比例一般在20%以下。根据第2种化学成分的不同,可以将复合型絮凝剂分为无机—无机复合型絮凝剂和无机—有机复合型絮凝剂两大类:①无机—无机复合型絮凝剂主要有金属离子复合型、酸根复合型以及多种离子复合型。金属离子复合型即加入铝离子和铁离子等,其主要产品有聚合氯化铝铁(PAFC)、聚合硫酸铝铁(PAFS)、聚合硅酸铝铁(PSAF);酸根复合型的主要产品有聚合硅酸硫酸铝(PASS)、聚硫氯化铝(PACS)、聚磷酸氯化铝(PPAC)、聚硅氯化铝(PASC)等;还有一类多种离子复合型,其主要产品有聚合硫酸氯化铝铁(PAFCS)、聚合硫基硅酸铝铁(PAFSSC)等。②无机—有机复合型絮凝剂的代表产品是在聚合氯化铝(PAC)中加入聚丙烯酰胺(PAM),这类混凝剂既有电荷中和能力,又有吸附架桥性能,因而使得混凝效果大大提高,吸附活性增强。

曾德芳等[13]用聚合氯化铝(PAC)、多糖(PS)和改性淀粉(MS)为主要组分制备出自来水复合絮凝剂,与传统自来水絮凝剂聚合氯化铝铁(PAFC)相比,该复合絮凝剂处理原水后的出水浊度下降3.35%,铝离子含量下降56.17%,药剂成本下降5.42%,性价比优势明显。特别是在降低铝离子浓度方面效果显著。出水铝离子浓度仅为0.071 mg/L,远低于我国自来水铝离子浓度0.2 mg/L的出水标准,使自来水更加安全,在我国自来水处理领域具有重要的推广应用价值。

复合型絮凝剂在传统絮凝剂的基础上做了改进,因而在处理效果上有一定的提高。同时,使用复合型絮凝剂可以减少混凝产生的固体物质,避免二次投加,操作上方便许多。因此,复合型絮凝剂的开发应用也成为今后絮凝剂的研究热点[2]。

2 絮凝剂的发展方向

综合对3类絮凝剂进行比较,可以得出以下结论:无机絮凝剂虽然价格便宜,但是投放量大,效率低,生成污泥量大,而且对生态环境和人类健康产生不好的影响。与无机絮凝剂相比,有机高分子絮凝剂用量少,絮凝速度快,受共存盐类、介质、pH值及环境温度的影响小,生成污泥量也少。而且有机高分子絮凝剂分子可带—COO、—NH—、—SO3、—OH等亲电基团,可具有链状、环状等多种结构,利于污染物进入絮体,脱色性好。一般有机絮凝剂的色度去除较无机絮凝剂高20%左右[1]。由于有些有机高分子絮凝剂有致癌、致崎、致突变的危害[4],因而在使用范围上受到限制。微生物絮凝剂无毒无害,易生物降解,不存在二次污染,有很广阔的使用前景。但是,我国微生物絮凝剂研究起步较晚,层次比较低,亟待广大环境工作者和生物工作者加大投入力度进行研究,为微生物絮凝剂的发展奠定理论和物质基础[14]。复合型絮凝剂在传统絮凝剂的基础上做了改进,在水处理的处理效果上有所提高,由于使用复合型絮凝剂能够减少絮凝剂产生的固体物质,而且避免了二次投加,方便操作,因此也成为研究的热点[15]。因此,絮凝剂从无机到有机,从低分子到高分子,从单一型到复合型,开发研制出无毒无害、高效、易降解无二次污染的絮凝剂始终是环保工作者努力的方向。

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