混凝剂的定义与分类

在混凝处理中，主要通过压缩双电层机理起作用的低分子电解质添加剂常称为凝聚剂；主要通过吸附桥联机理起作用的高分子药剂则称为絮凝剂；同时兼有以上功能的统称为混凝剂。但在大多情况下，絮凝剂也称为混凝剂。当用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某类辅助药剂来提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。

混凝剂种类很多，目前所知，不少于200-300种。按照所加药剂在混凝过程中所起的作用，混凝剂可分为凝聚剂和絮凝剂两类，分别起胶粒脱稳和结成絮体的作用。硫酸铝、二氯化铁等传统混凝剂，实际上属于凝聚剂，采用这类凝聚剂时，在混凝的絮凝阶段往往自动出现尺寸足够大、容易沉淀的絮体，因而不需另加絮凝剂。有些混凝剂，特别是合成聚合物，它们往往不只起絮凝剂的作用，而是起凝聚剂和絮凝剂的双重作用。
根据棍凝剂的化学成分与性质，混凝剂还可分为无机混凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂三大类。微生物絮凝剂是现代生物学与水处理技术相结合的产物，是当前混凝剂研究发展的一个重要方向。
混凝剂的分类如表1-1所列。

混凝剂品种分类表1-1
无机混凝剂	无机小分子混凝剂	阴离子混凝剂阳离子混凝剂	有机混凝剂	合成高分子絮凝剂	阳离子型絮凝剂阴离子型絮凝剂非离子性絮凝剂
	无机高分子混凝剂	铝盐无机高分子混凝剂铁盐无机高分子混凝剂硅酸金属盐基各种复合混凝剂
				天然高分子改性絮凝剂
			微生物絮凝剂	微生物絮凝剂

无机混凝剂
无机混凝剂主要是利用其中的强水解基团水解形成的微絮体使脱粒脱稳，从19世纪末美国最先将硫酸铝用于给水处理并取得专利后，无机混凝剂以其无毒(或低毒)、价格低廉、原料易得等优点得以大量运用。
传统的无机混凝剂在污水一级强化处理中的应用存在投加量大、成本高等缺点。无机高分子絮凝剂(IPF)是20世纪60年代以来发展起来的又一类新型水处理药剂。它比传统絮凝剂性能更优异，又比有机高分子絮凝剂(OPF)价格低廉，尤其在当前水源污染日趋加剧的情况下，IPF发挥了重要作用，因而被称为第二代无机絮凝剂。目前IPF的生产和应用在全世界都得到了迅速发展，已成为主流絮凝剂。在我国絮凝剂市场上，传统絮凝剂的用量仅占20%，而无机高分子絮凝剂(主要是聚合氯化铝PAC和聚合硫酸铁PFS)的用觉则占80%以上，其中PAC占65%-70%，PFS占7%-8%。Jiang Jia-Qian等在实验室制备了聚合硫酸铝铁(PAFS)和聚合硫酸铁(PFS)，并与传统的无机混凝剂硫酸铁(FS)和硫酸铝(AS)进行了对比，结果表明：无机高分子聚合物对藻类、有机物及浊度的去除率远远优于传统混凝剂。Jiang等还提出了用湿式氧化法制备高铁酸盐，结果表明：该法不仅提高了药剂的产量，而且还加强了它的稳定性。
近年来，为适合各类水质净化处理需求，复合型无机高分子混凝剂(IPC)的研制已逐步成为热点。其开发的复合品种很多，如阴离子复合型(向PAC中引入SO24-、PFS中引入氯根等)、阳离子复合型(向聚合氯化铝PAC中引入Fe3-等)、多种离子复合型(铁、硫酸根、氯根的复合)、无机/有机复合型(PAC与聚丙烯酰胺复合)等，此外近年来，研制和应用聚合铝、铁、硅及各种复合型混凝剂成为热点。复合型无机高分子混凝剂与传统的无机混凝剂相比有许多特点:处理效果比传统无机混凝剂更优，而价格较有机高分子混凝剂更便宜，并有成功的应用实例，有成为主流混凝剂的趋势。目前日本、俄罗斯、西欧生产已达到工业化和规模化，流程控制自动化，产品质量稳定，聚合类混凝剂的生产已经占混凝剂总产量的30%-60%。我国无机高分子混凝剂的开发成绩也很显著，陆续研发出了多种原料和工艺制造方法，结合我国的条件，建立起独具特色的工艺路线和生产体系，满足了我国用水和废水处理的发展需要。

有机絮凝剂
有机絮凝剂分为天然高分子改性絮凝剂与合成高分子絮凝剂。天然高分子改性絮凝剂是人类使用较早的絮凝剂，不过其用量远少于合成高分子絮凝剂，其原因在于天然高分子改性絮凝剂电荷密度较小，相对分子质量较低，且易发生生物降解而失去絮凝活性。合成有机高分子絮凝剂都是水溶性聚合物，重复单元中常包含带电基团，因而也被称为聚电解质。包含带正电基团的为阳离子型聚电解质，包含带负电基团的为阴离子型聚电解质，既包含带正电基团又包含带负电基团的为两性型聚电解质，有些人工合成有机高分子絮凝剂在制备中并没有人为地引进带电基团，称为非离子型聚电解质。水及废水处理中，使用较多的是阳离子型、阴离子型和非离子型聚电解质，表1-2是水和废水处理中常用的聚电解质。

常用的聚电解质表1-2
名称	离子型	说明
聚丙烯酰胺(PAM)	非离子型	主要非离子絮凝剂品种
聚氧化乙烯	非离子型	对某些情况很有效
聚乙烯吡咯酮	非离子型	专用絮凝剂
部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)	阴离子型	主要阴离子絮凝剂品种，均聚物
聚乙烯磺酸盐(PSS)	阴离子型	M为金属离子，负电性强电荷对pH值不敏感，均聚物
聚乙烯胺	阴离子型	均聚物，电荷与pH值有关
聚羟基丙基-甲基氯化铵	阳离子型	均聚物，电荷与pH值有关
聚二甲基二烯丙基氯化铵	阳离子型	均聚物，正电性强，电荷对pH值不敏感，主要阳离子絮凝剂品种
聚羟基丙基二甲基氯化铵	阳离子型	均聚物，正电性强，电荷对pH值不敏感
聚二甲基铵甲基丙烯酰胺	阳离子型	主要阳离子絮凝剂品种，电荷与pH值有关
聚二甲基丙基甲基丙烯酰胺	阳离子型	水解为阳离子丙烯酰胺衍生物

在合成的有机高分子絮凝剂中，聚丙烯酰胺(PAM)的应用最多，在美国、日本其市场占有率达80%以上。我国从20世纪60年代开始，先后开发出了水解聚丙烯酰胺、亚甲基聚丙酰胺、磺化聚丙烯酰胺、水溶液状阳离子聚丙烯酰胺、粉末状阳离子聚丙烯酰胺以及淀粉改性的阳离子聚丙烯酰胺等改性聚丙烯酰胺或丙烯酰胺共聚物的许多品种。目前，人们已将其广泛用于采油、工业给水和废水处理、制糖、洗煤、选矿、造纸等工业部门，取得了很好的效果。虽然合成有机高分子混凝剂在许多方面比无机混凝剂优越，但它仍有不可避免的缺陷，主要体现在以下几个方面：a.对胶体表现出很大程度的选择性；b.絮凝后的上清液清澈程度较差，本身不易被生物降解而影响后处理；c.储存期短；d.单体含量偏高或相对分子质量不够理想；e.是否会对人体健康产生长期的影响(包括长期毒性、致癌性、致突变性等)，尚未有定论。
近年来，有机高分子混凝剂-二甲基二烯丙基氯化按的聚合物(HCA)一直是研究的热点问题。由于HCA具有正电荷密度高、水溶性好、分子质量易控制、高效无毒、价格低廉等优点，多被用于饮用水的处理中。

微生物絮凝剂
除无机高分子混凝剂和有机高分子絮凝剂两种主流混凝剂外，微生物絮凝剂(Microbi-al Flocculants，MBF)近年来受到研究者极大关注。它是利用生物技术，从微生物体或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效，且能自然降解的新型水处理絮凝剂。MBF可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的安全与环境污染方面的缺陷，易于生物降解，无二次污染。目前，已应用于纸浆废水、染料废水处理及污泥脱水、发酵菌体去除等领域，取得了良好的絮凝效果。
生物絮凝剂虽都由微生物产生，但由于不同的菌产生的方式不同，有不同的分类。根据生物混凝剂在生物培养液中的分布可将生物絮凝剂分为以下3类。
①直接利用微生物细菌的絮凝剂，活性污泥中的细菌、霉菌、酵母菌、放线菌大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。
②利用微生物细胞液提取生物絮凝剂。如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酰葡萄糖胺等成分均可用作絮凝剂。混凝酵母的絮凝机理在于细胞外壁的甘露聚糖化酶与细胞表面蛋白结合引起细胞聚集。丝状真菌细胞壁多糖化酶除了纤维素、甘露聚糖、葡
萄糖化酶外，还有一种重要的多糖几丁质。几丁质经碱水解之后产生带正电、高效无毒的脱乙酰几丁质，后者含有活性NH2-，和OH-，对许多微生物菌体及其他带负电荷的粒子有极强的混凝作用，它还可以作为一种助凝剂与其他阴离子混凝剂配合使用加大聚体。此外，目前已经广泛用作絮凝剂的褐藻酸也是一些褐藻细胞壁的成分。
③利用微生物细胞代谢产生的絮凝剂。微生物细胞分泌到细胞外援代谢产物主要是细胞的荚膜和黏液质，除水分外，其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物。可用作混凝剂的主要是多糖。Kato曾指出，从活性污泥中分离出的不同的混凝细胞外表面都具有荚膜间质或胞外微纤维，这些胞外聚合物与菌细胞的混凝活性直接相关。微生物细胞产生的具有混凝活性的代谢产物有的储藏在胞内作为内源代谢产物，有的则分泌到胞外或者黏附在菌细胞表面，或者脱离菌体，游离于发酵液中。
微生物絮凝剂由于无毒、高效，无二次污染，使用方便，具有广阔的应用前景，大有可能完全取代或部分取代传统的无机高分子混凝剂和有机高分子絮凝剂。因此对微生物絮凝剂的高效提取一直是各国学者的研究方向。日前微生物絮凝剂的应用还大多处于菌种的筛选阶段，且存在成本较高的缺点，无法适应工业化生产的需要。目前的任务主要是寻找廉价的培养基和控制絮凝剂发挥作用的最佳条件，并对絮凝剂的合成条件及影响絮凝活性的因素进行深入研究以符合工业化生产的要求。必须指出，在对其在实际生产生活中的应用进行研究的同时，还必须进一步加强其作用机理等基础性研究。余荣升等指出，由于生物技术的飞速发展，人们对微生物细胞基因的认识和控制也越来越自如，即可根据不同的废水水质研制出具有针对性的高效MBF，这样不仅可大大降低絮凝剂的投加量，还可以降低处理成本。
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