絮凝劑在水處理技術中的應用

李玉瑩，王希越，張 浩，連麗麗，婁大偉

(吉林化工學院 化學與制藥工程學院，吉林 吉林 132022)

廢水中主要含有可溶解及不可溶解的固體廢物、無機和有機顆粒、金屬離子和一些其他雜質等.由于這些顆粒比較小，表面存在電荷，使這些顆粒沉降和過濾時難度更大，更具有挑戰性.因此，從廢水中除去這些膠體顆粒成為近年來的研究重點.各種傳統和先進的技術層出不窮，主要有離子交換、膜過濾、沉淀、溶劑萃取、吸附、絮凝、生物和電解等方法[1-3].綜合以上水處理方法，絮凝法作為一種常見的固液分離工藝被廣泛應用.該方法可用來處理廢水中的懸浮物、溶解性固體、膠體和有機物等.絮凝法具有制備方法簡單、絮凝效率高等優點，能夠顯著的降低污水的濁度和色度，并且一部分絮凝劑還可以有效的處理污水中的重金屬離子、微生物等.常用的絮凝劑按照其化學成分可分為四大類：無機絮凝劑、有機絮凝劑、微生物絮凝劑、復合絮凝劑[4-6].主要闡述了四種絮凝劑的絮凝機理及優缺點，并對其在水處理中的應用進行了介紹.

1 無機絮凝劑

1.1 無機低分子絮凝劑

無機低分子絮凝劑主要包括硫酸鋁、硫酸鐵、硫酸亞鐵等，其優點主要為成本低廉，絮凝效果好等，曾經在水處理領域得到了廣泛的應用.Turchiuli和Fargues[7]將兩種低分子無機絮凝劑Al2(SO4)3和FeCl3應用于粘土懸浮液中的污水絮凝.結果表明Al2(SO4)3產生的絮體比FeCl3產生的絮凝體更大、沉降速度更快.然而，由于其存在投加量大，水體中有金屬離子殘留等缺點，已逐漸被其它絮凝劑替代.

1.2 無機高分子絮凝劑

無機高分子絮凝劑主要包括聚硅酸金屬鹽、聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵等，相比于無機低分子絮凝劑，它的絮凝投加劑量更小、應用的范圍更廣[8].其中聚硅酸鋁鹽兼具電中和及吸附架橋作用，可以促進絮凝劑與水中雜質形成易于沉降的礬花，絮凝劑的成本低、沉降速度快.祝等人[9]，以聚硅酸鋁為基礎，制備了一種含硼的聚硅酸鋁錳絮凝劑，并對其絮凝條件進行了優化，將優化后的絮凝劑應用于松花江模擬水樣，濁度和色度去除率均為95%以上.

2 有機絮凝劑

2.1 合成有機絮凝劑

合成高分子聚合物作為一種有機絮凝劑，可以顯著提高絮凝效率，因此對它的研究也十分廣泛.一些商用的絮凝劑大多為合成有機絮凝劑，它們主要是由丙烯酰胺和丙烯酸等多種單體組成的.在大多數情況下來自油基和不可再生的原材料[10].常用的高分子絮凝劑有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚(二烯丙基二甲基氯化銨)、聚胺等[11].Liu等人[12]，使用聚丙烯酰胺和聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)接枝纖維素納米晶體合成兩種絮凝劑，并應用于高嶺土懸浮液.對這兩種絮凝劑的絮凝性能，包括絮凝劑用量、沉降時間和絮凝劑粒徑進行了研究和比較.結果表明，聚N,N-二甲基丙烯酰胺接枝纖維素納米晶的絮凝性能優于聚丙烯酰胺接枝纖維素納米晶.Chen等人[13]，以丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和酶解木質素為原料，通過接枝法合成了高效木質素接枝陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑，其成本低廉、環境友好、技術可行，在污水處理方面具有廣闊的應用前景.

然而，大多數的合成有機絮凝劑主要是從石油原料中提取獲得，所以使用的加工化學物質并不總是安全或環保的.而且，其結構具有抗生物降解能力，導致生物降解速度通常非常緩慢，并且降解的產物大多都是有害的，釋放的單體可能會進入食物鏈，從而產生致癌效應[14-16].因此，合成有機絮凝劑的使用一直有待考究.

2.2 天然高分子絮凝劑

天然高分子聚合物作為一種可再生、容易降解的物質引起了廣泛的關注.它主要包括淀粉、殼聚糖、木質素、纖維素等[17-20].將天然高分子聚合物作為絮凝劑使用，有效的解決了合成有機絮凝劑可能會造成的二次污染問題.然而天然高分子聚合物也具有一定的局限性，這種聚合物的分子量小、電荷密度低、水溶性較差，導致其在單獨使用時效果不佳[21].將天然高分子聚合物進行改性，不僅可以解決以上問題，同時還可提高絮凝效率.該過程主要是通過醚化、酯化、氧化、接枝共聚等化學改性方法在天然高分子的分子鏈上引入官能團來增強其絮凝性能[22].Yang等人[23]，以三氯-2-羥丙基三甲基氯化銨改性淀粉接枝聚丙烯酸為原料，采用不同的接枝比例，成功地合成了一系列兩性淀粉接枝絮凝劑，并用于去除水中的各種帶電污染物，具有較好的去除效率.Zheng等人[24]，將殼聚糖與丙烯酰胺在不同的引發體系：熱引發體系、紫外引發體系和超聲引發體系下，進行了接枝共聚，并應用于偶氮染料的去除，去除效率較高.

3 微生物絮凝劑

近年來，微生物絮凝劑是一種新型的絮凝劑，被應用于改善供水處理的絮凝過程[25].微生物絮凝劑(MBFs)是由微生物產生的高分子量長鏈聚電解質，可絮凝懸浮物、細胞、膠態固體等[26].Yao等人[27]，研究了MBFs對污水中兩種有代表性的金屬Fe3+和Pb2+的去除效果.將MBFs加入含有不同濃度Fe3+和Pb2+的合成廢水中，分析絮凝程度.結果表明，隨著重金屬濃度的增加，對金屬的去除效率降低，MBFs對金屬的吸附能力增加.然而，微生物絮凝劑的培養成本較高、產量低，絮凝效果穩定性不佳，在商用市場上缺乏競爭力.

4 復合絮凝劑

在復合絮凝劑中，無機-有機復合絮凝劑的發展尤為突出，將無機與有機絮凝劑結合，可以彌補單一絮凝劑使用范圍窄的缺點，同時也大大提高了絮凝劑的絮凝效果.由于天然高分子聚合物具有可生物降解、無污染等特點，對其改性后可應用于水處理領域.因此對無機絮凝劑與改性天然高分子聚合物的復合引起了廣泛的關注.二者復合后，不僅可以減少絮凝劑的使用劑量，節約成本，還有利于生態環保.Wei等人提出[28]，逐步添加FeCl3和陽離子淀粉可以顯著改善污泥的脫水性能.結果表明，無機絮凝劑和改性天然高分子絮凝劑對廢水的處理效果明顯優于單獨使用兩者.

5 結 論

(1) 絮凝劑作為一種重要的污水處理手段，具有操作簡單、絮凝效果好等優點，可以有效地應用于水中重金屬離子的去除及處理染料廢水等.

(2) 在不同種類絮凝劑中，無機絮凝劑雖然制備過程簡單，但卻需要較大的投加劑量；有機絮凝劑絮凝效果好，但其殘留物會對人體造成威脅；微生物絮凝劑的成本高、產量低，該缺點限制了它的應用.

(3) 將兩種絮凝劑復合使用，能夠發揮協同作用，彌補單一絮凝劑的缺點，有助于提高絮凝效果，因此復合絮凝劑在幾種絮凝劑中的發展前景最為廣闊.在未來的發展中，還應深入對復合絮凝劑的研究，優化其工藝條件及應用范圍，制備出絮凝性能更穩定、環境友好的新型絮凝劑.