水处理絮凝剂的应用现状及发展趋势

    水源危机日趨嚴重。供水緊張和污水淨化成為我國面臨的主要難題之一。隨著人們環保意識的增強和我國可持續發展戰略的實施,防止污染和保護環境的工作已引起各級政府的高度重視。工業水處理和環境保護要求不斷提高,水處理劑品种不斷丰富,性能不斷提高。廢水處理的方法很多,有生化法、吸附法、化學氧化法、离子交換法、電滲析法、絮凝沉淀法等等。其中絮凝沉淀法作為一种物理、化學處理法,因工藝簡單、效率高、費用較低等优點而應用最為廣泛。

    1 絮凝劑在水處理中的重要地位

    絮凝劑的絮凝在用水与廢水處理中占重要地位。首先,絮凝作用能有效脫除80-95的懸浮物質、65-95的膠体物質和降低水中COD;其次,絮凝作用去除水中細菌和病毒的效果穩定,通過絮凝淨化,一般能使水中90以上的微生物与病菌一并轉入污泥,使處理水易于進一步消毒、殺菌;最后,對水体富營養化、廢水脫色等問題,采用絮凝沉淀法比生物法除磷、脫色效果更好。


    2 絮凝劑的分類

絮凝劑按照其化學成分總体可分為無机絮凝劑和有机絮凝劑兩類。其中無机絮凝劑又包括無机凝聚劑和無机高分子絮凝劑;有机絮凝劑又包括合成有机高分子絮凝劑、天然有机高分子絮凝劑和微生物絮凝劑。

    2.1 無机絮凝劑[1]

    按其分子量的大小可分為低分子絮凝劑和高分子絮凝劑兩大類。低分子絮凝劑价格低、貨源充足、但因其用量大、殘渣多、效果差,故無机絮凝劑的發展已經基本上完成了低分子向高分子的轉變。現常用的無机高分子絮凝劑有聚合鋁類絮凝劑、聚合鐵類絮凝劑和活性硅酸類絮凝劑以及复合絮凝劑四大類。?

    (1)聚合鋁類絮凝劑

    聚合鋁水解產生高价离子,形成各种類型的羥基多核絡合物。它們通過羰基式橋聯作用,處于亞穩定狀態。而OH-与Al3 的比值[2](一般稱鹽基度或鹼基度)對絮凝效果影響很大。通常鹽基度越高,絮凝效果越強,但過高則本身易生成難溶的氫氧化鋁沉淀,導致絮凝效果降低。研究表明,鹽基度在75-85時最佳,此時絮凝体產生快,顆粒大而重,沉淀性能好。聚合鋁具有投藥量少、沉降速度快、顆粒密實、除濁、除色效果明顯等特點。在工業水處理中得到廣泛的應用[3]。值得注意的是鋁,尤其是活性鋁,毒性較大,同時聚合鋁制備方法不完善,致使較多水解鋁的微細顆粒存在于溶液中,這在一定程度上限制了聚合鋁的使用。通過改善混凝反應條件,延長慢速混凝時間,能有效降低水中鋁的含量。

    (2)聚合鐵類絮凝劑

    聚合鐵是另一新型無机絮凝劑,絮凝机理与聚合鋁類似。其主要類型有聚硫酸鐵、聚氯化鐵、聚氯化硫酸鐵等等。聚氯化硫酸鐵除具有鋁鹽類無机高分子絮凝劑特點外,還具有价格低、pH值适用范圍寬等特點。但是總体來說,聚合鐵需要較低的鹽基度,一般須將OH-/Fe3 比值控制在8~15。超出此范圍,鐵水解反應突變,從高价聚合態羥基絡离子轉化成低价聚合態膠凝產物。且聚合鐵產品穩定性差,聚合几個小時至一周內即轉向沉淀,絮凝效果降低,故其用量遠不及聚合鋁。

    (3)活性硅酸類絮凝劑

    活性硅酸也是一种重要的無机高分子絮凝劑,它來源廣、价格低廉、無毒、且絮凝、助凝效果好,尤其對于低溫低濁水的混凝處理這一淨水處理中的難題有著顯著的特性[4],在國內外引起足夠重視。但由于易自行縮聚析出凝膠而失活只能現用現配;另外,在生產中很難精确控制其聚合度,難以達到最佳絮凝效果,限制了其應用。所以應用效果較好的多為改性產品,諸如改性活化硅酸、聚硅酸硫酸鋁(PSAA)[5],PSAM等等。究其机理,大都是在活性硅酸中加入一定量高价金屬离子,使其組分帶正電荷,控制其聚合度、電荷密度,保証其同時具有電中和作用和吸附架橋作用,從而克服活性硅酸自身弱點,大大提高絮凝效果。

    (4)复合絮凝劑

    近年來,复合絮凝劑的研制成為熱點。复合絮凝劑按化學成分分為無机复合型、有机复合型、有机無机复合型三大類。無机复合絮凝劑成分較多,主要原料有鋁鹽、鐵鹽和硅酸鹽。國外先后研制開發出聚合鋁鐵、鋁硅、硅鋁、硅鐵以及聚合鋁/鐵与活性致混物質等复合絮凝劑。

    有机無机复合絮凝劑以品种多樣和性能多元化占主導地位。作用机理主要与協同作用相關。無机高分子成分吸附雜質和懸浮微粒,使形成顆粒并逐漸增大;而有机高分子成分通過自身的橋聯作用,利用吸附在有机高分子上的活性基團產生网捕作用,网捕其它雜質顆粒一同下沉。同時,無机鹽的存在使污染物表面電荷中和,促進有机高分子的絮凝作用,大大提高絮凝效果。我國無机高分子絮凝劑的生產和應用已取得長足進展,最具有代表性的聚合氯化鋁和聚合硫酸鐵的研究,已居世界前列。

    2.2 有机絮凝劑

    有机絮凝劑主要分為合成高分子型和天然高分子型。其特點是用量少、絮凝速度快、受共存鹽類、pH值及溫度的影響小,生成的污泥量小,且帶有多种帶電基團,可為鏈狀、環狀、网狀結构,利于污染物進入絮体,脫色性好。

合成高分子絮凝劑。

    合成有机高分子絮凝劑多為水溶性聚合物,具有分子量大、分子鏈官能團多的特點。按所帶電荷不同分為陽离子型、陰离子型、非离子型和兩性型絮和非离子型聚合物。

    微生物絮凝劑被廣泛用于給水或污水處理。通過其電荷性質和高分子特性在液体介質中起電荷中和、架橋、网捕、吸附等作用,使膠体脫穩、絮凝、沉淀、固液分离。黃民生等人[18]從活性污泥中分离出能產生高絮凝活性物質的微生物,其產品的淨水效果良好,并可使絮凝劑的總用量大大減少。鄧述波等人[19]利用含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖絮凝劑處理河水,比使用海藻酸鈉、明膠等絮凝劑產生的絮團大、沉降快、上清液度低,且COD值小。尹華等人[20]從石化厂活性污泥中篩選出J-25菌株,利用葡萄糖、味精廢水母液等作為培養液,制備了微生物絮凝劑LMBF-25。該絮凝劑熱穩定性良好,對石化廢水有理想的處理效果,并能改善污泥的沉降性能。

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