絮凝剂在水处理技术中的应用

李玉莹，王希越，张 浩，连丽丽，娄大伟

(吉林化工学院 化学与制药工程学院，吉林 吉林 132022)

废水中主要含有可溶解及不可溶解的固体废物、无机和有机颗粒、金属离子和一些其他杂质等.由于这些颗粒比较小，表面存在电荷，使这些颗粒沉降和过滤时难度更大，更具有挑战性.因此，从废水中除去这些胶体颗粒成为近年来的研究重点.各种传统和先进的技术层出不穷，主要有离子交换、膜过滤、沉淀、溶剂萃取、吸附、絮凝、生物和电解等方法[1-3].综合以上水处理方法，絮凝法作为一种常见的固液分离工艺被广泛应用.该方法可用来处理废水中的悬浮物、溶解性固体、胶体和有机物等.絮凝法具有制备方法简单、絮凝效率高等优点，能够显著的降低污水的浊度和色度，并且一部分絮凝剂还可以有效的处理污水中的重金属离子、微生物等.常用的絮凝剂按照其化学成分可分为四大类：无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂、复合絮凝剂[4-6].主要阐述了四种絮凝剂的絮凝机理及优缺点，并对其在水处理中的应用进行了介绍.

1 无机絮凝剂

1.1 无机低分子絮凝剂

无机低分子絮凝剂主要包括硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁等，其优点主要为成本低廉，絮凝效果好等，曾经在水处理领域得到了广泛的应用.Turchiuli和Fargues[7]将两种低分子无机絮凝剂Al2(SO4)3和FeCl3应用于粘土悬浮液中的污水絮凝.结果表明Al2(SO4)3产生的絮体比FeCl3产生的絮凝体更大、沉降速度更快.然而，由于其存在投加量大，水体中有金属离子残留等缺点，已逐渐被其它絮凝剂替代.

1.2 无机高分子絮凝剂

无机高分子絮凝剂主要包括聚硅酸金属盐、聚合氯化铝、聚合硫酸铁等，相比于无机低分子絮凝剂，它的絮凝投加剂量更小、应用的范围更广[8].其中聚硅酸铝盐兼具电中和及吸附架桥作用，可以促进絮凝剂与水中杂质形成易于沉降的矾花，絮凝剂的成本低、沉降速度快.祝等人[9]，以聚硅酸铝为基础，制备了一种含硼的聚硅酸铝锰絮凝剂，并对其絮凝条件进行了优化，将优化后的絮凝剂应用于松花江模拟水样，浊度和色度去除率均为95%以上.

2 有机絮凝剂

2.1 合成有机絮凝剂

合成高分子聚合物作为一种有机絮凝剂，可以显著提高絮凝效率，因此对它的研究也十分广泛.一些商用的絮凝剂大多为合成有机絮凝剂，它们主要是由丙烯酰胺和丙烯酸等多种单体组成的.在大多数情况下来自油基和不可再生的原材料[10].常用的高分子絮凝剂有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚(二烯丙基二甲基氯化铵)、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)接枝纤维素纳米晶体合成两种絮凝剂，并应用于高岭土悬浮液.对这两种絮凝剂的絮凝性能，包括絮凝剂用量、沉降时间和絮凝剂粒径进行了研究和比较.结果表明，聚N,N-二甲基丙烯酰胺接枝纤维素纳米晶的絮凝性能优于聚丙烯酰胺接枝纤维素纳米晶.Chen等人[13]，以丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和酶解木质素为原料，通过接枝法合成了高效木质素接枝阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂，其成本低廉、环境友好、技术可行，在污水处理方面具有广阔的应用前景.

然而，大多数的合成有机絮凝剂主要是从石油原料中提取获得，所以使用的加工化学物质并不总是安全或环保的.而且，其结构具有抗生物降解能力，导致生物降解速度通常非常缓慢，并且降解的产物大多都是有害的，释放的单体可能会进入食物链，从而产生致癌效应[14-16].因此，合成有机絮凝剂的使用一直有待考究.

2.2 天然高分子絮凝剂

天然高分子聚合物作为一种可再生、容易降解的物质引起了广泛的关注.它主要包括淀粉、壳聚糖、木质素、纤维素等[17-20].将天然高分子聚合物作为絮凝剂使用，有效的解决了合成有机絮凝剂可能会造成的二次污染问题.然而天然高分子聚合物也具有一定的局限性，这种聚合物的分子量小、电荷密度低、水溶性较差，导致其在单独使用时效果不佳[21].将天然高分子聚合物进行改性，不仅可以解决以上问题，同时还可提高絮凝效率.该过程主要是通过醚化、酯化、氧化、接枝共聚等化学改性方法在天然高分子的分子链上引入官能团来增强其絮凝性能[22].Yang等人[23]，以三氯-2-羟丙基三甲基氯化铵改性淀粉接枝聚丙烯酸为原料，采用不同的接枝比例，成功地合成了一系列两性淀粉接枝絮凝剂，并用于去除水中的各种带电污染物，具有较好的去除效率.Zheng等人[24]，将壳聚糖与丙烯酰胺在不同的引发体系：热引发体系、紫外引发体系和超声引发体系下，进行了接枝共聚，并应用于偶氮染料的去除，去除效率较高.

3 微生物絮凝剂

近年来，微生物絮凝剂是一种新型的絮凝剂，被应用于改善供水处理的絮凝过程[25].微生物絮凝剂(MBFs)是由微生物产生的高分子量长链聚电解质，可絮凝悬浮物、细胞、胶态固体等[26].Yao等人[27]，研究了MBFs对污水中两种有代表性的金属Fe3+和Pb2+的去除效果.将MBFs加入含有不同浓度Fe3+和Pb2+的合成废水中，分析絮凝程度.结果表明，随着重金属浓度的增加，对金属的去除效率降低，MBFs对金属的吸附能力增加.然而，微生物絮凝剂的培养成本较高、产量低，絮凝效果稳定性不佳，在商用市场上缺乏竞争力.

4 复合絮凝剂

在复合絮凝剂中，无机-有机复合絮凝剂的发展尤为突出，将无机与有机絮凝剂结合，可以弥补单一絮凝剂使用范围窄的缺点，同时也大大提高了絮凝剂的絮凝效果.由于天然高分子聚合物具有可生物降解、无污染等特点，对其改性后可应用于水处理领域.因此对无机絮凝剂与改性天然高分子聚合物的复合引起了广泛的关注.二者复合后，不仅可以减少絮凝剂的使用剂量，节约成本，还有利于生态环保.Wei等人提出[28]，逐步添加FeCl3和阳离子淀粉可以显著改善污泥的脱水性能.结果表明，无机絮凝剂和改性天然高分子絮凝剂对废水的处理效果明显优于单独使用两者.

5 结 论

(1) 絮凝剂作为一种重要的污水处理手段，具有操作简单、絮凝效果好等优点，可以有效地应用于水中重金属离子的去除及处理染料废水等.

(2) 在不同种类絮凝剂中，无机絮凝剂虽然制备过程简单，但却需要较大的投加剂量；有机絮凝剂絮凝效果好，但其残留物会对人体造成威胁；微生物絮凝剂的成本高、产量低，该缺点限制了它的应用.

(3) 将两种絮凝剂复合使用，能够发挥协同作用，弥补单一絮凝剂的缺点，有助于提高絮凝效果，因此复合絮凝剂在几种絮凝剂中的发展前景最为广阔.在未来的发展中，还应深入对复合絮凝剂的研究，优化其工艺条件及应用范围，制备出絮凝性能更稳定、环境友好的新型絮凝剂.