一、 背景和意義
1997年1月20日， 聯合國發出了淡水資源短缺的警報：“缺水問題將嚴重制約下世紀的經濟和社會發展，并可能導致國家間的沖突”。這份題為《對世界淡水資源的全面評估》的報告指出，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”。該報告還預測，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”。
隨著工業的發展和人口急劇增長，淡水緊缺問題已引起世界各國的普遍關注，我國面臨的淡水緊缺問題尤其嚴峻。我國水資源居世界第六位，但人均水量僅為世界人均水量的四分之一，居109位，加之淡水資源的時空分布不均和我國人口分布不均、社會發展不均，造成部分城市淡水資源嚴重緊缺。目前全國有300多個城市缺水，50多個城市嚴重缺水。淡水資源緊缺已嚴重影響這些地區的人民生活和經濟發展，每年造成直接經濟損失數千億元。
進入21世紀，我國人口繼續增長，將達到16億高峰，對土資源的開發將達到臨界狀態，對水的需求也將進一步增加。1993年全國工農業生產和城鄉居民生活用水已達到5250億m3 ，人均用水紡450m3 。根據人口增長，工農業生產發展，如不節約用水，初步估計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 ，當地水源已無潛力可挖，缺水只有遠距離從長江調水才能得以解決。而長距離調水成本高、投資大、資金籌措困難，并還受到社會和環境等因素制約，工程的實施難度極大。因此，首先需要采用各種高新技術，通過節約用水、利用雨水、污水處理回用、海水利用等途徑，千方百計努力提高工農業用水的效率。
隨著工農業生產的迅速發展和人民生活水平的不斷提高，對水的需求量也越來越大，與此同時，水資源的污染也日趨嚴重，人類可取的水資源正在逐漸減少。我國是水資源貧乏的國家之一，人均水量僅為世界人均水量的1/4，目前國內已有300 多個城市缺水，日缺水量約1000萬立方米以上，嚴重地影響了國內的工業生產和人民生活。工業用水一般占城市用水的70%－80%，節約用水、合理用水的處理 受到各行各業的普遍關注，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、沉降速度快、對低溫高濁度原水處理效果好、適用水體ｐＨ值范圍廣等特性，同時還能去除水中的有機物、懸浮物、重金屬、硫化物及致癌物，無鐵離子的水相轉移，脫色、脫油、除臭、除菌功能顯著，且價格便宜，與其他凈水劑相比，有著很強的市場競爭力，其經濟效益也十分明顯，值得大力推廣應用。
目前我國每年的廢水排放量約365億噸，年處理量僅100億噸，處理率不足 1/3。目前世界水處理市場中，包括聚鐵在內的無機絮凝劑已占有3/4以上的市場份額。我國水處理劑工業雖已具有了一定的規模和水平，但仍遠遠不能滿足大量的工業廢水及民用水處理的要求，與國外先進水平相比還有不小的差距。業內人士預計? 今后幾年國內水處理劑的生產將有較快的發展，年需求量將達到30萬噸左右，其中絮凝劑的需求量為18萬噸。
二、 關鍵技術和預期水平效益
現代廢水處理方法主要分為物理處理法、化學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、蒸發結晶、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。
化學處理法：通過化學反應和傳質作用來分離、去除廢水中呈溶解、膠體狀態的污染物或將其轉化為無害物質的廢水處理法。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、膠體以及微細懸浮狀態的有機物、有毒物等污染物質，轉化為穩定、無害的物質的廢水處理方法。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廢水和污泥，使用處理設備，主要為消化池等。與物理、化學方法相比較，生物法具有運行費用低、處理效果好的特點。但生物法存在著處理時間相對較長、廢水中含有有毒物質存在時難以使用等缺陷。生物學家和工程技術人員正不斷努力，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。
通過各種手段對廢水進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生污染物 。科學家們正在不斷努力，一方面，尋找更有效的廢水處理方法，消除污染物；另一方面，研制設計出新的清潔生產工藝，減少污染物的產生。
下面我們來著重談談化學處理法中的絮凝法：
強化絮凝過程需要提高兩方面的技術：
（一）、發展新型高效能絮凝劑
（二）、發展高效絮凝反應器，技術上取得新的突破。
同時做到相互協同發展，進而將這兩方面優勢有機地結合起來，建立新型絮凝工藝技術系統，從整體上改進水處理絮凝過程的質量和面貌。
在研究開發新型高效絮凝劑方面
無機高分子絮凝劑（IPF）
無機高分子絮凝劑（IPF）無疑是當前研究的重點。由于它比傳統絮凝劑具有適應性強、無毒、可成倍提高效能且相對價廉等優點，因而近年已得到廣泛重視，正逐步發展成為混凝過程的主流藥劑。其中，聚合氯化鋁是當前工業生產技術最成熟、效能最高、應用最為廣泛的無機高分子絮凝劑品種。同時，以聚合氯化鋁產品作為基本原料，還可衍生制備出多種系列的適合于不同水質處理狀況的復合型無機高分子絮凝劑。如聚合鋁鐵、聚合硅鋁以及有機復合型絮凝劑。
盡管大量的混凝實踐證明聚合鋁絮凝劑比傳統鋁鹽凝聚劑的混凝效能提高2~3倍。但對于這類新型藥劑為何會突出地高效尚缺乏全面深入的科學驗證和理論診斷，一般的認識和處理方法尚停留在沿用傳統凝聚劑的概念或主觀推斷，尚缺少直接的實驗驗證。實際上，在聚合鋁應用基礎方面，從形態分布及其轉化規律，聚合反應控制參數及其制備條件，投加后的形態轉化及其穩定性，高效凝聚絮凝機理及效能，以及應用工藝技術等諸多方面，均有別于傳統凝聚劑，這些問題只有經過全面系統深入地研究，才能夠得到較確切的解答，同時促進這類新型藥劑的進一步提高并擴展其應用范圍。
基于上述原因，我們就以現代化學及絮凝理論為基礎，追蹤當前國際研究發展動向，同時結合實際生產工藝及水處理實踐，從混凝理論的發展，聚合鋁水解形態轉化及其分布特征，絮凝形態穩定性及電動特性，以及高效凝聚絮凝效能，作用機理與絮凝動力學，聚合鋁高效絮凝應用實踐等多方面進行了全面深入、系統地研究，為深入揭示聚合水解－聚合反應過程及形態轉化規律，闡明聚合鋁水解聚合形態與凝聚作用機理及絮凝動力學的相互關系，建立定量聚合鋁的表面吸附沉淀模式提供科學理論研究的基礎。同時也為進一步改進聚合鋁產品質量，提高凝聚劑絮凝效能，拓寬應用范圍提供必要的應用基礎理論研究依據。最終為推動和發展我國無機高分子絮凝劑的基礎應用理論研究，提高工業化生產技術水平及其應用實踐作出貢獻。
有機高分子絮凝劑
高分子絮凝劑種類
目前應用于水處理中的高分子凝劑，為分子量由數萬至數百萬的高分子水溶性有機聚合物。有機高分子絮凝劑具有在顆粒間形成更大的絮體及由此產生的巨大表面吸附作用。因而，近年來國內外在研究和應用方面都進展得很快。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、動物膠和白明膠等等。天然高分子絮凝劑可經過各種化學改性以適應不同的需要，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格低廉，但分子量較低且不穩定，使用時用量高，效果不佳且排放時有可能產生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。實踐證明，不同的高分子絮凝劑，對不同的水質處理效果相差很大，其最佳效果的用量幅度很小，超過一定范圍，反而會形成復穩。
高聚合度的水溶性有機高分子聚合物或共聚物的分子中，含有許多能與膠粒和細徽懸浮物顆粒表面上某些點位起作用的活性基團，分子量在數十萬至數百萬。根據聚合物單體上活性基團在水中的離解情況，按官能團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。
國內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。
當絮凝劑為離子型，且其電性與膠粒表面電荷相反時，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；而當其點性與膠粒表面電荷相同時，則要求雙方的電荷都不太強。為要充分發揮絮凝劑的吸附橋連作用，應使它的長鏈生長到最大限度，同時讓可離解的基團達到最大的離解度且得到充分的暴露，以便產生更多的帶電部位，并與微粒有更多的碰撞機會，結果絮凝效果可提高數倍。
表1：高分子絮凝劑的主要官能團
非離子型官能團 ——OH 羥 基 ——CN 腈 ——CONH2 酰 胺
陽離子官能團 ——NH2 伯 胺 ——NH—R 仲 胺 ——N—RR 叔 胺 R——N—RR 季 胺
陽離子型官能團 ——COOH 羧 酸 ——SO3H 磺 酸 ——OSO3H 硫酸脂
當然，絮凝劑的選擇及使用量要根據廢水的具體性質而定，總的原則是所用的絮凝劑必須價廉、易得、高效、使用量少。生成的絮凝物易沉降分離。使用無機絮凝劑時要注意其適用的pH值范圍，一般在投加無機鹽絮凝劑后再添加pH調節劑。對高分子絮凝劑，為了充分發揮其在水中的化學架橋作用，應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，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。因為這些高分子化合物往往會受到水質的影響。使分子的擴散和離子基的離解受到抑制，處理效果下降。
在絮凝反應器方面
目前處于主流的反應器有：隔板反應池、渦流式反應池、機械攪拌反應池、靜態混合器、文丘里管道混合器、機械加速澄清池、固定絮凝器等等。為了使膠體脫穩和絮體顆粒增大密實，并降低能耗、藥耗，就需要對絮凝設備結構構造進行深入研究，開發出新型高效的絮凝設備。根據渦流理論設計的多極渦流管式混合器和通過一系列格網以增加水流紊動度來提高絮凝效果的豎流往復折流式絮凝反應器便是其中效果較好的兩種絮凝設備。
三．應用情況和開發利用前景
絮凝過程既是最古老的水質凈化處理方法，又是當今眾多水處理工藝技術中應用最廣泛、最普通的單元操作工藝技術。絮凝過程作為眾多處理工藝流程中不可缺少的前置關鍵環節，其效果的好壞往往決定后續工藝流程的運行工況、最終出水質量和成本費用，因此，它始終是水處理工程中重要的研究開發領域。我國現有近百余家絮凝劑生產廠，年總產量約30萬噸，但大多為粗放型小規模的鄉鎮企業。企業多、產值低，工藝技術落后、高能耗、重污染、低品位是目前我國無機高分子絮凝劑生產存在的普遍而突出的問題。
高效復合型絮凝劑是在原有無機高分子絮凝劑基礎上創新發展的新型品種，具有價廉、高效、多功能，反應速度快，凝絮顆粒密實、沉降快等特性。比傳統產品具有顯著除濁、脫氮除磷以及油，COD和BOD等作用功能。在當前飲用水微污染物凈化處理工藝，城鎮污水強化絮凝工藝，納污河流整治以及工業廢水凈化處理過程中都將得到廣泛應用。因此，國內外市場應用前景十分看好。社會環境效益與經濟效益十分可觀。
目前市場上流行的絮凝劑主要有：季胺鹽型陽離子高分子化合物、ZBH-502 聚合氯化鋁(PAC)、ZBH- 凈水王系列高效復合混凝劑、ZBH-聚硅酸系列混凝劑、ZBH-聚丙烯酰胺系列絮凝劑、ZBH-201絮凝脫色劑、ZBH-202 季銨型絮凝劑、ZBH-203 除油絮凝劑（油水分離劑）、二氯異氰脲酸鈉、HB-901 殺菌滅藻劑、HB-902 固體活性溴殺菌滅藻劑、HS-916清洗劑系列、高效陽離子有機高分絮凝劑JY-02、多功能復合型絮凝劑JYF系列、Polyelectrolyte(DMCTH)、陽離子高分子絮凝劑JC-48XX系列、陽離子絮凝劑 HYC—601、乳液型E-HYM陽離子絮凝劑、陰離子絮凝劑HY─3、陽離子絮凝劑HYM、聚合硫酸鐵(PFS)等等。
四、影響絮凝效果的因素
絮凝劑對膠體分散系的混凝過程，實質上是絮凝劑-溶劑、絮凝劑-膠體、膠體-溶劑這三種關系綜合作用的結果。為了提高絮凝效果，就必須根據廢水中膠體和細微懸浮物的性質和濃度，正確地控制絮凝過程的工藝條件。影響絮凝的因素很多，現歸納如下：
1、水溫
絮凝劑的水解與溫度有關，一般說來，水溫20~30℃為宜。每當溫度升高10℃時，水解速度增加1倍。溫度尤其對鋁鹽的絮凝效果影響較大，當水溫低于5℃時，鋁鹽的水解速度極慢，作用顯著降低。溫度在10~15℃下，生成Al（OH）3絮團是無定形，松散不易沉降，水溫低，水的耗滯系數大，阻力增加，碰撞次數減少，影響絮凝效果。這時可投加高分子助凝劑以改善處理效果，或用氣浮法代替沉淀法作為后續處理過程。而當溫度升高時，絮團比較緊密，易于沉降。
2、pH值
鋁、鐵鹽絮凝劑水解產物中主要起絮凝作用的是多核多羥基陽絡離子的電性中和作用和吸附橋連作用，其次是氫氧化物沉淀的卷帶網捕作用。如用鋁、鐵鹽處理廢水時，水解反應式為：
MeA + H2O ===== MeOH + H+ + A—
Me+ + H2O ===== MeOH + H+
其中，Me+代表絮凝劑中的陽離子；A—代表絮凝劑中的陰離子。由水解方程式可知，水解進行結果使溶液pH值降低。若原水堿度不足，要中和新增加的H+離子時，應投入堿類藥劑以提高堿度。一般投入助凝劑，如加入石灰或蘇打（約20mg/L，以CaO計）。
是典型的兩性化合物在酸性溶液中 Al（OH）3 + 3H+ ==== Al3+ + 3H2O 在堿性溶液中 Al（OH）3 + OH— ==== AlO2 + 2H2O
當PH<4時，水中無Al(OH)3膠粒存在，呈[Al(OH)n]3+， n = 6~10。
當4當6當PH>8時，呈[Al(OH)4]、[Al8(OH)26]2—等鋁的離子。
所以溶液最適宜的pH值為6.4~7.8。鐵鹽絮凝時pH值在5~7范圍內，Fe(OH)3絮團可以迅速形成，最佳的pH值為6.0~6.4；但有的資料指出以pH值9~11為佳。
（3）混凝劑的種類及用量
混凝劑品種的選擇除了考慮來源、成本等因素外，還應該考慮以下問題：當水循環使用時，混凝劑不應帶入對生產有害的物質；絮凝劑的用量取決于膠體的濃度、電性正負和電荷數量以及絮凝過程的pH值。各種絮凝的最佳用量范圍是互不相同的。
無機鹽絮凝劑的用量與作用離子的電荷有關。例如，使帶負電膠體脫穩所需的Na+、Ca2+和Al3+的用量大體成1：10－2：10－3的比例。使膠體絮凝的絮凝劑用量范圍隨膠體濃度的增大而變寬，隨絮凝劑分子量的增大而變窄。高分子絮凝劑，使膠體絮凝和再穩的計量要比鋁鐵鹽低得多，在使用高分子絮凝劑時尤其要十分注意使用量。
（4）攪拌強度和時間
絮凝工藝過程包括混合、反應和分離三個階段。混合階段的基本要求是使藥劑迅速而均勻地擴散到廢水中，并形成微絮凝，因而攪拌強度要大，但時間要短。在反應階段則要求水流有適當的速度梯度，既要為微絮凝的成長創造良好的碰撞機會，又要防止已形成的絮凝體被打碎，因而攪拌強度要比混合階段小，但時間要比較長。上述兩個階段的攪拌強度和時間要求，由它們各處的速度梯度G或速度梯度與停留時間乘積GT值來體現。一般水處理中，混合階段的G值約為500~1000s—1，混合時間為10~30s，一般不超過2min;在反應階段，G值約為10~100s－1，停留時間一般為15~30min，GT值在104~105范圍內，主要是使水中微粒凝聚成礬花并增大而沉淀（或上浮）的過程。在廢水處理中，攪拌強度和時間應取低限值。
（5）水樣
對不同水樣，由于廢水中的萬分不同，同一種絮凝劑的處理效果可能會相差很大。
（6）助凝劑
有時當單用絮凝劑不能取得較好的效果時，可以投加某種稱為助凝劑的輔助藥劑來調節、改善絮凝條件，提高處理效果。助凝劑主要起以下幾方面的作用：
① 通過投加酸性或堿性物質來調整pH值。
② 通過投加活化硅膠、骨膠、PAM等改善絮凝體結構，利用高分子助凝劑的吸附架橋作用以增強絮凝體的密實性和沉降性能。
③ 通過投加氯、臭氧等氧化劑，在采用FeSO4是，可將Fe2+氧化Fe3+為，當廢水中有機物過高時，也可使其氧化分解，破壞其干擾或使膠體脫穩，以提高絮凝效果。
常見的助凝劑有PAM、活化硅膠、骨膠、海藻酸鈉、氯氣、氧化鈣、活性炭等。
五、聚合鋁水處理領域應用概況
在水處理工程領域中，聚合氯化鋁絮凝劑在國內外的需求量日益激增，尤其在給水處理中已逐漸取代傳統的凝聚劑而成為主流絮凝劑。大量的應用實踐證明，使用聚合氯化率替代傳統的鐵、鋁鹽混凝劑，可明顯提高水廠的凈化效能、降低處理成本、改善出水水質。其主要優點表現在：
（一）、優良的凝聚除濁脫色和去除腐殖質的效果及較廣泛的使用pH范圍 聚合氯化鋁不僅具有強烈的凝聚除濁效果，而且也具有明顯脫色及去除腐殖質的效果。在相同處理條件下達到最佳絮凝作用，聚合鋁所需劑量比傳統鋁鹽要減少2/3之多。在相同劑量條件下，使用聚合鋁能夠獲得比傳統鋁鹽更低的殘余濁度，因而可以以較低劑量得到相同的處理結果。此外，聚合鋁使用的pH范圍比傳統鋁鹽要寬的多。
（二）、良好的低溫混凝處理效能及沉降效能 一般在低溫水（<5℃）時，傳統混凝劑的混凝除濁效能明顯降低并導致出水水質惡化，而使用聚合鋁，無論是低溫還是常溫水，都能獲得較好的混凝除濁效果。此外，聚合鋁能夠明顯提高固液分離效率，改善沉降過濾及污泥脫水性能，從而縮短沉淀池的停留時間，增加產水量。另外，由于所生成絮凝體顆粒大而緊密，從而易于進行過濾和污泥脫水。
（三）、較低的殘留鋁含量 聚合鋁處理后水中的殘留鋁含量十分低，傳統硫酸鋁處理水中的殘留鋁含量一般為150~255μg/L，而聚合鋁處理水質中的殘留鋁含量只有40~55μg/L。
（四）、操作簡便 采用聚合鋁鹽處理時操作過程相對傳統的處理方法要簡便得多。
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