聚合氯化鋁絮凝劑處理生活污水的基本技術(shù)
聚合氯化鋁處理生活污水，絮凝劑處理生活污水，生活污水的基本技術(shù)
1997年1月20日，聯(lián)合國(guó)發(fā)出了淡水資源短缺的警報(bào)：“缺水問題將嚴(yán)重制約下世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，并可能導(dǎo)致國(guó)家間的沖突”。這份題為《對(duì)世界淡水資源的全面評(píng)估》的報(bào)告指出，目前全世界1／5以上的人口，即12億人面臨“中高度到高度缺水的壓力”。該報(bào)告還預(yù)測(cè)，到2025年，世界人口將激增到83億，全世界將有1／3的人口遭受“中高度到高度缺水的壓力”。
一、背景和意義
1997年1月20日，聯(lián)合國(guó)發(fā)出了淡水資源短缺的警報(bào)：“缺水問題將嚴(yán)重制約下世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，并可能導(dǎo)致國(guó)家間的沖突”。這份題為《對(duì)世界淡水資源的全面評(píng)估》的報(bào)告指出，目前全世界1／5以上的人口，即12億人面臨“中高度到高度缺水的壓力”。該報(bào)告還預(yù)測(cè)，到2025年，世界人口將激增到83億，全世界將有1／3的人口遭受“中高度到高度缺水的壓力”。
隨著工業(yè)的發(fā)展和人口急劇增長(zhǎng)，淡水緊缺問題已引起世界各國(guó)的普遍關(guān)注，我國(guó)面臨的淡水緊缺問題尤其嚴(yán)峻。我國(guó)水資源居世界第六位，但人均水量?jī)H為世界人均水量的四分之一，居109位，加之淡水資源的時(shí)空分布不均和我國(guó)人口分布不均、社會(huì)發(fā)展不均，造成部分城市淡水資源嚴(yán)重緊缺。目前全國(guó)有300多個(gè)城市缺水，50多個(gè)城市嚴(yán)重缺水。淡水資源緊缺已嚴(yán)重影響這些地區(qū)的人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，每年造成直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千億元。
進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)人口繼續(xù)增長(zhǎng)，將達(dá)到16億高峰，對(duì)土資源的開發(fā)將達(dá)到臨界狀態(tài)，對(duì)水的需求也將進(jìn)一步增加。1993年全國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)居民生活用水已達(dá)到5250億m3，人均用水紡450m3。根據(jù)人口增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，如不節(jié)約用水，初步估計(jì)2030年需增加供水2000～2500億m3才能滿足各方面的需要。黃、淮、海三流域2010年以后，隨著人口的增加，人均水資源將不足400m3，當(dāng)?shù)厮匆褵o潛力可挖，缺水只有遠(yuǎn)距離從長(zhǎng)江調(diào)水才能得以解決。而長(zhǎng)距離調(diào)水成本高、投資大、資金籌措困難，并還受到社會(huì)和環(huán)境等因素制約，工程的實(shí)施難度極大。因此，首先需要采用各種高新技術(shù)，通過節(jié)約用水、利用雨水、污水處理回用、海水利用等途徑，千方百計(jì)努力提高工農(nóng)業(yè)用水的效率。
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)水的需求量也越來越大，與此同時(shí)，水資源的污染也日趨嚴(yán)重，人類可取的水資源正在逐漸減少。我國(guó)是水資源貧乏的國(guó)家之一，人均水量?jī)H為世界人均水量的1/4，目前國(guó)內(nèi)已有300多個(gè)城市缺水，日缺水量約1000萬立方米以上，嚴(yán)重地影響了國(guó)內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)和人民生活。工業(yè)用水一般占城市用水的70%－80%，節(jié)約用水、合理用水的處理受到各行各業(yè)的普遍關(guān)注，各種水處理劑的需求量也日益增加。聚鐵、鋁鹽具有絮凝體形成速度快、礬花密實(shí)、沉降速度快、對(duì)低溫高濁度原水處理效果好、適用水體ｐＨ值范圍廣等特性，同時(shí)還能去除水中的有機(jī)物、懸浮物、重金屬、硫化物及致癌物，無鐵離子的水相轉(zhuǎn)移，脫色、脫油、除臭、除菌功能顯著，且價(jià)格便宜，與其他凈水劑相比，有著很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，其經(jīng)濟(jì)效益也十分明顯，值得大力推廣應(yīng)用。
目前我國(guó)每年的廢水排放量約365億噸，年處理量?jī)H100億噸，處理率不足１／３。目前世界水處理市場(chǎng)中，包括聚鐵在內(nèi)的無機(jī)絮凝劑已占有３／４以上的市場(chǎng)份額。我國(guó)水處理劑工業(yè)雖已具有了一定的規(guī)模和水平，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大量的工業(yè)廢水及民用水處理的要求，與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有不小的差距。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)：今后幾年國(guó)內(nèi)水處理劑的生產(chǎn)將有較快的發(fā)展，年需求量將達(dá)到30萬噸左右，其中絮凝劑的需求量為18萬噸。
二、關(guān)鍵技術(shù)和預(yù)期水平效益
現(xiàn)代廢水處理方法主要分為物理處理法、化學(xué)處理法和生物處理法三類。
物理處理法：通過物理作用分離、回收廢水中不溶解的呈懸浮狀態(tài)的污染物(包括油膜和油珠)的廢水處理法。通常采用沉淀、過濾、離心分離、氣浮、蒸發(fā)結(jié)晶、反滲透等方法。將廢水中懸浮物、膠體物和油類等污染物分離出來，從而使廢水得到初步凈化。
化學(xué)處理法：通過化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)作用來分離、去除廢水中呈溶解、膠體狀態(tài)的污染物或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的廢水處理法。通常采用方法有：中和、混凝、氧化還原、萃取、汽提、吹脫、吸附、離子交換以及電滲透等方法。
生物處理法：通過微生物的代謝作用，使廢水溶液、膠體以及微細(xì)懸浮狀態(tài)的有機(jī)物、有毒物等污染物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無害的物質(zhì)的廢水處理方法。生物處理法又分為需氧處理和厭氧處理兩種方法。需氧處理法目前常用的有活性污泥法、生物濾池和氧化塘等。厭氧處理法，又名生物還原處理法，主要用于處理高濃度有機(jī)廢水和污泥，使用處理設(shè)備，主要為消化池等。與物理、化學(xué)方法相比較，生物法具有運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好的特點(diǎn)。但生物法存在著處理時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)、廢水中含有有毒物質(zhì)存在時(shí)難以使用等缺陷。生物學(xué)家和工程技術(shù)人員正不斷努力，通過改良微生物菌種、改良處理工藝等手段提高生物處理的效果。
通過各種手段對(duì)廢水進(jìn)行處理后再排放可減少污染，但徹底消除污染的方法是不產(chǎn)生污染物?？茖W(xué)家們正在不斷努力，一方面，尋找更有效的廢水處理方法，消除污染物；另一方面，研制設(shè)計(jì)出新的清潔生產(chǎn)工藝，減少污染物的產(chǎn)生。
下面我們來著重談?wù)劵瘜W(xué)處理法中的絮凝法：
強(qiáng)化絮凝過程需要提高兩方面的技術(shù)：
（一）、發(fā)展新型高效能絮凝劑
（二）、發(fā)展高效絮凝反應(yīng)器，技術(shù)上取得新的突破。
同時(shí)做到相互協(xié)同發(fā)展，進(jìn)而將這兩方面優(yōu)勢(shì)有機(jī)地結(jié)合起來，建立新型絮凝工藝技術(shù)系統(tǒng)，從整體上改進(jìn)水處理絮凝過程的質(zhì)量和面貌。
在研究開發(fā)新型高效絮凝劑方面
無機(jī)高分子絮凝劑（IPF）
無機(jī)高分子絮凝劑（IPF）無疑是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。由于它比傳統(tǒng)絮凝劑具有適應(yīng)性強(qiáng)、無毒、可成倍提高效能且相對(duì)價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，因而近年已得到廣泛重視，正逐步發(fā)展成為混凝過程的主流藥劑。其中，聚合氯化鋁是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)最成熟、效能最高、應(yīng)用最為廣泛的無機(jī)高分子絮凝劑品種。同時(shí)，以聚合氯化鋁產(chǎn)品作為基本原料，還可衍生制備出多種系列的適合于不同水質(zhì)處理狀況的復(fù)合型無機(jī)高分子絮凝劑。如聚合鋁鐵、聚合硅鋁以及有機(jī)復(fù)合型絮凝劑。
盡管大量的混凝實(shí)踐證明聚合鋁絮凝劑比傳統(tǒng)鋁鹽凝聚劑的混凝效能提高2~3倍。但對(duì)于這類新型藥劑為何會(huì)突出地高效尚缺乏全面深入的科學(xué)驗(yàn)證和理論診斷，一般的認(rèn)識(shí)和處理方法尚停留在沿用傳統(tǒng)凝聚劑的概念或主觀推斷，尚缺少直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)際上，在聚合鋁應(yīng)用基礎(chǔ)方面，從形態(tài)分布及其轉(zhuǎn)化規(guī)律，聚合反應(yīng)控制參數(shù)及其制備條件，投加后的形態(tài)轉(zhuǎn)化及其穩(wěn)定性，高效凝聚絮凝機(jī)理及效能，以及應(yīng)用工藝技術(shù)等諸多方面，均有別于傳統(tǒng)凝聚劑，這些問題只有經(jīng)過全面系統(tǒng)深入地研究，才能夠得到較確切的解答，同時(shí)促進(jìn)這類新型藥劑的進(jìn)一步提高并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。
基于上述原因，我們就以現(xiàn)代化學(xué)及絮凝理論為基礎(chǔ)，追蹤當(dāng)前國(guó)際研究發(fā)展動(dòng)向，同時(shí)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝及水處理實(shí)踐，從混凝理論的發(fā)展，聚合鋁水解形態(tài)轉(zhuǎn)化及其分布特征，絮凝形態(tài)穩(wěn)定性及電動(dòng)特性，以及高效凝聚絮凝效能，作用機(jī)理與絮凝動(dòng)力學(xué)，聚合鋁高效絮凝應(yīng)用實(shí)踐等多方面進(jìn)行了全面深入、系統(tǒng)地研究，為深入揭示聚合水解－聚合反應(yīng)過程及形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律，闡明聚合鋁水解聚合形態(tài)與凝聚作用機(jī)理及絮凝動(dòng)力學(xué)的相互關(guān)系，建立定量聚合鋁的表面吸附沉淀模式提供科學(xué)理論研究的基礎(chǔ)。同時(shí)也為進(jìn)一步改進(jìn)聚合鋁產(chǎn)品質(zhì)量，提高凝聚劑絮凝效能，拓寬應(yīng)用范圍提供必要的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究依據(jù)。最終為推動(dòng)和發(fā)展我國(guó)無機(jī)高分子絮凝劑的基礎(chǔ)應(yīng)用理論研究，提高工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)水平及其應(yīng)用實(shí)踐作出貢獻(xiàn)。
有機(jī)高分子絮凝劑 高分子絮凝劑種類
目前應(yīng)用于水處理中的高分子凝劑，為分子量由數(shù)萬至數(shù)百萬的高分子水溶性有機(jī)聚合物。有機(jī)高分子絮凝劑具有在顆粒間形成更大的絮體及由此產(chǎn)生的巨大表面吸附作用。因而，近年來國(guó)內(nèi)外在研究和應(yīng)用方面都進(jìn)展得很快。絮凝劑的種類很多，按其來源可分為天然和人工合成的兩大類。
天然高分子絮凝劑 淀粉、單寧、纖維素、藻朊酸鈉、古爾膠、動(dòng)物膠和白明膠等等。天然高分子絮凝劑可經(jīng)過各種化學(xué)改性以適應(yīng)不同的需要，如淀粉可改性為糊精、苛化淀粉、含磷酸鹽－CH2OPO（CH）2和含胺基－CH2CH2NH2的淀粉等。一般來說天然高分子絮凝劑價(jià)格低廉，但分子量較低且不穩(wěn)定，使用時(shí)用量高，效果不佳且排放時(shí)有可能產(chǎn)生BOD等問題。所以，除考慮到毒性而使用人工合成的高分子絮凝劑。其中用得最為廣泛的要屬分子量為300萬以上的聚丙烯酰胺及其衍生物。實(shí)踐證明，不同的高分子絮凝劑，對(duì)不同的水質(zhì)處理效果相差很大，其最佳效果的用量幅度很小，超過一定范圍，反而會(huì)形成復(fù)穩(wěn)。
高聚合度的水溶性有機(jī)高分子聚合物或共聚物的分子中，含有許多能與膠粒和細(xì)徽懸浮物顆粒表面上某些點(diǎn)位起作用的活性基團(tuán)，分子量在數(shù)十萬至數(shù)百萬。根據(jù)聚合物單體上活性基團(tuán)在水中的離解情況，按官能團(tuán)分類可分為非離子型、陰離子型和陽離子型三類。表1是許多高分子絮凝劑的主要官能團(tuán)。
國(guó)內(nèi)外常用的具有代表性的高分子絮凝劑有：非離子型－聚丙烯酰胺（簡(jiǎn)寫為PAM，分子量在150萬－900萬，商品濃度一般為8%）、聚氧化乙烯；陰離子型－聚丙烯酸（PAA）、聚甲基丙烯酸水解聚丙烯酰胺（HPAM）、聚磺基苯乙烯；陽離子型－丁基溴聚乙烯吡、聚二丙烯二甲基胺（PDADMA）。用量一般為廢水量的百萬分之一至百萬分之二。
當(dāng)絮凝劑為離子型，且其電性與膠粒表面電荷相反時(shí)，絮凝劑就考慮到降低ξ電位和吸附橋連的雙重作用，絮凝效果就特別顯著；而當(dāng)其點(diǎn)性與膠粒表面電荷相同時(shí)，則要求雙方的電荷都不太強(qiáng)。為要充分發(fā)揮絮凝劑的吸附橋連作用，應(yīng)使它的長(zhǎng)鏈生長(zhǎng)到最大限度，同時(shí)讓可離解的基團(tuán)達(dá)到最大的離解度且得到充分的暴露，以便產(chǎn)生更多的帶電部位，并與微粒有更多的碰撞機(jī)會(huì)，結(jié)果絮凝效果可提高數(shù)倍。
表1：高分子絮凝劑的主要官能團(tuán)
非離子型官能團(tuán)——OH羥基
——CN腈
——CONH2酰胺
陽離子官能團(tuán)——NH2伯胺
——NH—R仲胺
——N—RR叔胺
R——N—RR季胺
陽離子型官能團(tuán)——COOH羧酸
——SO3H磺酸
——OSO3H硫酸脂
當(dāng)然，絮凝劑的選擇及使用量要根據(jù)廢水的具體性質(zhì)而定，總的原則是所用的絮凝劑必須價(jià)廉、易得、高效、使用量少。生成的絮凝物易沉降分離。使用無機(jī)絮凝劑時(shí)要注意其適用的pH值范圍，一般在投加無機(jī)鹽絮凝劑后再添加pH調(diào)節(jié)劑。對(duì)高分子絮凝劑，為了充分發(fā)揮其在水中的化學(xué)架橋作用，應(yīng)選用能在水中均勻分散、溶解，具有吸附活性基因的高分子化合物、水容性高分子化合物。為了使其在水中處于較大的分散狀態(tài)，一般先用純水或軟水溶解配成一定濃度的溶液，然后再加到待處理的廢水中去。因?yàn)檫@些高分子化合物往往會(huì)受到水質(zhì)的影響。使分子的擴(kuò)散和離子基的離解受到抑制，處理效果下降。
在絮凝反應(yīng)器方面
目前處于主流的反應(yīng)器有：隔板反應(yīng)池、渦流式反應(yīng)池、機(jī)械攪拌反應(yīng)池、靜態(tài)混合器、文丘里管道混合器、機(jī)械加速澄清池、固定絮凝器等等。為了使膠體脫穩(wěn)和絮體顆粒增大密實(shí)，并降低能耗、藥耗，就需要對(duì)絮凝設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行深入研究，開發(fā)出新型高效的絮凝設(shè)備。根據(jù)渦流理論設(shè)計(jì)的多極渦流管式混合器和通過一系列格網(wǎng)以增加水流紊動(dòng)度來提高絮凝效果的豎流往復(fù)折流式絮凝反應(yīng)器便是其中效果較好的兩種絮凝設(shè)備。
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