隨著環(huán)境污染的日益加劇,我國(guó)的飲用水源亦不同程度的受到污染,城市自來(lái)水的水質(zhì)變差的趨勢(shì)已越來(lái)越困擾著自來(lái)水廠。就目前自來(lái)水而言,水質(zhì)變差原因主要有兩個(gè)方面:一是飲用水源受有機(jī)物的污染加劇,使得傳統(tǒng)絮凝劑技術(shù)越來(lái)越難以滿足飲用水水質(zhì)的要求;一是絮凝劑本身的衛(wèi)生質(zhì)量較差,在凈水的同時(shí)又會(huì)對(duì)自來(lái)水造成污染。化學(xué)絮凝作為凈水處理的主要方法,絮凝劑是絮凝技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之所在,本文就飲用水絮凝劑的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用情況簡(jiǎn)要評(píng)述如下。

1　鋁鹽絮凝劑

硫酸鋁是世界上水處理應(yīng)用較早、較多的絮凝劑,具有使用便利,絮凝效果好,一般不會(huì)給處理后的水質(zhì)帶來(lái)不良影響,因而得到了廣泛的應(yīng)用,但由于它也存在著成本高、投量大、處理后出水pH低、處理低溫水效果差、出水殘留鋁離子高等缺點(diǎn),目前已逐漸被聚合氯化鋁(PAC)代替。60年代,日本確定了工業(yè)氫氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚詺溲趸X再溶于鹽酸的工藝,使聚合氯化鋁在飲用水處理中應(yīng)用迅速發(fā)展。我國(guó)從1971年采用“酸溶鋁灰一步法”生產(chǎn)聚合鋁獲得成功后開(kāi)始廣泛代替硫酸鋁和明礬凈水劑?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)大多數(shù)水廠普遍采用聚合氯化鋁(PAC)作凈水劑。聚合鋁是一種無(wú)機(jī)高分子鋁鹽絮凝劑,與硫酸鋁相比,濃度與投加量相等的情況下,適用的pH值范圍寬,水溫低時(shí)仍可保持穩(wěn)定的絮凝效果,具有用量低、腐蝕性小,且除濁、除菌的效果均優(yōu)于硫酸鋁,被稱作70年代劃時(shí)代的絮凝劑。近年來(lái),鑒于聚合氯化鋁用于處理飲用水殘留鋁的問(wèn)題,不少研究學(xué)者又在提高聚合氯化鋁產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上做了大量工作,一定程度上改善了聚合氯化鋁的絮凝性能和降低了處理出水殘留鋁的問(wèn)題。目前,開(kāi)發(fā)研制熱點(diǎn)是在聚合氯化鋁的制造過(guò)程中引入一種或一種以上的陰離子,從而一定程度上改變聚合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)及分布,制造出一類更為理想的新型聚合鋁類絮凝劑。報(bào)道較多的是在PAC中引入SO42-而開(kāi)發(fā)出的聚硫氯化鋁(PACS),由于SO42-的加入增加了聚合鋁的聚合度,與PAC相比,PACS在除油、去濁、脫除COD等方面有著更好的絮凝效果;如在聚合氯化鋁中引入適量PO43-,通過(guò)PO43-的增聚作用,產(chǎn)生新一類高電荷的帶磷酸根的多核中間絡(luò)合物聚磷氯化鋁(PPAC),研究表明:其絮凝效果明顯優(yōu)于PAC[3]。高寶玉研究發(fā)現(xiàn):把聚硅酸與聚合氯化鋁在一定條件下進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)可得一種效果更好的新型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑聚硅氯化鋁(PolyaluminumSilicateChloride,簡(jiǎn)稱PASC),處理出水鋁離子殘留低;另一類鋁鹽絮凝劑是1989年Handy公司開(kāi)發(fā)的絮凝劑———堿式硅酸硫酸鋁(PASS),PASS是一種堿式多核羥基硫酸鋁復(fù)合物,其水溶性的堿化度為40%-60%,有較多的反應(yīng)性鋁,因此其用量少,能生成高密度的絮狀物,沉降迅速,處理后殘余鋁低,與PAC相比,在溫度10°C以下效力不變,且腐蝕性更小,已得到全美科學(xué)財(cái)團(tuán)(NSF)飲用水處理的許可。

2　鐵鹽絮凝劑

鐵鹽絮凝劑主要包括硫酸鐵、硫酸亞鐵、氯化鐵及聚合硫酸鐵等品種。氯化鐵和硫酸鐵等無(wú)機(jī)低分子鐵鹽絮凝劑處理水時(shí),雖然生成的絮體大、沉降速度快、絮凝效果不受水溫的影響,處理低溫或低濁水的效果優(yōu)于鋁鹽絮凝劑,但同時(shí)也存在著腐蝕性強(qiáng)、穩(wěn)定性差、運(yùn)輸與貯存麻煩、殘留水中的鐵離子會(huì)使處理后水著色等缺點(diǎn),故目前我國(guó)自來(lái)水廠較少采用。為克服無(wú)機(jī)低分子鐵鹽絮凝劑的缺點(diǎn),在聚合鋁研制的啟發(fā)下,人們開(kāi)發(fā)了聚合硫酸鐵無(wú)機(jī)高分子絮凝劑。80年代初,我國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)聚合硫酸鐵(PFS),以FeSO4和H2SO4作原料,用空氣或純氧作氧化劑,用亞硝酸鹽作催化劑合成聚合硫酸鐵,但由于亞硝酸鹽是致癌物質(zhì),故只能用于工業(yè)給水和廢水處理,在自來(lái)水廠不能采用。隨著聚合硫酸鐵工藝的不斷開(kāi)發(fā),目前,制備聚合硫酸鐵的方法較多,可以選用更多無(wú)毒無(wú)害的催化劑取代亞硝酸鹽,所制取的聚合硫酸鐵絮凝劑衛(wèi)生質(zhì)量合乎要求。研究表明:聚合硫酸鐵絮凝劑與無(wú)機(jī)低分子絮凝劑比較,具有用量少、pH適用范圍大、有較強(qiáng)的除濁、去除COD、重金屬離子、脫色、脫臭的能力,出水殘留鐵離子少。經(jīng)急性致死試驗(yàn)、亞毒性試驗(yàn)及致畸試驗(yàn)均呈陰性,因而完全可用于飲用水處理。但就目前使用情況來(lái)看,其生產(chǎn)成本仍然較高,加之液體聚合硫酸鐵的貯存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸有諸多不便,因而現(xiàn)有自來(lái)水廠尚未大規(guī)模使用。近年來(lái),一種特殊的聚合硫酸鐵研制成功————堿式硫酸鐵[Fe(OH)SO4]絮凝劑,為我國(guó)自來(lái)水廠的鋁鹽絮凝劑更新,創(chuàng)造了有利條件。其生產(chǎn)工藝采用固態(tài)氧化法,即將FeSO4晶體在固態(tài)狀態(tài)下氧化,用熱空氣氧化而成,氧化時(shí)不加催化劑及其它化學(xué)物質(zhì),可生產(chǎn)出高質(zhì)量的堿式硫酸鐵。堿式硫酸鐵是一種多核絡(luò)合物,為黃色粉末狀固體,根據(jù)硫酸投加量的不同,可將堿式硫酸鐵加工成具有任意鹽基度的聚合硫酸鐵,以滿足處理不同水質(zhì)時(shí)所要求的鹽基度,該生產(chǎn)工藝清潔,衛(wèi)生質(zhì)量可靠,使用于大規(guī)模生產(chǎn),其產(chǎn)品無(wú)潮解性,運(yùn)輸貯存、使用方便,具有傳統(tǒng)的的三價(jià)鐵鹽和聚合硫酸鐵絮凝劑的全部?jī)?yōu)點(diǎn),其應(yīng)用前景可觀,完全可以應(yīng)用于飲用水的凈化處理,以取代或減少對(duì)人體有危害的鋁系絮凝劑。

鑒于鋁鹽絮凝劑存在毒性問(wèn)題,復(fù)合型鐵鹽高分子絮凝劑研制已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。目前,聚合氯硫酸鐵(PFCS)、聚合磷硫酸鐵(PFPS)、鋁鐵共聚型絮凝劑、聚合硅酸鐵(PFSiC)等相繼研制出來(lái)。據(jù)報(bào)道,聚合硅酸鐵絮凝劑具有良好的絮凝效果,表現(xiàn)出較強(qiáng)的電中和作用、吸附架橋及粘附卷掃特征,尤適用于低溫、低濁水處理,其制備、使用方便,無(wú)毒、無(wú)污染,適用于飲用水處理,有望取代傳統(tǒng)鋁鹽絮凝劑。

另外,近年來(lái)高鐵酸鹽的研制開(kāi)發(fā)代表了新一代水處理劑的發(fā)展,高鐵酸鹽中鐵以六價(jià)形式存在,其主要化合物是高鐵酸鉀(K2FeO4),是一種集絮凝、吸附、氧化、消毒及助凝為一體的多功能水處理劑,Ames試驗(yàn)證明:以高鐵酸鉀處理水的過(guò)程中不會(huì)引入或?qū)肴魏斡泻τ卸疚镔|(zhì),其優(yōu)異的絮凝、助凝作用可去除水中細(xì)微懸浮物(甚至包括納米級(jí)懸浮顆粒絮凝),而且尤其對(duì)其中的重金屬和難降解有機(jī)物去除有特殊功效,可取代傳統(tǒng)氯氣消毒,不會(huì)產(chǎn)生新的“三致物”和“優(yōu)先污染物”,特別適用于飲用水的處理,具有重要的研究和開(kāi)發(fā)前景。

3　有機(jī)高分子絮凝劑

有機(jī)高分子絮凝劑一般都是線型高分子聚合物。與無(wú)機(jī)絮凝劑相比,具有用量小、適用于各種條件水質(zhì)、產(chǎn)生的絮凝體粗大、效率高、所產(chǎn)生的污泥容易處理等優(yōu)點(diǎn)。但它的較大缺點(diǎn)是絕大多數(shù)人工合成的有機(jī)高分子絮凝劑都有毒性,不能用來(lái)處理飲用水。

3.1　天然高分子絮凝劑

高分子絮凝劑應(yīng)用于飲用水處理,其安全問(wèn)題有必要予以充分考慮。由于飲用原水處理具有用量較大、衛(wèi)生要求嚴(yán)格等特點(diǎn),故而,價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單、無(wú)毒害、可自然降解的天然高分子絮凝劑較為理想。在已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的天然高分子絮凝劑中陽(yáng)離子占多數(shù),這些絮凝劑按其原料來(lái)源不同,大體可分為淀粉衍生物、纖維素衍生物、植物膠改性產(chǎn)物、多聚糖類及蛋白質(zhì)類改性產(chǎn)物等。由于天然高分子物質(zhì)具有分子量分布廣、活性基團(tuán)多、結(jié)構(gòu)多樣化等特點(diǎn),易于制成性能優(yōu)良的絮凝劑,同時(shí)由于其來(lái)源廣、價(jià)廉、可以再生且無(wú)毒,故這類絮凝劑開(kāi)發(fā)勢(shì)頭較大,已有不少商品化產(chǎn)品。巴西正廣泛研究以天然高分子聚合物作助凝劑。印度一些地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)采用馬錢樹(shù)的種子來(lái)澄清帶泥沙的水。80年代中期,我國(guó)首先問(wèn)世的一種多功能水處理劑CG-A就是一種改性天然高分子復(fù)合藥劑,其兼具絮凝凈化及抑制腐蝕的雙重功效,對(duì)水中細(xì)微顆粒有很強(qiáng)的吸附聚集作用,且投加量少。該絮凝劑經(jīng)廣州市衛(wèi)生防疫站的檢驗(yàn),確認(rèn)為“無(wú)毒級(jí)”,符合飲用原水凈水劑的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。總的來(lái)說(shuō),目前此類產(chǎn)品多用于廢水處理中,飲用水處理中應(yīng)用較少。

3.2　合成高分子絮凝劑

高分子絮凝劑一般可分為陰離子型、非離子型及陽(yáng)離子型,主要含有-COOH、-SO3H、-PO3H2、-NH3OH、-NH2OH等官能團(tuán),如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、季銨鹽類等,以其良好的絮凝凝聚效果及脫色能力,在水處理過(guò)程中起著不可替代的作用,已引起國(guó)外水處理工作者的關(guān)注。在飲用水處理中,使用高分子絮凝劑只是在使用無(wú)機(jī)絮凝劑處理不理想時(shí),才能認(rèn)為是正常的。美國(guó)出現(xiàn)更多使用高分子絮凝劑的傾向。聚丙烯酰胺在我國(guó)是應(yīng)用較多的一種非離子型高分子絮凝劑,使用已有20多年歷史,西北地區(qū)多用來(lái)處理高濁度水。聚丙烯酰胺與其它絮凝劑一起使用,可產(chǎn)生良好的絮凝效果。在飲用水處理時(shí),國(guó)內(nèi)外使用一直持謹(jǐn)慎態(tài)度,對(duì)于完全聚合的聚丙烯酰胺沒(méi)有多大問(wèn)題,但其未完全化合的單體丙烯酰胺有強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性,并且還是強(qiáng)的致癌劑。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者建議,在生活飲用水中,聚丙烯酰胺較高允許濃度,經(jīng)常使用時(shí)為1mg/L,非經(jīng)常使用時(shí)為2mg/L。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,有機(jī)高分子的毒性問(wèn)題基本上已可以解決。美國(guó)已經(jīng)把聚二烯丙基二甲基氯化銨作為飲用水絮凝劑,已獲得聯(lián)邦政府的批準(zhǔn)。我國(guó)在陽(yáng)離子型絮凝劑開(kāi)發(fā)與應(yīng)用上也加快了步伐。陸興章等合成了具有五員環(huán)結(jié)構(gòu)的二甲基二烯丙基銨鹽均聚物與共聚物HC陽(yáng)離子絮凝劑,經(jīng)Ames致變?cè)囼?yàn),結(jié)果全為陰性,經(jīng)急性毒性試驗(yàn)證實(shí)該絮凝劑無(wú)毒性。在上海市水廠進(jìn)行模擬試驗(yàn),投藥量?jī)H為PAC的1%,效果良好,用以處理含砂量高達(dá)100kg/m3-300kg/m3的黃河水,取得了十分成功的經(jīng)驗(yàn)。南京自來(lái)水公司上元門水廠應(yīng)用高分子助凝劑CF與PAC復(fù)合使用,經(jīng)三年比較發(fā)現(xiàn)其使用比單一PAC便宜,且出水水質(zhì)達(dá)標(biāo),經(jīng)江蘇省防疫站檢測(cè)為食品級(jí)、無(wú)毒無(wú)害,可用于飲用水處理。

3.3　微生物絮凝劑

無(wú)機(jī)和有機(jī)合成高分子絮凝劑的生產(chǎn)和應(yīng)用雖取得長(zhǎng)足的發(fā)展,但其使用過(guò)程中不安全性和給環(huán)境造成的二次污染已引起人們的高度重視,因而尋求一種安全的、可生物降解的、對(duì)環(huán)境和人類健康無(wú)害的新型水處理劑———微生物絮凝劑,引起了人們的很大興趣。微生物絮凝劑是利用生物技術(shù),通過(guò)微生物發(fā)酵、抽提、精制而得到的一種水處理劑。其主要成份是一種無(wú)毒的生物高分子化合物,包括機(jī)能蛋白質(zhì)或機(jī)能性多糖類物質(zhì),這就決定了微生物絮凝劑具有生物可分解性的獨(dú)特性質(zhì),而且對(duì)環(huán)境和人類具有無(wú)毒無(wú)害的安全性,并且制造微生物絮凝劑的微生物來(lái)自廣闊的大自然和土壤中,資源很其豐富。由于與無(wú)機(jī)或有機(jī)合成高分子絮凝劑相比的獨(dú)特性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn),用于飲用水處理具有廣泛的前景。目前我國(guó)關(guān)于微生物的研究尚處于起步階段,相信開(kāi)發(fā)高效、無(wú)毒的微生物處理劑將是飲用水絮凝劑開(kāi)發(fā)的一個(gè)新方向。

縱觀絮凝劑的研究發(fā)展過(guò)程,不難看出,飲用水絮凝劑的發(fā)展趨勢(shì)是由低分子向高分子、由無(wú)機(jī)向有機(jī)、由單一型向復(fù)合型、由有機(jī)合成型向天然微生物型轉(zhuǎn)化。絮凝劑產(chǎn)品也將逐漸多樣化、專門化。由于飲用水源污染日益嚴(yán)重,水體中污染成份變得更為復(fù)雜,實(shí)行針對(duì)性的品種開(kāi)發(fā)已成為絮凝劑研究中較為迫切的問(wèn)題。在自來(lái)水工業(yè)中,預(yù)計(jì)今后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)機(jī)絮凝劑仍將是主要處理劑。由于鋁鹽絮凝劑存在殘留鋁的問(wèn)題,今后對(duì)鐵鹽絮凝劑性能的研究仍將成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。