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。

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?；旌稀⒛酆托跄掀饋?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。

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、非離子型幾種。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)線團(tuán)，由于無(wú)規(guī)線團(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。

(1)水的pH值

水的pH值對(duì)無(wú)機(jī)絮凝劑的使用效果影響很大，pH值的大小關(guān)系到選用絮凝劑的種類(lèi)、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(yīng)，因此，pH值強(qiáng)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(guò)生成Al(OH)3帶電膠體實(shí)現(xiàn)混凝作用的鋁鹽為例，當(dāng)pH值﹤4時(shí)，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(shí)，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(duì)pH值有緩沖作用，當(dāng)堿度不夠時(shí)，應(yīng)添加石灰等藥劑予以補(bǔ)充。當(dāng)水的pH值偏高時(shí)，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。

(2)水溫

水溫影響絮凝劑的水解速度和礬花形成的速度及結(jié)構(gòu)。混凝的水解多是吸熱反應(yīng)，水溫較低時(shí)，水解速度慢且不完全。

低溫情況下，水的粘度大，布朗運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小，難以去除。

低溫對(duì)高分子絮凝劑的影響較小。但要注意的是，使用有機(jī)高分子絮凝劑時(shí)，水溫不能過(guò)高，高溫容易使有機(jī)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。

(3)水中雜質(zhì)成分

水中雜質(zhì)顆粒大小參差不齊對(duì)混凝有利，細(xì)小而均勻會(huì)導(dǎo)致混凝效果很差。雜質(zhì)顆粒濃度過(guò)低往往對(duì)混凝不利，此時(shí)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(jī)物時(shí)，混凝效果會(huì)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(duì)混凝有利，而某些陰離子、表面活性物質(zhì)對(duì)混凝有不利影響。

(4)絮凝劑種類(lèi)

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(yīng)首選無(wú)機(jī)絮凝劑使其脫穩(wěn)凝聚，如果絮體細(xì)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(wú)機(jī)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(kuò)大應(yīng)用范圍。對(duì)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(huì)越好。

(5)絮凝劑投加量

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(guò)試驗(yàn)確定，投加量過(guò)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(jī)高分子絮凝劑的投加范圍是1～5mg/L。

(6)絮凝劑投加順序

當(dāng)使用多種絮凝劑時(shí)，需要通過(guò)試驗(yàn)確定最佳投加順序。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)無(wú)機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑并用時(shí)，應(yīng)先投加無(wú)機(jī)絮凝劑，再投加有機(jī)絮凝劑。

而處理雜質(zhì)顆粒尺寸在50μm以上時(shí)，常先投加有機(jī)絮凝劑吸附架橋，再投加無(wú)機(jī)絮凝劑壓縮雙電層使膠體脫穩(wěn)。

(7)水力條件

在混合階段，要求絮凝劑與水迅速均勻地混合，而到了反應(yīng)階段，既要?jiǎng)?chuàng)造足夠的碰撞機(jī)會(huì)和良好的吸附條件讓絮體有足夠的成長(zhǎng)機(jī)會(huì)，又要防止已生成的小絮體被打碎，因此攪拌強(qiáng)度要逐步減小，反應(yīng)時(shí)間要足夠長(zhǎng)。

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