聚丙烯酰胺在水处理方面的应用

李杨¹，朱玮青²，尹郁¹

（1 天津东郊污水处理厂，天津 300300；2 天津纪庄子污水处理厂，天津 300074）

　　1992年六月，联合国发展大会通过的“21世纪议程”，提出了可持续发展这一人类共同的发展战略。在这一战略中，环境保护是物质基础，而保护水源，控制和治理水污染则是环境保护的重要环节。随着环保事业的发展，对水处理过程产生的污水和污泥的处置，越来越引起人们的重视。而聚丙烯酰胺（简称PAM）则在水处理方面具有非常重要的作用。

　　我国是一个水资源相当贫乏的地区，平均年水资源总量2.8万亿立方米，居世界第六位，但人均占有量只有2710立方米，相当于世界人均占有量的四分之一，居世界第88位。因而在我国，PAM在水处理方面的应用更具有特别重要的意义。

　　PAM是一种线型水溶性高分子，是水溶性高分子中应用最为广泛的品种之一。PAM和它的衍生物可以用作有效的絮凝剂、增稠剂、减阻剂等，普遍应用于水处理、造纸、石油、煤炭、地质、建筑等工业部门。由于PAM分子量高（10³ ~ 10⁷），水溶性好，可调节分子量并可以引进各种离子基团以得到特定的性能。其高分子量时是重要的絮凝剂，因此被广泛应用于污水及饮用水的处理中。

　　在地下水、地面水以及污水中，含有很多成微小颗粒状态存在的杂质，为了去除这些杂质，即平时说的“去除水中的浊度”，可以利用悬浮颗粒的重力作用，通过静止沉淀或慢速流动将杂质去掉。但是能借自然沉降去除的物质都是一些有机物，而且沉降速度很小，多在0.2 mm/s下。随着现代工业和城市建设的发展，自然沉降已不能满足要求，借助化学药品加快沉降的技术早已应用于生产。PAM的酰胺基（-CONH₂）可与许多物质亲和、吸附形成氢键。高分子量PAM在被吸附的粒子间形成“桥联”，使数个甚至数十个粒子连接在一起，生成絮团，加速粒子下沉。这使它成为最理想的絮凝剂。它与无机絮凝剂相比较的优点在于：品种多，能适应多种条件，计量小、效率高、生成的泥渣少，后处理容易。它的投药量约为无机凝聚剂的1/30至1/200。

　　因为PAM是效能最高的高分子有机合成絮凝剂，所以它是我国目前使用最多的絮凝剂。PAM主要以两种形式存在：一种是粉状，一种是胶体。胶体不易于运输，使用也不方便，常用的是粉状产品。PAM又有阳离子、阴离子及非离子，适用于不同用途和不同的絮凝对象。

　　在应用PAM之前，首先将它配成水溶液。一般是将粉状PAM缓慢地、小批量地倒进搅拌着的冷水中，搅拌速度不宜太快，以免过度剪切引起聚合物分子断裂。使其不致结团就可。加入速度也应随着溶液粘度的增加而降低。稍稍提高温度可以稍微增加溶解速度，但温度不宜超过60℃。高分子PAM最高溶液浓度为0.5%，低分子PAM的溶液浓度可配置成1%或稍高一点。溶液配置后不宜长时间存放以免变质。例如：我厂污泥脱水使用干粉状高分子阳离子型PAM，溶解浓度为0.3%。配置时，一边搅拌一边加入被水雾冲散的药剂，在溶药池溶解后的溶液，继续搅拌90分钟，并在当天使用完毕。

　　处理饮用水有严格的质量标准，残余单体含量在0.05%以下，用量在2×10^-6以下；用于处理食品工业用水如洗菜洗水果的水，或用于食品包装纸等方面时，也必须有严格的质量标准，经专门的机关批准和保证。

　　非离子性PAM由于不带离子形官能团，因此，与阴离子PAM相比有以下特点：絮凝性能受废水pH值和盐类波动的影响小；在中性或碱性条件下，其絮凝效果不如阴离子型；絮体强度比阴离子型的要强。

　　阳离子型PAM分子量通常比阴离子或非离子型的聚合物低，其澄清性能主要是通过电中和作用而获得。这类絮凝剂的功能主要是絮凝带负电荷的胶体，具有除浊、脱色等功能，适用于有机胶体含量高的废水，例如染色、造纸、食品、水产品加工等工业废水，以及城市下水处理工艺中的污泥脱水等。城市与工业污水常用活性污泥处理法，生化污泥常常是亲水性很强的胶体，所含水极难脱去，若采用阳离子性PAM类絮凝剂能收到良好的脱水效果。

　　阴离子型PAM絮凝剂适用于粒子表面带正电荷的浆体，和阳离子型相比，它的分子量较高，在水中的分子伸展度较大，因而具有良好的粒子絮体化性能。可有效用于矿物悬浮业的沉降分离。除可用于炼铁高炉、铝加工、造纸等的废水处理外，还应用在城市下水处理的一级处理中。

　　PAM类絮凝剂能适应多种絮凝对象，对某些情况有特殊价值。应用中使用效果与选型、剂量和絮凝工艺有关。例如：某钢厂收尘污水的絮凝澄清，原使用阴离子度20% ~ 30%的PAM，单耗高达2.5 g/m³污水，改用阴离子度PAM单耗仅0.2 g/m³。一般PAM分子量越高则单耗越低。

　　PAM可用于处理电厂用水。在处理中，首先要对原水（如河水）进行澄清处理。常用的化学方法是将PAM和无机凝聚剂（如石灰、硫酸铝）配合使用。因为如单用无机凝聚剂，需高浓度才有效，合用PAM后，无机凝聚剂用量大大下降，这就可以避免由于无机凝聚剂用量大而容易在冷却塔等的换热表面沉积出来，加速设备的腐蚀和结垢。例如：把石灰、三氯化铁和PAM一起使用时，水澄清能力会大大提高。

　　在工业水处理中，低分子量的PAM还可用做冷却水的阻垢剂。低分子量阴离子型PAM能阻止盐类晶体析出和生长，使固体颗粒悬浮而不致沉积，对锅炉、冷却塔及热交换器能起到阻垢作用。

　　工业用水除需要絮凝悬浮物外，常有更多要求，因此，应把PAM类高分子絮凝剂与无机类絮凝剂和一些其他添加剂，如阻垢剂、杀菌藻剂等配合使用。

　　建国以来，特别是改革开放以后，我国虽然在污水处理厂的建设方面取得了一定的成绩，但仍没能控制住水污染。由于我国水污染严重，全国7大水系中近一半河段受不同程度的污染。湖泊、水库富营养化严重，流经城市的河段超过三类标准而不适用于生活用水的达78%，50%以上的城市地下水也受到不同程度的污染。在污水处理方面，90年代初，我国制定了到2000年城市污水处理率达20% ~ 30%，工业废水处理率达34%，城市排污设施普及率达70%的水污染控制总体规划目标。

　　市政污水处理厂和工业废水处理厂的污水都需用PAM等絮凝剂进行絮凝澄清净化处理。一般一座二级污水处理厂产生的污泥量约占处理水量的0.5% ~ 1.0%（体积）。所产生的污泥需要脱水，以产生清净的滤水和高固含量的泥饼，并减少废物污泥的重量和体积，来提高焚化和制作肥料的效力。许多污水处理厂用压滤机来提高脱水率。这些污泥亲水性很强，带负电荷，很难脱水。在机械脱水前必须用PAM进行有效的预处理，以改善污泥性能，提高机械设备的生产能力。污泥脱水所用PAM越来越倾向于使用阳离子产品。以我厂为例，经过对几种类型絮凝剂的测试，得出的结论是：高分子阳离子型PAM的脱水效果最好。现在我厂一直使用阳离子型PAM，使用浓度为0.3%，脱水后泥饼含水率为75%，泥饼厚度为4 ~ 6 mm，大大减少了污泥的重量与体积。

　　目前，PAM已在很多国家的水处理方面得到了广泛应用，以下是美国和日本在使用PAM上的一些情况统计：

表1  美国1993年PAM消耗结构

表2  日本PAM消耗情况   （万t）

　　从上表中可以看出，水处理在PAM消耗量中占有很大比例，这充分证明了PAM在环保中起到的重要作用。所以，对PAM进行深入研究和开发新品有着极大的社会意义。

　　在我国提出的可持续发展战略目标中，控制和治理水污染是环境保护的重要环节。我国自60年代以来就开始PAM的生产，现在，生产技术水平已经达到了90年代先进水平。虽然目前我国的PAM主要应用于石油工业，在污水处理方面还没有得到广泛使用，但预计PAM聚合物的化学药剂在我国水处理方面的应用将有很大的发展。我国将新建万吨/年级规模、技术最先进、产品品种齐全的PAM生产厂。因此预计，在21世纪初，我国将成为全世界PAM产量最大、应用最广、技术最先进的国家之一。