絮凝劑在污水處理領域作為強化固液分離的手段，可用于強化污水的初次沉淀、浮選處理及活性污泥法之后的二次沉淀，還可用于污水三級處理或深度處理。當用于剩余污泥脫水前的調(diào)理時，絮凝劑和助凝劑就變成了污泥調(diào)理劑或脫水劑。絮凝劑的作用機理：水中膠體顆粒微小、表面水化和帶電使其具有穩(wěn)定性，絮凝劑投加到水中后水解成帶電膠體與其周圍的離子組成雙電層結構的膠團。采用投藥后快速攪拌的方式，促進水中膠體雜質(zhì)顆粒與絮凝劑水解成的膠團的碰撞機會和次數(shù)。水中的雜質(zhì)顆粒在絮凝劑的作用下首先失去穩(wěn)定性，然后相互凝聚成尺寸較大的顆粒，再在分離設施中沉淀下去或漂浮上來。攪拌產(chǎn)生的速度梯度G和攪拌時間T的乘積GT可以間接表示在整個反應時間內(nèi)顆粒碰撞的總次數(shù)，通過改變GT值可以控制混凝反應效果。一般控制GT值在104～105之間，考慮到雜質(zhì)顆粒濃度對碰撞的影響，可以用GTC值作為表征混凝效果的控制參數(shù)，其中C表示污水中雜質(zhì)顆粒的質(zhì)量濃度，而且建議GTC值在100左右。
促使絮凝劑迅速向水中擴散，并與全部廢水混合均勻的過程就是混合。水中的雜質(zhì)顆粒與絮凝劑作用，通過壓縮雙電層和電中和等機理，失去或降低穩(wěn)定性，生成微絮粒的過程稱為凝聚。凝聚生成微絮粒在架橋物質(zhì)和水流的攪動下，通過吸附架橋和沉淀物網(wǎng)捕等機理成長為大絮體的過程稱為絮凝。混合、凝聚和絮凝合起來稱為混凝，混合過程一般在混合池中完成，凝聚和絮凝在反應池中進行。絮凝劑是能夠降低或消除水中分散微粒的沉淀穩(wěn)定性和聚合穩(wěn)定性，使分散微粒凝聚、絮凝成聚集體而除去的一類物質(zhì)。按照化學成分，絮凝劑可分為無機絮凝劑、有機絮凝劑以及微生物絮凝劑三大類。有機絮凝劑按照聚合單體帶電集團的電荷性質(zhì)，可分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性型等幾種，按其來源又可分為人工合成和天然高分子絮凝劑兩大類。傳統(tǒng)應用的無機絮凝劑為低分子的鋁鹽和鐵鹽，鋁鹽主要有硫酸鋁(AL2(SO4)3?18H2O)、明礬(AL2(SO4)3?K2SO4?24H2O)、鋁酸鈉(NaALO3)，鐵鹽主要有三氯化鐵(FeCL3?6H20)、硫酸亞鐵(FeSO4?6H20)和硫酸鐵(Fe2(SO4)3?2H20)。一般來講，無機絮凝劑具有原料易得，制備簡便、價格便宜、處理效果適中等特點，因而在水處理中應用較多。
（1）硫酸鋁
自19世紀末美國最先將硫酸鋁用于給水處理并取得專利以來，硫酸鋁就以卓越的凝聚沉降性能而被廣泛應用。硫酸鋁是目前世界上使用較多的絮凝劑，全世界年產(chǎn)硫酸鋁約500萬噸，其中將近一半用于水處理領域。市售硫酸鋁有固、液兩種形態(tài)，固態(tài)的又按其中不溶物的含量分為精制和粗制兩種，我國民間常用于飲用水凈化的固態(tài)產(chǎn)品明礬，就是硫酸鋁與硫酸鉀的復鹽，但在工業(yè)水及廢水處理中應用不多。硫酸鋁適用的pH值范圍與原水的硬度有關，處理軟水時，適宜pH值為5～6.6，處理中硬水時，適宜pH值為6.6～7.2，處理高硬水，適宜pH值為7.2～7.8。硫酸鋁適用的水溫范圍是20oC～40oC，低于10oC時混凝效果很差。硫酸鋁的腐蝕性較小、使用方便，但水解反應慢，需要消耗一定的堿量。
（2）三氯化鐵
三氯化鐵是另一種常用的無機低分子凝聚劑，產(chǎn)品有固體的黑褐色結晶體，也有較高濃度的液體。其具有易溶于水，礬花大而重，沉淀性能好，對溫度、水質(zhì)及pH的適應范圍寬等優(yōu)點。三氯化鐵的適用pH值范圍是9～11，形成的絮體密度大，容易沉淀，低溫或高濁度時效果仍很好。固體三氯化鐵具有強烈的吸水性，腐蝕性較強，易腐蝕設備，對溶解和投加設備的防腐要求較高，具有刺激性氣味，操作條件較差。三氯化鐵的作用機理是利用三價鐵離子逐級水解生成的各種羥基鐵離子來實現(xiàn)對水中雜質(zhì)顆粒的絮凝，而羥基鐵離子的形成需要利用水中大量的羥基，因此使用過程中會消耗大量的堿，當原水堿度不夠時，需要補充石灰等堿源。硫酸亞鐵俗稱綠礬，形成絮凝體快而穩(wěn)定，沉淀時間短，適用于堿度高、濁度大的情況，但色度不易除凈，腐蝕性也較強。無機高分子絮凝劑是從60年代起世界上發(fā)展起來的新型絮凝劑，目前，其生產(chǎn)和應用在全世界都取得了迅速進展。鋁、鐵和硅類的無機高分子絮凝劑實際上分別是它們由水解、溶膠到沉淀過程的中間產(chǎn)物，即Al(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)、Si(Ⅳ)的羥基和氧基聚合物。鋁和鐵是陽離子型荷正電，硅是陰離子型荷負電，它們在水溶態(tài)的單元分子量約為數(shù)百到數(shù)千，可以相互結合成為具有分形結構的集聚體。它們的凝聚—絮凝過程是對水中顆粒物的電中和與粘附架橋兩種作用的綜合體現(xiàn)。水中懸浮顆粒的粒度在納米到微米級，大多帶負電荷，因此絮凝劑及其形態(tài)的電荷正負、電性強弱和分子量、聚集體的粒度大小是決定其絮凝效果的主要因素。目前無機高分子絮凝劑的種類已有幾十種，產(chǎn)量也達到絮凝劑總產(chǎn)量的30%～60%，其中常用及廣泛使用的為聚合氯化鋁，即PAC。
（1）無機高分子絮凝劑的特點
Al(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)的羥基和氧基聚合物都會進一步結合為聚集體，在一定條件下保持在水溶液中，其粒度大致在納米級范圍，以此發(fā)揮凝聚—絮凝作用會得到低投加量高效果的結果。若比較它們的反應聚合速度，鋁聚合物的反應較緩和，形態(tài)較穩(wěn)定，鐵的水解聚合物則反應迅速，容易失去穩(wěn)定而發(fā)生沉淀。無機高分子絮凝劑的優(yōu)點反映在它比傳統(tǒng)絮凝劑如硫酸鋁、氯化鐵的效能更優(yōu)異，而比有機高分子絮凝劑價格低廉。現(xiàn)在PAC成功地應用在給水、工業(yè)廢水以及城市污水的各種處理流程，包括預處理、中間處理和深度處理中，逐漸成為主流絮凝劑。但是，在形態(tài)、聚合度及相應的凝聚—絮凝效果方面，無機高分子絮凝劑仍處于傳統(tǒng)金屬鹽絮凝劑與有機高分子絮凝劑之間的位置。
（2）聚合氯化鋁PAC
聚合氯化鋁，簡稱PAC，化學式為ALn(OH)mCL3n-m。PAC是一種多價電解質(zhì)，能顯著地降低水中粘土類雜質(zhì)(多帶負電荷)的膠體電荷。由于相對分子質(zhì)量大，吸附能力強，形成的絮凝體較大，絮凝沉淀性能優(yōu)于其他絮凝劑。PAC聚合度較高，投加后快速攪拌，可以大大縮短絮凝體形成時間。PAC受水溫影響較小，低水溫時使用效果也很好。它對水的pH值降低較少，適用的pH范圍寬(可在pH=5～9范圍內(nèi)使用)，故可不投加堿劑。PAC的投加量少，產(chǎn)泥量也少，且使用、管理、操作都較方便，對設備、管道等腐蝕性也小。因此，PAC在水處理領域有逐步替代硫酸鋁的趨勢，其缺點是價格較傳統(tǒng)絮凝劑高。另外，從溶液化學的角度看，PAC是鋁鹽水解—聚合—沉淀反應過程的動力學中間產(chǎn)物，熱力學上是不穩(wěn)定的，一般液體PAC產(chǎn)品均應較短時間內(nèi)使用，（固體產(chǎn)品性能穩(wěn)定，則可較長期保存）。添加某些無機鹽(如CaCl2、MnCl2等)或高分子(如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等)可提高PAC的穩(wěn)定性，同時可增加凝聚能力。從生產(chǎn)工藝講，在PAC的制造過程中引入一種或幾種不同的陰離子(如SO42-、PO43-等)，利用增聚作用可以在一定程度上改變聚合物的結構和形態(tài)分布，進而提高PAC的穩(wěn)定性和功效;如果在PAC的制造過程中引入其它陽離子組分，如Fe3+，使Al3+和Fe3+交錯水解聚合，可制得復合絮凝劑聚合鋁鐵。人工合成有機高分子絮凝劑多為聚丙烯、聚乙烯物質(zhì)，如聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺等。這些絮凝劑都是水溶性的線型高分子物質(zhì)，每個大分子由許多包含帶電基團的重復單元組成，因而也稱為聚電解質(zhì)。包含帶正電基團的為陽離子型聚電解質(zhì)，包含帶負電基團的為陰離子型聚電解質(zhì)，既不含帶正電基團又不含帶負電基團，稱之為非離子型聚電解質(zhì)。目前使用較多的高分子絮凝劑是陰離子型，它們對水中負電膠體雜質(zhì)只能發(fā)揮助凝作用。往往不能單獨使用，而是配合鋁鹽、鐵鹽使用。陽離子型絮凝劑能同時發(fā)揮凝聚和絮凝作用而單獨使用，故得到較快發(fā)展。我國當前使用較多的是聚丙烯酰胺類非離子型高聚物，常與鐵、鋁鹽合用。利用鐵、鋁鹽對膠體微粒的電性中和作用和高分子絮凝劑優(yōu)異的絮凝功能，從而得到滿意的處理效果。聚丙烯酰胺在使用中具有投量少，凝聚速度快，絮凝體粒大強韌的特點。我國目前生產(chǎn)的人工合成有機高分子絮凝劑中80%是這種產(chǎn)品。
聚丙烯酰胺類絮凝劑
聚丙烯酰胺PAM是一種目前應用廣泛的人工合成有機高分子絮凝劑，有時也被用作助凝劑。聚丙烯酰胺的生產(chǎn)原料是聚丙烯腈CH2=CHCN，在一定條件下，丙烯腈水解生成丙烯酰胺，丙烯酰胺再通過懸浮聚合得到聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺屬于水溶性樹脂，產(chǎn)品有粒狀固體和一定濃度的粘稠水溶液兩種。聚丙烯酰胺在水的實際存在形態(tài)是無規(guī)線團，由于無規(guī)線團具有一定的粒徑尺寸，其表面又有一些酰胺基團，因此能夠起到相應的架橋和吸附能力，即具有一定的絮凝能力。但由于聚丙烯酰胺長鏈卷曲成線團，使其架橋范圍較小，兩個酰胺基締結后，相當于作用相互抵消而喪失兩個吸附位，再加上部分酰胺基卷藏在線團結構的內(nèi)部，不能與水中的雜質(zhì)顆粒相接觸和吸附，所以其擁有的吸附能力不能充分發(fā)揮。為了使締結在一起的酰胺基再次分開、內(nèi)藏的酰胺基也能暴露在外表，人們設法將無規(guī)線團適當延伸展開，甚至設法在長分子鏈上增加一些帶有陽離子或陰離子的基團，同時提高吸附架橋能力和電中和壓縮雙電層的作用。這樣一來，在PAM的基礎上又衍生出一系列性質(zhì)各異的聚丙烯酰胺類絮凝劑或助凝劑。比如說在聚丙烯酰胺溶液中加堿，使部分鏈節(jié)上的酰胺基轉(zhuǎn)化為羧酸鈉，而羧酸鈉在水中容易離解出鈉離子，使COO-基保留在支鏈上，因此生成部分水解的陰離子型聚丙烯酰胺。陰離子型聚丙烯酰胺分子結構上的COO-基使分子鏈帶有負電荷，彼此相斥將原來締結在一起的酰胺基拉開，促使分子鏈由線團狀逐漸伸展成長鏈狀，從而使架橋范圍擴大、提高絮凝能力，作為助凝劑其優(yōu)勢表現(xiàn)得更為出色。陰離子型聚丙烯酰胺的使用效果與其“水解度”有關，“水解度”過小會導致混凝或助凝效果較差，“水解度”過大會增加制作成本。水的pH值對無機絮凝劑的使用效果影響很大，pH值的大小關系到選用絮凝劑的種類、投加量和混凝沉淀效果。水中的H+和OH-參與絮凝劑的水解反應，因此，pH值強烈影響絮凝劑的水解速度、水解產(chǎn)物的存在形態(tài)和性能。以通過生成Al(OH)3帶電膠體實現(xiàn)混凝作用的鋁鹽為例，當pH值﹤4時，Al3+不能大量水解成Al(OH)3，主要以Al3+離子的形式存在，混凝效果極差。pH值在6.5～7.5之間時，Al3+水解聚合成聚合度很大的Al(OH)3中性膠體，混凝效果較好。pH值﹥8后，Al3+水解成AlO2-，混凝效果又變得很差。水的堿度對pH值有緩沖作用，當堿度不夠時，應添加石灰等藥劑予以補充。當水的pH值偏高時，則需要加酸調(diào)整pH值到中性。相比之下，高分子絮凝劑受pH值的影響較小。水溫影響絮凝劑的水解速度和礬花形成的速度及結構。混凝的水解多是吸熱反應，水溫較低時，水解速度慢且不完全。低溫情況下，水的粘度大，布朗運動減弱，絮凝劑膠體顆粒與水中雜質(zhì)顆粒的碰撞次數(shù)減少，同時水的剪切力增大，阻礙混凝絮體的相互粘合;因此，盡管增加了絮凝劑的投加量，絮體的形成還是很緩慢，而且結構松散、顆粒細小，難以去除。低溫對高分子絮凝劑的影響較小。但要注意的是，使用有機高分子絮凝劑時，水溫不能過高，高溫容易使有機高分子絮凝劑老化甚至分解生成不溶性物質(zhì)，從而降低混凝效果。水中雜質(zhì)顆粒大小參差不齊對混凝有利，細小而均勻會導致混凝效果很差。雜質(zhì)顆粒濃度過低往往對混凝不利，此時回流沉淀物或投加助凝劑可提高混凝效果。水中雜質(zhì)顆粒含有大量有機物時，混凝效果會變差，需要增加投藥量或投加氧化劑等起助凝作用的藥劑。水中的鈣鎂離子、硫化物、磷化物一般對混凝有利，而某些陰離子、表面活性物質(zhì)對混凝有不利影響。絮凝劑的選擇主要取決于水中膠體和懸浮物的性質(zhì)及濃度。如果水中污染物主要呈膠體狀態(tài)，則應首選無機絮凝劑使其脫穩(wěn)凝聚，如果絮體細小，則需要投加高分子絮凝劑或配合使用活化硅膠等助凝劑。很多情況下，將無機絮凝劑與高分子絮凝劑聯(lián)合使用，可明顯提高混凝效果，擴大應用范圍。對于高分子而言，鏈狀分子上所帶電荷量越大，電荷密度越高，鏈越能充分伸展，吸附架橋的作用范圍也就越大，混凝效果會越好。使用混凝法處理任何廢水，都存在最佳絮凝劑和最佳投藥量，通常都要通過試驗確定，投加量過大可能造成膠體的再穩(wěn)定。一般普通鐵鹽、鋁鹽的投加范圍是10～100mg/L，聚合鹽為普通鹽投加量的1/2～1/3，有機高分子絮凝劑的投加范圍是1～5mg/L。當使用多種絮凝劑時，需要通過試驗確定最佳投加順序。一般來說，當無機絮凝劑與有機絮凝劑并用時，應先投加無機絮凝劑，再投加有機絮凝劑。
而處理雜質(zhì)顆粒尺寸在50μm以上時，常先投加有機絮凝劑吸附架橋，再投加無機絮凝劑壓縮雙電層使膠體脫穩(wěn)。在混合階段，要求絮凝劑與水迅速均勻地混合，而到了反應階段，既要創(chuàng)造足夠的碰撞機會和良好的吸附條件讓絮體有足夠的成長機會，又要防止已生成的小絮體被打碎，因此攪拌強度要逐步減小，反應時間要足夠長。
本文轉(zhuǎn)載來源：環(huán)保工程師
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