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文章作者: 宏森環(huán)保
絮凝劑在污水處理領(lǐng)域作為強(qiáng)化固液分離的手段，可用于強(qiáng)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(jí)處理或深度處理。當(dāng)用于剩余污泥脫水前的調(diào)理時(shí)，絮凝劑和助凝劑就變成了污泥調(diào)理劑或脫水劑。
1.絮凝劑作用是什么?
絮凝劑的作用機(jī)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?chē)碾x子組成雙電層結(jié)構(gòu)的膠團(tuán)。
采用投藥后快速攪拌的方式，促進(jìn)水中膠體雜質(zhì)顆粒與絮凝劑水解成的膠團(tuán)的碰撞機(jī)會(huì)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(shè)施中沉淀下去或漂浮上來(lái)。
攪拌產(chǎn)生的速度梯度G和攪拌時(shí)間T的乘積GT可以間接表示在整個(gè)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)顆粒碰撞的總次數(shù)，通過(guò)改變GT值可以控制混凝反應(yīng)效果。一般控制GT值在104～105之間，考慮到雜質(zhì)顆粒濃度對(duì)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(kuò)散，并與全部廢水混合均勻的過(guò)程就是混合。水中的雜質(zhì)顆粒與絮凝劑作用，通過(guò)壓縮雙電層和電中和等機(jī)理，失去或降低穩(wěn)定性，生成微絮粒的過(guò)程稱(chēng)為凝聚。凝聚生成微絮粒在架橋物質(zhì)和水流的攪動(dòng)下，通過(guò)吸附架橋和沉淀物網(wǎng)捕等機(jī)理成長(zhǎng)為大絮體的過(guò)程稱(chēng)為絮凝。混合、凝聚和絮凝合起來(lái)稱(chēng)為混凝，混合過(guò)程一般在混合池中完成，凝聚和絮凝在反應(yīng)池中進(jìn)行。
2、絮凝劑的種類(lèi)有哪些？
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(lèi)物質(zhì)。按照化學(xué)成分，絮凝劑可分為無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑以及微生物絮凝劑三大類(lèi)。
下面主要介紹一下最常用的無(wú)機(jī)、有機(jī)絮凝劑：
無(wú)機(jī)絮凝劑包括鋁鹽、鐵鹽及其聚合物。
有機(jī)絮凝劑按照聚合單體帶電集團(tuán)的電荷性質(zhì)，可分為陰離子型、陽(yáng)離子型、非離子型、兩性型等幾種，按其來(lái)源又可分為人工合成和天然高分子絮凝劑兩大類(lèi)。
3、無(wú)機(jī)絮凝劑的種類(lèi)有哪些?
傳統(tǒng)應(yīng)用的無(wú)機(jī)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(lái)講，無(wú)機(jī)絮凝劑具有原料易得，制備簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、處理效果適中等特點(diǎn)，因而在水處理中應(yīng)用較多。
4、無(wú)機(jī)絮凝劑硫酸鋁的特點(diǎn)有哪些?
自19世紀(jì)末美國(guó)最先將硫酸鋁用于給水處理并取得專(zhuān)利以來(lái)，硫酸鋁就以卓越的凝聚沉降性能而被廣泛應(yīng)用。硫酸鋁是目前世界上使用最多的絮凝劑，全世界年產(chǎn)硫酸鋁約500萬(wàn)噸，其中將近一半用于水處理領(lǐng)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(guó)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(fù)鹽，但在工業(yè)水及廢水處理中應(yīng)用不多。
硫酸鋁適用的pH值范圍與原水的硬度有關(guān)，處理軟水時(shí)，適宜pH值為5～6.6，處理中硬水時(shí)，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(shí)混凝效果很差。硫酸鋁的腐蝕性較小、使用方便，但水解反應(yīng)慢，需要消耗一定的堿量。
5、無(wú)機(jī)絮凝劑三氯化鐵的特點(diǎn)有哪些?
三氯化鐵是另一種常用的無(wú)機(jī)低分子凝聚劑，產(chǎn)品有固體的黑褐色結(jié)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(duì)溫度、水質(zhì)及pH的適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
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(shí)效果仍很好。固體三氯化鐵具有強(qiáng)烈的吸水性，腐蝕性較強(qiáng)，易腐蝕設(shè)備，對(duì)溶解和投加設(shè)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(jī)理是利用三價(jià)鐵離子逐級(jí)水解生成的各種羥基鐵離子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程中會(huì)消耗大量的堿，當(dāng)原水堿度不夠時(shí)，需要補(bǔ)充石灰等堿源。
硫酸亞鐵俗稱(chēng)綠礬，形成絮凝體快而穩(wěn)定，沉淀時(shí)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(qiáng)。
6、無(wú)機(jī)高分子絮凝劑的種類(lèi)有哪些?
無(wú)機(jī)高分子絮凝劑是從60年代起世界上發(fā)展起來(lái)的新型絮凝劑，目前，其生產(chǎn)和應(yīng)用在全世界都取得了迅速進(jìn)展。
鋁、鐵和硅類(lèi)的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑實(shí)際上分別是它們由水解、溶膠到沉淀過(guò)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(yáng)離子型荷正電，硅是陰離子型荷負(fù)電，它們?cè)谒軕B(tài)的單元分子量約為數(shù)百到數(shù)千，可以相互結(jié)合成為具有分形結(jié)構(gòu)的集聚體。
它們的凝聚—絮凝過(guò)程是對(duì)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(jí)，大多帶負(fù)電荷，因此絮凝劑及其形態(tài)的電荷正負(fù)、電性強(qiáng)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(wú)機(jī)高分子絮凝劑的種類(lèi)已有幾十種，產(chǎn)量也達(dá)到絮凝劑總產(chǎn)量的30%～60%，其中最常用及廣泛使用的為聚合氯化鋁，即PAC。
7、無(wú)機(jī)高分子絮凝劑的特點(diǎn)有哪些?
Al(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)的羥基和氧基聚合物都會(huì)進(jìn)一步結(jié)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(jí)范圍，以此發(fā)揮凝聚—絮凝作用會(huì)得到低投加量高效果的結(jié)果。
若比較它們的反應(yīng)聚合速度，鋁聚合物的反應(yīng)較緩和，形態(tài)較穩(wěn)定，鐵的水解聚合物則反應(yīng)迅速，容易失去穩(wěn)定而發(fā)生沉淀。
無(wú)機(jī)高分子絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)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(jī)高分子絮凝劑價(jià)格低廉。現(xiàn)在PAC成功地應(yīng)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(yù)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(yīng)的凝聚—絮凝效果方面，無(wú)機(jī)高分子絮凝劑仍處于傳統(tǒng)金屬鹽絮凝劑與有機(jī)高分子絮凝劑之間的位置。
8、聚合氯化鋁的特點(diǎn)有哪些?
聚合氯化鋁，簡(jiǎn)稱(chēng)PAC，化學(xué)式為ALn(OH)mCL3n-m。PAC是一種多價(jià)電解質(zhì)，能顯著地降低水中粘土類(lèi)雜質(zhì)(多帶負(fù)電荷)的膠體電荷。由于相對(duì)分子質(zhì)量大，吸附能力強(qiáng)，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(shí)間。PAC受水溫影響較小，低水溫時(shí)使用效果也很好。它對(duì)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(duì)設(shè)備、管道等腐蝕性也小。因此，PAC在水處理領(lǐng)域有逐步替代硫酸鋁的趨勢(shì)，其缺點(diǎn)是價(jià)格較傳統(tǒng)絮凝劑高。
另外，從溶液化學(xué)的角度看，PAC是鋁鹽水解—聚合—沉淀反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)中間產(chǎn)物，熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，一般液體PAC產(chǎn)品均應(yīng)較短時(shí)間內(nèi)使用，(固體產(chǎn)品性能穩(wěn)定，則可較長(zhǎng)期保存)。添加某些無(wú)機(jī)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(shí)可增加凝聚能力。
從生產(chǎn)工藝講，在PAC的制造過(guò)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(jié)構(gòu)和形態(tài)分布，進(jìn)而提高PAC的穩(wěn)定性和功效;如果在PAC的制造過(guò)程中引入其它陽(yáng)離子組分，如Fe3+，使Al3+和Fe3+交錯(cuò)水解聚合，可制得復(fù)合絮凝劑聚合鋁鐵。
9、人工合成有機(jī)高分子絮凝劑的種類(lèi)有哪些?
人工合成有機(jī)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(xiàn)型高分子物質(zhì)，每個(gè)大分子由許多包含帶電基團(tuán)的重復(fù)單元組成，因而也稱(chēng)為聚電解質(zhì)。包含帶正電基團(tuán)的為陽(yáng)離子型聚電解質(zhì)，包含帶負(fù)電基團(tuán)的為陰離子型聚電解質(zhì)，既包含帶正電基團(tuán)又包含帶負(fù)電基團(tuán)，稱(chēng)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(duì)水中負(fù)電膠體雜質(zhì)只能發(fā)揮助凝作用。往往不能單獨(dú)使用，而是配合鋁鹽、鐵鹽使用。陽(yáng)離子型絮凝劑能同時(shí)發(fā)揮凝聚和絮凝作用而單獨(dú)使用，故得到較快發(fā)展。
我國(guó)當(dāng)前使用較多的是聚丙烯酰胺類(lèi)非離子型高聚物，常與鐵、鋁鹽合用。利用鐵、鋁鹽對(duì)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(mǎn)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(qiáng)韌的特點(diǎn)。我國(guó)目前生產(chǎn)的人工合成有機(jī)高分子絮凝劑中80%是這種產(chǎn)品。
10、聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的特點(diǎn)有哪些?
聚丙烯酰胺PAM是一種目前應(yīng)用最廣泛的人工合成有機(jī)高分子絮凝劑，有時(shí)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(guò)懸浮聚合得到聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺屬于水溶性樹(shù)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(shí)際存在形態(tài)是無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)，由于無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)具有一定的粒徑尺寸，其表面又有一些酰胺基團(tuán)，因此能夠起到相應(yīng)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(zhǎng)鏈卷曲成線(xiàn)團(tuán)，使其架橋范圍較小，兩個(gè)酰胺基締結(jié)后，相當(dāng)于作用相互抵消而喪失兩個(gè)吸附位，再加上部分酰胺基卷藏在線(xiàn)團(tuán)結(jié)構(gòu)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(jié)在一起的酰胺基再次分開(kāi)、內(nèi)藏的酰胺基也能暴露在外表，人們?cè)O(shè)法將無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)適當(dāng)延伸展開(kāi)，甚至設(shè)法在長(zhǎng)分子鏈上增加一些帶有陽(yáng)離子或陰離子的基團(tuán)，同時(shí)提高吸附架橋能力和電中和壓縮雙電層的作用。這樣一來(lái)，在PAM的基礎(chǔ)上又衍生出一系列性質(zhì)各異的聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑或助凝劑。
比如說(shuō)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(jié)構(gòu)上的COO-基使分子鏈帶有負(fù)電荷，彼此相斥將原來(lái)締結(jié)在一起的酰胺基拉開(kāi)，促使分子鏈由線(xiàn)團(tuán)狀逐漸伸展成長(zhǎng)鏈狀，從而使架橋范圍擴(kuò)大、提高絮凝能力，作為助凝劑其優(yōu)勢(shì)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(guān)，“水解度”過(guò)小會(huì)導(dǎo)致混凝或助凝效果較差，“水解度”過(guò)大會(huì)增加制作成本。
